测控仪器干扰源分析及抗干扰技术

李朝锋

（凯迈（洛阳）测控有限公司，河南 洛阳 471000）

0 引 言

近年来，分布式控制系统、单片机和现场总线技术发展迅速，并且其应用领域也日益广泛。但是，由于复杂的工作环境和严重的电磁干扰，测控系统的应用和发展面临着巨大的考验[1]。尽管以现在的技术，测控系统本身就带有一定的抗干扰能力，但在生产现场，系统往往是被分散安装在各种单机设备上，同时测控系统本身与控制站之间也存在一定的距离，所以控制线、信号线基本都使用长线。长线传输过程中，信号受到外界干扰的可能性大大增强，出现信号延时的概率也必然增高。

1 干扰系统的三个要素

1.1 电磁干扰源

电磁干扰源通常指具有干扰能力的元件、设备以及信号。例如，生活中经常看到的继电器、电机以及雷电等，能在一定条件下成为电磁干扰源。具体地，电磁干扰源可分为两种，即内部干扰源和外部干扰源。

1.1.1 内部干扰源

内部干扰包括过度干扰和固定干扰，是指由应用系统本身引起的各种干扰。其中，过度干扰是指电路在动态工作时引起的干扰；固定干扰是指负载突变噪声、长线传输阻抗失配时的反射噪声、反馈电系统的浪涌噪声以及信号之间的相互串扰等。

1.1.2 外部干扰源

外部干扰源是指来自于系统外部，并对系统内部具有干扰能力的干扰源[2]。一些常见的自然现象，如雷击、宇宙辐射等，可能会引起自然干扰，属于外部干扰。此外，一些人为干扰，来自电台、家用电器以及通信发射台等设备的电磁干扰，或者电源的工频干扰，也是常见的外部干扰。通常，影响测控系统的主要是外部干扰，自然干扰的影响不大，来自外部的干扰主要是由人为干扰造成的。

1.2 耦合途径

耦合途径是指将干扰传播到敏感器件的通路。一般耦合途径主要包括静电耦合、传导耦合、电磁耦合、漏电流耦合、辐射电磁场耦合以及共抗组耦合等。

1.3 敏感接收电路

敏感接收电路是指测控系统受到干扰时，容易被干扰的器件对象。实际生活中，许多设备、系统和器件既可以是敏感设备，也可能是电磁干扰源，如单片机、信号放大器、D/A及A/D等[3]。

2 抑制干扰的方法

测量和控制干扰时，可以在硬件上针对因素采取相应的措施，消除或抑制噪声来源、干扰和阻截噪声的传播途径以及增强接受电器对噪声干扰的抵抗程度。

2.1 屏 蔽

由于干扰信号进入系统的几种途径相对固定。因此，以屏蔽的方式将空间感应传播途径切断，使干扰信号无法传递，是一种有效的抑制干扰的措施。具体地，屏蔽又可以分为3种层面，分别是电磁屏蔽、静电屏蔽及低频磁场屏蔽。

2.1.1 电磁屏蔽

电磁屏蔽的主要目的是通过消除电感性耦合来进行屏蔽。具体的操作方法是使用优良导体将接收电路包围，发挥屏蔽器的作用。因此，外界的电磁场在屏蔽层上会产生涡流，进而产生反向电磁场。反向电磁场会将外界电磁场的影响抵消，从而起到抑制互感耦合的作用。

2.1.2 静电屏蔽

静电屏蔽的具体方法是将接收电路用低电阻材料的导体进行包围，并使屏蔽层与地面接触，从而消除存在于干扰源和接收电路之间的寄生电路，其目的是消除电容性耦合。

2.1.3 低频磁场屏蔽

具体方法是以一个闭合空间将干扰磁场封闭起来，或将需要保护的电路利用非晶态金属、铁氧体等高导磁率的材料包围起来。该方法的机理不是反射，而是吸收。

2.2 滤 波

滤波是对干扰进行抑制的一种重要方法。通常，在接受器接受有用的信号时，也会接收到干扰。这是因为相对于要接受的信号的频谱，干扰源所发出的电磁干扰的频谱往往要宽得多。此时可以采用滤波的方法，对干扰频率的成分加以抑制，只让所需要的频率成分通过。

2.3 隔 离

隔离主要是以切断噪声耦合通道的方式，使干扰途径被破坏，从而抑制和削弱干扰。主要的隔离方法包括两种，即隔离变压器和光电耦合器隔离。

2.3.1 隔离变压器

隔离变压器的作用是在初级和次级之间增加屏蔽层，切断环路，从而达到防止变压器初级和次级之间的电容耦合的目的。

2.3.2 光电耦合器隔离

光电隔离是在隔离的两端之间以光作为媒介来进行信号传输，因而具有较强的隔离能力和抗电磁干扰能力。但是，由于光电耦合器不是线性器件，在模拟信号的传输上适用性不足。因此，传输模拟信号时，要采用特殊技术对其进行线性校正[4]。

3 电子产品布线工艺中抗干扰的案例分析

电子产品布线工艺中，常用到的抗干扰技术有运用屏蔽技术改善电磁干扰、利用布线技术改善电磁干扰。以某电子组件的生产为例，电子组件的试制批生产时，发生了电磁干扰的现象，导致数据记录异常，信号传输出现误码。

3.1 电子组件基本构成及工作原理

电子组件的内部共有三块电路板和一套内部电缆，如图1所示。其中通信控制板和测试系统进行1553数据通信，同时将收到和发出的总线数据以并行总线的形式写入数据记录板中的双口RAM中，数据记录板将双口RAM中缓存的数据加上绝对时标后存入CF卡中。

3.2 出现干扰问题的电缆状态

将组件电缆的捆扎和包覆去除后，发现批电缆存在问题，将DPRAM读写信号线束从绑扎线束中拉出，如图2所示。

由图2可知，RAM数据线和地址线长度过长（300 mm），采用两端并接的方式进行焊接，绑扎时与28 V电源线、地线等线缆紧靠。

图1 系统工作原理框图

图2 DPRAM读写信号线束拉出后的内部电缆状态

3.3 出现电磁干扰的原因分析

电子组件是一个数字化产品，包含各种数字信号，如1553B总线信号、DPRAM的读写信号以及两块电路板上其他元器件工作时产生的各种数字信号。所有的数字信号在瞬变的过程中都会在其周围产生交变磁场和电场。磁场和电场的强度和数字信号变化的频率和功率（信号幅值）相关，信号变化频率越高，电平幅值越高，产生的磁场和电场的强度也越大，对外干扰也越强烈。

同理，单端信号变化频率越高，电平幅值越低，其抗干扰能力越差。DPRAM读写一帧数据（40个字），DSP外部总线读写一个字为26个XTIMECLK（75 MHz），约为338 ns，频率约为30 MHz，电平幅值为3.3 V。

内部电缆中的PRAM的读写信号线既是一个电磁干扰的辐射源，也是一个容易受干扰的接收端。

电子组件的电源板是DC/DC（开关型）方式工作，为通信控制板和数据记录板提供工作电源，也会产生电磁干扰。

3.4 利用布线技术改善电磁干扰

各组件设计上不进行改动，电路板的布局不变，接插件的位置不变，只在走线、包覆及工艺上进行改进。

（1）对电缆空余导线处理

将接插件自带线剪短，导线呈阶梯状分布。

（2）控制导线长度

由图2可知，RAM数据线和地址线长度过长（300 mm），采用两端并接的方式进行焊接，绑扎时与28 V电源线、地线等线缆紧靠，极易造成信号干扰。长度过长的导线直接折弯进行包覆，包覆的折弯处变粗，整个包覆导线粗细不均，非常不美观。产品布线可以测量好接线长度，精确布线，避免变粗包覆。

（3）将导线分束

将RAM地址线分为一束，并向电源供电线一侧走形。将RAM数据线分为一束，并向信号线一侧走形。

4 结 论

仪表仪器测控系统的干扰与抗干扰涉及的因素很多，因此其抗干扰设计是一个非常复杂的问题。设计时，应当综合考虑各个方面的因素，从电磁干扰源、干扰的耦合途径以及敏感接收电路三个方面入手，根据具体的情况采取措施，合理使用屏蔽、滤波以及隔离的方法对干扰进行有效抑制，保证测控系统的正常运作。