短波发射机自动控制系统防抗干扰的分析与思考

俞日旺

摘 要 为确保发射机的自动控制系统安全可靠运行，既要考虑构成系统本身的元器件质量稳定可靠，也要考虑克服周围环境的干扰问题。因此，在设计控制系统时，首先应对产生的干扰源进行分析，采取必要的抗干扰措施；其次是在自动控制系统的运行和维护过程中出现的各种干扰问题，通过测试确定干扰源和干扰部位，而后应用合适的抗干扰措施减小或消除干扰，保证自动控制系统正常可靠稳定地运行。本文分析了短波发射机各种干扰对自动控制系统的危害和影响，并阐述了采用相应的抗干扰措施，确保发射机的自动控制系统稳定可靠运行的方法。

关键词 短波发射机 自动控制系统 抗干扰措施

中图分类号：TN832 文献标识码：A

Shortwave Transmitter Automatic Control System

for Anti-interference Analysis and Thinking

YU Riwang

（State General Administration of Press and Publication，

Radio and Television QiLiuYiTai， Tongan， Fujian 366000）

Abstract To ensure that the automatic control system transmitter safe and reliable operation， it is necessary to consider the components constituting the system is stable and reliable quality itself， but also consider the surrounding environment to overcome interference problems. Therefore， in the design of the control system， the first to deal with the source of interference generated by the analysis， to take the necessary anti-jamming measures； followed by a variety of interference issues that arise in the operation and maintenance of automatic control system， to determine the source of interference and interference by testing site， and then apply the appropriate measures to reduce or eliminate the interference jamming automatic control system to ensure reliable and stable operation of the normal. This paper analyzes the various shortwave transmitters interfere with automatic control system risks and effects， and elaborated using the corresponding anti-jamming measures to ensure that the transmitter's automatic control system stable and reliable operation of the method.

Key words shortwave transmitter； automatic control system； anti-interference measures

1 短波发射台的干扰源

短波发射台发射机自动控制系统干扰源主要有：高频电磁波干扰，输入输出（I/O）接口引入干扰，电源系统引入干扰等三类。以笔者所在的发射台试验结果分析如下：

1.1 高频电磁波干扰

短波发射机的任务是输出大功率射频信号（工作频率范围3.2—26.1MHz），通过馈线传输至天线后向空间辐射。发射机、馈线、天线都是很强的电磁波辐射体，还有各种控制继电器的动作、电子管过流闪烁、大电流触点的合、断都会产生瞬间电磁脉冲干扰，这种脉冲信号频谱可以从几十千赫兹到200兆赫兹。在大功率发射机附近存在着强电磁场，设备外壳、一段导线均可产生较大的感应电压而形成干扰源。控制系统中传感器通常用长电缆将其连接到信号调节电子设备，从传感器到其电子设备之间的这种长馈线将也会起到一个接收天线的作用。在高频状态下机壳的电抗和馈线使整个系统起到一个天线的作用，而且天线接收的任何高频信号（电场、磁场或电磁场）都将出现在阻抗上。对于上述高频信号终止位置是在放大器的输入端，对于具有差分放大作用的放大器在控制系统中是常见的，放大器的两个输入端对地输入阻抗很高，极容易受到低功率RF干扰，因此，传感器、工控机的外壳接地必须良好。精密低频放大器很少与大的高频信号耦合，所以输出结果只表现出常见的可调整失调误差。因此，发射台内的高频感应干扰是影响发射机自动控制系统可靠运行的重要因素。

1.2 输入输出（I/O）接口引入的干扰

工控机与被控对象以及其他外围设备之间都是通过输入输出（I/O）接口进行连接的。高频干扰信号窜入的主要途径是模拟量的取样输入接口或是模拟控制信号输出接口。一个集成电路内部有模拟电路和数字电路两部分，例如模数转换器（ADC），为了避免数字信号耦合到模拟电路中去，模拟地和数字地通常分开。从芯片上的焊点到封装引脚的连线所产生的引线接合电感和电阻，并不是IC设计者专门加上去的。快速变化的数字电流在引线接合电感和电阻上产生一个电压，引起较大的数字噪声，经过杂散电容必然耦合到模拟电路的引线接合电感和电阻上，形成对模拟电路干扰。尽管这是制造芯片过程中IC设计者应考虑的问题，为了防止进一步耦合，模拟地和数字地的引脚的外面应采用最短的连线接到同一个低阻抗的模拟接地面上。有些干扰信号是从传输线感应而来，有的是干燥环境产生的静电对电子设备的干扰，有的是电路的阻抗不匹配引起反射造成。

1.3 电源系统引入的干扰

电网和用电设备的阻抗大都呈感性，当大电流切换时，会产生瞬时感应电动势，瞬时电压可高于正常电压的几倍，即形成了很高的干扰脉冲电压。当发射机自动控制系统与这些设备共用电源时，极易因干扰而产生误动作。在三相电路中存在着共模干扰和差模干扰。共模干扰存在于任何一相与大地之间有时也称为不对称干扰或接地干扰，这是载流导体与大地之间的电位差，共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号接口段的共有的信号干扰，它是在信号线与地之间传输的干扰信号。差模干扰的区别是差模干扰存在于电源相线与中线之间。

2 抗干扰措施

通过仔细分析干扰源、干扰部位，采用合适的抗干扰措施才能取得良好的效果。通常使用的抗干扰措施有以下几种：

图1 法拉第电容屏蔽

2.1 屏蔽

屏蔽通常是用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来，使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施；或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施。还有一种法拉第屏蔽，如图1所示，它是通过电容屏蔽中断耦合电场电容屏蔽使噪声电流返回到噪声源，而不通过阻抗Z。防止外来电磁波或高频噪声通过杂散电容耦合对要保护的相关设备的干扰最有效方法是采用金属盒将易受干扰的设备屏蔽。按功能划分，有两种屏蔽方式：一种是适用于高频电磁场的屏蔽，主要使用铜、铝等高导电率的材料；另一种是适于低频电磁场的屏蔽，主要使用铁、坡莫合金等高导磁材料。

在发射机房强电磁场环境中，要求对高、低频电磁场均有良好的屏蔽。因此，采用了不同金属材料组成双层或多层金属盒。如：在发射机高周槽路采用了双层屏蔽，其内层使用铜板，外层使用铁板。必须注意的是屏蔽盒的外皮必须良好地接地，否则它不但起不了屏蔽作用，反而成了电磁波的接收天线，引入强干扰信号。

图2 简单的RC低通滤波器

图3 三抽头变压器构成的滤波器

2.2 滤波

滤波是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择。它是把信号看成由不同频率正弦波叠加而成的模拟信号，通过选择不同的频率成分来实现信号滤波。滤波主要用于抑制高频噪声、文波、瞬间脉冲等干扰信号。使用高频示波器（或频谱分析仪更灵敏，但判读性差）常常可观察到高频噪声，而且在放大器的输入端常模和共模两种形式的高频噪声都存在。自动控制系统使用的直流电源是由交流电经桥整电路整流后得到的，在直流电压上叠加100Hz文波，有来自电网的瞬间脉冲干扰信号。通常最有效的方法是利用不同的滤波元件组合来抑制高、低频干扰信号。在实际应用中，滤波的形式和手段很多，可根据电路的需要进行选择。如：在系统电源入口处加装较大容量的电解电容和高频电容的并联组合，用于电源去耦滤波，如果是精密仪器使用的电源，还会加装滤波网络。在高频噪声抵达精密放大器之前，必须从低频信号中把它滤掉。当信号带宽仅有几赫时，可以使用最简单的防护方法即在放大器前面接一个简单的RC低通滤波器对常模和共模高频噪声都有防护作用。相应的电路如图2所示。在选择电路元件时有两个重要问题应该考虑。阻抗R1和R2（图中示为1k ，相应的放大器偏置电流为？几个纳安或更低）必须选择适当，以便当放大器的偏置电流流经它们时不使失调电压明显增加。另外常模时间常数（R1+R2）C3一定要比共模时间常数R1C1和R2C2大得多。否则，为了避免由于R1、R2造成的不平衡使得共模信号转换成两个差分输入之间的常模误差信号，要求两个共模时间常数必须匹配得非常好。

如果信号带宽较宽，那么这种简单的滤波电路就不再适合，因为这时会把有用的高频常模信号和无用的高频共模信号都滤掉。如果把大的高频共模信号接到放大器，很可能受到共模向常模转换及次检波（minor rectification）产生的低频误差的影响，所以必须使用既抑制高频共模信号又通过直流和高频常模信号的滤波器。这种滤波器如图3所示，它与用于长途电话线路的幻象电路（phantom circuit）有关。它使用紧耦合的“三组抽头”变压器，有三个绕组，其精确匝数比为1：1：1。这种变压器任一绕组上的交流电压都将耦合到其它两个绕组上。设计时变压器防护绕组的一端接到信号源的地，另一端接到放大器的防护端或分压比较端，这个防护绕组的作用相当于把放大器“看作”接成一个电容器的常用法。高频共模信号将加到（被规定的）下层绕组，并且包含与其它两个绕组都相等的共模电压，这样减去与每个绕组相串联的共模电压，从而有效地抵消了放大器输入端的高频共模信号。

在系统的多块印刷电路板块中，每块电路板上装一片稳压块，形成独立供电系统，可较好地防止板块间的相互干扰；在各种电源进线、外设接口、各种控制继电器上均要并接上高频旁路电容，用于滤除高频干扰信号；在模拟量入口处加退耦电路，模拟量经穿心电容到采样点，滤除叠加在模拟量上的高频干扰信号。在电路的设计安装要使电容引线尽可能短，并尽可能安装在靠近需要滤波的部位。

2.3 接地

为防止机房干燥环境产生的静电对电子设备的干扰而进行的接地为防静电接地。为了防止外来的电磁场干扰，将电子设备外壳体及设备内外的屏蔽线或所穿的金属管进行接地为屏蔽接地。电子设备中，为防止各种频率的干扰电压通过交直流电源线侵入，影响低电平信号的工作而装有交直流滤波器，滤波器的接地称功率接地。接地是抗干扰的重要保证，首先地线布置要合理，防止形成环路。其次系统的数字地、模拟地、屏蔽地等应彼此分开。最后要注意不可把通信电缆的屏蔽层作为通信地线，减少电磁辐射的影响。控制系统的地线要求用宽铜带单独铺设，不能借用发射机地线。

如果把模拟地和数字地引脚都连到数字接地平面上，那么模拟输入信号将有数字噪声叠加上去，因为模拟输入信号是单端的且是相对于模拟接地平面而言的。正确的做法是把模拟地和数字地引脚两者连起来并接到模拟接地上。例如10V输入电压的16位ADC，其最低位信号仅仅为150 V，在数字地引脚上的数字地电流引起的噪声电压实际上不可能比这更高，否则它们将使ADC内部的模拟部分首先失效。如果在ADC电源引脚到模拟接地平面之间接一种高质量高频陶瓷电容器（0.1uF）来旁路高频噪声，数字地电流就会被隔离到集成电路周围非常小的范围内，使其对系统其它部分影响减小到最低。如果数字噪声低于几百毫伏，对于TTL和CMOS逻辑通常是可以接受的。假如ADC有单端ECL输出，就需要在每一个数字门上加一个推挽门，即起平衡和补偿输出的作用。把这些门电路封装块地引到模拟接地平面，并且用差分方式连接逻辑信号接口。在另一端使用一个差分线路接收器，将它的接地端接到数字接地上。模拟接地平面和数字接地平面之间的噪声是共模信号，它们的大多数将在差分线路接收器的输出端被衰减抑制掉。可以把同样方法用于TTL和CMOS，但它们通常有足够的噪声容限，所以不需要差分传输。通常把ADC输出直接连到有噪声的数据总线上是很轻率的作法。因为总线噪声可经过内部寄生电容耦合返回ADC模拟输入端。如果把ADC输出直接连到靠近ADC的中间缓冲锁存器就要好得多，缓冲锁存器地线接到数字接地平面上，它的输出逻辑电平和系统其余部分的逻辑电平兼容。

2.4 隔离

隔离就是把干扰源与易受干扰部分隔离开来，减轻干扰。实现隔离有多种方式，例如变压器隔离、继电器隔离、光电隔离、放大器隔离等。隔离变压器用于电源和模拟量隔离，净化电源、消除三次谐波和抑制共模干扰。继电器隔离一般用于一个系统的两个单元相互隔离，实现的是电气隔离，继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，避免强电和弱电信号的直接联系，实现抗干扰隔离。光电隔离是将发光元件和受光元件组合在一起，通过电—光—电这种转换，利用“光”这一环节完成输入和输出在电气上的隔离功能。放大器隔离将放大器加上静电和电磁屏蔽浮置起来，其输入输出电路与电源没有直接的电路耦合关系，完成地线隔离。

此外，为减弱传输中引入的干扰的影响，可采用提高信号传送电平和拉大开关量高低电平的差值方法。有时还可把电压信号转换成4—20mA的电流信号来传输，输出端再还原成电压信号，这就可不受导线压降、接触电阻和噪声电压的影响。还有的采用软件硬件结合的抗干扰措施，软件抗干扰措施常用的有数字滤波器、软件自诊断、设置中断“陷阱”、程序定时器等。这些为提升系统的抗干扰能力提供了技术支撑。

3 结束语

本文分析了大功率短波发射台各类干扰源，对发射机自动控制系统所形成干扰的影响和潜在的隐患，尤其对模数接地方法进行了针对性的研究，提出了防、抗干扰措施。希望对同行业在发射机维护中有所帮助。

参考文献

[1] 张学田.广播电视技术手册（第一版）.国防工业出版社，2000.6.

[2] 董光天.电磁干扰测量与控制1000问（第一版）.电子工业出版社，2003.