第5课抗干扰技术之干扰耦合与接地

1、抗干扰技术之 干扰耦合与接地,EMC,什么是电磁干扰？,电磁干扰是指由于电磁环境引起的设备、传输通道或系统性能的下降。电磁干扰的频谱很宽，可以覆盖040GHz频率范围，电磁污染已和水源、大气受到的污染一样，正引起世界范围的关注。,从测量的角度，干扰和信号是相对的。,电磁干扰的危害,造成测量仪器性能下降,能量型干扰 信号型干扰,电磁干扰,导致机电设备和控制装置误动作,导致元器件烧毁或击穿,电爆装置、易燃材料等意外触发或点燃。,1. 强电磁干扰下的微弱信号检测,在线监测中抗干扰的重要性,2. 高电压下的测量设备的安全（运行电压高、故障冲击电流大）,3. 信号传输距离长,4. 灵敏度与抗干扰能力之间

2、的矛盾。,电磁干扰的基本要素,干扰源,耦合途径,测量系统, 5.1 电磁干扰源,确定电磁环境是实施电磁兼容的前提。电磁环境是各种电磁干扰源的总和。,主要 瞬态干扰源,1）开关动作 当开关动作时回路电流迅速变化，di/dt非常大，在带有电感线圈的开关设备中会产生幅值很高的电压脉冲。如电焊机、电动机启动过程和高压开关动作等。频率范围0.15150MHz，通常由电源线传播。,2）整流装置 与开关过程类似，整流过程将产生瞬态短路电流，干扰频率范围较宽。,3）点火装置 机动车辆都装有火花点火装置,放电电流峰值约200A，放电时间通常在s内，峰值电压高达10kV。所产生的干扰前沿极陡，在10100MHZ范

3、围内是最强的瞬态干扰源之一。,4）高压输电线 主要为电晕放电，主要为随机干扰，频谱在兆赫兹以下。,5）照明装置 荧光灯或弧光灯是基于放电原理发光的，其工作时阳极和阴极之间会产生高频振荡，频率一般在几千赫兹左右。, 5.2 电磁干扰的耦合路径,干扰源与测量设备间的 耦合途径,传导耦合,辐射耦合,5.2.1. 传导耦合,传导耦合是导体之间及元件之间的主要干扰耦合方式，分为共阻抗耦合、电感应耦合和磁感应耦合。传导耦合可以通过电源线、信号线、接地导体进行耦合。,1. 电阻传导耦合（共阻抗耦合） 通常干扰都是通过公共回路或公共阻抗，引入到测量回路中的。当两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时，就出现共阻抗

4、干扰耦合。,U,可见，测量回路中的干扰电压是干扰源电压、公共阻抗和干扰耦合电阻的函数。,所有独立电路的地通过串联连接，这对噪声来说是一种最不希望的共地系统。任一个电路电流的变化都会对其他电路产生影响。,2. 电容性传导耦合（电感应耦合）,干扰源与测量电路间通过分布电容产生的干扰耦合方式。,假设干扰源电压为U1，导线2为测量回路。则因干扰源在测量回路中产生的噪声电压Un ，可用下式表示,当 测量线路对地阻抗较小时，即,，则有,相当于在线路2中产生了一个幅度为 的干扰电流源。,上式是讨论两导线间容性耦合的最重要公式。它表明当测量电路对地电阻较小时，噪声电压正比于干扰源的频率和幅值、测量电路对地电阻

5、以及测量回路与干扰回路间的耦合电容。,当 测量线路对地阻抗较大时，即,，则有,在这种情况下，测量电路产生的噪声电压是由电容分压器C12和C2g引起的，与频率无关。而且与前一种情况相比，此时的噪声电压要大得多。,使测量回路尽可能在较低的电阻值上工作；,降低容性耦合干扰的方法,假定干扰源的强度和频率是不变的，那么降低容性耦合可归结为减小以下两个参数：,尽可能减小回路间耦合电容C12 ，这可以通过导线本身的方向性、屏蔽或分隔来实现 。,3. 电感性传导耦合（磁感应耦合）,干扰源与测量回路间通过互感产生的干扰耦合方式。,假设干扰源电压为U1，导线2为测量回路。则因干扰源在测量回路中产生的噪声电压Un

6、，可用下式表示,上式中M12为线路1、2间的互感。,也可以用由回路1产生的磁通密度在回路2中引起的感生电势来表示。,如果磁通也随时间正弦变化，同时测量回路是固定的，则整个环路面积恒定。则有,式中， B 磁通密度（T） A 测量回路等效面积（m2） 矢量A和矢量B的夹角,可采用电路上物理隔离的方法，减小穿过测量回路的磁通密度B ；,降低感性耦合干扰的方法,由上式可得，为了减小干扰电压，必须减小B 、 A或COS 。,可将导线紧贴地平面或采用双绞线，尽可能减小测量回路的等效面积A 。,调整干扰源与测量回路的相对位置。,鉴别磁耦合和电耦合干扰的方法,如果所测噪声电压减小，则为电干扰。,对于磁耦合，等

7、效于在测量回路中串联一干扰电压源；而对于电耦合，则等效于在测量电路与地之间并入干扰电流源。因此在实际测量中，可采用以下方法鉴别两种耦合。,测量跨接电缆一端阻抗上的噪声电压，并减小电缆另一端上的阻抗。,如果所测噪声电压增大，则为磁干扰。,5.2.2. 辐射耦合,由于现代无线通讯技术的广泛使用，以空间电磁辐射形式出现的干扰源已越来越普遍地存在。,在工程实际中，短单极天线（ dl 小于）是一种最为常见的辐射模式。根据麦克斯韦方程，短单极天线的辐射场可表示为,上式中，r，为球坐标；I 为天线电流，dl为短单极天线长度；为天线至场点的距离；为角频率；0为空气介电常数；,对于辐射耦合，近场和远场的概念是十

8、分重要的。是对实际情况的有效简化，单极天线又称为高电压、小电流高阻抗源。,1. 近场辐射,当被辐射场点距辐射天线较近时，即r 时,可见，H正比于 ，E正比于 ,而波阻抗,为高容性阻抗，正比于 ，所以单极天线的近场又称为高阻抗场，以电场为主。,2. 远场辐射,当被辐射场点距辐射天线较近时，即r 时,可见， H 和E 正比于 ，而波阻抗,其远场与单极天线完全相同。而当近场时， E正比于 ， H正比于 ，而波阻抗,为感性低阻抗，与r 成正比。小环天线的近场又称低阻抗场，以磁场为主。,对于另一类常见的天线类型小环天线 ，为低电压、大电流低阻抗源。,小环天线,两种天线的波阻抗 Z 与r 的关系,电磁干扰

9、的抑制方法,电磁干扰的主要抑制方式,屏蔽 抑制辐射干扰,滤波 抑制传导干扰,接地 最基本、最有效，也是最廉价的,保护 抑制能量型干扰,接地（ Earthing 或Grounding ）就是在电气设备和大地之间实现确实的电气连接。, 5.3 接地技术,富兰克林的避雷针和世界上最早的接地,莫尔斯的有线通信电路,为雷电、静电等能量提供安全释放的通道。,为模拟或数字信号提供稳定的电位基准点。,油罐车静电用接地,地球相当于一个巨大的电容器，通常意义上可以认为大地是稳定的电位基准点。 问题是对如飞机、火箭、人造卫星等飞行体，是无法真正与大地相联接的。,理想的地对于流过的电流没有电阻。其结果是不管流过的电流

10、有多大，在地线的不同点之间没有电压降。但在高频情况下并非如此。 在设计地线时，必须了解地电流的实际流动路径。,信号地的含义,为电路提供参考等电位点。 为电流流回电源提供一条低阻抗路径。,放大电路的地电流路径,放大电路的地电流路径,(a)错误电源接地方式,(b)修正的电源接地方式,如图 (a)所示，放大器电源电流流动路径为Z3 Z2 Z1就会在Z2产生一个干扰电压，该干扰与信号源是串联的，当该干扰电压的幅值和频率满足一定条件时，电路会发生振荡。 只要将电路的直流电源的接地点如图（b）修改一下，是电流流过，问题就解决了。,常规接地系统,悬浮接地,单点接地,多点接地,混合接地,5.3.1. 接地系统

11、,一、悬浮接地,悬浮地是指设备或单元地线在电气上与参考地相绝缘的情况。 比较常见的悬浮接地是为了防止机箱上的干扰电流直接耦合到信号电路，将信号地与机箱有意地绝缘。,(a) 设备悬浮地,(b) 单元悬浮地,悬浮接地容易产生静电积累和静电放电，在雷电或操作过电压下，还会在机箱和单元电路间产生飞弧。所以这种接地方式不宜在电气设备在线监测系统中使用。,二、单点接地,单点接地又称一点接地，要求电路的每个独立单元只接地一次，并接在同一参考点上。,(a) 串联一点接地,(b) 并联一点接地,由于串联一点接地会在地回路中，出现共阻抗的情况。所以并联一点接地最常用和有效，这种接地方式，由于只有一个参考点，没有地

12、回路存在，可以避免地线上各单元间的电流不会相互干扰。,在信号频率小于1MHz 以下时，单点接地是最理想的接地方式。但当频率升高时，由于接地阻抗较大，电路中会产生较大的共模电压。当地线长度超过1/4波长时，电路实际上已经与地隔离。,并联单点接地的一种改进是将具有类似特性的电路连接在一起，然后将每一个公共点连接到单点地。 干扰最大的电路英最靠近公共点。,(c) 改进的并联单点接地,测量地线的敷设，应力求减小地线的长度。如果存在两个以上独立的电路单元，应安装一条与机箱绝缘的接地母线。 除非机箱是镀银的，切忌以机箱作为分散接地的公公地平面。 因为不镀银的机壳地平面阻抗比较高。各电路地电流流过时会产生相

13、互干扰。,(d) 装有地母线的机柜,三、多点接地,多点接地是指设备中的内部电路都以机壳为参考点，又由一个安全地将所有参考点连接在一起。,多点接地方式适用于高频（10MHz）和数字电路，只要接地引线长度小于干扰波长的1/10，多点接地效果都很理想。此时机壳应镀银。,这种接地方式不适用于敏感的模拟电路。因为这样连接形成的地环路，会对模拟信号产生较大的干扰。,(b) 单元电路多点接地,(a) 设备多点接地,四、混合接地,测量系统内电源以及低频部分需要一点接地，而数字和高频部分则需要多点接地。,混合接地使用电抗性器件（主要是电容）使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性。这种接地方法在低频时相当于一点接

14、地，而在高频时相当于多点接地。,混合接地,绝大部分测量设备都是采用混合接地方式。,各单元电源地都接到电源总地线上。 各单元信号地都接到信号总地线上。 两根总地线最后汇总到公共的参考地。,测量设备混合接地,在采用混合接地式时，应特别关注寄生谐振现象。 例如在自感为0.1H的电缆上，使用0.1 F的电容接地时，将在1.6MHZ处产生谐振，在这个频率上电缆屏蔽层根本没有接地。因此在实际设计中，应尽可能使寄生谐振频率高于干扰频率。,五、多极电路的接地,（b）接 地 点靠 近 低 电 平 端（正确）,对于单元电路，为使电路工作稳定，最好采用单点接地。,多极电路的接地点选择十分重要。如果接地点设在输出处高

15、电平单元，则输入级的地对参考地的电位受干扰影响最大，是不合理的。 接地点应选在低电平电路单元的输入端，使其最接近参考地。,六、地线系统的设计步骤,分析监测系统内各单元的干扰特性和敏感特性。 查清监测系统内各电路的工作电平、信号种类和电源电压。 将地线分类，并进行分组。 给出总体地线布局图。 排出地线网。,应当强调，测量系统除安全地外，至少应有两个分开的地：一个电路地和一个机壳地。这些地应仅在电源处相连。 机箱地为高频提供很好的回路，而电气地应通过一个10100nF的电容器与机壳相连。 各单元的安全地可以连到金属机架上，但必须保证个金属件间可靠搭接。对于永久性的搭接，最理想的方式就是焊接。,七、

16、总结,对于低于1MHz的场合，尽量使用单点接地。 对于高于10MHz的场合， 可考虑采用多点接地。 当在高频场合存在敏感电路单元时，应避免多点接地，采用混合接地。 为避免地环路引起的干扰，应将信号地与机壳绝缘。 将不同用途的接地总线分开。,5.3.2. 屏蔽电缆的接地,研究仪器之间电缆的相互连接，以及如何恰当地使用这些电缆，以避免我们不希望的电流和辐射信号影响精密测量的准确度。,一、屏蔽层接地产生的电场屏蔽,干扰电压会通过分布电容耦合到屏蔽电缆的屏蔽线上。如果屏蔽层不进行接地。则干扰源就会进一步通过屏蔽层对芯线的分布电容耦合到信号线中。由于屏蔽电缆的表面积比普通导线大，所以产生的耦合干扰也较一

17、般导线强。 如果屏蔽层接地，干扰源的耦合信号就会被屏蔽层短路至地，从而起到电场屏蔽的作用。,屏蔽电缆的屏蔽层接地点通常选在屏蔽电缆一端，称为单端接地。,屏蔽电缆的电场屏蔽,二、地环路对屏蔽的影响,如果电缆屏蔽层两端接地，且两端点地电位间存在电位差，则屏蔽层就会流过噪声电流。这一噪声电流会通过屏蔽层与芯线间的互感进一步在芯线上产生感应的噪声电压，串联到信号回路中。 对电缆必须双端接地的情况，一个常用的解决办法是采用双屏蔽电缆。内屏蔽作信号会流线，而外屏蔽两端接地，即使流过地环路电流，也不会对信号形成干扰。,地环路对屏蔽的影响,5.3.3. 印制电路板的地线设计,不合理的地线结构，将导致印制电路板（PCB）中产生必要的干扰。,过大的地线回路,过大的开关电流回路,共地阻抗,一、地线网格,在高速数字电路中，地线网格是主要的地线构线方式，信号线应尽量靠近地线。 梳状地线是应尽可能避免的，这种结构将造成回路电流环流增大。 地线网格不适用于低频小信号模拟电路。,二、地线面,地线面是地线网格的延伸，它能够提供最小的回路电感和电阻。从而减小地线干扰，但地线面不具有任何屏蔽作用。,在高频情况下，回流信号并非一定走几何距离最短的路径，而是走最靠近信