计算机电磁兼容(EMC)的设计解决.doc

计算机生产的射频、电磁干扰的解决1、 簡述當電腦與無線電廣播設備共同工作時，無論它是用於控制還是解碼，一個最煩人的問題是這些電腦産生的射頻干擾。這些射頻干擾不僅會佔據一些沒有使用的頻段，還會在有用的頻段中淹沒所有的弱信號，干擾你所要接收的信號或使信號失真。在處理數位信號甚至是連續波時，這通常是不可接受的。因此，最近經常聽到的問題是怎樣才能減小或消除射頻干擾。讓人感到失望的回答是：在大多數場合，沒有辦法完全消除電腦産生的射頻干擾。但也不要灰心：有一些具體的措施可以幫助你減小射頻干擾，使其降低到可以接受的水平，在有些場合，甚至可以全部消除。本文是許多技術人員和我自己在工作中處理這類問題時遇到的一些現象及其建議的彙編。大家經常讀到的有關射頻干擾的文章可能都會涉及到解決發射機産生射頻干擾的問題，但本文從接收機的角度進行討論。我想很多人已經嘗試過通過增加接收機和天線與射頻干擾源（在本案例中，指電腦和監視器）之間的距離來改善信號的質量，但這通常受到各種限制而無法獲得所需要的距離。還有一個辦法是試著改變電腦、監視器、接收機和天線的方向，看看情況是否變好一些。若所有這些都試過，還有別的辦法嗎？這就是本文主要討論的問題。2、 射頻干擾源在我們真正開始處理這個問題前，瞭解電腦産生射頻干擾的原因及如何對接收機造成干擾的原理很有必要。電腦的兩個主要部件是CPU和監視器（方便起見）。電腦運行在由內部晶振決定的特定時鐘頻率上。通常，時鐘頻率值大約是4.77 MHz、8 MHz、12 MHz、16 MHz、20 MHz、25 MHz、33 MHz、40 MHz、50 MHz、66 MHz和80MHz（高速時鐘永遠是電腦製造業追求的目標，現在已有GHz頻率的電腦出現）。但電腦中並不是只有一個時鐘，顯示卡和其他電路卡也有自己的時鐘，因此電腦內會包含有幾個晶振。正如你所看到的，這些時鐘的震蕩頻率均分佈在HF和L-VHF頻段內，這將干擾我們想要接收的信號。更糟的是，這些時鐘頻率經常在電腦內部分成許多其他頻率時鐘。因爲電腦是一個數位系統，這些信號的特徵波形是方波，而方波含有大量的諧波。因爲圖元資料的速率相當高，處於高頻區域，所以顯顯示卡也易産生射頻干擾。所有這些原因解釋了爲什麽電腦及監視器是産生射頻的高手。當電腦採用沒有遮罩作用的廉價塑膠機箱時，這個問題更加突出。許多人認爲，監視器是主要的射頻干擾源之一，這是沒錯的。但我也發現，別看微機的鍵盤很不起眼，卻也産生相當強的射頻干擾。這是因爲其電路板上有一個微處理器，該處理器的時鐘頻率在3MHz範圍以內。由於鍵盤電路板上走線的佈置就象一個良好的環路輻射天線，因此這個問題變得更爲複雜，在數次諧波範圍內均可發生干擾。監視器線路板上的時鐘通常爲14.316MHz，因此你在這個頻率會發現較強的輻射。我們要做的第一件事就是決定CPU和監視器所産生的射頻干擾有多大。可能CPU根本不輻射而監視器才是輻射源，或相反。這可以通過關掉監視器，而僅讓CPU處於工作狀態，觀察射頻干擾對無線電廣播設備造成的影響來確認。 以下是一些建議：(1) 快速掃描整個頻段，弄清射頻干擾在什麽頻率處最強。這是很必要的，因爲要是我們能在這些頻率減小射頻干擾，通常其他頻率的射頻干擾也會降低。(2) 從主機上依次斷開滑鼠、串口電纜、印表機電纜、鍵盤、視頻電纜、顯示器電源線等，將接收機用電池供電（如果可能），觀察射頻干擾是否減小。(3) 然後再依次連接上鍵盤、滑鼠、串口電纜、並口電纜、顯示電纜、顯示器電源線（但先不要打開顯示器），在連接的同時，注意射頻干擾的變化。作完這些後，你對哪部分是主要的射頻干擾源就有了一些認識。如果在以上的過程中，射頻干擾一點也沒增加，你真是太幸運了。(4) 打開顯示器，同時注意射頻干擾的增加，運行文字和圖形兩種模式的應用程式，看射頻干擾是否有變化。(5) 重新把無線電廣播設備連接到電源上，注意觀察射頻干擾的增加。(6) 斷開與接收機連接的所有天線（包括內部和外部天線），觀察射頻干擾是否消失。注意有一些接收機，當你拔掉外部天線時，內部天線自動起作用。爲了防止這個現象，可在天線插座上插入一個虛假的插頭。至此，你應該相當清楚哪些部件在産生射頻干擾。要對射頻干擾源精確定位，可按下面的建議來做：“當通過以上的方法你不能確定干擾源時，需要檢查來自監視器和電腦機殼的輻射。把同軸電纜的遮罩層向下剝出幾釐米，露出芯線，將芯線繞幾圈，作成一個直徑大約25釐米的小環，然後將芯線與你剝離的遮罩層焊起來。把這個小環與你的接收機天線輸入端連起來，用它來探測電腦系統。遮罩不好的電腦可用指形簧片、金屬編織絲網、或其他導電材料非常容易地進行修補。對顯示器進行遮罩則困難得多，並且可能引起安全問題（高壓）或過熱。”若覺得以上方法太麻煩，你可拿一個由電池供電的中短波收音機（其內部有磁棒天線）在電腦周圍移動，並轉動收音機。通常當收音機中的雜訊最強時，它所處的位置就是主要的射頻干擾源的位置。當然，收音機應調諧到已經可以聽到射頻干擾的頻率上。在可疑設備附近按上述方法微調收音機，你可以知道射頻干擾是何種性質的，它主要集中在什麽頻率範圍內。下面我們將討論射頻干擾路徑的問題。3、 射頻干擾路徑射頻干擾可經過許多路徑串入接收機。可以通過電源、電源“接地”點、直接無線電發射，甚至還會通過設計不合理或使用不當的遮罩體。有許多方法可以處理這些情況。在上述第6條中，若你的收音機在沒有天線時仍受射頻干擾的影響，那麽說明收音機的遮罩措施是很差的。在上述第5條中，若你把無線電廣播設備再次連接到電源或適配器上時，射頻干擾也隨著增加，則說明射頻干擾是通過電源線串進來的。若你的收音機通過串口或其他一些介面直接或間接連到電腦，這也可能是一條射頻干擾的路徑。當你做完上述第3條的實驗時，你就可以明確這是否是一個問題。如果射頻干擾隨你再次連接外部天線而顯著增大，那麽，射頻干擾可能來自直接發射或由天線耦合進來。記住，在許多情況下，射頻干擾由不止一條路徑串入，因此，檢查所有可能的路徑是非常重要的。另一方面，若某一條路徑主要的問題來源，那麽你可以考慮僅僅對這條路徑進行處理。其他一些基本的措施是讓電纜和連線盡可能短。這可防止這些連線成爲輻射射頻干擾的因素。如果可能的話，將無線電接收機連到不同的電源線路上，只是應注意接地，防止形成危險電壓（電勢）。4、 消除射頻干擾你也許知道，射頻干擾不只是單方面的問題，而是多個問題的組合。可以分爲三類：* 遮罩問題* 濾波問題* 設計問題這個分類不是絕對的，但很方便。在許多場合，遮罩質量差是首先考慮的因素。因此，我們將首先處理這個問題。下面我們正式進行這方面問題的探究。5、 遮罩問題當我們談論遮罩時，有四件事情需要考慮，接收機本身，監視器，CPU和天線/饋線組合。在有些設計中，劣質的遮罩體既可以是設計中的固有的問題，也可以是由於連接器不清潔或元件的老化造成。仔細檢查設備以確信所有連接點都是完好的，尤其要注意天線遮罩、無線電設備的電源、CPU遮罩盒和電纜。確保導線沒有老化且所有連接部分都是導電良好的，表面沒有氧化物。氧化物不僅會使導電性能大打折扣，有時還會造成信號的整流，這會誘發其他問題。如果問題是設計方面的，比如出現第二節中的第6條所述的現象，這說明無線電設備的遮罩很差，或者是顯示器、CPU的遮罩效果差，那麽我們需要給其提供足夠的遮罩。這通常可採用錫/鋁導電膠帶或進行導電塗覆等方法來完成。基本的思路是必須在設備的機殼上形成一層對射頻干擾有衰減作用的遮罩層。做這項工作時必須非常仔細，因爲遮罩材料是導電的，有時可能意外地發生短路，損壞你的無線電設備或你正竭力保護的一切東西。導電塗覆是最易使用的，但價格也很貴。我認爲：金屬箔帶可能提供更好的遮罩效能，但它較難使用。導電塗覆或導電漆雖然導電性較差，但可以更均勻地覆蓋，並且可以應用到一些但很難觸及到的部位。你需要做的事情是小心移去無線電設備或顯示器的機殼，注意電纜及電氣連接部分。記住，打開的機箱將會使設備得不到廠家保修。進行塗覆之前，要對機箱內部進行打掃，保證機箱裏面清潔、乾燥。爲了獲得較好的遮罩效果，可進行多次塗覆。經過遮罩處理的機箱內部一些地方會與地接觸。記住，在監視器裏，機殼並不總是接到地的，因此應首先檢查這一點。欲使遮罩有效，必須使遮罩體盡可能地保持完整性，但是千萬不要塗覆到開關上或任何可以引起短路的部分。同時也要防止堵塞通風孔。關於這一點，你能對遮罩的原理感到大惑不解。在大多數彩色顯示器中，顯示器裏面的金屬罩起著遮罩的作用。一定要塗覆層乾燥後才能進行安裝。注意遮罩體要良好接地，並避免蹭掉塗覆層。要是發生電弧放電，可在這些部分包上一些絕緣膠帶。現在有很多種的導電漆，雖然大多數的遮罩作用都可以，但要注意環境適應性和附著力等指標。如果你找不到一種合適的導電漆或金屬箔，使用導電膠帶也可以。記住，導電的遮罩體千萬不能與元件接觸。注意，當擺弄顯示器時，隨時都有電擊的危險。除非你非常熟悉顯示器，否則千萬別一個人操作。下面是有人關於遮罩的一點建議：要是顯示器本身就是發射源，那麽你可在其外殼內部使用導電塗覆以減小雜亂信號。GC電子公司製造了一台這樣的設備，性能良好。爲了美觀起見，一般在機殼內表面進行噴塗。在裝配顯示器外殼時，注意高壓部分應與導電機殼有足夠的間距。如果間距很小的話，可在適當的地方膠上絕緣紙以防止電弧産生。如果是彩色顯示器，其射線管裏的罩網就能提供的一定的遮罩效能，但若是單色顯示器，則需在射線管前面加一層細銅網遮罩體。如果再對銅網進行發黑處理，則它還兼有防反射的作用。如果電纜發生輻射，首先你要確認所用的電纜是已遮罩的電纜，然後在電纜上安裝卡裝式的鐵氧體磁環。最好在所有的外部電纜上都裝上這種磁環。如果電腦本身是一個發射源，可把機箱不同部分搭接處的漆刮掉，以使機箱的不同部分能正確地搭接，再增加一些螺釘，使接縫上至少每5釐米有一顆。這就構成了一個良好的法拉第遮罩罩。遮罩罩上的所有開口應用銅網蓋住。軟盤機開口最難處理，因爲需經常使用。最佳解決方法是從機箱裏面對其進行遮罩，並容忍在軟盤機使用時産生的雜亂信號。進行導電塗覆時，應確保所塗覆的表面是均勻的，可以重復塗幾次以獲得更好的遮罩效能。別在一處浪費太多的導電漆，但也別留下太薄的地方。對鍵盤外殼也可採用此方法處理，但其效果往往不會令人滿意，因爲在産生干擾的電路（按鍵線路板）旁邊設置完整的法拉第遮罩罩極困難的。儘管這樣，大部分鍵盤産生的干擾是不容忽視的。電纜遮罩也非常重要。不僅要確保視頻電纜遮罩良好，對串、並口電纜也應如此。當然，天線饋線也要很好地遮罩。至於天線饋線，不要使用電視系統上的75同軸電纜線，因爲這通常不能提供足夠的遮罩。可使用RG-58-C/U或其他一些型號的高遮罩效能的電纜，比如RG-8等。遮罩良好的天線饋線可以顯著消除射頻干擾。有人告訴我，設備都應通過較粗的導線或編織帶接到一個良好的接地板上，要是可能的話，可以試一下。在電纜端接的地方，應使用諸如PL-259或類似型號的性能良好的連接器。有時，遮罩良好的天線饋線能將射頻干擾消除80%以上。6、 濾波問題這代表了射頻干擾的另一個主要路徑。在一些質量差的設計中，射頻干擾不能從電腦或顯示器電源中濾除，這樣，干擾就泄漏到電源線中，再傳輸到無線電設備電源，最終串入接收機的射頻（有時是音頻）部分。 此類問題通常可採用電源線濾波來加以改善。使用電源線濾波器時，一定要確認電源線濾波器額定電壓滿足要求，否則它將燒毀。有一種電源線濾波器是設計成插座形狀的，你可以用它來替換設備上原來的插座。我不敢確定這種濾波器究竟能有多大的作用，如果你決定用它，應採取謹慎的態度。幾乎在所有的電纜上都可以安裝鐵氧體扼流圈。你可以通過安裝這些東西來做些實驗，驗證實際的效果。你也可以在天線饋線上使用一些磁環，其作用相當於平衡-不平衡變換器，同時也可抑制遮罩層中的射頻干擾電流。我自己爲我的同軸饋送對稱振子天線繞制了一個初次匝比4:1的平衡-不平衡變換器（平衡轉爲不平衡），我發現從天線接收到的電腦射頻干擾和其他干擾減少了許多，這是由於阻抗匹配和功率傳輸特性也得到改善的結果。電源線濾波器和射頻扼流圈的作用可能非常明顯，可在各種場合進行實驗，比如電源線路，一些音頻線路等等。另外，射頻干擾不僅會通過視頻電纜泄漏，還會通過串、並口中的資料線和控制線泄漏。在這些線上除了用鐵氧體磁珠以外，還可在這些線路與地之間跨接一個小容量電容。對串並口線，可採用0.01F的電容（最好用多層陶瓷電容）,對視頻線,可在視頻線（紅綠藍）、場同步線和行同步線到地間連入一100pF的電容。這可能會對信號有一些影響，可通過實驗輕微增大或減小電容值。如果你僅在固定的頻段接收信號，在接收機前端安裝一個帶通，高通或低通濾波器可能有一些效果。但這不能減小帶內雜訊。在天線饋線中可使用陷波式濾波器，濾除特定頻率的強干擾，比如顯卡或串列傳輸速率發生器上的14.316MHz的晶振。注意，所有濾波器都會引起信號一定程度的損耗，如果信號與有害發射很接近，那麽你就不能用陷波式濾波器，因爲有用信號也會被濾除。在這種情況下經常採用高Q值陷波式濾波器。關於卡裝式濾波器，有人發表以下看法：“卡裝式濾波器”是置於塑膠殼中的一個分體式鐵氧體磁環，用於PC機 射頻干擾抑制。磁環的兩部分緊扣在電纜上；塑膠殼有一個折頁和鎖扣，可把這兩部分鎖在一起。在安裝連接器之前，你也可以把整體鐵氧體磁環套在電纜上，其效果與卡裝式的相同。這個鐵氧體磁環的作用是增加射頻電流在同軸電纜遮罩層外層流動的阻抗，這在原理上可防止同軸電纜成爲天線的一部分。我不敢相信，當磁珠裝在同軸電纜引入端時，一個或僅僅幾個磁珠會表現出多大的作用。我認爲應裝很多磁珠以取得足夠高的感抗，這樣作用才會顯著。或許在干擾環境中使用磁珠更好些。對於天線同軸電纜遮罩線的接地方法，我認爲應將其埋入地下或沿地表面鋪設。這將更有效地減小本地雜訊的串入，比在接收機上安裝的幾個磁珠要強得多。電源線去耦或濾波是很重要的。大多數PC機的標準電源是開關電源。這種電源雖然效率很高，由於開關效應，産生尖峰脈衝信號和有害的諧波。不用說，如果處理不當，這些脈衝干擾會進入電網，再串入你的無線設備。但由於在設計時通常已經考慮到這點，所以這並不會造成嚴重的問題。問題更大的是CPU時鐘信號通過電源串入電源線。這時還得使用電源線濾波器來解決這一問題。通常，當僅僅是接收機的音頻信號需要進入電腦時，你可考慮將信號隔離避免直接連到電腦的辦法。一個簡單的辦法是，採用1:1音頻變壓器。我曾經用過這種方法，雖然有一些改善，但並不令人滿意。其他隔離形式還有採用紅外線或光纖等。這些將對有關的音頻線提供很好的隔離，從而消除了這些線路上的射頻干擾問題。7、 設計問題有時，射頻干擾由設計不良的天線或接收機共同産生。例如，天線阻抗不匹配將使情況比想象的糟得多。這時，使用平衡-不平衡變換器和傳輸匹配器可以解決。儘管同軸天線饋線可以抑制射頻干擾信號，但是不匹配的天線和饋線可以導致同軸電纜遮罩層接收射頻干擾信號。因此，如果你在使用同軸饋入式平衡偶極子天線，那麽最好在饋入點裝入一個平衡-不平衡變換器。其設計過程十分簡單，在工程手冊也可找到這方面的說明。天線與饋線之間的阻抗匹配也能通過平衡-不平衡變換器來解決。但這通常會引起一些信號的衰減。但對於性能良好的平衡-不平衡變換器而言，它所産生的損耗與饋線本身的損耗相比是不明顯的。另外，信號強度的衰減經常可由改善的信/噪比來補償。雖然使用天線調諧器（可提高選擇性能）可減小一些帶外射頻干擾，但其效果很難確定。這些調諧器很容易做，一般業餘愛好者即能勝任，市場上的這些産品相當昂貴，並附帶一些並不實用的功能。對不匹配天線系統，有如下看法：在把同軸電纜連到平衡天線時，將引起天線饋線發生輻射，其逆過程同樣會發生。如果你使用類似同軸電纜的非平衡線聯到平衡接收天線上，同軸電纜的外層將耦合上雜訊，並將雜訊送到接收機的天線輸入端。可在同軸電纜和天線之間安裝一個平衡-不平衡變換器來解決這個問題。太大的增益，例如使用天線放大器，並不總是能提高信噪比，因爲雜訊隨信號一起被放大。在這方面，通常在天線近旁安裝一個放大器就足夠了。有一些數位設備的濾波設計不完善，這會導致對射頻干擾抑制不夠。這時可在設備的電源線與地之間跨接一些0.1F 的電容來進行補救。有些人可能覺得可笑，因爲用一個大電容來代替不是更簡單嗎。但