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第三章硬件抗干扰技术 谈英姿tanyz 东南大学自控系工业自动化教研室 第2页 主要硬件抗干扰技术 接地屏蔽滤波 第3页 接地 为什么要地线地线问题 地环路地线问题 公共阻抗耦合接地方式种类电缆屏蔽层的接地 第4页 安全地 220V 0V 第5页 信号地 定义 信号电流流回信号源的低阻抗路径 第6页 地线引发干扰问题的原因 V IR 地线电压 地线是等电位的假设不成立 电流走最小阻抗路径 我们并不知道地电流的确切路径 地电流失去控制 第7页 地线电位示意图 2mV 200mV 2mV 10mV 10mV 20mV 20mV 100mV 100mV 200mV 第8页 导线的阻抗 Z RAC j L L 1 H m 1 f r r 1 2 RAC 0 076rf1 2RDC r 电流 深度 0 37I I 趋肤效应 第9页 导线的阻抗 第10页 金属条与导线的阻抗比较 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 12345678910 S W 金属条阻抗 导线阻抗 第11页 地线问题 地环路 IG VG VN 地环路 I1 I2 第12页 隔离变压器 屏蔽层只能接2点 C2 VG 1 2 C1 屏蔽 CP VG VS VN RL 第13页 光隔离器 发送 接收 RL VG VS 光耦器件 Cp 第14页 共模扼流圈的作用 Vs R1 R1 RL L VG IN1 IN2 IS VS VN R1 L VN VG RL RS RL M f 第15页 平衡电路对地环路干扰的抑制 VG RS1 VS1 RS2 RL2 RL1 VS2 IN1 IN2 IS VL 第16页 地线问题 公共阻抗耦合 电路1 电路2 地电流1 地电流2 公共地阻抗 V 第17页 接地方式种类 信号接地方式 并联单点接地 串联单点接地 混合接地 多点接地 单点接地 第18页 单点接地 1 2 3 1 2 3 串联单点接地优点 简单缺点 公共阻抗耦合 并联单点接地优点 无公共阻抗耦合缺点 接地线过多 I1 I2 I3 I1 I2 I3 A B C A B C R1 R2 R3 第19页 串联单点 并联单点混合接地 模拟电路1 模拟电路2 模拟电路3 数字逻辑控制电路 数字信息处理电路 继电器驱动电路 马达驱动电路 第20页 线路板上的地线 噪声 模拟 数字 第21页 长地线的阻抗 设备 Z0 L C 1 2 R R L L C C FP1 1 2 LC 1 2 ZP L 2 R RAC RDC 串联谐振 并联谐振 第22页 多点接地 R1 R2 R3 L1 L2 L3 电路1 电路2 电路3 第23页 混合接地 Vs 地电流 Rs Vs 安全接地 Rs 安全接地 地环路电流 第24页 屏蔽 屏蔽的概念电屏蔽磁屏蔽电磁屏蔽实际屏蔽体的问题双绞线和金属屏蔽线 第25页 屏蔽的概念 屏蔽就是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传播的一种措施 屏蔽体是为了阻止或减小电磁能传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层 它可以是导电的 导磁的 介质的或带有非金属吸收填料的 第26页 屏蔽效能 屏蔽前的场强E1 屏蔽后的场强E2 屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量 SE 20lg E1 E2 dB 第27页 屏蔽效能与场强衰减的关系 屏蔽效能越高 每增加 的难度越大 民用设备的机箱一般仅需要 左右的屏蔽效能 而军用设备的机箱一般需要 以上的屏蔽效能 第28页 电屏蔽 具有空腔的金属导体在静电平衡状态下 不仅导体内部场强为零 而且腔内场强也为零 因而置于腔内的物体不受外界电场的影响 这种作用叫静电屏蔽 第29页 电屏蔽 静电屏蔽的一般方法是在电容耦合通道上插入一个接地的金属屏蔽导体 由于金属屏蔽导体接地 其中的干扰电压为零 从而隔断了电场干扰的原来耦合通道 C1s C1G C2G V1 Vs 第30页 磁屏蔽 载流导体或线圈周围都会产生磁场 如果电流是随时间变化的 则磁场也随时间变化 这变化的磁场会对其他元件或电路造成干扰 对于低频磁场的屏蔽 主要依赖高导磁率材料所具有的小磁阻起磁分路作用 第31页 高导磁率材料的磁旁路效果 H0 H1 H0 Rs R0 H1 R0 Rs SE 1 R0 RS 第32页 怎样屏蔽低频磁场 低频磁场 低频 磁场 吸收损耗小 反射损耗小 高导电材料 高导磁材料 高导电材料 第33页 磁屏蔽材料的频率特性 1 5 10 15 坡莫合金 金属 镍钢 冷轧钢 0 010 11 010100kHz r103 第34页 电磁屏蔽 电磁屏蔽是对于高频电磁场的屏蔽电磁波在通过金属材料或对电磁波有衰减作用的阻挡层时 会受到一定程度的衰减 这就起到了电磁屏蔽的作用 第35页 趋肤深度举例 第36页 电磁屏蔽与静电屏蔽 电磁屏蔽指的是对电磁波的屏蔽 而静电屏蔽指的是对静电场的屏蔽 静电屏蔽要求屏蔽体必须接地 影响屏蔽体电磁屏蔽效能的不是屏蔽体接地与否 而是屏蔽体导电连续性 破坏屏蔽体的导电连续性的因素有屏蔽体上不同部分的接缝 开口等 电磁屏蔽对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多 第37页 实际屏蔽体的问题 通风口 显示窗 键盘 指示灯 电缆插座 调节旋钮 实际机箱上有许多泄漏源 不同部分结合处的缝隙通风口 显示窗 按键 指示灯 电缆线 电源线等 电源线 缝隙 第38页 缝隙的泄漏 低频起主要作用 高频起主要作用 第39页 缝隙的处理 电磁密封衬垫 缝隙 第40页 电磁密封衬垫的种类 金属丝网衬垫 带橡胶芯的和空心的 导电橡胶 不同导电填充物的 指形簧片 不同表面涂覆层的 螺旋管衬垫 不锈钢的和镀锡铍铜的 导电布 第41页 指形簧片 第42页 螺旋管电磁密封衬垫 第43页 电磁密封衬垫的主要参数 屏蔽效能 关系到总体屏蔽效能 回弹力 关系到盖板的刚度和螺钉间距 最小密封压力 关系到最小压缩量 最大形变量 关系到最大压缩量 压缩永久形变 关系到允许盖板开关次数 电化学相容性 关系到屏蔽效能的稳定性 第44页 各种电磁密封衬垫的特点 第45页 电磁密封衬垫的安装方法 绝缘漆 环境密封 第46页 显示窗 器件的处理 隔离舱 滤波器 屏蔽窗 滤波器 第47页 操作器件的处理 屏蔽体上开小孔 用隔离舱将操作器件隔离出 第48页 通风口的处理 穿孔金属板 第49页 屏蔽电缆穿过屏蔽机箱的方法 第50页 屏蔽壳体上的穿线 屏蔽壳体上不允许有任何导线穿过 屏蔽效能再高的屏蔽体 一旦有导线穿过屏蔽体 屏蔽体的屏蔽效能就会大幅度下降 这是因为导线充当了接收干扰和辐射干扰的天线 当有导线要穿过屏蔽体时 必须使用贯通滤波器 如图所示 这样可以将导线接收到的干扰滤除到屏蔽体上 从而避免干扰穿过屏蔽体 第51页 搭接 电子设备中 金属部件之间的低阻抗连接称为搭接 例如 电缆屏蔽层与机箱之间搭接屏蔽体上不同部分之间的搭接滤波器与机箱之间的搭接不同机箱之间的地线搭接 第52页 搭接不良的滤波器 滤波器接地阻抗 预期干扰电流路径 实际干扰电流路径 第53页 搭接不良的机箱 V I 航天飞行器上的搭接阻抗要小于2 5m 第54页 搭接阻抗的测量 机柜 搭接阻抗 频率 寄生电容 导线电感 并联谐振点 V I Z V I 第55页 不同的搭接条 第56页 频率不同搭接方式不同 第57页 搭接点的保护 第58页 双绞线和金属屏蔽线 抑制静电感应干扰采用金属网的屏蔽线 抑制电磁感应干扰采用双绞线 第59页 金属屏蔽线 第60页 双绞线的节距 第61页 双绞线的接地与传送距离 传送距离在5米以下 第62页 双绞线的接地与传送距离 传送距离在10米以上 第63页 屏蔽线的抗干扰原理 屏蔽层不接地 VN VS V1 C1S C1S C2G 与无屏蔽相同屏蔽层接地时 VN VS 0 具有理想的屏蔽效果 C1s C1G C2G C1G C2G C1s Vs V1 V1 Vs C2S 第64页 屏蔽要点 静电屏蔽应具有两个基本要点 即完善的屏蔽体和良好的接地 电磁屏蔽不但要求有良好的接地 而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性 对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多 在实际的屏蔽中 电磁屏蔽效能更大程度上依赖于机箱的结构 即导电的连续性 机箱上的接缝 开口等都是电磁波的泄漏源 穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降的主要原因 解决机箱缝隙电磁泄漏的方式是在缝隙处用电磁密封衬垫 电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料 它能够保持缝隙处的导电连续性 常见的电磁密封衬垫有导电橡胶 双重导电橡胶 金属编织网套 螺旋管衬垫 定向金属导电橡胶等 第65页 滤波 滤波器的作用滤波器的种类信号滤波器的安装位置滤波器的正确安装 第66页 滤波器的概念 无源滤波器有源滤波器数字滤波器衰减系数 第67页 滤波器的作用 信号滤波器 电源滤波器 切断干扰沿信号线或电源线传播的路径 与屏蔽共同构成完善的干扰防护 第68页 满足电源线干扰发射和抗扰度要求 第69页 满足抗扰度及设备辐射发射要求 信号线滤波器 干扰源 第70页 开关电源噪声 50Hz的奇次谐波 1 3 5 7 开关频率的基频和谐波 1MHz以下差模为主 1MHz以上共模为主 第71页 滤波器的种类 衰减 衰减 衰减 衰减 低通 带通 高通 带阻 3dB 截止频率 第72页 低通滤波器类型 C T L 反 第73页 滤波器的选择 根据阻抗选用滤波电路器件参数的确定低通滤波器对脉冲信号的影响 第74页 根据阻抗选用滤波电路 规律 电容对高阻 电感对低阻 第75页 器件参数的确定 L C R R L R 2 FCC 1 2 RFC对于T形 多级T 和 形 多级 电路 最外边的电感或电容取L 2和C 2 中间的不变 第76页 实际电容器的特性 ZC 实际电容 理想电容 f 引线长1 6mm的陶瓷电容器 1 2 LC C L 第77页 陶瓷电容谐振频率 1nf 1M 100k 10 1 0 1 10k 1k 100 10Hz1001k10k100k1M10M100M1G 阻抗 100pf 10nf 100nf 10 f 1 f 10mf 100 f 1m 10cm 1cm 1mm 第78页 温度对陶瓷电容容量的影响 0 15 0 15 0 55 125 5 15 0 55 125 10 5 COG X7R 60 20 30 90 30 0 Y5V 30 C C C 第79页 电压对陶瓷电容容量的影响 COG X7R Y5V 20 0 20 40 60 80 020406080100 额定电压 Vdc C 第80页 实际电感器的特性 ZL 理想电感 实际电感 f 绕在铁粉芯上的电感 1 2 LC L C 第81页 电感寄生电容的来源 每圈之间的电容CTT导线与磁芯之间的电容CTC 磁芯为导体时 CTC为主要因素 磁芯为非导体时 CTT为主要因素 第82页 克服电容非理想性的方法 衰减 电容并联LC并联电感并联 小电容 大电容 并联电容 频率 大容量 小容量 第83页 三端电容器的原理 引线电感与电容一起构成了一个T形低通滤波器在引线上安装两个磁珠滤波效果更好 地线电感起着不良作用 三端电容 普通电容 30701GHz 20 60 40 第84页 三端电容的正确使用 接地点要求 1干净地2与机箱或其它较大的金属件射频搭接 第85页 三端电容器的不足 寄生电容造成输入端 输出端耦合 接地电感造成旁路效果下降 第86页 穿心电容更胜一筹 金属板隔离输入输出端 一周接地电感很小 第87页 穿心电容 馈通滤波器 以穿心电容为基础的馈通滤波器 第88页 馈通滤波器使用注意事项 必须安装在金属板上 并在一周接地最好焊接 螺纹安装时要使用带齿垫片焊接时间不能过长上紧螺纹时扭矩不能过大 第89页 线路板上使用馈通滤波器 线路板地线面 上面 底面 第90页 减小电感寄生电容的方法 然后 起始端与终止端远离 夹角大于40度 尽量单层绕制 并增加匝间距离多层绕制时 采用 渐进 方式绕 不要来回绕分组绕制 要求高时 用大电感和小电感串联起来使用 如果磁芯是导体 首先 用介电常数低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离 第91页 共模扼流圈 共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵销 因此磁芯不会饱和 第92页 电感磁芯的选用 铁粉磁芯 不易饱和 导磁率低 作差模扼流圈的磁芯 铁氧体 最常用 锰锌 r 500 10000 R 0 1 100 m 镍锌 r 10 100 R 1k 1M m 超微晶 r 10000 做大电感量共模扼流圈的磁心 第93页 干扰抑制用铁氧体 Z j L R R Z L R f 1MHz10MHz100MHz1000MHz 第94页 低通滤波器对脉冲信号的影响 第95页 信号滤波器的安装位置 板上滤波器 无屏蔽的场合 滤波器靠近被滤波导线的靠近器件或线路板一端 有屏蔽的场合 在屏蔽界面上 第96页 板上滤波器的注意事项 滤波器要并排安装 线路板的干净地与金属机箱或大金属板紧密搭接 为滤波设置干净地 在接口处设置档板 滤波器靠近接口 第97页 面板上滤波的简易 临时 方法 容量适当的瓷片电容或独石电容 引线尽量短 第98页 电缆滤波的方法 屏蔽盒 馈通滤波器 连接器 第99页 自制面板滤波器 滤波电路可以按照需要设计 但是至少有一级馈通滤波器 连接器按照需要选择 也可以是引线 锡焊 保证完全隔离 螺纹盲孔