（通信与信息系统专业论文）基于故障树的数传系统传导干扰研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 论文提出了一种分析传导干扰故障的新方法，讨论了传导干扰故障所具有的复杂 性、隐蔽性和多因多果的特性，并用故障树法对数传系统公共阻抗、静电干扰以及线间 串扰等问题进行分析计算，并设计了实用软件用以解决故障。 依据传导干扰的三个基本要素和按照建立故障树的原则，由上到下首先确定数传系 统的传导干扰故障作为故障树的顶事件，线接收器、码变换器、调制器和输出滤波器四 者是引起传导干扰的直接原因，作为中间事件与门和顶事件相连，微波开关、信号线和 功放电源等原因作为中间事件或基本事件，建立第二层故障树，逐级向下演绎，直到所 有的事件都为基本事件为止。 论文确定以下行法求解的正规故障树的最小割集对应传导干扰故障的原因。下行法 即从故障树的顶事件开始，遇到与门将其输入事件排成一行，遇到或门将其输入事件排 成一列，演绎至最底层，并对结果进行比较，从而得到故障树的全部最小割集。 论文依据上述方法对数传系统的传导干扰故障建立正规故障树，通过求解它的最小 割集得到引起数传系统故障的基本原因，并将诊断方法编程为一个实用故障诊断软件， 并从传导干扰的三要素方面对数传系统的传导干扰故障原因进行了分析和计算，讨论了 对故障原因的解决方法。例如，数传系统中的一根0 3 m 的a w g l 4 型接地导线计算它 的阻抗值为0 4q ，这一值偏大，而对于同型材料的宽而扁的接地导线计算的到它的阻 抗值为o 2q ，用后者代替前者满足了接地阻抗的要求。在v c h 6 o 平台下设计的软件 的滤波器部分则快速的求出一个2 级的l c 滤波器对入截止频率为1 5 m h z 的带通滤波 器上2 7 m h z 的传导干扰噪声的抑制值为5 0 d b 。 论文所研究的内容可应用于以下两个方面：系统或设备的电磁兼容设计阶段或已投 入使用后发生传导干扰故障时的诊断、排查和解决阶段，不易遗漏故障原因，具有很强 的工程性和实用性，而软件则为工程人员在对传导干扰故障的诊断及解决过程中提供了 方便。 关键词：传导干扰；故障树；最小割集；数传系统；诊断 基于故障树的数传系统传导干扰研究 t h er e s e a r c ho fc o n d u c t e di n t e r f e r e n c ei nd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m b a s e do nf a u l tt r e e a b s t r a e t 砀et h e s i sp r o m o t e san e wm e t h o dt oa n a l y s i sc o n d u c t e di n t e r f e r e n c e jw h i c hi sc o m p l e x j h i d d e na n dm o r er e a s o n sa n dm o r er e s u l t , a n dt h e na d a p t sf a u l tt r e em e t h o df o rs o l v i n ga n d c a l c u l a t i n gt h ep u b l i ci m p e d a n c e ，e l e c t r o s t a t i ci n t e r f e r e n c ea n dc r o s s t a l kb e t w e e nl i n e si nd a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n da l s od e s i g n sap r a c t i c a ls o f t w a r et or e s o l v et h ei n t e r f e r e n c e a c c o r d i n gt ot h et h r e eb a s i ce l e m e m so fc o n d u c t e di n t e r f e r e n c ea n dt h ep r i n c i p l et o c o n s t r u c tf a u l tt r e e ，t h et h e s i sd e t e r m i n e st h ec o n d u c t e di n t e r f e r e n c eo ft h ed a t at r a n s m i s s i o n s y s t e ma st h et o pe v e n to ff a u l tt r e e l i n er e c e i v e r ，c o d et r a n s f o r m e r , m o d u l a t o ra n do u t p u t f i l t e rd i r e c t l yr e s u l ti nc o n d u c t e di n t e r f e r e n c e w h i c ha r ec o n n e c t e dw i t ht h et o pe v e n tw i t l l a n dg a t ea st h em i d d l ee v e n t m i c r o w a v es w i t c h , s i g n a ll i n ea n dp o w e r - e i l l a r g i n gs o u r c ea r e t r e a t e da sm i d d l ee v e n t so rb a s i ce v e n t st oc o n s t r u c tt h es e c o n dl a y e ro ff a u l tt r e e c o n t i n u e d l i k et h i sl a y e rb yl a y e ru n t i la l le v e n t st u r nt ob eb a s i ce v e n t s i nt h et h e s i s ，u s i n gd o w n l i n km e t h o dt og e tt h em i n i l n u l nc u ts e to ft h ef o r m a lf a u l tt r e e i sd e t e r m i n e da st h er e a s o no fc o n d u c t e di n t e r f e r e n c e b e g i nw i t ht h et o pe v e n t , t h ei n p u t e v e n t so fa 全丁i ) g a t ew e r el i n e du pa n dt h a to fo rg a t ew e r el i n e dd o w n , a n dg ot ot h ed e e p e s t l a y e r t h em i n i m u mc u ts e to ft h ef o r m a lf a u l tt r e ec a nb eo b t a i n e dt h r o u g hc o m p a r i n gt h e r e s u l t s 刀话t h e s i sc o n s t r u c t st h ef o r m a lf a u l tt r e ew i t ht h ea b o v em e t h o d ，t h r o u g hs o l v i n gi t s m i n i n l u mc u ts e t , w eg e tt h eb a s i cr e a s o nf o rd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mf a i l u r e ，a n da l s o d e v e l o pap r a c t i c a lf a u l td i a g n o s i ss o f t w a r e a n dt h e nf r o mt h ev i e wo ft h r e ee l e m e n t so f c o n d u c t e di n t e r f e r e n c em a k ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nf o rt h es y s t e mf a i l u r ea n dd i s c u s s e dt h e s o l v i n gm e t h o d s f o re x a m p l e ，f o ra0 3 ma w g l 4c o n d u c t e dl i n e ，i t si m p e d a n c ei s0 4 q ， w h i c hi sr a t h e r1 a r g e r ；w h i l ef o ram o r ew i d e ra n df l a t t e rc o n d u c t e dl i n ew i t ht h es a m e m a t e r i a l ，i t si m p e d a n c ei s0 2 q ，w h i c hc a nr e p l a c et h ef o r m e ro n et om e e tt h er e q u i r e m e n to f g r o u n di m p e d a n c e u n d e rt h ev c + + 6 0p l a t f o r m ，t h ep a r tu s e da sf i l t e rf u n c t i o ng e t s5 0d b q u i c k l y w h i c hi st h er e s t r a i n i n gv a l u ef o rt h e2 7 zc o n d u c t e di n t e r f e r e n c en o i s e sf o r 2 1 e v e ll cf i l t e rw i t ht h eb a n d p a s s 丘l t e ri n1 5 m h zc u t o f ff r e q u e n c y n ec o n t e n ti nt h et h e s i sc a l lb ea p p l i e do nt h ef o l l o w i n gt w of i e l d s ：i nt h es t a g eo f e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yd e s i g n i n go fs y s t e m so re q u i p m e n t sa n di n t h es t a g eo f d i a g n o s i n g ，i n v e s t i g m i n ga n ds o l v i n gt h ec o n d u c t e di n t e r f e r e n c eo c c u r r i n ga f t e rp u t t i n gt ou s e 一一 大连理工大学硕士学位论文 i nt h i sw a y ，t h ef a i l u r er e a s o nw o n tb em i s s e d ，t h u si th a ss t r o n gp r a c t i c a l i t y ，a n dt h e s o r w a r em a k e st h ei n t e r f e r e n c es o l v i n gp r o c e s sal o to fc o n v e n i e n c ef o rt h ee n g i n e e r s k e yw o r d s ：c o n d u c t e di n t e r f e r e n c e ；f a u l tt r e e ：m i n i m u mc u ts e t ：d i a g n o s i s ；s o l v e u l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 盈窆型日期：业主；l 出盘 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盔蚴 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 美国贝尔实验室曾分析论证【l 】，在新产品设计开始阶段如果能把干扰抑制在系统的 每一级或分系统中，即在系统设计阶段一开始就按照相应的标准和法规考虑电磁兼容性 设计，并对设备进行电磁兼容预测，对设备或系统的电磁兼容程度进行分析评估，在系 统定型前预先测知干扰问题，采取相应抑制和防护干扰措施，这样就能在产品试制成功 之前消除电磁干扰8 0 - - 9 0 。但是如果在产品设计时并没有解决好这个问题，而等到 产品试制产品后发现干扰再来解决它，这个问题就会复杂的多，不仅困难的多，而且成 本也相对比较高。即使采取各种各样的方法把问题解决了，但无论在技术上，还是产品 的体积、质量、重量或耗电量及造价都会增加，造成很大的浪费。图1 1 所示为从设计 到投产以及从设备到系统全过程中，电磁干扰抑制措施与成本的关系。 图l - 1 不同阶段付出代价比 f i g 1 1 t h er a t eo ft h ep a yi nd i f f e r e n ts t a g e s 论文所研究的内容具有很强的工程性和实用性，可应用于以下两个方面： ( 1 ) 系统或设备的电磁兼容设计的阶段； ( 2 ) 系统或设备已投入使用后发生传导干扰故障时的诊断、排查和解决的阶段。 1 1研究背景 传导干扰是电磁干扰的一个重要分类，指沿着导体传输的电磁干扰【2 】，所以任何导 体，如导线、传输线、电感器、电容器等都是传导干扰的耦合通道。传导干扰包括三个 基本要素：传导干扰源、耦合通道及接收器。由传导干扰引起的设备、耦合通道或系统 性能的下降或失效就称为传导干扰故障网。对故障的诊断方法的研究是非常必要的。 数据传输系统是通信系统的重要组成部分，国内外对它的研究是非常多的，但是较 基于故障树的数传系统传导干扰研究 多的研究大都集中在数据传输系统主要技术指标的理论优化方面，例如传输速率、误码 率、功率利用率以及频带利用率等方面。对数据传输系统的传输信道、调制与解调、同 步、差错编码等主要技术问题的研究也已经做得比较深入，数据传输的关键技术也已经 相当成熟。但是基于故障树的传导干扰故障的诊断及解决相关的文献资料尚未查到。 课题来源于中国科学院的一个相关预研课题，现阶段，利用地震电磁卫星对地震进 行预测有着非常重要的科学意义。在大地震来临前，大范围的的地震电磁和电离层前兆 异常都需要卫星来进行观测，而所有的观测数据都需要通过地震电磁卫星的数据传输系 统来进行传输。 数传系统主要包括数传发射机、电源和天线几部分组成，在地震电磁卫星传输收集 到的数据中起着至关重要的作用。当数传系统出现传导干扰故障时，怎样对它进行快速 的诊断，寻找故障原因，并对故障进行修复和提高数传系统的可靠性具有重要意义，论 文将就此问题进行讨论。 1 2 传导干扰的故障诊断 当系统或设备发生传导干扰故障时，诊断故障的基本思路就是判断是否为电磁兼容 性问题，有时电磁兼容性问题和可靠性问题并存，最典型的瞬态冲击引起元器件损坏， 表面上是可靠性问题，实际上是电磁兼容问题。 对故障的处理一般要求故障定位，其次是故障机理分析，只有彻底了解故障机理， 才能完全解决故障问题。因此，对故障处理要求定位准确、机理清楚。 对于传导干扰故障的诊断，可以采用排除法，故障综合和试探发，或者对引起故障 的信号探测和追踪。 排除法就是对传导干扰故障的原因进行排除，直到找到故障的原因为止。试探法的 本质和排除法区别不大，发现故障后无法确定干扰源或干扰源十分复杂情况下，假定干 扰源来自若干设备，并对干扰源进行工程上的整改，在进行试验，如故障消除或得到改 善，说明试探法取得效果，多次整改后故障完全消除。这两种方法有较大随意性，而且 效率也不高，不一定就能寻找到故障原因。 对引起故障的信号探测和追踪通过探测设备来进行，引起传导干扰故障的信号可能 是设备正常工作的又用信号( 对被干扰设备而言是有害信号) ，也可能是不希望有的信号， 即设备运行时附带产生的杂散信号。追踪干扰信号要与确认干扰信号相结合，然而这本 身就是一个难题，因此这一方法具体实施起来也比较困删4 】【5 1 。综上所述，论文尝试使 用一种新的方法一故障树分析方法对数传系统的传导干扰故障进行分析。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 1 3 故障树 故障树就是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转 移符号描述各种事件之间的因果关系。故障树的分类很多，如：二状态故障树，多状态 故障树，正规故障树，对偶故障树等。 故障树分析技术又称为事故树分析技术，是1 9 6 1 年美国贝尔实验室的h a w a t s o n 博士在研究电话拨号机的自动控制系统可靠性时首创的技术。在1 9 6 5 年6 月由波音公 司和华盛顿大学发起的在西雅图召开的波音公司第八届系统安全年会上，d g h a a s la n d a b m e a t u s 两人首次提出了故障树分析的明确概念，随后故障树分析技术在航天、核能、 化工等领域被广泛的应用，而且技术也越来越成熟。 我国引进故障树分析技术比较晚，直到1 9 8 0 年中国电子学会召开的第一次可靠性 数学讨论会才首次介绍了故障树分析技术，并且得到了较大的推广，已经初步应用于国 家的核能、造纸、铁道、电视等领域。1 9 8 3 年国家标准局开始组织制定故障树分析技术 标准，并于1 9 8 5 年发布实施了故障树名词术语和符号，进一步推进了故障树分析 技术在国家各个行业的应用【6 j 。 故障树分析方法就是一张在某一特定系统失效条件下那些与系统失效相关的部件 失效基本部件所构成的逻辑图，也就是说先指定系统中一个不希望发生的状态，然后在 一定的环境和工作条件下，对系统进行分析，从而找出不希望事件发生的确切方式【7 j 。 故障树分析技术是对复杂系统故障分析的一种有力技术，是一种演绎的分析方法，在系 统安全性分析和可靠性分析方法中应用广泛。 故障树分析方法适应于各种不同复杂程度问题的分析，具有多功能适应性，它用逻 辑推断的途径和以演绎的方式直接寻找出系统的故障原因。 故障树包含很多种类，如二状态故障树、多状态故障树、规范化故障树、正规故障 树、非正规故障树、对偶故障树以及成功树等。它们用到的事件符号和逻辑门符合各不 相同。规范化故障树仅含有底事件、结果事件以及与门、或门非门三种逻辑门。正规故 障树在只有故障事件以及与门和或门两种逻辑门。而求解最小割集时，都需要把各类故 障树转换为正规故障树，所以论文采取正规故障树，在建立故障树时，直接建立为正规 故障树，这样便于分析。 1 4 传导干扰故障诊断与故障树分析法 传导干扰故障具有的复杂性、隐蔽性和多因多果的特性，这就使对传导干扰的故障 进行诊断，寻找原因非常困难。而故障树分析方法是从待分析的特定故障或产品故障开 始，层层分析其发生原因，使工程人员能够以演绎的方式直接探索出系统的故障所在， 基于故障树的数传系统传导干扰研究 找出故障的基本原因。 故障树分析的目的主要是帮助判明潜在的故障原因或计算产品发生故障的概率，以 便采取相应的改进设计措施，同时，也可用于指导故障诊断、改进运行和维修方案，而 故障树的最小割集就是引起系统故障的原因【8 】【9 】，因此故障树分析技术不仅可以应用在 系统或设备的电磁兼容设计阶段，而且还可以应用于成型设备或系统的故障诊断方面。 论文正是基于这一原因，把故障树及其最小割集应用在数传系统传导干扰问题的诊 断上，对传导干扰建立正规故障树，并求其最小割集，进而得出引起故障的根本原因。 由于引起传导干扰故障的不确定因素太多，对传导干扰故障分析起来比较复杂。所以， 论文对数传系统的传导干扰故障的诊断采取故障树的分析方法，能够使技术人员快速地 寻找出引起故障的根本原因，而且在建立传导干扰故障树以后，可以保留下来，使以后 再遇到类似的问题时，能够及时迅速地解决问题。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 传导干扰 形成传导干扰的干扰源有不带任何信息的噪声以及带信息的无用信号。电源开关在 瞬间产生的火花对一个敏感电路就可能会产生干扰。一个带信息的信号在一个通道中是 有用的信号，如果它进入别的通道中去，就是带信息的无用信号，将对别的通道形成干 扰。由此看出，任何一个电子设备都可能成为一个干扰源，或成为一个敏感设备。传导 干扰的耦合通道也可以分为三种：电容传导耦合、电阻传导耦合和电感传导耦合【l o j q 引起传导干扰的干扰源频谱的覆盖范围非常广泛，它同样也是诊断和解决故障的一 个重要因素。另外，传导干扰按照噪声的干扰模式可以分为共模干扰和差模干扰。 2 1三要素 传导干扰的产生来于传导干扰源，它是一种有害的电磁效应。在人们的生活中，传 导干扰普遍存在，尤其是在各种电子设备中，传导干扰的表现形式各异，轻则使设备或 系统的性能降低，重则使设备失效，更严重的可能导致重大故障和事故1 1 。 产生传导干扰需要三个条件，即传导干扰的三个基本要素：传导干扰源；对该干扰 能量敏感的接收器；将传导干扰传输到接收器的媒介，即耦合通道，如：导线、传输线、 电感器、电容器等，如图2 1 所示。这三个基本要素是引起传导干扰故障的必要条件， 缺一不可。 图2 1 传导干扰三要素示意图 f i g 2 1 t h es k e t c ho f t h et h r e ee l e m e n t so f c o n d u c t e di n t e r f e r e n c e 相应地，如果把传导干扰源用时间函数即) 表示，把接收器的敏感性用时间函数r ( t ) 表示，把传导干扰的传输用时间函数c ( t ) 表示，则产生传导干扰时，必须满足式( 2 1 ) ： s ( f ) c ( f ) r o ) ( 2 1 ) 由式( 2 1 ) 可以得出，形成传导干扰时，、r ( t ) 和c ( t ) 这三个要素缺一不可。这也 就是说，可以产生巨大电磁能量的源，未必就一定产生传导干扰，只能说他们是潜在的 干扰源。同样，对电磁能量比较敏感的接收器，如计算机、线路板等，也未必就一定会 受到传导干扰，也只能说它们是潜在的传导干扰接收器。实际上，任何一台电磁能设备， 既可能是传导干扰源，又有可能是传导干扰接收器【1 2 1 。由式( 2 1 ) 还可以得出，要想抑制 基于故障树的数传系统传导干扰研究 传导干扰，就必须使s ( f ) c ( ，) r ( t ) 。通常，在电磁兼容性设计中，所有抑制传导干扰 的方法都必须从双t ) 、尺( t ) 和c ( t ) 这三个要素着手解决。 虽然公式( 2 1 ) 表达非常简单，但实际应用起来，却是一个非常复杂的问题。 2 2干扰源 传导干扰源的形式多种多样，通常按传导干扰源带不带信息可以分为信息传导干扰 源和电磁噪声传导干扰源两类。 ( 1 ) 信息传导干扰源指的是带有信息的无用信号对接收器产生干扰的干扰源，如表 2 1 所示，表中并给出了产生这种干扰的原因。 表2 1 信息传导干扰源 t a b 2 1c o n d u c t e di n t e r f e r e n c es o u r c eo fi n f o r m a t i o n 信息传导干扰源产生的原因 雷达发射机 天线 周期性信息发生器 多谐振荡器 锯齿波发生器 脉冲发生器 计算机时钟 固定快速继电器 电源频率交流声 脉冲发生器重复频率交流声 时钟序列重复频率交流声 时钟重复频率交流声 扫描电路频率交流声 发射能量泄漏到接收机回路产生的级间耦合 固定频率连续波产生干扰及由于脉冲波形的电流、电压 上升前沿陡峭，含有丰富的高次谐波引起感应 交流声进入系统以后，开始时电压很低还不能形成干扰， 而经过系统后被逐级放大而形成干扰 ( 2 ) 电磁噪声传导干扰源指的是不带任何信息的电磁噪声对接收器产生干扰的干扰 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 源，如表2 2 所示，表中并指出了产生这种干扰的原因。 表2 2 电磁噪声传导干扰源 t a b 2 2c o n d u c t e di n t e r f e r e n c es o u r c eo fe l e c t r o m a g n e t i cn o i s e 电磁噪声传导干扰源产生的原因 旋转电机 换向器( 整流器) 荧光灯 气体放电灯 数字设备：计算机 数据处理机 数字式仪表等 直流电源输出端 机动车干扰 静态功率设备 电源接线端上会产生传导干扰电压 电流的突然改变 电击穿瞬间会产生射频噪声 因为这些设备中有：电动机、整流器、继电器、啮合电 磁铁、步进开关、荧光灯、高压汞灯等产生干扰引入电源线 输出端有交流声干扰 因为车上使用交流发电机、电磁线圈及点火系统，这些 设备产生传导干扰 脉冲式电流产生传导干扰 2 3 干扰源频谱 任何种类的干扰都与干扰源的功率、频率有关1 1 3 1 。这里讨论传导干扰的频率问题一 一传导干扰源频谱。测量表明，传导频谱由最低可测的频率到1 g h z 以上的频谱。通常 情况下频率最高为几十兆赫以下。这是因为当频率升高时，由于导体损耗以及布线电感 和分布电容的作用，使传导电流大为衰减。表2 3 列出了部分传导干扰源及其频谱。 2 4 耦合通道 传导干扰的传输途径称之为传导干扰耦合通道。传导干扰耦合通道能把传导干扰源 所产生的传导干扰沿着耦合通道线路传给接收器输入端，并且在接收器中产生相应的干 扰电流和电压。传导干扰耦合通道是电磁干扰三要素之一，因此，研究电磁干扰问题不 可能不分析干扰源和接收器之间的传输途径问题，即耦合通道问题。 传导干扰传输是指设备或电路与其它设备或电路之间的电联系，这种传输能把一个 设备或电路中的电流和电压，通过传输途径在另一个设备或电路里产生相应的电流或电 压。因此耦合通道起着把电磁能量从一个设备或电路传送到另一个设备或电路的作用。 基于故障树的数传系统传导干扰研究 传导干扰耦合通道可以分为三种：电容耦合、电阻耦合和电感耦合【1 4 1 。 表2 3 传导干扰源及其频谱 t a b 2 3c o n d u c t e di n t e r f e r e n c es o i h c ca n dt h e i rs p e c t r u m 2 4 1 电容耦合 电容传导耦合或称为电场耦合，这种耦合指的是干扰源和接收器之间通过导线以及 部件的电容互相交链而构成的电磁传导耦合。 图2 2 电容耦合 f i g 2 2c a p a c i t a n c ec o u p l e d 如图2 2 所示，设巧为传导干扰源的电压，z 为接收器输入阻抗，圪为接收器输入 端相应产生的电压，c 为耦合电容，即为干扰源和接收器之间的电容耦合通道。若设干 扰源的频率为c o ，则有： 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 k = 二年k( 2 2 ) z f + 去1 j 国【一 由式( 2 2 ) 可知，v 2 的大小和c 的容抗及z 阻抗的相对大小有关。当_ l _ 一定时， j c o l v 2 和z 成正比。当乃一定时，圪和_ l _ 成反比，即v 2 和c o 与c 成正比，所以当越 j c o 【一 大时，则圪就越大，c 越大时，则圪也就越大。 由此可以通过减小传导干扰源的频率或者减小耦合电容c 的电容值或者减小接 收器输入阻抗汤的值，都可以降低传导耦合，而且当频率c o 很低或耦合电容c 的电容 值很小或接收器输入阻抗z f 很小时，传导干扰电容耦合可以忽略。 但是一般情况下，接收器的输入阻抗z 和传导干扰源的工作频率是由设备元件 参数决定的，不易改变，所以最有效的方法是减小耦合电容c 。系统内部沿着电容耦合 通道产生的干扰，大多数产生在相距较近的平行导线之间、较近的导体部件之间、高电 压电路之间。如果导体的部件的几何形状是任意的，则它们之间的耦合电容是很难求出 的。如果要计算的导体的几何形状近似某种规则的几何形状，则就可以近似按照规则的 几何导体的电容计算。不然的话，就得按照电磁场理论中的数值方法，即有限元计算方 法来求解电容值。 2 4 2 电阻耦合 电阻传导耦合或称为公共阻抗耦合，这种耦合指的是干扰源和接收器之间通过公共 阻抗上的电流或电压交链而构成的电磁传导耦合。 图2 3 电阻耦合 f i g 2 3 r e s i s t a n c ec o u p l e d 如图2 3 所示，f l 是传导干扰源的电流，z 是电磁干扰源和接收器之间的电阻耦合 通道。z 是接收器输入阻抗，圪是干扰源在耦合阻抗z 上的电压降，这个电压降将在接 收器中产生干扰电压。显然，公共阻抗z 成了接收器中输入阻抗的一部分，则有： 圪= z ( 2 3 ) 基于故障树的数传系统传导干扰研究 常见的电阻耦合有以下几种。 ( 1 ) 公共地线阻抗产生的耦合干扰 如图2 4 所示，在公共地线上有各种信号的电流，并由地线阻抗z 产生电压。当这 部分电压构成低电平信号放大器输入电路的一部分时，公共地线上的耦合电压就被放大 并成为干扰输出。 图2 4 公共地线阻抗产生的耦合干扰 f i g 2 4c o u p l e di n t e r f e r e n c er e s u l tf r o mp u b l i cg r o u n d - w i r ei m p e d a n c e ( 2 ) 公共电源内阻产生的耦合干扰 如图2 5 所示，公共电源内阻产生耦合干扰电路。输出电流经电源由电源内阻z o 变换为电压，这个电压耦合到接收器里成为干扰电压。 图2 5 公共电源内阻产生的耦合干扰 f i g 2 5c o u p l e di n t e r f e r e n c er e s u l tf r o mp u b l i cp o w e rr e s i s t a n c e ( 3 ) 公共线路阻抗产生的耦合干扰 如图2 6 所示，为公共线路阻抗产生耦合干扰。电路2 的电源电流的任何变化都会 影响电路1 的电源电压，这是由公共线路阻抗造成的。 2 4 3 电感耦合 电感传导耦合或称为互感耦合，这种耦合实际上是磁场耦合。干扰源和接收器之间 大连理工大学硕士学位论文 通过干扰源电流产生磁场相交链而构成电磁传导耦合。 由式( 2 4 ) 可知，电压矿与频率c o 、互感m 以及干扰源的电流f 成正比。由于频率 及干扰源的电流f 是由设各元件参数决定的，不易改变，所以要想减小干扰电压 就必须尽量减小互感地 矿：m f 坐l - j c o m i ( 2 4 ) 电 源 图2 6 公共阻抗产生的耦合干扰 f i g 2 6c o u p l e di n t e r f e r e n c er e s u l tf i o mp u b l i ci m p e d a n c e 电感耦合的主要形式有线圈和变压器耦合、平行双线间的耦合等。铁芯损耗常常使 得变压器的作用类似于抑制高频的低通滤波器。因此，比较重要的电感耦合常常是导线 到导线之间的这种形式。电感耦合的等效电路如图2 7 所示。 图2 7 电感耦合 f i g 2 7 i n d u c t a n c ec o u p l e d 2 4 4 典型耦合 在实际工程中，经常遇到两种典型的传导耦合：公共地阻抗耦合，公共电源耦合。 ( 1 ) 公共地阻抗耦合 公共地阻抗耦合是指设备与设备之间的公共接地线的阻抗，或者电路和电路的公用 信号的微小阻抗所产生的干扰传递。公共地线包括机壳接地线、机框搭接线、金属接地 板、接地网络和接地母线等。 基于故障树的数传系统传导干扰研究 在电路理论和电子技术的教科书中，强调公共地之间的等电位概念。而实际工程中， 地线电阻并不是绝对为零，而是有毫欧级的阻值，如印刷电路板上一根长1 0 e m ，厚 0 0 3 r a m ，宽l m m 的铜箔地线，它的直流电阻为r d c = 5 7 3 3 m q 。 如果电路工作在高频下，还要考虑它的电感影响，则在1 m h z 频率下，该地线的阻 抗为： z = r a c + j & ) l = 6 6 2 x1 0 龟 ( 2 5 ) 可见公共地阻抗的耦合是不可低估的传导路径。 图2 8 和图2 9 是公共地阻抗耦合的实际电路。图2 8 中电源电流的干扰分量可经过 地线阻抗形成压降作用到信号回路，传导到信号电流中( 虚线所示) 。图2 9 中 电流可 经过g h 段地线阻抗耦合到场中。它们可以用图2 1 0 所示的等效电路来分析。 信号电流 图2 8 公共地阻抗耦合电路 f i g 2 8c o u p l e dc i r c u i to fp u b l i cg r o u n di m p e d a n c e 路 图2 9 公共地阻抗耦合电路 f i g 2 9c o u p l e dc i r c u i to fp u b l i cg r o u n di m p e d a n c e 图2 1 0 中魄为干扰源电压，r s 为干扰源内阻，凰为干扰源回路的负载，磊干扰源 回路的连接线阻抗，r c l 和r c 2 是被干扰回路的内阻和负载，z a 是被干扰回路的连线阻 大连理工大学硕士学位论文 抗，磊为共地阻抗。 在干扰源回路中，一般有r + 乙+ 局毽，因此可以得出回路电流 为： 五= 志 图2 1 0 公共地阻抗耦合电路分析 f i g 2 10 t h ea n a l y s i so fc o u p l e dc i r c u i to f p u b l i cg r o u n di m p e d a n c e ( 2 6 ) 共地阻抗的上引起的干扰电压为： 2 厶z g 2 而z , ，g + 么甜u s ( 2 7 ) 共地阻抗的电压降在接收回路中引起负载r c 2 上附加的干扰电压u 为： 一忐= 而d 象矗丽 泣8 ， 恐l + 心2 + z c f 暑( 如，+ 磁2 + z c ，) ( r + 局+ 乙) 式( 2 8 ) 中，共地阻抗磊、连接线阻抗乙和z c f 可以根据实际导线尺寸计算。 在上述典型电路中，通常接收回路也是存在信号源的，如图2 8 中放大器a 的输入 信号以，为了分析共地阻抗耦合的干扰电压，我们假设它不作用( 即假设u - - 0 ) 。于是得 到作用在r c 2 上的纯干扰量u 。还有，经常在一段公共地线的两端连接这多个回路， 每个回路的电流都会在共地阻抗上引起压降，这种情况下在分析某个接收回路的干扰电 压时，应该将它们按矢量相加。 ( 2 ) 公共电源内阻耦合 一个公用电源供电给几个负载是常见的事情，这种共电源的供电方式会造成传导耦 合干扰，图2 1 1 是一个共电源供电电路。当电路1 中发生一个突变，使 出现干扰电 流时，它就会在电阻r o 上产生一个干扰电压增量r ，导致电源端电压变化，从 而传递到电路2 中。共电源耦合是由电源内阻抗引起的传导耦合。如果不考虑电源电动 基于故障树的数传系统传导干扰研究 势的作用( 假设职_ o ) ，仅分析电路l 中产生的干扰电压矾。的传递，可以得出等效电路 如图2 1 2 所示。 图中巩为： = 赢耻面卷面u ， ( 2 9 ) 电路 l 电路 2 图2 1 1 公共电源内阻产生的耦合干扰 f i g 2 11 c o u p l e di n t e r f e r e n c er e s u l tf r o mp u b l i cp o w e r r e s i s t a n c e 图2 1 2 公共电源内阻产生的耦合干扰 f i g 2 12c o u p l e di n t e r f e r e n c er e s u l tf r o mp u b l i cp o w e rr e s i s t a n c e 可见，只要任一负载电路中产生干扰信号， 电路中。由式( 2 9 ) 可知，如若r o = o ，则巩= 0 ， 实上电源内阻不可能为零。 2 5 共模干扰和差模干扰 都会通过电源内阻耦合传导到其它负载 即电源没有内阻，干扰就不会传导，事 传导干扰按照噪声的干扰模式可以分为共模干扰和差模干扰。在一般情况下，差模 信号就是两个信号之差，共模信号是两个信号的算术平均值【1 5 】，共模干扰和差模干扰两 种干扰同时存在，只是经常是其中的一类干扰起着主导作用【1 6 1 。 ( 1 ) 共模干扰 大连理工大学硕士学位论文 共模干扰是干扰源和被干扰设备之间的信号线对地所形成的共模电压干扰和共模 电流干扰，共模电压( 对参考地的电压) 在其信号线和回线上的幅度相同，共模电流在信 号线和参考地以及回线和参考地之间流动，大小相等、方向相同，属于非对称性干扰， 如图2 1 3 所示。 共模干扰的干扰频率较高，主要集中在1 m h z 以上i l 刀。它主要由电网串入、地电位 差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态( 同方向) 电压迭加所形成。共模电压通过不 对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏( 这就是一些系统i o 模件损坏率较高的主要原因) ，这种共模干扰可为直流，亦可为交流。 图2 1 3 共模电压和共模电流 f i g 2 13 c o m m o nm o d ev o l t a g ea n dc o m m o nm o d ec u r r e n t 共模滤波电容器解决差模干扰的滤波器件，共模滤波电容器通常具有较小的电容值 ( 1 0 0 1 0 n s ) ，可以将所不期望的高频电流在其进入敏感电路之前或在其离噪声电路较远 时就将其短路到机壳上去，为了得到良好的高频衰减电路，减小或消除寄生电感是关键 之所在，因此需要使用超短导线，尤其希望使用无引线元器件。还有一种插入式电容， 它们或多或少有些同轴结构，其中电介质材料充满在中间针状电极和外围电极之间。外 层的电容极板可以进行焊接、旋拧、压入机壳或印刷电路版接地。由于这种设计，电容 不会产生寄生电感，因此，其工作频率范围实际上是没有限制的。 ( 2 ) 差模干扰 差模干扰是干扰源和被干扰设备之间的信号线之间所形成的差模电压干扰和差模 电流干扰，差模电压存在于信号线和回线上之间，差模电流在信号线和回线之间流动， 大小相等、方向相反，属于对称性干扰，如图2 1 4 所示。 差模干扰的干扰频率较低，主要集中在1 m i - i z 以下。它主要由空间电磁场在信号线 之间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的干扰，这种干扰直接叠加在信号 上，直接影响测量与控制精度，危害甚大。 基于故障树的数传系统传导干扰研究 图2 1 4 差模电压和差模电流 f i g 2 14 d i f f e r e n t i a lm o d ev o l t a g ea n dd i f f e r e n t i a lm o d ec u r r e n t 差模滤波电容器是解决差模干扰的滤波器件，通常跨接在信号电流通道上，滤除干 扰频谱中的高频分量，理想的滤波应当不影响电路工作频率范围而对高频表现出低阻 抗。差模滤波电容器在不会显著影响有用信号通过( 衰减曲线3 d b 点) 的情况下，滤波 电容的最大值式( 2 1 0 ) ，其中 他为不应受到影响的有用信号的最大频率值，尺p 为尺。叫 和r l o a d 的并联电阻值。如果有用信号的上升时间矗已知，而带宽值未知，则电容c m 戥 的值约等于( t r 2 e d ) ，其中电容c 和上升时间矗的单位一致( 如n l f 和m s ，n f 和n s 等) 。 l 2 丽石1 ( 2 1 。) 由共模干扰的概念可以看出，首先信号线与回线之间的信号电压并没有因为共模电 压的存在而发生改变，而差模电压才是引起故障的根本原因，所以只要重点差模滤波就 可以了，对共模干扰电压可以不考虑。其次共模干扰电流在信号线和回线大小相等、方 向相同，差模干扰电流在信号线和回线大小相等、方向相反，只有差模电流才构成干扰， 而共模电流只有在转变成差模电流时才构成干扰【1 8 】。实际上并非如此，因为由于电路的 非平衡性，相同的共模电压会在信号线和号地线上产生不同的幅度的共模电流，从而产 生差模电压，形成干扰，同时共模电流会产生很强的辐射，对周围的电路形成辐射干扰 0 9 。因此共模干扰和差模干扰同样重要，在实际问题中要同时考虑。 大连理工大学硕士学位论文 3 故障树分析方法 传导干扰的不确定性因素太多，尤其是它的多因多果特性，导致对传导干扰的诊断 非常困难。而鉴于故障树分析方法对各种不同复杂程度分析的多功能适应性，以及用逻 辑推断的途径和以演绎的方式直接寻找出系统的故障的特点，论文中尝试使用故障树分 析方法对传导干扰故障进行诊断。论文采用的是正规故障树以及故障树的最小割集。 3 1故障树 故障树就是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转 移符号描述各种事件之间的因果关系。故障树是故障树分析技术的核心部