电磁干扰与抑制

国防技术基础 2005年第10期 37 随着电力电子技术和微电子技术在电子设备 中的应用，电磁干扰和抑制越来越受到人们的重 视。在电子产品过程中，如何实现抑制来自 外界的电磁干扰和控制设备间的相互干扰，已成 为电子产品设计的关键技术之一。 一、电磁干扰 电磁干扰（Electromagnetic Interference）是 指自然干扰源或人为干扰源对有用电磁信号的损 害。它能降低采用电磁波能量变换原理工作的电 子设备的工作质量。电磁干扰可以来自系统内部， 也可以来自系统外部，前一种情况称为系统内部 的干扰，后一种情况称为系统之间的干扰。当不 希望的电压和电流影响设备性能时，称之为存在 电磁干扰，这些电压和电流可以通过传导或电磁 场辐射传给受害的设备。 一般情况下，形成电磁干扰的要素有3个：①向 外发送干扰的源——噪声源；②传播电磁干扰的 途径——噪声的耦合和辐射；③承受电磁干扰的 客体——受扰设备。电磁干扰三要素示意图见图１。 电 磁 干 扰 与 抑 制 刘泽利 为保证电子设备在特定电磁环境中免受内外电 磁场干扰，必须从设计开始便采取3方面的抑制措 施：抑制噪声源以直接消除干扰原因；消除噪声源 与受干扰设备之间的噪声耦合和辐射；加强电子设 备抗电磁干扰的能力。 1.干扰与噪声的来源 干扰（Interference）与噪声（Noise）〔干扰 图１ 电磁干扰三要素示意图 与噪声，虽严格意义上来说其含义并不相同，但 在实际应用中混同使用〕，可分为来自电子设备内 部的与来自外部的2类。 (1)内部噪声干扰。是指在电子装置和设备内 部的电路或器件间产生的噪声干扰。如元件的热 噪声、晶体管的低频噪声和其在外部触发下产生 的自激等。 (2)外部噪声干扰。是指从外部侵入电子装置和 设备的噪声干扰。如来自外界的人为电磁干扰；自 然界雷电产生的电磁干扰等。包括大功率发射设 备、超声波设备、工业用高频设备、电力输送线等 产生的强电磁干扰。 ２.干扰与噪声耦合方式 耦合或辐射通道的表现形式一般包括静电 耦合、互感器耦合、公共阻抗耦合和漏电流耦合 (见图2)。 装备与技术 干扰传播途径 噪声耦合 辐射耦合 受扰设备干扰源 (1)静电耦合（电容性耦合） 静电耦合是由电路间经杂散电容耦合到电路 中的一种干扰与噪声耦合方式。图２（a）是该耦 合电路的模型。 图中U1为干扰电路在a、b两点间体现的电动 势，ZΩ为受干扰电路在c、d两点间的等效输入阻 抗，C为干扰源电路和受干扰电路间存在的等效 寄生电容。受扰电路在c、d间的干扰信号为： U2＝U1ZΩ/（ZΩ＋1/jωC） 可见，受扰电路的干扰信号U2随U1、C、ZΩ · 图２ 干扰源和电路耦合模型 ca c b u2 d ZΩ I1 M a c a c b d b d I1u2 u2 ZΩ z1a c u1 u2 ZΩ b d · · · · · · · · (a) (b) (c) (d) · · z1ZΩ ＋－ ＋－u1 · · · 国防技术基础 2005年第10期 38 装备与技术 1.串模干扰 串模干扰是由外界条件引起的、叠加在被测 量信号上的干扰信号，并通过测量输入通道一起 进入测量系统的干扰。串模干扰的种类分为直流 和分流2种。 2.共模干扰 共模干扰是相对公共地电位为基准点，在仪 器的两输入端上同时出现的干扰，共模干扰电压 的产生可归纳为以下3类： (1)由被测信号源的特点产生 如具有双端输出的差分放大器和不平衡电桥 等不具有对地电位的形式而产生的共模干扰。 (2)电磁场干扰 当高压设备产生电场的同时通过分布电容耦 合到无屏蔽的输入线而使之具有对地电位时，或 者交流大电流设备的磁场通过双输入线的互感感 应到双输入线上时，都可能产生共模干扰。 (3)由不同地电位引起 当被测信号与测量仪器相隔较远，而不能实 现共同的“大地点”上接地时，或者接地系统导 体中流有强电设备的大电流而使各点电位不同， 造成两接地点电位差，即产生共模干扰电压。 三、干扰的抑制 1.接地 接地的目的就是为了消除各电路电流流经一 个公共地线阻抗产生的噪声电压以及避免形成回 路。 (1)地线与零线(浮地)系统 地线系统是指电子设备或仪器的地线系统与 大地之间有欧姆连接。反之若仪器或电子设备的 整个地线系统与大地之间无欧姆连接，即以“浮 地”作为基准（参考电平）。浮地系统的优点是不 受大地电流的影响，但当附近有高压设备时，其 机壳易感应较高的电压，因此，机壳还必须接地。 同时，浮地系统中存在着通过电路输入端杂散电 容耦合而形成干扰的可能。 (2)电路的单地原则 通常在低频仪器电子线路中，特别是前置放 大电路中若有2个接地点，很难获得等电位。其 对地电位差将耦合到放大器中。 (3)电缆屏蔽接地 干扰信号的频率ω增大而增大。减小受扰电路间 的等效输入阻抗ZΩ和电路间的寄生电容，可以降 低静电耦合的干扰和噪声。 (2)互感器耦合（电感性耦合） 互感器耦合是电路间寄生互感耦合到电路的 一种干扰与噪声耦合方式。该耦合电路的模型见 图2（b）。图中I1为干扰源电路在点a、b间的等 效输入电流源，M为干扰源电路和受扰电路间的 等效互感，则受扰电路在点c、d间的干扰信号为： U2= jωMI1 可见，受扰电路的干扰信号U2随干扰信号M、 I1的频率ω增大而增大。减小受扰电路的寄生互 感，可降低互感耦合的干扰与噪声。 (3)公共阻抗耦合 公共阻抗耦合是由电路间的公共阻抗耦合到 电路中的一种干扰与噪声耦合方式。该耦合电路 的模型见图2（c）。I1为干扰源电路在点a、b间的 等效输入电流源，ZΩ为受扰电路在点c、d间的等 效输入阻抗，Z1为干扰源电路和受扰电路间的公 共阻抗。则受扰电路在点c、d间的干扰信号为： U2=I1Z1ZΩ／（Z1＋ZΩ） 可见，受扰电路的干扰信号U2随干扰信号I1、 Z1的频率ω增大而增大。减小干扰电路和受扰电 路的公共阻抗Z1，可降低公共阻抗耦合的干扰与 噪声。 (4)漏电流耦合 漏电流耦合是由电路间的漏电流耦合到电路 中的一种干扰与噪声耦合方式。该耦合电路的模 型见图1（d）。U1为干扰电路在a、b两点间体现 的电动势，ZΩ为受扰电路在c、d两点间的等效 输入阻抗，Z1为干扰源电路和受扰电路间漏电电 阻。则受扰电路在c、d间的干扰信号为: U2＝U1／（1＋Z1／ZΩ） 由此可见，受扰电路的干扰信号U2随U1和ZΩ 增大而增大，随Z1的增大而减小。如果增大干扰 电路和受扰电路间的漏电阻抗Z1，减小受扰电路 的等效输入阻抗ZΩ，都可以降低漏电流耦合的干 扰与噪声。 二、干扰的表示方法 根据干扰进入电子设备的方式不同可将干扰 分为串模干扰和共模干扰。 · · · · · · · · · · · · · · · · 国防技术基础 2005年第10期 39 对于屏蔽层的接地不仅应遵循一点接地，而 且接地点不同其效果也不相同。按照单地原则，一 个不接地信号源与一个接地的放大器相连时，屏 蔽端的接地应该接在放大器接地端。同理，一个 接地信号源和一个不接地放大器相连时，屏蔽端 的接地应该接信号源接地端。 若信号源和电路均接地，则屏蔽线两段也必 须接地，这时靠屏蔽体分流干扰。若远方一屏蔽 体与地断开，则该端接地也得断开，直接接屏蔽 端。地线已断即变成单点接地未形成干扰回路。 (4)双层屏蔽 在高电压强磁场的环境下，测量仪器经常采 用浮地系统。为了防止在外壳上感应出高电压，外 壳必须接大地，而被测量信号地以及外壳也必须 是接大地系统。为了进一步消除干扰，常采用双 层屏蔽及数字模拟电路相互隔离的浮地结构。 2.屏蔽 屏蔽的抗干扰功能基于屏蔽容器壳体对干扰 信号的反射与吸收作用。屏蔽的结构形式主要有 屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、屏蔽舱和导电涂 料等。 3.隔离 在测控电路系统中，尽管从各方面加以注 意，但由于分布参数无法完全控制，常常会形成 寄生环路引起的电磁耦合干扰。为此，在有些情 况下要采取隔离，以切断可能形成的回路， 提高电路系统的抗干扰性能。 4.其他抗干扰措施 共模干扰总是以串模干扰的形式起作用，所 以在电路中常采用一些特殊措施抑制干扰，通常 的方法有以下3种： (1)采用滤波器 低通—串模干扰信号高于被测量信号频率， 抑制高频，如RC滤波器、LC滤波器、双T滤波 器和有源滤波器；高通—串模干扰信号低于被测 信号频率，抑制低频；带通—串模干扰信号落在 被测信号两侧；利用软件编制的数字滤波器，常 采用多级滤波。 （2)选择器件 如选用双积分A/D转换对抑制50Hz工频干 扰效果明显。 装备与技术 (3)预处理 对测量信号进行预处理 5.灭弧 当接通或断开感性负载时，由于磁场能量的 突然释放会在电路中产生比正常电压（或电流） 高出许多倍的瞬时电压（或电流），并在切断处产 生电弧或电火花放电，会直接对电路器件产生损 害。同时产生宽频谱高幅度的电磁波向空间辐射， 对测控电路造成极其严重的干扰。为了消除或减 小这种干扰，须在电感性负载上并联各种吸收浪 涌电压（或浪涌电流）并抑制电弧或火花放电的 元器件。通常将这些元器件称为灭弧元件，将此 技术叫做灭弧技术。常采用的灭弧元件有泄流二 极管、硅堆整流器、充气放电管等。 四、电源干扰的抑制 常用的电源干扰抑制措施有滤波器、切断噪 声变压器等。 (1)滤波器 滤波器可有效地抑制100kHz以上的干扰与噪声。 (2)切断噪声变压器 切断噪声变压器的结构、铁芯材料、形状以 及线圈位置都比较特殊，可以切断高频噪声磁通， 使之不能感应到二次绕组，既能切断共模噪声又 能切断差模噪声。 参考文献： ［1］现代电子科学技术词典编委会编.《现代 电子科学技术词典（上卷）》.电子工业出版社， 1992.229. ［2］肖华庭译.《电磁兼容原理》.美.gifB.E.凯 瑟著.电子工业出版社，1985.1. ［3］蔡仁钢主编.《电磁兼容原理、设计和预 测技术》.北京航空航天大学出版社，1997.16,17, 24,27,42. ［4］付伟、侯振宁.《雷达干扰技术的发展现 状》、《中国雷达》.2000(1):17～20. ［5］吴玮琦等.《相位可导信号的预测及欺骗 干扰》、《电子对抗技术》. 2000(1):5. ［6］申忠如等.《电气测量技术》.科学出版社 2003，北京. （本文作者:总装北京军代局师）