專用系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置電磁兼容性優(yōu)化方案研究

李菊 談小虎

摘 要：電氣設備的多樣性使專用系統(tǒng)試驗現(xiàn)場存在復雜的電磁環(huán)境，而保證數(shù)據(jù)采集裝置采集信號的可靠性是對整個系統(tǒng)的關鍵要求，作為專用系統(tǒng)中的敏感設備，數(shù)據(jù)采集裝置的抗擾度指標應達到標準要求?，F(xiàn)首先依據(jù)GJB 151B—2013完成數(shù)據(jù)采集裝置的電磁兼容性試驗，給出各項測試結果;然后針對測試項CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導敏感度進行分析整改;最后采取增加共模、差模電感以及濾波電解電容等措施，使其通過測試。

關鍵詞：數(shù)據(jù)采集裝置;電磁環(huán)境;敏感設備;CS114

中圖分類號：TM937.3 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0037-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.010

0 ? ?引言

數(shù)據(jù)采集裝置作為專用系統(tǒng)保護裝置的一部分，其可靠性直接影響著整個系統(tǒng)試驗的順利實施，這種可能受電磁干擾影響的設備被稱為敏感類設備。在專用系統(tǒng)試驗現(xiàn)場，多種電氣設備形成的電磁環(huán)境中存在各式各樣的傳導干擾和輻射干擾，干擾以傳導和輻射的方式進入EUT內(nèi)部電路，會使模擬信號的輸入/輸出與預期偏離，造成數(shù)字電路的控制失效或誤動作，甚至引起微處理電路的程序出錯、存儲和讀取數(shù)據(jù)錯誤。通過系統(tǒng)電磁環(huán)境試驗，得到了系統(tǒng)中存在的干擾類型及干擾強度。但干擾源的非理想化及寬頻率范圍的特點[1]，導致現(xiàn)場存在的干擾源無法直接模擬，因此，依據(jù)《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》（GJB 151B—2013）標準，選取接近的干擾波型及干擾等級對數(shù)據(jù)采集裝置進行EMC摸底試驗，給出試驗結果。其中，在CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導敏感度項目中，在低頻段出現(xiàn)了監(jiān)測電流值超出合理范圍的情況，通過對內(nèi)部結構進行分析，找出整改方案，并驗證其有效性。

1 ? ?數(shù)據(jù)采集裝置

信號采集作為狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的前端，其主要功能是通過傳感器將現(xiàn)場物理信號轉換為模擬信號，再經(jīng)過調(diào)理、采樣、量化、編碼等步驟轉化為數(shù)字信號，并由計算機進行處理、存儲、發(fā)送[2]。信號采集的準確性和可靠性直接影響監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能，因此對于信號采集的要求非常高。

1.1 ? ?裝置組成及原理

數(shù)據(jù)采集裝置由電源模塊、信號采集及處理模塊、信號轉換模塊、預置顯示模塊和故障輸出模塊組成。信號采集及處理模塊采集電信號，再通過信號轉換模塊，將其轉換為4～20 mA標準信號，發(fā)送至安全監(jiān)控單元;故障信號輸出至電控裝置，實現(xiàn)相應的保護功能。數(shù)據(jù)采集裝置原理框圖如圖1所示。

1.2 ? ?裝置EMC測試及結果

依據(jù)專用系統(tǒng)現(xiàn)場存在的電磁干擾類型及強度，參照《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》（GJB 151B—2013）標準，選取了10個測試項目，開展數(shù)據(jù)采集裝置電磁兼容性摸底試驗。試驗要求及結果如表1所示。

本次測試首先開展的是CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導敏感度項目的測試，優(yōu)化整改通過測試后，其他項目在此基礎上均通過測試。

2 ? ?CS114試驗過程及結果

CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導敏感度試驗的目的是確保采集裝置受到內(nèi)外天線發(fā)射電磁場在其線纜上形成的電流的影響下，性能不下降。干擾采用對地共模方式施加到EUT各個被測接口電纜上[3]。依據(jù)標準確定的測試頻段為10 kHz～400 MHz，電流注入，正弦波，1 kHz，占空比50%的脈沖調(diào)制;試驗等級根據(jù)GJB 151B—2013中陸軍限值的規(guī)定，10 kHz～2 MHz按照曲線3規(guī)定的校驗限值，2～400 MHz按照曲線4規(guī)定的校驗限值的試驗信號（陸軍地面標準）進行試驗，限值曲線如圖2所示。

2.1 ? ?試驗布置

數(shù)據(jù)采集裝置安裝在金屬接地平板上，模擬實際安裝情況。將檢測探頭置于距數(shù)據(jù)采集裝置5 cm處，將注入探頭置于距檢測探頭5 cm處，干擾信號通過電流鉗感性耦合注入到被測電纜上。試驗布置如圖3所示。

2.2 ? ?敏感度判據(jù)

在整個試驗過程中，輸出端串接電流表進行測試，要求數(shù)據(jù)采集裝置的輸出電流范圍為：干擾未施加時的輸出值±20 mA×1%F.S.，判定合格。

2.3 ? ?試驗結果

2.3.1 ? ?完整的電源電纜

干擾注入電源線纜（正負兩根）。干擾未施加時，輸出電流值為4.002 mA。干擾信號施加過程中的電流值范圍如表2所示。

2.3.2 ? ?電源線正極

在電源線正極單獨施加干擾信號：全頻段正常。

2.3.3 ? ?輸入信號線（正常4.112 mA）

輸入信號線上施加干擾時的電流值范圍如表3所示。

2.3.4 ? ?輸出信號線（正常4.09 mA）

輸出信號線上施加干擾時的電流值范圍如表4所示。

試驗分別對輸入、輸出信號線及電源線進行了電纜束注入傳導敏感度項目的測試。電源線單線不受注入干擾的影響;雙線及信號線均有影響，其中在2～100 MHz干擾最強，最強頻點為37 MHz。

3 ? ?優(yōu)化改進及結果

3.1 ? ?原因分析

針對2～100 MHz電流超標情況進行分析，此干擾是由射頻連續(xù)波感應引起的傳導干擾，頻率較低的輻射干擾波長較長，主要通過EUT接口線接收進入內(nèi)部，若接口處有濾波器，則部分干擾信號會被濾波器衰減，剩余干擾信號沿電纜進入EUT內(nèi)部形成干擾。干擾通過外殼直接進入的效率非常低，此采集裝置為金屬外殼，若該電纜為屏蔽電纜，則干擾信號會部分分流到外殼，可以通過在線纜上加超微晶磁環(huán)的方式，來增強電纜的屏蔽效能。因此，首先在輸入電源線接口處接入濾波器，并在電源線上加超微晶磁環(huán)。

3.2 ? ?優(yōu)化改進

3.2.1 ? ?電源線優(yōu)化及測試

針對電源線注入傳導干擾的超標問題，現(xiàn)場優(yōu)化措施如表5所示。

考慮到最終實施過程中，濾波器占據(jù)的空間比較大，因此最終整改方案為電源線加6.2 mH白色共模電感及22×14×8超微晶小磁環(huán)兩個，分別穿4匝及7匝。

3.2.2 ? ?整機優(yōu)化及測試

對數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)部線纜進行屏蔽處理，信號輸入線采用屏蔽效果好的屏蔽線纜。電源線增加了共模、差模電感以及濾波電解電容，套屏蔽網(wǎng)并接地;輸入、輸出信號線增加共模電感。插箱24 V電源端加10 mH共模電感，優(yōu)化實物圖如圖4所示。

最終試驗結果如表6所示，因條件限制4～20 mA輸出線在沒有屏蔽網(wǎng)及輸出電感的條件下，在2～100 MHz測試時不能達標，也需按上述條件進行整改;其他所有線在上述條件都滿足的情況下測試，都能達標。

3.3 ? ?整改電路分析

被測電纜回路的阻抗變化會對實際加載的干擾電流產(chǎn)生影響，尤其是低頻段，干擾影響比較明顯，阻抗越小，施加到被測電纜上的干擾電流就越大，可以在設計時增加負載阻抗，或者使用磁環(huán)等可以使被測電纜阻抗發(fā)生變化的措施，來增強被測系統(tǒng)的抗干擾能力[4-5]。實際整改措施如圖5所示，通過直接在數(shù)據(jù)采集裝置電源模塊內(nèi)部電路增加20 mH差模電感以及增大濾波電解電容CP2的方式，有效抑制了CS114在2～100 MHz傳導干擾，數(shù)據(jù)采集裝置順利通過CS114試驗。

4 ? ?結語

對于數(shù)據(jù)采集裝置這類極易受到電磁干擾影響的敏感類設備，可通過增加輸入/輸出共模、差模電感和濾波電解電容的方式，利用共模和差模濾波方式來增大回路阻抗，降低原有電磁干擾影響，減少傳導干擾對數(shù)據(jù)采集準確性的影響。本文通過對輸入/輸出線采取屏蔽措施，對電源線及信號線增加共模、差模電感以及濾波電解電容的措施，降低了傳導干擾對數(shù)據(jù)采集準確性的影響。未來，可以對輸入和輸出線屏蔽線纜材質(zhì)、屏蔽措施做進一步分析和優(yōu)化，也可以進一步研究設備整體的電磁屏蔽性能。

[參考文獻]

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[2] 賈民平，張洪亭，周劍英.測試技術[M].北京：高等教育出版社，2006.

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[4] 朱文立，陳燕，郭遠東.電子電器產(chǎn)品電磁兼容質(zhì)量控制及設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[5] 趙東杰.關于CS114 4 kHz～400 MHz電纜束注入傳導敏感度的研究[J].電子質(zhì)量，2020（11）：117-120.

收稿日期：2022-02-14

作者簡介：李菊（1988—），女，河北廊坊人，碩士研究生，工程師，研究方向：專用電源可靠性技術。