电磁干扰与测量

电磁干扰测量与诊断 电磁干扰测量与诊断 当你的产品由于电磁干扰发射强度超过电磁兼容规定而不能出厂时，或当由于电路模块之间的电磁干扰，系统不能正常工作时，我们就要解决电磁干扰的问。要解决电磁干扰问题，首先要能够“看”到电磁干扰，了解电磁干扰的幅度和发生源。本文要介绍有关电磁干扰测量和判断干扰发生源的的方法。 １．测量仪器 　　谈到测量电信号，电气工程师首先想到的可能就是示波器。示波器是一种将电压幅度随时间变化的规律显示出来的仪器，它相当于电气工程师的眼睛，使你能够看到线路中电流和电压的变化规律，从而掌握电路的工作状态。但是示波器并不是电磁干扰测量与诊断的理想工具。这是因为： A.　 所有电磁兼容标准中的电磁干扰极限值都是在频域中定义的，而示波器显示出的时域波形。因此测试得到的结果无法直接与标准比较。为了将测试结果与标准相比较，必须将时域波形变换为频域频谱。 B.　电磁干扰相对于电路的工作信号往往都是较小的，并且电磁干扰的频率往往比信号高，而当一些幅度较低的高频信号叠加在一个幅度较大的低频信号时，用示波器是无法进行测量。 C.　示波器的灵敏度在mV级，而由天线接收到的电磁干扰的幅度通常为V级，因此示波器不能满足灵敏度的要求。 　　测量电磁干扰更合适的仪器是频谱分析仪。频谱分析仪是一种将电压幅度随频率变化的规律显示出来的仪器，它显示的波形称为频谱。频谱分析仪克服了示波器在测量电磁干扰中的缺点，它能够精确测量各个频率上的干扰强度。 　　对于电磁干扰问题的分析而言，频谱分析仪是比示波器更有用的仪器。而用频谱分析仪可以直接显示出信号的各个频谱分量。 1.1　频谱分析仪的原理 　　频谱分析仪是一台在一定频率范围内扫描接收的接收机，它的原理图如图1所示。 图1 频谱分析仪的原理框图 　　频谱分析仪采用频率扫描超外差的工作方式。混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度下来，就得到了被测信号的频谱。 　　根据这个频谱，就能够知道被测设备是否有超过标准规定的干扰发射，或产生干扰的信号频率是多少。 1.2 　频谱分析仪的使用方法 　　要获得正确的测量结果，必须正确地操作频谱分析仪。本节简单介绍频谱分析仪的使用方法。正确使用频谱分析仪的关键是正确设置频谱分析仪的各个参数。下面解释频谱分析仪中主要参数的意义和设置方法。 A.​ 频率扫描范围： 　　规定了频谱分析仪扫描频率的上限和下限。通过调整扫描频率范围，可以对感兴趣的频率进行细致的观察。扫描频率范围越宽，则扫描一遍所需要时间越长，频谱上各点的测量精度越低，因此，在可能的情况下，尽量使用较小的频率范围。在设置这个参数时，可以通过设置扫描开始频率和终止频率来确定，例如：start frequency = 1MHz, stop frequency = 11MHz。也可以通过设置扫描中心频率和频率范围来确定，例如：center frequency = 6MHz, span = 10MHz。这两种设置的结果是一样的。 B.​ 中频分辨带宽： 　　规定了频谱分析仪的中频带宽，这项指标决定了仪器的选择性和扫描时间。调整分辨带宽可以达到两个目的，一个是提高仪器的选择性，以便对频率相距很近的两个信号进行区别。另一个目的是提高仪器的灵敏度。因为任何电路都有热噪声，这些噪声会将微弱信号淹没，而使仪器无法观察微弱信号。噪声的幅度与仪器的通频带宽成正比，带宽越宽，则噪声越大。因此减小仪器的分辨带宽可以减小仪器本身的噪声，从而增强对微弱信号的检测能力。 　　分辨带宽一般以3dB带宽来表示。当分辨带宽变化时，屏幕上显示的信号幅度可能会发变化。若测量信号的带宽大于通频带带宽，则当带宽增加时，由于通过中频放大器的信号总能量增加，显示幅度会有所增加。若测量信号的带宽小于通频带宽，如对于单根谱线的信号，则不管分辨带宽怎样变化，显示信号的幅度都不会发生变化。 信号带宽超过中频带宽的信号称为宽带信号，信号带宽小于中频带宽的信号称为窄带信号。根据信号是宽带信号还是窄带信号能够有效地定位干扰源。 C.​ 扫描时间： 　　仪器接收的信号从扫描频率范围的最低端扫描到最高端所使用的时间叫做扫描时间。扫描时间与扫描频率范围是相匹配的。如果扫描时间过短，测量到的信号幅度比实际的信号幅度要小。 D.​ 视频带宽： 视频带宽的作用与中频带宽相同，可以减小仪器本身的带内噪声，从而提高仪器对微弱信号的检测能力。 2．用频谱分析仪分析干扰的来源 　2.1 　根据干扰信号的频率确定干扰源 　　在解决电磁干扰问题时，最重要的一个问题是判断干扰的来源，只有准确将干扰源定位后，才能够提出解决干扰的措施。根据信号的频率来确定干扰源是最简单的方法，因为在信号的所有特征中，频率特征是最稳定的，并且电路设计人员往往对电路中各个部位的信号频率都十分清楚。因此，只要知道了干扰信号的频率，就能够推测出干扰是哪个部位产生的。 　　对于电磁干扰信号，由于其幅度往往远小于正常工作信号，因此用示波器很难测量到干扰信号的频率。特别是当较小的干扰信号叠加在较大的工作信号上时，示波器无法与干扰信号同步，因此不可能得到准确的干扰信号频率。 　　而用频谱分析仪做这种测量是十分简单的。由于频谱分析仪的中频带宽较窄，因此能够将与干扰信号频率不同的信号滤除掉，精确地测量出干扰信号频率，从而判断产生干扰信号的电路。 　2.2 　根据干扰信号的带宽确定干扰源 　　判断干扰信号的带宽也是判断干扰源的有效方法。例如，在一个宽带源的发射中可能存在一个单个高强度信号，如果能够判断这个高强度信号是窄带信号，则它不可能是从宽带发射源产生的。干扰源可能是电源中的振荡器，或工作不稳定的电路，或谐振电路。当在仪器的通频带中只有一根谱线时，就可以断定这个信号是窄带信号。 　　根据傅立叶变换，单根的谱线所对应的信号是周期信号。因此，当遇到单根谱线时，就要将注意力集中到电路中的周期信号电路上。 3．用近场测试方法确定辐射源 　　除了上述的根据信号特征判断干扰源的方法以外，在近场区查找辐射源可以直接发现干扰源。在近场区查找辐射源的工具有近场探头和电流卡钳。检查电缆上的发射源要使用电流卡钳，检查机箱缝隙的泄漏要使用近场探头。 3.1 电流卡钳与近场探头 　　电流探头是利用变压器原理制造的能够检测导线上电流的传感器。当电流探头卡在被测导线上时，导线相当于变压器的初级，探头中的线圈相当于变压器的次级。导线上的信号电流在电流探头的线圈上感应出电流，在仪器的输入端产生电压。于是频谱分析仪的屏幕上就可以看到干扰信号的频谱。仪器上读到的电压值与导线中的电流值通过传输阻抗换算。传输阻抗定义为：仪器50? 输入阻抗上感应的电压与导线中的电流之比。对于一个具体的探头，可以从厂家提供的探头说明书中查到它的转移阻抗ZT。因此，导线中的电流等于： I = V / ZT 　　如果公式中的所有物理量都用dB表示，则直接相减。 　　对于机箱的泄漏，要用近场探头进行探测。近场探头可以看成是很小的环形天线。由于它很小，因此灵敏度很低，仅能对近场的辐射源进行探测。这样有利于对辐射源进行精确定位。由于近场探头的灵敏度较低，因此在使用时要与前置放大器配套使用。 3.2 　用电流卡钳检测共模电流 　　设备产生辐射的主要原因之一是电缆上有共模电流。因此当设备或系统有超标发射时，首先应该怀疑的就是设备上外拖的各种电缆。这些电缆包括电源线电缆和设备之间的互连电缆。 　　将电流探头卡在电缆上，这时由于探头同时卡住了信号线和回流线，因此差模电流不会感应出电压，仪器上读出的电压仅代表共模电流。 　　测量共模电流时，最好在屏蔽室中进行。如果不在屏蔽室中，周围环境中的电磁场会在电缆上感应出电流，造成误判断。因此应首先将设备的电源断开，在设备没有加电的状态下测量电缆上的背景电流，并记录下来，以便与设备加电后测量的结果进行比较，排除背景的影响。 　　如果在用天线进行测量时将频谱分析仪的扫描频率局限感兴趣的频率周围很小的范围内，则可以排除环境中的干扰。 3.3 　用近场探头检测机箱的泄漏 　　如果设备上外拖电缆上没有较强的共模电流，就要检查设备机箱上是否有电磁泄漏。检查机箱泄漏的工具是近场探头。将近场探头靠近机箱上的接缝和开口处，观察频谱分析仪上是否有感兴趣的信号出现。一般由于探头的灵敏度较低，即使用了放大器，很弱的信号在探头中感应的电压也很低，因此在测量时要将频谱分析仪的灵敏度调得尽量高。根据前面的讨论，减小频谱分析仪的分辨带宽能够提高仪器的灵敏度。但是要注意的是，当分辨带宽很窄时，扫描时间会变得很长。为了缩短扫描时间，提高检测效率，应该使频谱分析仪的扫描频率范围尽量小。因此一般在用近场探头检测机箱泄漏时，都是首先用天线测出泄漏信号的精确频率，然后使仪器用尽量小的扫描频率范围覆盖住这个干扰频率。这样做的另一个好处是不会将背景干扰误判为泄漏信号。 　　对于机箱而言，靠近滤波器安装位置的缝隙是最容易产生电磁泄漏的。因为滤波器将信号线上的干扰信号旁路到机箱上，在机箱上形成较强的干扰电流，这些电流流过缝隙时，就会在缝隙处产生电磁泄漏。 4．容易犯的错误 　　当设备不能满足有关的电磁兼容标准时，就要对设备产生超标发射的原因进行调查，然后进行排除。在这个过程中，经常发现许多人经过长时间的努力，仍然没有排除故障。造成这种情况的原因是诊断工作陷入了“死循环”。这种情况可以用下面的例子说明。 　　假设一个系统在测试时出现了超标发射，使系统不能满足电磁兼容标准中对电磁辐射的限制。经过初步调查，原因可能有4个，它们分别是： ​ 主机与键盘之间的互连电缆（电缆1）上的共模电流产生的辐射 ​ 主机与打印机之间的互连电缆（电缆2）上的共模电流产生的辐射 ​ 机箱面板与机箱基体之间的缝隙（开口1）产生的泄漏 ​ 某显示窗口（开口2）产生泄漏 　　在诊断时，首先在电缆1上套一个铁氧体磁环，以减小共模辐射，结果发现频谱仪屏幕上显示的信号并没有明显减小。于是试验人员认为电缆1不是一个主要的泄漏源，将铁氧体磁环取下，套在电缆2上，结果发现频谱仪屏幕上显示的信号还没有明显减小。结果试验人员得出结论，电缆不是泄漏源。 　　于是再对机箱上的泄漏进行检查。用屏蔽胶带将开口1堵上，发现频谱仪屏幕上显示的信号没有明显减小。试验人员认为开口1不是主要泄漏源，将屏蔽胶带取下，堵到开口2上。结果频谱仪上的显示信号还没有减小。试验人员一筹莫展。之所以会发生这个问题，是因为试验人员忽视了频谱分析仪上显示的信号幅度是以dB为单位显示的。下面我们看一下为什么会有这种现象。 　　假设这4个泄漏源所占的成分各占1/4，并且在每个辐射源上采取的措施能够将这个辐射源完全抑制掉。则我们采取以上4个措施中的一个时，频谱仪上显示信号降低的幅度ΔA为： ΔA = 20 lg ( 4 / 3 ) = 2.5 dB 　　幅度减小这么少，显然是微不足道的。但这却已经将泄漏减少了25%。 　　正确的方法是，当对一个可能的泄漏源采取了抑制措施后，即使没有明显的改善，也不要将这个措施去掉，继续对可能的泄漏源采取措施。当采取到某个措施时，如果干扰幅度降低很多，并不一定说明这个泄漏源是主要的，而仅说明这个干扰源是最后一个。按照这个步骤对4个泄漏源逐个处理的结果如图1所示。 　　在前面的叙述中，我们假定对某个泄漏源采取措施后，这个泄漏源被100%消除掉，如果这样，当最后一个泄漏源去掉后，电磁干扰的减小应为无限大。实际这是不可能的。我们在采取任何一个措施时，都不可能将干扰源100%消除。泄漏源去掉的程度可以是99% ，或99.9% ，甚至99.99以上，而决不可能是100% ！所以当最后一个泄漏源去掉后，尽管改善很大，但仍是有限值。 　　当设备完全符合有关的规定后，如果为了降低产品成本，减少不必要的器件，可以将采取的措施逐个去掉。首先应该考虑去掉的是成本较高器件/材料，或在正式产品上难于实现的措施。如果去掉后，产品的电磁发射并没有超标，就可以去掉这个措施。通过试验，使产品成本降到最低。 　　 图 2 抑制4个泄漏源时干扰幅度的变化 ５．产品电磁兼容测试诊断步骤 　　图3给出了一个设备或系统的电磁干扰发射与故障分析步骤，按照这个步骤进行可以提高测试诊断的效率。 　 　 图3 电磁兼容测试诊断步骤 关于图3的说明如下： ​ 电磁兼容测试一般首先测量干扰发射，因为干扰发射的试验费用一般比敏感度试验费用低。另外当设备的干扰发射能够满足要求时，往往敏感度也不会有大的问题。因为几乎所有的解决干扰发射的措施同样对改善敏感度有效。 ​ 测量干扰发射时要先测量传导发射，不仅要在标准规定的频率范围内测量，还要对更高的频率进行摸底测量。当电源线上有较强的干扰电流时，要先解决这个问题。因为这些传导干扰电流会借助导线的天线作用产生辐射，导致辐射发射不合格。 ​ 当传导发射完全合格后，再进行辐射发射测试。对于辐射发射不合格的频率，要记录下精确频率，便于在用近场探头查找问题时，将频谱分析仪的扫描范围设置在干扰频率附近。 ６．附录 测量仪器配件供应厂商： ​ 惠普公司： 　　提供频谱分析仪，前置放大器，近场探头，电流卡钳等，能够构成一套完整的干扰发射诊断系统。 ​ Electro –metrics ： 　　生产电磁干扰接收机与测试系统，天线，近场探头，阻抗稳定网络等。 　　Web: www.electro-metrics.com 　　Email: info@emihq.com  ​ Tektronix ： 　　电磁干扰测试接收机，频谱分析仪。 　　www.tek.com ​ Solar Electronics Company： 　　满足GJB-151A要求的各种电流卡钳和干扰注入卡钳，脉冲发生器，扫频功率源。 　　www.solar-emc.com ​ A.H.System ： 　　各种测试天线。 　　www.ahsystems.com ​ ETS ： 　　各种测试天线，电流卡钳，干扰注入卡钳 ，近场探头，GTEM小室，测试转台，天线塔，阻抗稳定网络； 　　www.emctest.xom ​ Amplifier Research ： 　　能满足各种标准中敏感度试验的功率放大器。 　　www.ar-amps.com ​ CPI: www.cpii.com/satcom/industrl/index.htm ​ Fischer Custom Communicatons ： 　　满足EN50082-2, IEC 1000-4-6, ENV 50141等标准要求的传导敏感度测量附件，如耦合解耦网络，干扰注入钳等。 　　www.fischercc.com ​ Thermo Voltek ： 　　功率放大器。 　　www.kalmus.com ​ Noise Laboratory ： 　　测量线路板上的近场辐射的线路板辐射扫描测试仪 　　www.noiseken.com ​ Haefely ： 　　满足IEC和EN标准要求的各种干扰发生器，如静电放电模拟器，电快速脉冲模拟器，浪涌模拟器等。 　　www.haefely.com ​ KeyTek ： 　　满足IEC和EN标准要求的各种干扰发生器，如静电放电模拟器，电快速脉冲模拟器，浪涌模拟器等。 　　www.keytek.com 地线干扰与抑制 1．地线的定义 　　什么是地线？大家在教科书上学的地线定义是：地线是作为电路电位基准点的等电位体。这个定义是不符合实际情况的。实际地线上的电位并不是恒定的。如果用仪表测量一下地线上各点之间的电位，会发现地线上各点的电位可能相差很大。正是这些电位差才造成了电路工作的异常。电路是一个等电位体的定义仅是人们对地线电位的期望。 　　HENRY 给地线了一个更加符合实际的定义，他将地线定义为：信号流回源的低阻抗路径。这个定义中突出了地线中电流的流动。按照这个定义，很容易理解地线中电位差的产生原因。因为地线的阻抗总不会是零，当一个电流通过有限阻抗时，就会产生电压降。 　　因此，我们应该将地线上的电位想象成象大海中的波浪一样，此起彼伏。 2．地线的阻抗 　　谈到地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差能够造成电路的误动作，许多人觉得不可思议：我们用欧姆表测量地线的电阻时，地线的电阻往往在毫欧姆级，电流流过这么小的电阻时怎么会产生这么大的电压降，导致电路工作的异常。 　　要搞清这个问题，首先要区分开导线的电阻与阻抗两个不同的概念。电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗，而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的。任何导线都有电感，当频率较高时，导线的阻抗远大于直流电阻，表1 给出的数据说明了这个问题。在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号，脉冲信号包含丰富的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压。对于数字电路而言，电路的工作频率是很高的，因此地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。 表1 导线的阻抗（Ω）： 频率 Hz D = 0.65 10cm 1m D = 0.27 10cm 1m D = 0.065 10cm 1m D = 0.04 10cm 1m 10 51.4m 517m 327m 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m 1k 429m 7.14m 632m 8.91m 5.34m 53.9m 14m 144m 100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07 1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6 5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3.86 53 10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106 50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530 100M 42.6 　 54 　 71.4 　 77 　 150M 63.9 　 81 　 107 　 115 　 　　如果将10Hz时的阻抗近似认为是直流电阻，可以看出当频率达到10MHz 时，对于1米长导线，它的阻抗是直流电阻的1000 倍至10万倍。因此对于射频电流，当电流流过地线时，电压降是很大的。 　　从表上还可以看出，增加导线的直径对于减小直流电阻是十分有效的，但对于减小交流阻抗的作用很有限。但在电磁兼容中，人们最关心的交流阻抗。为了减小交流阻抗，一个有效的办法是多根导线并联。当两根导线并联时，其总电感 L为： L = ( L1 + M ) / 2 　　式中，L1 是单根导线的电感，M是两根导线之间的互感。 　　从式中可以看出，当两根导线相距较远时，它们之间的互感很小，总电感相当于单根导线电感的一半。因此我们可以通过多条接地线来减小接地阻抗。但要注意的是，多根导线之间的距离不能过近。 3．地线干扰机理 3.1地环路干扰 　　图1是两个接地的电路。由于地线阻抗的存在，当电流流过地线时，就会在地线上产生电压。当电流较大时，这个电压可以很大。例如附近有大功率用电器启动时，会在地线在中流过很强的电流。这个电流会在两个设备的连接电缆上产生电流。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成影响。由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的，因此成为地环路干扰。地环路中的电流还可以由外界电磁场感应出来。 图1地环路干扰 　 3.2公共阻抗干扰 　　当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合，如图2 所示。 图2 公共阻抗耦合 　　在数字电路中，由于信号的频率较高，地线往往呈现较大的阻抗。这时，如果存在不同的电路共用一段地线，就可能出现公共阻抗耦合的问题。图3 的例子说明了一种干扰现象。 　　图3 是一个有四个门电路组成的简单电路。假设门1的输出电平由高变为低，这时电路中的寄生电容（有时门2 的输入端有滤波电容）会通过门1向地线放电，由于地线的阻抗，放电电流会在地线上产生尖峰电压，如果这时门3 的输出是低电平，则这个尖峰电压就会传到门3的输出端，门4的输入端，如果这个尖峰电压的幅度超过门4 的噪声门限，就会造成门4的误动作。 图3 地线阻抗造成的电路误动作 4．地线干扰对策 4.1地环路对策 　　从地环路干扰的机理可知，只要减小地环路中的电流就能减小地环路干扰。如果能彻底消除地环路中的电流，则可以彻底解决地环路干扰的问题。因此我们提出以下几种解决地环路干扰的。 A. 将一端的设备浮地 　　如果将一端电路浮地，就切断了地环路，因此可以消除地环路电流。但有两个问题需要注意，一个是出于安全的考虑，往往不允许电路浮地。这时可以考虑将设备通过一个电感接地。这样对于50Hz的交流电流设备接地阻抗很小，而对于频率较高的干扰信号，设备接地阻抗较大，减小了地环路电流。但这样做只能减小高频干扰的地环路干扰。 　　另一个问题是，尽管设备浮地，但设备与地之间还是有寄生电容，这个电容在频率较高时会提供较低的阻抗，因此并不能有效地减小高频地环路电流。 B. 使用变压器实现设备之间的连接 　　利用磁路将两个设备连接起来，可以切断地环路电流。 　　但要注意，变压器初次级之间的寄生电容仍然能够为频率较高的地环路电流提供通路，因此变压器隔离的方法对高频地环路电流的抑制效果较差。提高变压器高频隔离效果的一个办法是在变压器的初次级之间设置屏蔽层。但一定要注意隔离变压器屏蔽层的接地端必须在接受电路一端。否则，不仅不能改善高频隔离效果，还可能使高频耦合更加严重。因此，变压器要安装在信号接收设备的一侧。 　　经过良好屏蔽的变压器可以在1MHz以下的频率提供有效的隔离。 C. 使用光隔离器 　　另一个切断地环路的方法是用光实现信号的传输。这可以说是解决地环路干扰问题的最理想方法。用光连接有两种方法，一种是光耦器件，另一种是用光纤连接。光耦的寄生电容一般为2pf，能够在很高的频率提供良好的隔离。光纤几乎没有寄生电容，但安装、维护、成本等方面都不如光耦器件。 D. 使用共模扼流圈 　　在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗，这样在一定的地线电压作用下，地环路电流会减小。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容，否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈的匝数越多，则寄生电容越大，高频隔离的效果越差。 4.2消除公共阻抗耦合 　　消除公共阻抗耦合的途径有两个，一个是减小公共地线部分的阻抗，这样公共地线上的电压也随之减小，从而控制公共阻抗耦合。另一个方法是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线，一般要避免强电电路和弱电电路共用地线，数字电路和模拟电路共用地线。 　　如前所述，减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。这包括使用扁平导体做地线，用多条相距较远的并联导体作接地线。对于印刷线路板，在双层板上布地线网格能够有效地减小地线阻抗，在多层板中专门用一层做地线虽然具有很小的阻抗，但这会增加线路板的成本。 　　通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地，如图4　所示。并联接地的缺点是接地的导线过多。因此在实际中，没有必要所有电路都并联单点接地，对于相互干扰较少的电路，可以采用串联单点接地。例如，可以将电路按照强信号，弱信号，模拟信号，数字信号等分类，然后在同类电路内部用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地，如图5 所示。 图4 并联单点接地 　 图5 串并联混合单点接地 5．小结 　　地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗，当电流流过地线时，会在地线上产生电压，这就是地线噪声。在这个电压的驱动下，会产生地线环路电流，形成地环路干扰。当两个电路共用一段地线时，会形成公共阻抗耦合。 　　干扰的解决地环路方法有切断地环路，增加地环路的阻抗，使用平衡电路等。解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗，或采用并联单点接地，彻底消除公共阻抗。 目　录 　１接地的方法 　２接地要求 　３接地技术应用 　 　 　　接地从字面来看上十分简单事情，但是对于经历过电磁干扰挫折的人来说可能是一个最难掌握的技术。实际上在电磁兼容设计中，接地是最难的技术。面对一个系统，没有一个人能够提出一个绝对正确的接地方案，多少会遗留一些问题。造成这种情况的原因是接地没有一个很系统的理论或模型，人们在考虑接地时只能依靠他过去的经验或从书上看到的经验。但接地是一个十分复杂的问题，在其它场合很好的方案在这里不一定最好。关于接地设计在很大程度上依赖设计师的直觉，也就是他对“接地”这个概念的理解程度和经验。因此，我们将不断地为大家有关接地方面的文章，使大家循序渐进地形成对接地的直觉。 返回目录 　 １接地的方法 　 　　接地的方法很多，具体使用那一种方法取决于系统的结构和功能。“接地”的概念首次应用在电话的设计开发中。从1881年初开始采用单根电缆为信号通道，大地为公共回路。这就是第一个接地问题。但是用大地作为信号回路会导致地回路中的过量噪声和大气干扰。为了解决这个问题，增加了信号回路线。现在存在的许多接地方法都是来源于过去成功的经验，这些方法包括： 　　1) 单点接地：如图1所示，单点接地是为许多在一起的电路提供公共电位参考点的方法，这样信号就可以在不同的电路之间传输。若没有公共参考点，就会出现错误信号传输。单点接地要求每个电路只接地一次，并且接在同一点。该点常常一地球为参考。由于只存在一个参考点，因此可以相信没有地回路存在，因而也就没有干扰问题。 图1 单点和星形接地 　　2) 多点接地：如图2所示，从图中可以看出，设备内电路都以机壳为参考点，而各个设备的机壳又都以地为参考点。这种接地结构能够提供较低的接地阻抗，这是因为多点接地时，每条地线可以很短；并且多根导线并联能够降低接地导体的总电感。在高频电路中必须使用多点接地，并且要求每根接地线的长度小于信号波长的1/20。 图2 多点接地 　　3) 混合接地：混合接地既包含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性。例如，系统内的电源需要单点接地，而射频信号又要求多点接地，这时就可以采用图3所示的混合接地。对于直流，电容是开路的，电路是单点接地，对于射频，电容是导通的，电路是多点接地。 图3 混合接地 　　当许多相互连接的设备体积很大（设备的物理尺寸和连接电缆与任何存在的干扰信号的波长相比很大）时，就存在通过机壳和电缆的作用产生干扰的可能性。当发生这种情况时，干扰电流的路径通常存在于系统的地回路中。 　　在考虑接地问题时，要考虑两个方面的问题，一个是系统的自兼容问题，另一个是外部干扰耦合进地回路，导致系统的错误工作。由于外部干扰常常是随机的，因此解决起来往往更难。 返回目录 　 ２接地要求 　 　　要求接地的理由很多，下面列出几种： 　　1) 安全接地：使用交流电的设备必须通过黄绿色安全地线接地，否则当设备内的电源与机壳之间的绝缘电阻变小时，会导致电击伤害。 　　2) 雷电接地：设施的雷电保护系统是一个独立的系统，由避雷针、下导体和与接地系统相连的接头组成。该接地系统通常与用做电源参考地及黄绿色安全地线的接地是共用的。雷电放电接地仅对设施而言，设备没有这个要求。 　　3) 电磁兼容接地：出于电磁兼容设计而要求的接地，包括： 　　　　* 屏蔽接地：为了防止电路之间由于寄生电容存在产生相互干扰、电路辐射电场或对外界电场敏感，必须进行必要的隔离和屏蔽，这些隔离和屏蔽的金属必须接地。 　　　　* 滤波器接地：滤波器中一般都包含信号线或电源线到地的旁路电容，当滤波器不接地时，这些电容就处于悬浮状态，起不到旁路的作用。 　　　　* 噪声和干扰抑制：对内部噪声和外部干扰的控制需要设备或系统上的许多点与地相连，从而为干扰信号提供“最低阻抗”通道。 　　　　* 电路参考：电路之间信号要正确传输，必须有一个公共电位参考点，这个公共电位参考点就是地。因此所有互相连接的电路必须接地。 　　以上所有理由形成了接地的综合要求。但是，一般在设计要求时仅明确安全和雷电防护接地的要求，其它均隐含在用户对系统或设备的电磁兼容要求中。 返回目录 　 ３接地技术应用 　 　　目前所应用的接地技术和方法可以说是过去解决问题的经验总结。典型的接地要求往往限制在所谓的“单点接地”上。 　　通常在电路这一级上不专门提出对接地的具体要求，因为在这一层次上提出具体要求是不合适的。对数字电路而言，大多数逻辑芯片读采用单端电路的方式工作。也就是说，所有信号的电位以电源回路为参考的话，其电位是0V。在模拟电路中，情况也类似。当元器件之间的距离很近时，要完成逻辑信号的产生、处理和波形整形是很容易的，但如果传输线过长或者参考点电位不正确的话，都会产生问题。我们要建立这样的概念：接地并不是每个部分或每个系统都需要的，比如单块的线路板并不非要接地才能正常工作。当设备之间要传输数据时，接地就是十分必要的了。图4给出了一些地线的概念。 图4 设备的地线 抑制电缆干扰的制胜武器－滤波连接器 1．电缆是系统的最薄弱环节 　　令许多产品开发人员不解的事情是：为什么两台独立进行电磁干扰测试时完全合格的设备通过电缆连接起来后，系统就不在合格了。这是忽略了电缆的辐射作用。实践表明，按照屏蔽设计设计的屏蔽机箱一般很容易达到60-80dB的屏蔽效能，但往往由于电缆处置不当，造成系统产生严重的电磁兼容问题。90%的电磁兼容问题是由于电缆造成的。这是因为电缆是高效的电磁波接收天线和辐射天线。 　　电缆产生的辐射尤其严重。电缆之所以会辐射电磁波，是因为电缆端口处有共模电压存在，电缆在这个共模电压的驱动下，如同一根单极天线，如图1所示。 图1 电缆共模辐射模型 　　它产生的电场辐射如下式所示： E = 12.6 × 10 -7 ( f I L ) ( 1 / r ) 　　式中，I是电缆中的共模电流强度，L是电缆的长度，f是共模信号的频率，r是观测点到辐射源的距离。要减小电缆的辐射，可以减小高频共模电流强度，缩短电缆长度。电缆的长度往往不能随意减小，控制电缆共模辐射的最好的方法是减小高频共模电流的幅度，因为高频共模电流的辐射效率很高，是造成电缆超标辐射的主要因素。 　　减小电缆上共模高频电流的一个有效方法是在电缆的端口处使用低通滤波器，滤除电缆上的高频共模电流。传统上都是将滤波器安装在线路板上的电缆端口处，如图2所示。 图2 线路板上的共模低通滤波器 　　滤波器的这种安装方式有一个问题就是经过滤波后的信号线在机箱内较长，容易再次感应上干扰信号，形成新的共模电流，导致电缆辐射。再次感应的信号有两个来源，一个是机箱内的电磁波会感应到电缆上，另一个是滤波器前的干扰信号会通过寄生电容直接耦合到电缆端口上。解决这个问题的方法是尽量减小滤波后暴露在机箱内的导线长度。 　　滤波连接器是解决这个问题的理想器件。滤波连接器的每个插针上有一个低通滤波器，能够将插针上的共模电流滤掉。这些滤波连接器往往在外形和尺寸上与普通连接器相同，可以直接替代普通连接器。由于连接器安装在电缆进入机箱的端口处，因此滤波后的导线不会再感应上干扰信号，如图3所示。 图3 滤波连接器能够防止滤波后的导线再次感应上干扰 　　当然使用屏蔽电缆也能够解决电缆辐射的问题。但使用滤波连接器的方案在许多方面要优于屏蔽电缆，下面列举一些滤波连接器的优点： ​ 滤波连接器能够将电缆中的干扰电流滤除掉，从而彻底消除电缆的辐射因素。而屏蔽电缆仅仅是防止干扰通过电缆辐射，实际这些干扰电流还在电缆中。因此当主机通过屏蔽电缆与打印机连接时，干扰电流会流进打印机，通过打印机的天线效应辐射。 ​ 滤波连接器抑制电缆辐射的效果比屏蔽电缆更稳定。屏蔽电缆的效果在很大程度上决定于电缆的端接。由于电缆频繁的拆装或较长时间后搭接点的氧化，端接阻抗会增加，造成屏蔽效能下降。 ​ 使用滤波连接器后，可以降低对电缆端接的要求，降低生产成本，避免使用价格昂贵的高质量屏蔽电缆，降低成本。 　　滤波连接器中的滤波电路有较简单的单电容型或单电感电路，也有较复杂的 ? 型，? 型或T型电路。 2．使用滤波连接器的注意事项 2.1　滤波器的接地 　　滤波连接器必须良好接地才能起到预期的滤波作用。对于直接安装在面板上的滤波连接器，似乎只要保证机箱与滤波连接器之间是导电接触就不会有问题，但是在要求较严格的场合（如要满足军标的干扰发射限制要求），还是需要足够的重视。因为许多场合滤波连接器与机箱之间的接触并不是十分充分的，而仅在一些点接触。这样高频的接触阻抗是比较大的。为了避免这一点，往往需要在滤波连接器与机箱面板之间安装电磁密封衬垫。 　　另外，对于含有旁路电容的滤波连接器（大部分都含有），由于信号线中的大部分干扰被旁路到地上，因此在滤波器与地的接触点上会有较大的干扰电流流过。如果滤波器与地的接触阻抗较大，会在这个阻抗上产生较大的电压降，导致较强的辐射。 　　如果滤波连接器安装在线路板上，并且通过线路板上的地线与机箱相连，则要注意为滤波器提供一个干净的滤波地，这个地与线路板上的信号地分开，仅通过一点连接。并且要与机箱保持良好的搭接。 2.2　所有针都要滤波 　　有些厂商提供的滤波连接器可以根据用户的要求提供特殊的滤波连接器，这些连接器的某些插针上没有滤波器。用户之所以要求某些芯上不装滤波器，大致有两种情况，一种是连接器中的某些芯传输的信号频率很高，轻微的滤波也会造成信号失真，因此只好不对这些芯进行滤波。另一种情况是有些用户为了降低成本，要求厂商仅在传输信号的芯上安装滤波器。 　　在使用种滤波器时，要注意它的滤波效果可能很差。因为机箱中的干扰信号会耦合到电缆中的所有导线上，这样电缆中没有经过滤波的芯线会将感应的信号带出机箱，产生共模辐射。另外，当频率较高时，电缆中导线之间的耦合也非常严重，这样没有经过滤波的导线上的电流会耦合到经过滤波的导线上，造成严重的辐射。 　　所以滤波连接器中的芯都需要滤波。实际上如果为了降低成本在某些芯线上不安装滤波器是没有必要的，因为现在流行的制造工艺是将电容阵列板安装在连接器中，这种工艺并不会因少几个电容而降低成本。如果有些信号由于频率较高而不允许滤波，则在设计时可以考虑将这些信号连接到单独的连接器上，然后对这些信号线使用屏蔽性能较好的屏蔽电缆。 2.3　屏蔽机箱 　　我们已经描述了滤波连接器的好处。但要注意，获得这些好处的前提条件是滤波器的输入端与输出端是被隔离开的。因此如果机箱本身不是屏蔽的，则滤波连接器就失去了这些好处。所以只有在屏蔽机箱上才有必要使用滤波连接器。 3．试验结果 　　我们在计算机上分别使用普通连接器和滤波连接器进行辐射发射研究。从这些结果中可以看出，当使用屏蔽机箱时，主要的辐射源是电缆。这时使用滤波连接器可以使辐射发射降低10-30dB。 　　图4是测试环境的背景，以这个作为参考。图5是计算机通过普通连接器连接上打印电缆时的宽带发射。 图4测试环境背景 图5主机通过普通连接器连接打印电缆 　　图6是使用了滤波连接器后的辐射情况，可以看出，辐射已经明显减小。如果将电缆拔下，辐射的情况与图6基本相同。因此，可以认为电缆产生的辐射已经基本消除。剩余的辐射是其它原因造成的，首先一个原因是电源线。要消除这些剩余的干扰，需要更换一个性能更好的电源线滤波器。 图 6 使用滤波连接器后的辐射情况 4．滤波连接器的选用 　　选用滤波器连接器时，除了要选用普通连接器时要考虑的因素外，滤波器的截止频率是一个重要的参数。当连接器中各芯线上传输的信号频率不同时，要以频率最高的信号为基准来确定截止频率。虽然许多厂商可以按照用户的要求在不同的芯上安装不同截止频率的滤波器，但这往往是不必要的。因为只要有一根信号线上有频率较高的共模电流，它就会耦合到连接到同一个连接器上的其它导线上，造成辐射。一般滤波连接器厂商给用户的参数是滤波器中的电容值，为了知道不同电容值对应的截止频率，往往还提供一张电容与截止频率的对照表。 　　对于脉冲信号，我们可以将滤波器的截止频率选在1/? tr处，tr是脉冲的上升时间。当脉冲的上升时间不知道是，可以用脉冲信号的15次谐波作为滤波器的截止频率。 电磁干扰滤波电容器使用方法 　　电容器是电路中最基本的元件之一，利用电容滤除电路上的高频骚扰和对电源解耦是所有电路设计人员都熟悉的。但是，随着电磁干扰问题的日益突出，特别是干扰频率的日益提高，由于不了解电容的基本特性而达不到预期滤波效果的事情时有发生。本文介绍一些容易被忽略的影响电容滤波性能的参数及使用电容器抑制电磁骚扰时需要注意的事项。 1电容引线的作用 　　在用电容抑制电磁骚扰时，最容易忽视的问题就是电容引线对滤波效果的影响。电容器的容抗与频率成反比，正是利用这一特性，将电容并联在信号线与地线之间起到对高频噪声的旁路作用。然而，在实际工程中，很多人发现这种方法并不能起到预期滤除噪声的效果，面对顽固的电磁噪声束手无策。出现这种情况的一个原因是忽略了电容引线对旁路效果的影响。 　　实际电容器的电路模型如图1所示，它是由等效电感（ESL）、电容和等效电阻（ESR）构成的串联网络。 图1 实际电容器的等效电路 　　理想电容的阻抗是随着频率的升高降低，而实际电容的阻抗是图1所示的网络的阻抗特性，在频率较低的时候，呈现电容特性，即阻抗随频率的增加而降低，在某一点发生谐振，在这点电容的阻抗等于等效串联电阻ESR。在谐振点以上，由于ESL的作用，电容阻抗随着频率的升高而增加，这是电容呈现电感的阻抗特性。在谐振点以上，由于电容的阻抗增加，因此对高频噪声的旁路作用减弱，甚至消失。 　　电容的谐振频率由ESL和C共同决定，电容值或电感值越大，则谐振频率越低，也就是电容的高频滤波效果越差。ESL除了与电容器的种类有关外，电容的引线长度是一个十分重要的参数，引线越长，则电感越大，电容的谐振频率越低。因此在实际工程中，要使电容器的引线尽量短，电容器的正确安装方法和不正确安装方法如图2所示。 图2 滤波电容的正确安装方法与错误安装方法 　　根据LC电路串联谐振的原理，谐振点不仅与电感有关，还与电容值有关，电容越大，谐振点越低。许多人认为电容器的容值越大，滤波效果越好，这是一种误解。电容越大对低频干扰的旁路效果虽然好，但是由于电容在较低的频率发生了谐振，阻抗开始随频率的升高而增加，因此对高频噪声的旁路效果变差。表1是不同容量瓷片电容器的自谐振频率，电容的引线长度是1.6mm（你使用的电容的引线有这么短吗？）。 表1 电容值 自谐振频率（MHz） 电容值 自谐振频率（MHz） 1m F 1.7 820 pF 38.5 0.1m F 4 680 pF 42.5 0.01m F 12.6 560 pF 45 3300pF 19.3 470 pF 49 1800 pF 25.5 390 pF 54 1100pF 33 330 pF 60 　　尽管从滤除高频噪声的角度看，电容的谐振是不希望的，但是电容的谐振并不是总是有害的。当要滤除的噪声频率确定时，可以通过调整电容的容量，使谐振点刚好落在骚扰频率上。 2.温度的影响 　　由于电容器中的介质参数受到温度变化的影响，因此电容器的电容值也随着温度变化。不同的介质随着温度变化的规律不同，有些电容器的容量当温度升高时会减小70%以上，常用的滤波电容为瓷介质电容，瓷介质电容器有超稳定型：COG或NPO，稳定型：X7R，和通用型：Y5V或Z5U三种。不同介质的电容器的温度特性如图2所示。 图 3 不同介质电容器的温度特性 　　从图中可以看到，COG电容器的容量几乎随温度没有变化，X7R电容器的容量在额定工作温度范围变化12%以下，Y5V电容器的容量在额定工作温度范围内变化70%以上。这些特性是必须注意的，否则会出现滤波器在高温或低温时性能变化而导致设备产生电磁兼容问题。 　　COG介质虽然稳定，但介质常数较低，一般在10～100，因此当体积较小时，容量较小。X7R的介质常数高得多，为2000 ～ 4000，因此较小的体积能产生较大的电容，Y5V的介质常数最高，为5000 ～ 25000。 　　许多人在选用电容器时，片面追求电容器的体积小，这种电容器的介质虽然具有较高的介质常数，但温度稳定性很差，这会导致设备的温度特性变差。这在选用电容器时要特别注意，尤其是在军用设备中。 3.电压的影响 　　电容器的电容量不仅随着温度变化，还会随着工作电压变化，这一点在实际工程必须注意。不同介质材料的电容器的电压特性如图3所示。从图中可以看出，X7R电容器在额定电压状态下，其容量降为原始值的70%，而Y5V电容器的容量降为原始值的30%！了解了这个特性，在选用电容时要在电压或电容量上留出余量，否则在额定工作电压状态下，滤波器会达不到预期的效果。 图4 电容器的电压特性 　　综合考虑温度和电压的影响时，电容的变化如图4所示。 图5电容器的温度/电压特性 5.穿心电容的使用 　　在实际工程中，要滤除的电磁噪声频率往往高达数百MHz，甚至超过1GHz。对这样高频的电磁噪声必须使用穿心电容才能有效地滤除。普通电容之所以不能有效地滤除高频噪声，是因为两个原因，一个原因是电容引线电感造成电容谐振，对高频信号呈现较大的阻抗，削弱了对高频信号的旁路作用；另一个原因是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合，降低了滤波效果，如图5所示。 图6 普通电容在高频滤波中的问题 　　穿心电容之所以能有效地滤除高频噪声，是因为穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题，而且穿心电容可以直接安装在金属面板上，利用金属面板起到高频隔离的作用。但是在使用穿心电容时，要注意的问题是安装问题。穿心电容最大的弱点是怕高温和温度冲击，这在将穿心电容往金属面板上焊接时造成很大困难。许多电容在焊接过程中发生损坏。特别是当需要将大量的穿心电容安装在面板上时，只要有一个损坏，就很难修复，因为在将损坏的电容拆下时，会造成邻近其它电容的损坏。 　　随着电子设备复杂程度的提高，设备内部强弱电混合安装、数字逻辑电路混合安装的情况越来越多，电路模块之间的相互骚扰成为严重的问题。解决这种电路模块相互骚扰的方法之一是用金属隔离舱将不同性质的电路隔离开。但是所有穿过隔离舱的导线要通过穿心电容，否则会造成隔离失效。当不同电路模块之间有大量的联线时，在隔离舱上安装大量的穿心电容是十分困难的事情。为了解决这个问题，国外许多厂商开发了“滤波阵列板”，这是用特殊工艺事先将穿心电容焊接在一块金属板构成的器件，使用滤波阵列板能够轻而易举地解决大量导线穿过金属面板的问题。但是这种滤波阵列板的价格往往较高，每针的价格约30元。 　　1999年，北京天亦通公司开发成功了TLZ – 1系列滤波阵列板（专利申请中）。这种滤波阵列板的滤波性能接近国外产品，但价格仅为国外产品的1/10以下。TLZ – 1系列滤波阵列板的密度是标准2.54mm，可以直接与扁平电缆插座配合，便于安装，可广泛用于电子设备的滤波隔离（图6）。 图7 滤波阵列板用于电路隔离