用于電磁防護功能的EAST微弱信號的電路系統(tǒng)研究

季建珍

摘 要：在電磁環(huán)境中，電磁兼容與電磁防護是不可分離的有機整體，日益復(fù)雜的高集成電子設(shè)備對電磁防護提出了更高的要求，電磁防護在新型的智能系統(tǒng)的開發(fā)下得以快速的發(fā)展，其中，在磁約束核聚變裝置（EAST）中的物理信號，是基于軟X射線和XUV等輻射診斷電路系統(tǒng)診斷而成的，需要針對微弱信號處理系統(tǒng)進行電磁防護，以有效地達到滿意的信噪比。在本文中，關(guān)鍵對微弱信號處理系統(tǒng)的電磁防護措施進行了闡述，并且在磁約束核聚變裝置（EAST）的各診斷電路系統(tǒng)中得到了實際的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電磁防護；EAST；微弱信號；電路系統(tǒng)

磁約束核聚變是將聚變材料在一種特殊的磁容器中進行加熱，根據(jù)強磁場對帶電粒子的物理約束特性，進行聚變反應(yīng)，最終形成一個聚變反應(yīng)堆。東方超環(huán)（EAST）的核聚變實驗裝置的成功建立使中國的磁約束聚變技術(shù)站到了世界前列，這種EAST實驗用探測器進行探測，在微弱的信號轉(zhuǎn)換過程中極易引入噪聲，因此，要采取適合的電路系統(tǒng)電磁防護措施，減弱噪聲的引入，從而提高信噪比。由于X射線診斷系統(tǒng)對電路系統(tǒng)要求更高的帶寬、更低的噪聲，因此，在微弱信號的電磁兼容設(shè)計中，通過最佳電磁防護措施，可以提高電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 電路系統(tǒng)中的電磁干擾簡述

由于EAST裝置的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，電磁干擾源的傳播也比較多元化，電源、信號線等導(dǎo)線還有屏蔽體和接地導(dǎo)體都是干擾傳播源，稱之為傳導(dǎo)干擾，另外還可以通過空間的電磁傳播以及線纜等進行干擾傳播，稱之為輻射干擾。針對這些電磁干擾，運用EMC設(shè)計，其設(shè)計對象是針對低頻的微小信號，可以使外界對微弱信號處理電路的干擾減小，抑制外界對電路系統(tǒng)的噪聲干擾，增強其穩(wěn)定性和安全性能。

2 電磁防護措施在信息處理電路系統(tǒng)中的有效應(yīng)用

在復(fù)雜的EAST裝置的電磁環(huán)境中，主要針對上述的兩種電磁干擾進行針對性的電磁防護措施：運用屏蔽措施可以有效針對處理輻射性電磁干擾，運用接地和濾波的措施，可以有效針對傳導(dǎo)干擾。下面，主要介紹這幾種電磁防護措施的具體應(yīng)用：

2.1 針對輻射性電磁干擾的屏蔽措施

屏蔽的概念，即是指在復(fù)雜的EAST裝置的電磁環(huán)境中，采用特定的材料，對傳輸過程中的電磁干擾進行有效攔截，從而使電磁干擾的能量逐漸減弱，起到減小噪聲的作用。

2.1.1 電屏蔽措施。這種措施的采用前提是必須進行良好的接地條件，在這一條件之下，選擇由特定材料制成的屏蔽體，通過減弱一兩組電路間的電場感應(yīng)，起到屏蔽電磁干擾的作用。

2.1.2 磁屏蔽措施。因磁場耦合的作用，在電磁干擾源與電路設(shè)備中會產(chǎn)生電磁干擾，磁屏蔽措施就是采用分流的磁場效應(yīng)，將內(nèi)外磁場阻隔于屏蔽體內(nèi)，僅提供低磁阻的通路來進行分流。

2.1.3 電磁屏蔽措施。這種措施是將特殊金屬作為屏蔽體，特殊金屬與電磁波之間必然會產(chǎn)生物理反應(yīng)，因其特定的特性，對電磁波會產(chǎn)生反射和吸收的物理效應(yīng)，將外界的干擾屏蔽，就可以有效地屏蔽來自電場和磁場的干擾分量。

在復(fù)雜的EAST裝置的X射線診斷和XUV診斷的微弱信號處理系統(tǒng)中，其屏蔽方式如圖所示：

通常采用啞鈴模型的分立屏蔽方式，對啞鈴的兩端：包括探測器、信號轉(zhuǎn)接機柜和雙鉸傳輸線進行分別屏蔽，再用信號和電源線進行合理而安全的連接，這樣就實現(xiàn)了電路系統(tǒng)的整體屏蔽效果。

2.2 針對傳導(dǎo)性電磁干擾的接地措施

2.2.1 電纜屏蔽層接地措施。復(fù)雜的EAST裝置的X射線診斷和XUV診斷的微弱信號處理系統(tǒng)中，可以有效地將屏蔽與接地聯(lián)合運用，采用特定材料的金屬屏蔽層，并且用雙絞線電纜進行微弱處理信號的傳輸，這種措施可以使工頻噪聲降到允許范圍值內(nèi)，大約在10mV左右。

2.2.2 電路系統(tǒng)接地措施。在進行電路系統(tǒng)接地的設(shè)計中，要考慮多個不同的電路，減小各不同電路之間的電流，斷絕電路系統(tǒng)中各單元電路之間的耦合，采用串行單點接地和并行單點接地兩種方式，縮減微弱信號處理回路，并消除地電位差，這兩種方式都可以對傳導(dǎo)性的電磁干擾產(chǎn)生影響，各有優(yōu)缺點，因而也在實驗測試中可以與在實際應(yīng)用中互為補充。

2.3 針對傳導(dǎo)性電磁干擾的濾波措施

2.3.1 微弱信號處理電路的濾波。在EAST裝置中，由于電磁環(huán)境復(fù)雜，一般采用有源2階的濾波器，它可以使電壓產(chǎn)生增益放大功能，并且在穩(wěn)定的帶寬之內(nèi)能實現(xiàn)低通濾波功能。

2.3.2 微弱信號處理電路的電源濾波。微弱處理信號的電路設(shè)計中，由標準的機箱提供直流電源，但是在電流輸出過程中呈現(xiàn)一定的紋波，這對微弱信號處理電路的影響不利，因此，要采用電源濾波措施，經(jīng)實驗得知，機箱電源自身產(chǎn)生的噪聲值為2mV，而使用了電源EMI濾波器的裝置，其輸出的噪聲值為1mV，由此可以看出，在標準機箱的DC電源下，采用電源EMI濾波器可以明顯地降低電源噪聲，抑制了傳導(dǎo)性電磁的干擾。

3 結(jié)束語

綜上所述，在EAST復(fù)雜的電磁環(huán)境中，仔細分析電磁干擾的不同干擾因素，區(qū)分輻射干擾和傳導(dǎo)性干擾的具體情況，可以針對性地采用不同的屏蔽、接地和濾波等電磁防護措施，可以有效地產(chǎn)生電壓增益放大功能，并實現(xiàn)穩(wěn)定的帶寬功能。這些電磁防護措施在微弱處理信號的電路系統(tǒng)中，可以成功地應(yīng)用于EAST的X射線和XUV系統(tǒng)當中，經(jīng)過實踐測試，獲得合理的信號輸出噪聲比值，同時根據(jù)電路系統(tǒng)的實際需要，獲得更多的物理相關(guān)信息，用穩(wěn)定且較高的帶寬處理電路，阻隔電磁干擾，獲得較高的信噪比。

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