电磁兼容技术

---计算机控制系统---第10章计算机控制系统的电磁兼容技术---计算机控制系统---计算机控制系统的工作环境比较恶劣，往往要和各种大功率设备协同工作，经常存在严重的干扰。同时，数字计算机是一个含有多种元器件和许多分系统的数字系统。外来电磁辐射、内部元件之间、分系统之间、各传输通道之间的相互串扰对计算机数据信息所产生的干扰和破坏，严重威胁着计算机工作的稳定性、可靠性和安全性。同时计算机作为高速运行的数字设备，又不可避免的向外辐射电磁干扰，对环境中的人体、设备产生干扰。人们常常遇到这样的情况：一个在实验室运行正常的系统，当安装在实际环境中却不能稳定工作。究其原因就是电磁兼容性设计不完善。---计算机控制系统---1.什么叫电磁兼容？2.电磁干扰的传播途径有几种？3.电磁干扰的作用形式有几种？如何抑制？4.什么是串模干扰和共模干扰？如何抑制？5.计算机控制系统中有哪几种地线？请画出回流法地线和一点接地示意图。6.低频电路为什么要采取一点接地的方法，它防止的是什么噪声？7.什么是串扰？应该如何防止它对数字信号传输的影响？8.使用传输线时反射是怎样发生的？如何避免波反射对信号传输的影响？思考题---计算机控制系统---10.1电磁兼容概述•电磁兼容(ElectromagneticCompatibility)简称EMC。按照我国国军标GJB72—85《电磁干扰和电磁兼容名次术语》规定，电磁兼容是“设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。既该设备不会由于受到处于同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级，它也不会使同一电磁环境中其它设备(分系统、系统)因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级”。由于电磁环境中包含传导和辐射量方面的能量，电磁兼容也因此具有两方面的内容——发射和敏感度。---计算机控制系统---电磁兼容性（ElectromagneticCompatibility）简称EMC。电磁兼容性是指一个设备或系统在其设置的预定场所投入实际运行时，应具有既不受周围电磁环境影响，又不影响周围环境，也不发生性能恶化和误动作，而按设计要求正常工作的能力。即设备或系统在电磁环境中的适应能力。---计算机控制系统---电磁干扰产生和形成的条件是：①有产生电磁干扰的发射体，即干扰源；②存在传递电磁干扰的途径，即耦合通道；③有承受电磁干扰的接收体，即敏感设备。---计算机控制系统---从设计阶段开始便应从三个方面采取抑制措施。即：①抑制干扰源；②切断或衰减电磁干扰的传播途径；③提高装置和系统的抗干扰能力。干扰源抗干扰措施敏感设备耦合通道---计算机控制系统---10.1.1干扰源及其作用形式•干扰源分自然干扰源和人为干扰源两类。人为干扰源是由机电或其他人工装置产生的电磁能量干扰。其中一部分是专门用来发射电磁能量的装置，如广播、电视、通信、雷达和导航等无线电设备，称为有意发射干扰源。另一部分是在完成自身功能的同时附带产生的电磁能量的发射，例如交通工具、架空输电线、照明用具、电动机械、家用电器和工业、科学、医疗用射频设备等，称为无意发射干扰源。---计算机控制系统---摩擦电效应：当电缆中的介质不与导体保持接触时，介质由于摩擦可以带电，这叫摩擦电效应。它往往是由于电缆机械弯曲而引起的，这种电缆的带电即成为噪声源，为此要防止电缆急剧地弯曲并防止电缆活动。导线的运动：当一段导线在磁场中运动时，线的两端就会产生电压。由于到处都有电源线或大电流配线，因此在大多数地方都有杂散磁场，若一个工作于低电平的导线在磁场中运动，导线上就会产生噪声。这个问题在振动环境中特别严重，应将电缆固定起来。典型的人为干扰：---计算机控制系统---自然干扰可以来自设备或系统内部，也可以来自设备或系统外部，前一种情况为内部干扰，后一种情况为外部干扰。内部干扰则是由系统结构、制造工艺等所决定的。内部干扰主要是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成电位差引起的干扰，甚至元器件产生的噪声、系统的软件干扰。---计算机控制系统---外部干扰指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定的。外部干扰主要是空间电或磁的影响。例如输电线和电气设备发出的电磁场，通信广播发射的无线电波，太阳或其它天体辐射出的电磁波，空中雷电，火花放电、弧光放电、辉光放电等放电现象，甚至气温、温度等气象条件也是外来干扰。从机理上看，外来干扰和内部干扰的物理性质相同，因而消除或抑制它们的方法没有本质上的区别。从机理上看，各种干扰通过不同的耦合方式进入系统后，对系统的作用形式都可分为共模干扰形式和串模干扰形式。---计算机控制系统---串模干扰及抑制方法所谓串模干扰是指叠加（串联）在被测信号上的干扰噪声(又称横向干扰或正态干扰、常态干扰)。这里的被测信号是指有用的直流信号或者变化缓慢的交变信号，而干扰噪声是指无用的变化较快的杂乱交变信号，如图12-3。串模干扰和被测信号在回路中所处的地位是相同的。产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合，长线传输的互感，空间电磁场引起的磁场耦合，以及50HZ的工频干扰等。---计算机控制系统------计算机控制系统---共模干扰（也称纵向干扰或共态干扰）——由不同的“地”而引起用于控制的计算机的地、信号放大器的地以及现场信号源的地之间，通常要相隔一段距离，在两地之间往往存在着一个电位差VC，VC对放大器产生的干扰。称为共模干扰，也称纵向干扰/共态干扰。其一般表现形式如图12-4所示，其中VCm为共模电压。这种干扰可以是直流电压或交流电压。---计算机控制系统---10.1.2干扰的传播途径•1、传导耦合传导耦合必需在干扰源和敏感设备之间有完整的电路连接，干扰信号沿着该连接电路传递到敏感设备，产生干扰。一般有如下三种方式：1）沿电源线传导的电磁干扰2）通过公共阻抗的耦合3）通过公共地阻抗的耦合---计算机控制系统---•2、辐射耦合•辐射耦合是干扰通过介质以电磁波的形式向周围空间发射。一般有如下三种方式：•1）天线耦合•2）场对导线的耦合•3）导线到导线的耦合---计算机控制系统---10.2电磁干扰抑制技术•1）滤波•2）屏蔽•3）接地•4）隔离---计算机控制系统---10.2.1滤波滤波是利用滤波器的选择特性，使有用信号顺利通过滤波电路而不受或受到很小衰减同时阻止干扰信号的通过，从而达到抑制和防止干扰的目的。1）信号滤波器2）电磁干扰滤波器---计算机控制系统---二级电容滤波---计算机控制系统---10.2.2屏蔽屏蔽是在空间区域中进行金属隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域向另一个区域传播。1）静电屏蔽2）电磁场屏蔽---计算机控制系统---例如，向导线1加交流电压V1，因静电耦合作用，导线2上将产生静电感应电压V2。其中C10、C20为导线1和导线2的对地电容，C12为两导线之间的分布电容。---计算机控制系统---去耦方法：静电屏蔽静电屏蔽是把一接地屏蔽导体插在导体1和导体2之间，屏蔽导体接地。---计算机控制系统---当有电流流过导体时，在导体周围会产生与该电流相对应的磁通。当流经线路1的电流所产生的部分磁通与形成环路的回路2交链时，回路2便有感应电压产生，这种现象叫做电磁耦合或电磁感应。---计算机控制系统---电磁屏蔽是设法使回路1的磁通发生扭曲，或将其引向它方、避免与回路2交链。可以在两个电路之间置一磁导率很高的金属板，消除电磁耦合。例如，易受外来磁通影响的变压器和磁头等部件，可置入玻莫合金等高磁导率的外壳内，以防止磁通进入它们内部。去耦方法：电磁屏蔽---计算机控制系统---另外，在抑制电磁感应的方法中，除避免磁通和回路交链外，缩小回路所圈围的面积，也是一种有效方法。传输线信号的往复两根导线间有若干距离，所以出现圈围面积。用双绞线不仅缩小了圈围的面积，而且就局部来讲，相邻小环路感应电压的极性相反，相互抵消，从整体来看，比两根导线平行方式相比感应小。---计算机控制系统---10.2.3接地接地是保护设施和人身安全的必要手段，也是控制电磁干扰、保证设备电磁兼容性、提高设备可靠性的重要技术措施。接地方式有三种：单点接地、多点接地和混合接地。一般在频率低于1M时采用单点接地，频率高于10M时用多点接地，频率在1-10M之间用混合接地。---计算机控制系统---接地回路的公共阻抗会引起几个电路之间的相互干扰。如果系统的模拟信号和数字信号不是分开接地的，如下图（a），则数字信号就会耦合到模拟信号中去。图（b）中模拟信号和数字信号是分开接地的，两种信号分别流入大地，这样就可以避免干扰，因为大地是一个无限吸收面。---计算机控制系统------计算机控制系统---信号地线噪声地线金属件地线实用低频接地方式信号地线：低电平电路地线噪声地线：继电器、电动机等的地线金属件地线：设备机壳地线---计算机控制系统---计算机控制系统的接地---计算机控制系统------计算机控制系统---信号线的敷设---计算机控制系统---10.2.4隔离•光电隔离•电磁隔离•浮地屏蔽•继电器隔离---计算机控制系统---（1）光电隔离（让共模干扰没有回路）---计算机控制系统---（2）电磁隔离---计算机控制系统---（3）用浮地输入双层屏蔽来抑制共模噪声图12-33浮地输入双层屏蔽---计算机控制系统------计算机控制系统---