（电气工程专业论文）用于传导干扰测试的多功能线性阻抗稳定网络lisn的研究与设计.pdf

中文摘要 中文摘要 随着电子产品的广泛应用，电磁干扰已经成为一种公害。为此世界各国对电 气设备的电磁兼容性( 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 y - e m c ) 均制定了相应的标准， 凡不符合e m c 标准的电气产品，一律不准进入市场。如何有效降低电子产品的电 磁干扰，提高电子产品的电磁兼容性e m c 已成为产品占有市场、缩短开发周期和 降低开发成本的关键之一。因此，研究一种多功能电磁干扰测试仪用于产品开发 过程中的e m i 预测试显得非常必要。 按照电磁干扰的作用机理，电磁干扰的作用途径主要可以分为两大类，即辐 射干扰和传导干扰。在低频范围内，传导干扰是电磁干扰的主要形式。为了测量 电力电子装置的传导型e m i ，需要的主要测量仪有e m i 测量接收机、阻抗稳定网络 ( l i s n ) 、各种电压电流探头、频谱分析仪、示波器等。线性阻抗稳定网络l i s n 作为一种重要的测量手段，是本文的研究对象。 本文首先对传导干扰做了全面阐释，分析传导干扰测试网络l i s n 的由 来、作用、类型，对不同的l i s n 网络类型分析比较。其次设计了传导干扰测试 仪器的硬件电路，包括l i s n 网络的选型以及带通滤波器的设计，并设计了包括 l n 相线选择电路、接地保护电路、瞬时限幅器电路、模拟人工手电路等功能电 路。为了使各个功能得以实现，应用c 语言编写了硬件电路的控制程序，并用 v b 设计了人机界面，实现下位机与上位机的通信。 关键词：传导干扰；线性阻抗稳定网络( l i s n ) ；滤波器；人工手；限幅器 分类号：t n 7 0 2 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h ea p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r i cp r o d u c t i o n s ，c o n d u c t e di n t e r f e r e n c eh a sb e c o m e ak i n do fs o c i a le f f e c t so fp o l l u t i o n f o rw h i c h ，a l lc o u n t r i e so ft h ew o r l dh a dc o n s t i t u t e d r e l e v a n ts t a n d a r d s a c c o r d i n gt oe 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 y ( e m c ) o fe l e c t r i c e q u i p m e n t a n yo ft h ee l e c t r i cp r o d u c t i o n sw h i c hd o n ta c c o r de m cs t a n d a r dc a n tb e a l l o w e dt oa p p e a ri nm a r k e t s oh o wt oi m p r o v et h ee m co fe l e c t r i cp r o d u c t i o n sh a s b e c o m eak e yf a c t o rt om a k ep r o d u c t i o n st a k eu pt h em a r k e ta n dr e d u c et h ec o s t s oi ti s v e r ye s s e n t i a lt om a k eak i n do fe l e c t r o m a g n e t i ct e s ta p p a r a t u su s e df o rp r e li m in a r y e m it e s t a c c o r d i n gt ot h ee f f e c tm e c h a n i s mo fe m i ，t h ew a y si tw o r k sa r er a d i a t i o na n d c o n d u c t i o n i nt h er a n g eo fl o wf r e q u e n c y , c o n d u c t e di n t e r f e r e n c ei sp r i m a r yp a s s t o m e a s u r et h ec o n d u cte di n t e r f e r e n c eo fe l e c t r i cp r o d u c t i o n s ，w es o m e t i m e sd o n tn e e d t oe n t e rt h es h i e l dr o o m ，b u tn e e dt ou s et h em e a s u r ee q u i p m e n t s ：t h ee q u i p m e n tf o r r e c e i v i n g ，l i n ei m p e d a n c es t a b i l i z a t i o nn e t w o r k ( l i s n ) ，s t r o b o s c o p eo s c i l l o g r a p ha n ds o o n a sa ni m p o r t a n tp a r ti nc o n d u c t i n gm e a s u r es y s t e ml i s ni st h eo b j e c tt h a ti sb e i n g s t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h ec o n d u c t e di n t e r f e r e n c ei si l l u s t r a t e d s e c o n d l y , t h eo r i g i n ，f u n c t i o n sa n d t y p e so fl i s na r ea n a l y z e d b a s e do na n a l y z i n ga n dc o m p a r i n ga l lk i n d so fl i s n ，t h e f i l t e ri ss t u d i e d f e r t h e r m o r e ，o t h e rh a r d w a r ec i r c u i t sa l ed e s i g n e d ，f o re x a m p l e ，l nl i n e s e l e t i o nc i r c u i t ，a a e n u a t i o nc i r c u i ta n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nr s 2 3 2a n d c o m p u t e r t oc o n t r o lt h ef u n c t i o nc i r c u i t ，t h ec o n t r o lp r o g r a mi sc o m p i l e dw i mc l a n g u a g ea n dt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c ei sd e s i g n e dw i t hv b 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 ；l i s n ：f i l t e r ；s i m u l a n th a n d ；a t t e n u a t i o n c i 。a s s n o ：t n 7 0 2 l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特另t l d i ：i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储虢芸蝴签字隅v 7 年莎月诊日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名：名殄诊 答字嗍。1 月嵋日 导师签名结 签字日期：久岬年名月弘佰 致谢 本论文的工作是在我的导师张晓冬教授的悉心指导下完成的，张晓冬教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 张老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期i 日j ，郑堡垒、柴庆冕、唐志君、张玉杰、王琳等 同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人对我一贯的理解和支持，他们的爱是我学习与工作中的不竭 动力。 绪论 1 1研究背景及选题意义 1 绪论 随着各种电子电路和电力电子技术在家庭、工业、交通、国防领域日益广泛 的应用，电磁兼容问题已经成为现代电气工程设计和研究人员在设计过程中必须 考虑的问题。一方面，这是因为当前电子技术正朝着高频、高速、高灵敏度、高 可靠性、多功能、小型化的方向发展，导致了现代电子设备产生和接受电磁干扰 的机率大大增加；另一方面，随着电力电子装置本身功率容量和功率密度的不断 增大，电网及其周围的电磁环境受到的污染也日益严重，所以e m i 已成为许多电 子设备与系统能否在应用现场正常可靠运行的主要障碍之一。为此世界各国对电 气设备的电磁兼容性( 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 y - e m c ) 均制定了相应的标准。 特别在西欧，从1 9 9 6 年1 月起，已强制严格执行其相应标准；凡不符合欧洲e m c 标准的电气产品，一律不准进入欧洲市场。因此，今天对e m i 和e m c 的研究已 经不再像以f j 那样，主要局限于通讯领域和军用设备与系统，而是已经或正在迅 速地扩展到与电子技术应用相关的工业民用的各个领域。如何有效降低电子产品 的电磁干扰，提高电子产品的电磁兼容性e m e ( 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 y ) 己成为 产品占有市场、缩短开发周期和降低开发成本的关键之一n 1 。 传统上，要检验一个产品是否符合e m c 标准，必须要把产品原型拿到e m c 实验室进行测量。如果在测试中发现问题，就要求重新进行设计；这样对于生产 商来说需要投入大量成本，代价太高。因此，开发人员从刚开始研究设计到正式 生产之前，都应非常重视新产品的e m c 性能，在开发的每一个阶段及时对产品进 行预认证评估，这样即能加快产品通过认证，缩短开发周期，加快产品的上市速 度，使公司处于有利的竞争地位，同时可以为公司节省一大笔成本。 因此，作为e m c 测试系统的一个组成部分本文所研究的产品一一多功能传导 干扰测试仪就显得非常有意义。 1 2传导干扰测试系统研究现状 为了测量电力电子装置的传导型e m i ，通常需要的主要测量仪有e m i 测量接收 机、阻抗稳定网络( l i s n ) 、各种电压电流探头、频谱分析仪、示波器等 2 1 0 传导 性e m i 的测试主要是通过线性阻抗稳定网络( l i s n ) 进行的，其核心是通过电感、 北京交通人学硕士学位论文 电容和标准5 0 欧姆阻抗构成的测试网络。但目前研究较多的是频谱分析仪、示波 器、电压电流探头等设备，对线形阻抗稳定网络( l i s n ) 的研究非常少。 关于e m c 测量仪器生产厂，目前国内有北京中北创新科技发展有限公司、陕 西海泰电子有限责任公司等几家公司涉及这方面的生产，国际上e m i 测试产品也主 要集中在少数几家知名企业：罗德与施瓦茨公司( r s 公司) 、安捷伦、h a m e g 、泰 克公司、目黑公司等。 但是根据调查在以上公司中生产线性阻抗稳定网络( l i s n ) 的仅有安捷伦及德 国h a m e g ，并且安捷伦的产品1 1 9 6 7 e 及1 1 9 6 7 d 不包含人工手及瞬时限幅电路，使 用时需另外连接瞬时限幅器，这样给用户带来很多不便，并且不加人工手测量， 这与加人工手时的测量结果会有很大差别。目前在功能及性能上最先进的是h a m e g 公司的h m 6 0 5 0 2 ，但由于是进口产品，价格昂贵，一台机器需要几万元的投资， 不适于大众市场的推广，另外仪器出现故障时不利于维护。因此目前急需研制出 一种本土化的多功能l i s n 网络，解决不同层次研发或生产商的产品e m c 预测试问 题。 1 3所做的工作及论文结构 本文以设计出一种多功能传导干扰测试仪器为目标，主要做了以下几项工作： 1 、全面阐释传导干扰，包括其作用途径，以及存在类型等。 2 、分析传导干扰测试网络l i s n 的由来、用途、类型，对不同的l i s n 网 络类型进行分析比较。 3 、设计了传导干扰测试仪器的硬件电路。主要是依据本次设计指标对l i s n 网络的选型以及带通滤波器的设计，其次设计了包括l n 相线选择电路、 接地保护电路、瞬时限幅器电路、模拟人工手电路等功能电路，同时通过 r s 2 3 2 接口与计算机相连，通过此接口计算机与单片机之间可进行通信， 并实现计算机对仪器的控制。 4 、开发了硬件电路的控制软件。为了使各个功能电路得以实现，应用c 语言 编写了硬件电路的控制程序。为了实现计算机对仪器的控制以及上位机与 下位机之间的通信，分别用c 语言与v b 编写了下位机与上位机的通信程 序，并用v b 设计了人机界面。 论文共分为五章，结构安排如下： 第一章概括介绍研究背景以及本文所做的工作。 第二章对传导干扰进行全面介绍。 第三章详细介绍了整个仪器的硬件电路设计。 2 绪论 第四章介绍软件部分的设计。 第五章试验结果 第六章为所做工作的总结，并介绍存在的问题以及后续要做的工作。 传导干扰研究 2 1传导干扰 2 传导干扰研究 按照电磁干扰的原理，电磁干扰的作用途径主要可以分为两大类，即辐射干 扰和传导干扰。辐射干扰是指干扰源比较远，干扰源发出的干扰以电磁波的形式 被吸收。传导干扰是指干扰源距离比较近，干扰源经过耦合电容、耦合电感和公 共阻抗的途径进入被干扰设备。在低频范围内，传导干扰是电磁干扰的主要形式。 一个通道中的有用信号如果进入另一个通道中就成为那个通道所不希望有的信 号，伴随电源转换产生的一个小小火花，都有可能对附近的敏感设备造成干扰。 所以，任何一个电子、电气设备都有可能成为一个传导干扰源。传导干扰源分为 非功能性和功能性两种。非功能性传导干扰源通常与功能性的机电设备有关，如 转换器、加热电路、数据处理机等。这些干扰形成的机理是由于电弧放电或电流 的突然改变。当系统中某一部分的正常工作直接影响另一部分工作时，就产生功 能性干扰，如脉冲发生器、计算机时钟、多谐振荡器以及其他周期性信号发生器。 功能性干扰源一般比非功能性干扰源容易处理，因为它们的频率和功率电平是由 设计规定的。传导干扰只是在同时具有源、传输途径和接受器时才会发生，所以， 对它们中的每一项都要有相应的设计要领”1 。 多数电子、电气设备的传导发射频率从几千赫一直伸展至i i g h z 以上。当然，频 率很高时，由于导体损耗以及分布电感和分布电容的作用，使传导电流大为衰 减。直流电源的输出端可能出现不同程度的交流噪声和其他干扰，在交流整流后 的傅罩叶频谱中，还可能看到由于电源滤波器的元件、寄生电容和不希望有的串联 电感谐振而产生的波纹，它在电源的输出端可能引起阻尼振荡。交流发电机和电 磁线圈产生的传导干扰具有瞬态和稳念两种性质。在负载切断的情况下，由发电 机供给的电流突然下降，从而产生的尖峰电压的幅值可达到1 2 5 v 。当交流发电机 励磁绕组断开时，将产生励磁绕组衰变瞬态干扰，其电压幅值在1 0 0 v - - - 4 0 v 范 围内。如果电磁线圈的电感性开关与交流发电机衰变瞬态同时出现，则可能引起 6 0 0 v 的瞬态干扰电压。数据处理机产生大量的宽带噪声，其干扰源包括电动机、 转换器、凸轮触点、啮合电磁铁、螺线管、继电器以及放大器、触发器、门电路、 供电线路、驱动电枢等，这些装置往往把严重的干扰引入电源线和数据线中。例 如，计算机逻辑组件的传导频谱范围为0 0 5 m h z 2 0 m h z ，指令程序装置电源线 传导频谱范围为1 m h z 2 5 m h z ，指令程序装置信号线传导频谱范围为0 1 m h z - - - 2 5 m h z 。 5 北京交通人学硕士学位论文 2 2传导干扰的作用途径 传导耦合主要有三种类型：电容耦合( 或称为静电耦合) 、互感耦合( 或称为 电磁感应耦合) 、公共阻抗耦合( 或称为阻性耦合) 。下面逐一加以说明。 2 2 i 电容耦合 当两导线之间存在分布电容时，两根导线之间就会发生电容耦合。最常见的 最基本的电容耦合的例子是两根互相靠近的平行导线。如图2 1 所示。 导体1 7 7 乏： 图2 - i 电容耦合原理图 f i g u r e 2 - 1t h ee l e m e n t so fc a p a c i t a n c ec o u p l i n g 导体l 为干扰导体，在导体2 上接有干扰源电压为k ，导体2 为被干扰设备，导 体2 两端分别接有负载z ，和z ，。这种情形很普遍，例如导体l 为高压输电线，而 导体2 为通信线；例如导体l 为印刷电路板上的时钟线，而导体2 为印刷电路板上的 数据线。在这种情况下，由于导体1 对地平面有分布电容，单位长度的分布电容为 c 1 。；导体2 对地平面也有分布电容，单位长度的分布电容为c ，；同时，导体1 和 导体2 之间也有分布电容，单位长度的分布电容为c 1 ，c 1 ，称为耦合电容。显然， 分布电容c 1 ：把两根导体连在一个电路中，其等效电路如图2 - 2 所示。 图2 - 2 电容耦合的等效电路 f i g u r e 2 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fc a p a c i t a n c ec o u p l i n g 这里暂时忽略导线的传输线效应，否则问题复杂得多。电容耦合只发生在干 扰源与被干扰设备靠得很近的情况下，随着间隔距离的增大电影响将很快变成为 6 謦口。t 传导干扰研究 次要因素。在实际情况中，不只是平行导体之间存在有电容耦合，任意角度接近 的导体之间都存在有电容耦合，具体问题要进行具体分析。 2 2 2 互感耦合 互感耦合发生在两个回路之间。当干扰线回路中有交变电流流过时，在干扰 线回路l 中就会产生交变磁能。交变磁通穿过回路2 并在回路2 中产生感应电动势。 这个感应电动势是串联在回路2 中的，这种情形与电容耦合的情况不同。等效电路 如图2 3 所示。 ( a )互感耦合示意图 ( b ) 等效电路 图2 3 电感耦合及等效电路 f i g u r e 2 - 3t h ee l e m e n t sa n de q u i v a l e n tc i r c u i to fi n d u c t a n c ec o u p l i n g 在电容耦合的情形中，电磁干扰是以被影响导体和地之间存在噪声电流的方 式起作用的。而在电磁影响中，电磁干扰是以噪声电动势或电压串联在被影响导 体上起作用的，见图2 4 。我们可以用简单的测量来区别两种情形，见图2 5 。 z 。，?： 电容耦合时干扰为电流源 7 北京交通大学硕士学位论文 z 一一一 互感耦合时干扰为电动势 图2 _ 4 电容耦合与电感耦合的等效电路的区别 f i g u r e 2 - 4 t h ed i f f e r e n c eo fc a p a c i t a n c ec o u p l i n ga n di n d u c t a n c ec o u p l i n g 图2 5 区别电容耦合与电感耦合的测量电路 f i g u r e 2 5t h ec i r c u i tt ot e s tt h ed i f f e r e n c eo fc a p a c i t a n c ec o u p l i n ga n di n d u c t a n c ec o u p l i n g 在图2 5 中，将导线端接电阻r 1 ，另一端接r ，然后在电阻置上测量电压， 同时减小电阻足。如果足减小时y 增大则该影响为互感耦合，如果岛减少时y 减 少则该影响为电容耦合。由互感耦合的等效电路可以看出两个回路之间的互感在 决定干扰影响的大小中起关键作用。当回路l 中有电流流过时，在回路2 中单位长 度上所产生的感应电动势可以表示为 乞= j r o m l 2 j l ( 2 1 ) 式中，m ”为两个回路之间的单位长度的互感。若两个回路的耦合长度为， 互感耦合在回路中产生的感应电动势为 垦= e 2 l = j c o m l 2 ( 2 2 ) 两个导线之i 司的互感系数。司以用解j 9 r 的方法近似求得，小变量近似的朴略捷 克公式为 ， 当i 瓦i | i l l ，h 2 时可以简化为 l k i 1 时， m l z2 志1 0 4 饵梳) ( 2 - 5 ) 在公式中，两导线问的距离d 是在对数中的变量。由于对数函数变化的特点， d 发生很大的变化时，对数值的改变很小。因此，加大两导线间隔距离，干扰减少 传导干扰研究 不多，互感耦合的作用范围要比电容耦合的大很多。 2 2 3 公共阻抗耦合 许多电气设备和电气元件都需要接地，但是地平面中充满着各种频率的杂散 电流。有的设备或器件经接地向地中注入高频电流，因而在大地中形成电场分布， 见图2 6 。 i t - _ _ ? k 一一一 k 一歹孙、孓j j = 仃 弋 上一九 图2 6 注入人地中的电流的电场 f i g u r e 2 - 6t h ee l e c t r i cf i e l do f t h ec u r r e n tf l o w i n gi n t ot h ee a r t h 设在d 点有一电极注入大地中的电流为，当大地是均匀时，注入的电流将均 等地向四面八方流动，形成半球面形分布的电流密度，这个电流密度，可以简单 求出 ，= 当( 2 - 6 ) 2 m z 在导电媒介中电场与电流密度成正比，即 e ：! ：j l ：兰 ( 2 7 ) 盯2 n o r 2 m 式中，盯为导电媒介的电导率，p 为大地电阻率。 在地面上任一点距离入地点为，的地方就对无穷远处产生了电位 卟f 。跏= f 。嘉办= 芸 协8 ， 同样在距电流入地点为 的地方也产生电位为， ：旦( 2 9 ) 2 n r 2 这样一来，在点和点同时接地的系统中就产生了感应电位差 k 2 ：2 一l ；p il 、l 一! ) ( 2 1 0 ) z 刀乃_ 在印制电路板上也有类似的情况发生。 除了这种由于地中杂散干扰电流引起的电磁干扰的情形之外，还可能因为接 地导线在高频电流的情况下表现出很大的电感值，使本来可以忽略的阻抗表现出 9 北京交通大学硕十学位论文 很大的数值，并且跨接在导线上的元件之间。电路将由于流过公共阻抗的噪声或 干扰电流而互相影响，产生电磁干扰。 2 3 传导干扰两大类型一共模干扰与差模干扰 传导干扰分为两大类型：差模干扰和共模干扰。所有被测物体都同时存在这 两种干扰，只是经常是其中的一类干扰起着主导作用。如果我们从被测物体的电 流角度观测它的干扰信号，其回流路径可能是通过地线，或者是通过其它线网， 如干扰电流示意图2 7 所示： l k 、人j 。-。 。 l 口n 2 + 1 4 m c 广 i 。，2 g7 e u t i m ，2 一i d n 一：cl 彳 i c m ，2 li c m + i d m 厂、y n 一 n 图2 7 干扰电流示意图 f i g u r e 2 7t h ei n t e r f e r e n t i a lc u r r e n t 前者( 通过地线) 的干扰电流在电源线网上产生干扰电压是同相位的，这种 叫共模干扰。对于三相电路来说，共模干扰存在于任何一相与大地之间。共模电 流是在相线和地线之间流动的，相位相同的电流，共模电流一般利用外部接地系 统，电缆，金属制品等做为电流的返回路径。共模干扰如图2 8 所示。 一 ! 塑 妄 一i 鲫f j c m o ) u c m i c m 负载 图2 - 8 共模干扰 f i g u r e 2 8t h ec o m m o n - m o d ei n t e r f e r e n c e 后者( 通过其他线) 在两根电源线上产生的干扰电压是反相的，叫差模干扰 电压。差模干扰存在于电源相线和中线之间，对于三相电路来说，差模干扰还存 在于相线和相线之间。差模电流是往返于相线和中线之间且相位相反的电流。差 模干扰如图2 - 9 所示。 l o 传导干扰研究 i d m 一- 负载 b 图2 9 差模干扰 f i g u r e 2 9t h ed i f f e r e n t i a l - m o d ei n t e r f e r e n c e 通常情况下，共模电流和电压振幅非常小，但是由于在电路中它们的回路面 积很大，因此共模干扰所引起的电磁兼容问题比等价的差模干扰更严重。在多数 场合e m i 电源滤波器主要抑制共模干扰信号。 2 4测量传导型e m i 的仪器 为了测量电力电子装置的传导型e m i ，通常不需要屏蔽室，需要的主要测量仪 有e m i 测量接收机、阻抗稳定网络( l i s n ) 、各种电压电流探头、频谱分析仪、示 波器等。 一、e m i 测量接收机 在0 1 5 - 3 0 m h z 频率乃至低至1 0 k h z 范围内的e m l 分量，是用e m i 接收机 来进行测量的。e m i 接收机通常用来测量某一种合适的传感器的输出电压。e m i 接收机应是可调谐、频率可选择、具有准确幅频响应的电压表。对于一个e m i 接 收机而言，它的最重要的特性之一是它的检波特性。 测量中常用到的检波器有峰值检波、偏压补偿式、有效值( r m s ) 和准峰值 检波器等。虽然大多数e m i 接收机的读数是按等效正弦信号来校正与标度的，但 是，在e m i 测量中，接收机所显示的读数并不代表真正的有效值，r m s 检波法用 得最少。 二、频谱分析仪 频谱分析仪是用途十分广泛的一种通用电子测量仪器，也可方便地测量e m i ， 它可以十分迅速地而且直观地显示被测信号在整个频率范围内干扰信号的电平。 在研制阶段，频谱仪常用来随时观测e m i 滤波器和类似电路e m i 电平的变化 和检测是否发生谐振。它也用于e m i 论证测试，因为它可以十分有效地进行e m i 定性测试，可以很方便的对e m i 测试结果进行数字信号存储，和对实时测量结果 进行比较和分析。 三、线性阻抗稳定网络l i s n 北京交通人学硕士学位论文 在进行e m i 电压测量时，为了保证测量的重复性和可比性，必须在测量点规 定一个标准的负载阻抗。为此，测量时在就必须e m i 源和电网之间接入一个具有 稳定阻抗的接口电路，该接口电路称为线性阻抗稳定网络l i s n ( l i n ei m p e d a n c e s t a b i l i z a t i o nn e t w o r k ) 。 l i s n 的串联阻抗相对于电网内阻抗而言，阻抗较大，因此，从e m i 源端朝网 侧看的总等效阻抗受网侧变化的影响大大减小；另一方面，l i s n 为e m i 源提供 了一个高频滤波电路，滤除可能由电网进入测量电路的高频噪声，避免导致测量 误差。 四、电压探头和电流探头 在e m i 电压测量中，多用高阻抗的高频电压探头，与示波器、e m i 接收机、 频谱分析仪或瞬态信号记录仪配合使用。它在对民用及工业用的电力电子设备进 行传导e m i 测试时，得到广泛的使用 根据有些军用标准，在对军用电子装置进行传导e m i 测试时，常常还要用到 电流探头。e m i 电流探头是一种特殊的电流探头，制造厂通常采用转移阻抗的单 位对其进行校准。常用的电流探头有两种：一种是用霍尔( h a l l ) 传感器；另一种 是测量电流的磁场。 线性阻抗稳定网络l i s n 作为整个测量系统不可缺少的一部分，是本文的 研究对象。 2 5本章小结 本章全面阐释了传导干扰，包括其定义、作用途径、类型等，并列举了目前 所存在的传导干扰测量仪器，使读者对传导干扰有个初步的了解。 1 2 系统硬件设计 3 系统硬件设计 3 1测试系统的总体结构设计 本系统原理上采用了一个滤波阻抗网络，通过一个低通滤波器，被测设备连 接到l i s n 的电源输出插座上。同时，l i s n 也具有稳定的阻抗到信号端，它与频 谱分析仪或e m c 测试接收机一起测量时，这个e m c 信号经过一个高通滤波器后 成为e m i 理想的传导干扰信号然后用户可以在两个不对称的信号之间进行选择， 并在测试信号输出端进行输出测试。 整个系统的硬件电路部分是在设计电源传导干扰滤波网络( l i s n ) 的基础上，进 一步完善其功能，设计了l n 相线选择电路、接地保护电路、瞬时限幅器电路、 模拟人工手电路等功能电路，同时通过r s 2 3 2 接口与计算机相连，通过此接口计 算机与单片机之间可进行通信，并实现计算机对仪器的控制。硬件电路系统框图 如图3 1 所示。 图3 - 1 硬件电路系统框图 f i g u r e 3 1t h eb l o c ko f a t 8 9 c 2 0 5 1 北京交通大学硕十学位论文 3 2线性阻抗稳定网络( l i s n ) 3 2 1 线性阻抗稳定网络概述 在电力线和电气设备中，电磁干扰( e m i ) 主要表现形式是传导干扰。干扰信号 主要是电流和电压谐波分量。电力线、信号线和控制线是传导干扰的载体。为了 消除e m i 的影响，各国都设立了专门的机构，如美国的联邦政府通信委员会 f f c c ，f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 和德国的v d e ( v e r b e n ad e t a c h e re l e c t r o t e c h n i q u e r ) 等。它们都遵循国际无线电干扰特别委员会( c i s p r ，i n t e r n a t i o n a l s p e c i a lc o m m i t t e eo nr a d i oi n t e r f e r e n c e ) 的规定，来制定自己的有关放射和测试过程 标准，以限制电子设备的放射和控制设备的灵敏度。c i s p r 是国际电工委员会( i e c ， i n t e r n a t i o n a le l e c tr o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 的一个分会，于19 3 4 年成立，其主要职 责是制定e m i 标准。我国于1 9 9 3 年正式发布并于1 9 9 4 年开始实施电能质量一 一公用电网谐波标准。传导干扰检测技术复杂，在测量中，不但要考虑电磁辐 射干扰的屏蔽技术，而且测量仪的正确使用，测量方法正确与否都直接影响测量 结果。由于美国联邦通信委员会f c c 、德国v d e 和国际无线电干扰特别委员会 c i s p r 等e m i 标准的有关内容、适应范围存在差异，为了使电气设备e m i 标准测 试能顺利通过，还要注意这些e m i 标准在测试过程中的异同5 1 。 电气设备产生的e m i 电信号可用扰动功率来表征。可是从实用观点看，这些 设备可看成是一个产生e m i 噪声的电压或电流发生器，再由于e m c 标准和推荐 标准通常是限制出现在电网上的最大可以接收的e m i 电压( 有时是e m i 电流) 定 为e m i 标准的测量单位。e m i 电压测量的简化等效电路示于图3 2 。从图可见， 在电网端测得的e m i 电压u n 不仅与e m i 源的参数( u g ，z g ) 有关，而且还与电 网的阻抗z m 有关。问题是电网的高频等效阻抗不是常数，而是随时间测量点和频 率而变化的。许多国家对本国公共输电网每一根相线和地线之间高频阻抗进行广 泛的统计测量。在大多数情况下，测量的是绝对值，有些测量的是幅频和相位。 由于上述原因，在进行e m i 电压测量时，为了保证测量的重复性和可比性， 必须在测量点规定一个标准的负载阻抗。为此，测量时在就必须在e m i 源和电网 之间接入一个如图3 - 3 ( a ) 所示的接口电路。该接口电路称为线性阻抗稳定网络 l i s n ( l i n ei m p e d a n c es t a b i l i z a t i o nn e t w o r k ) ，有时又称为线路稳定网络l i s n 、电源 线路稳定网络p l i s n 或人工电源网络。图3 - 3 ( b ) 是该网络的实际线路图示例。 从图可见，l i s n 的串联阻抗z s 相对于电网内阻抗z m 而言，阻抗较大，因此， 从e m i 源端朝网侧看的总等效阻抗受z m 变化的影响大大减小；另一方面，对e m i 源而言，l i s n 为e m i 源提供了一个接近于纯阻抗的负载r ，进一步稳定了线路阻 1 4 系统硬件设计 抗；该电路中的串联阻抗z s 和并联阻抗z p 还构成一个高频滤波电路，滤除可能 由电网进入测量电路的高频噪声，避免导致测量误差。有些电力电子装置( 例如 飞机，飞船，电动运输车，远距离通讯系统中用的设备等) 是用直流供电的。在 一一一 i n 一 厂 二二 寸卜1 z g a c u n l l l ! z m i ， 训n ；j _ r | ： 一l l：一。，j l 一j l 电网 emi源+ 图3 - 2 接到电网上的e m i 源的等效电路 f i g u r e 3 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f e m is o u r c el i n k i n gt op o w e rn e t f l i s n 一 由 i n e m i 源 1 ru n z i n ( a ) u =：7 - o 1 uh 接测墼 。_ 。_ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ 一 一，c 1 f 审r 5 。q ： ：供电电源 ( b ) 图3 - 3 传导e m i 电压测量用的接口电路- l i s n f i g u r e 3 3t h ep o r tc i r c u i to fc o n n e c t e de m iv o l t a g et e s t - - l i s n 测量从这些设备发送到其供电电源的e m i 噪声电压时，也同样存在着如图3 3 所 示的问题。虽然c i s p r 规定的l i s n 是针对5 0 6 0 h z 电网的，但是，它也同样实 用于直流供电设备的e m i 测量。l i s n 最重要的技术指标，最先是由c i s p r l 号出 版物于1 9 7 2 年规定的，l i s n 的负载电阻r 为1 5 0 q 2 0q ，后来经过调查得知，电 网的内阻抗通常低于1 5 0 q ，所以，在c i s p r l 6 号出版物中将上述对r 的规定修 1 5 北京交通大学硕+ 学位论文 订为5 0q ，以保证得到较为实际的结果。 从上述内容中我们了解到，在进行e m i 电压测量时，为了保证测量的重复性 和可比性，必须在测量点规定一个标准的负载阻抗，于是c i s p r 规定l i s n 作为 这个标准阻抗。其实总结起来l i s n 在测量系统中起到了以下作用羽： 1 l i s n 为e u t 的电源输入端，在高频提供了一个限定好的标准阻抗，从而 来自诸如负载开关等因素引起的电源线阻抗变化能够与e u t 有效隔离，利用l i s n 中的高通滤波器，可将e u t 产生的信号耦合到e m c 分析仪中，在高通滤波器通 带中的信号会有5 0q 的负载，它也是e m c 分析仪的输入阻抗。 2 l i s n 可隔丌e u t 产生的任何谐波，而不会被耦合到主电源中，主电源若 有过多的谐波，可能会干扰电源线上其它装置的正常运作。 3 l i s n 可将待测设备与主电源隔开。供应e u t 的电源必须尽可能的无谐波， 因为电源中的任何谐波都会耦合到e m c 分析仪中，而被当作e u t 产生的。电源 线上的任何无用输入电磁干扰都可由l i s n 滤除，这样可以保证提供给e u t 的电 源是“纯净的。 3 2 2 线性阻抗稳定网络的分类 一、骚扰电压值的类型 图3 4 是l i s n 等效电路图与其对应的矢量图。其中b 点是公共地，l l 、l 2 是试品的电源线骚扰电压测量端子。在这个图上可以形成三种类型骚扰电压值。 从矢量图上还可以得到三种类型骚扰电压的关系式1 2 0 | ( 1 ) 不对称电压值 每一个端子l 1 或l 2 对地的电压值称不对称电压值，如图3 4 所示的圪。竹一s y m ， 并根据矢量图有以下关系式： 1 k n 。加册= 形咿+ 云圪册 ( 3 1 ) 厶 1 圪以伽一删= + 寺 ( 3 2 ) = 坠叠 形聊= k 一。，卜母聊一以。，卜册 1 6 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 系统硬件设计 t、：、二、。i1 vg、”、fl。、主、蠢、i 二、一 v a j # n = 坠粤 ( 3 - 5 ) ， j 一- ， ( 3 ) 对称电压值 在两个端子l 1 与l 2 之间的电压称对称电压( 也称差模电压) ， 示的v 册，在矢量图中也有以下关系： = k 一卅册一心肿俨册 二、l i s n 网络的类型 如图3 4 中所 ( 3 6 ) 随着三种类型电压值出现也就构建了三种类型的l i s n 网络。 ( 1 )v 型l i s n 网络 v 型l i s n 网络主要用来测量不对称电压。它是由于两个等效阻抗连接到地端 形成一个v 形形状而命名，如图3 - 4 中的等效电路图。 这类l i s n 网络目前用得最多，例如电气器具骚扰电压的测量，均使用v 型 l i s n 网络。因此，品种也较多，按常用工作频率范围来分大致有： 1 5 0 k h z 3 0 m h z 家用电器、电动工具和类似用途电器用； 9 k h z 3 0 m h z 照明设备、工业与医用设备用； 0 1 m h z 3 0 m h z 车船电源、低阻抗电源以及许多军用标准用。 图3 - 5 表示了类、类和类l i s n 的原理示意图。在c i s p r1 6 一卜2 ( 国际 1 7 北京交通大学硕士学位论文 无线电干扰委员会) 标准中规定了阻抗频响特性和所对应的等效阻抗电路图， 主 频率1 5 0 k h z 一3 0 m h z ，5 0q ，5 01 th 5 0uh 5 0 i lh + 5 q 9 k h z 3 0 m h z 频率o 1 mh z - - 一2 0 0 m h z ，5 0 q ，5 0 l ah + iq 图3 - 5v 型l i s n 的原理图 f i g u r e 3 5t h es c h e m a t i cc i r c u i to fv i i s n 1 8 电源 系统硬件设计 7 0 6 0 25 0 幅 圆4 0 3 0 2 0 一7 l _ _ 0 1o 1 50 20 30 4 0 5 0 6 11 52 3681 01 52 03 0 频率( m h z l 7 0 6 0 5 0 3 4 0 蝎 蛊3 0 7 0 6 0 5 0 a 4 0 端 癌3 0 2 0 1 0 2 0 1 0 阻抗点 5 0 q 5 0 q 1 5 0 uh l i s n 的等效电路 频率阻抗 ( k h z )( q ) 1 5 03 4 4 2 0 03 9 3 0 04 4 7 0 04 9 图3 - 65 0q ，5 0uhv 型l i s n 阻抗特性 f i g u r e 3 - 6t h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i co f 5 0q ，5 0uhv 。l i s n 曲线的允差为+ 2 0 ， ， 0 0 3o 0 0 0 0 嘲0 0 1o 0 1 6n 0 20 0 30 0 40 0 q0 0 e0 10 5 乱2 饥3 0 40 1o o 1 阻抗点 5 0q 5 0 q 5 0 l ih + 5 q l i s n 的等效电路 频率阻抗 ( k h z )( q