電子控制設(shè)備的抗干擾設(shè)計研究

李思愚 張燕霞 戶文剛

摘要：電子控制設(shè)備運(yùn)行過程中很容易受到外界電磁信號的干擾，發(fā)生設(shè)備運(yùn)行故障或者安全事故問題，有必要不斷提高電控設(shè)備的抗干擾設(shè)計水平。該文主要對干擾的定義及傳播途徑進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合對電子控制設(shè)備干擾源的研究，通過對抗干擾技術(shù)方法進(jìn)行具體分析，提出如何提高電子控制設(shè)備抗干擾設(shè)計水平。

關(guān)鍵詞：電子控制設(shè)備??電磁干擾??抗干擾技術(shù)??干擾源

中圖分類號：TN917??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A???文章編號：1672-3791（2022）07（b）-0000-00

Research?on?Anti-interference?Design?of?Electronic?Control?Equipment

LI?Siyu??ZHANG?Yanxia??HU?Wengang

（Gansu?Vocational?and?Technical?College?of?Communications，?Lanzhou，?Gansu?Province，?730070?China）

Abstract：?During?the?operation?of?electronic?control?equipment，?it?is?easy?to?be?disturbed?by?external?electromagnetic?signals，?resulting?in?equipment?operation?faults?or?safety?accidents，?it?is?necessary?to?continuously?improve?the?anti-interference?design?level?of?electronic?control?equipment.?This?paper?mainly analyzes?the?definition?and?propagation?path?of?interference?in?detail，?combined?with?the?research?on?the?interference?source?of?electronic?control?equipment，?through?specific?analysis?of?anti-jamming?technology?and?methods，?this?paper?puts?forward?how?to?improve?the?anti-interference?design?level?of?electronic?control?equipment.

Key?Words：?Electronic?control?equipment;?Electromagnetic?interference;?Anti?interference?technology;?Interference?source

通過對電磁干擾進(jìn)行全方位分析研究，從而掌握電子設(shè)備抗干擾技術(shù)的有效應(yīng)用方法，確保電子設(shè)備能夠更好地應(yīng)對外界復(fù)雜的電磁環(huán)境。電子控制設(shè)備被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)或電子領(lǐng)域，多采用集成電子電路系統(tǒng)對電子設(shè)備進(jìn)行控制，電子設(shè)備長時間處于電子輻射、高壓輸電等受電狀態(tài)會更容易受到外界因素的干擾，從而導(dǎo)致電子系統(tǒng)無法正常高效的運(yùn)行。隨著電子技術(shù)的更新發(fā)展，需要加強(qiáng)對抗干擾技術(shù)的應(yīng)用研究，最大程度地保證電力企業(yè)生產(chǎn)安全。

1?電子干擾

1.1?電子干擾定義

電子干擾通過擾亂電子控制設(shè)備電波而導(dǎo)致系統(tǒng)功能作用喪失或者效能下降，主要表現(xiàn)為削弱電子控制設(shè)備系統(tǒng)的整體控制與制導(dǎo)能力。電子干擾通常無法對干擾對象造成永久的損傷，更多是指在電子控制設(shè)備特定運(yùn)行時間內(nèi)對設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行能力進(jìn)行部分或者全部干擾，導(dǎo)致電子設(shè)備系統(tǒng)功能效用部分或者全部喪失，通過制造電磁干擾信號來進(jìn)入電子控制設(shè)備接收機(jī)，較強(qiáng)的電磁干擾信號能夠?qū)е码娮釉O(shè)備接收機(jī)無法順利提取和接受外界信息。通過電子干擾能夠不斷增大電子設(shè)備運(yùn)行控制誤差范圍，對電子設(shè)備本身的控制水平及溫度、機(jī)械振動以及電磁現(xiàn)象產(chǎn)生不同嚴(yán)重程度的干擾。噪音作為電子設(shè)備電磁信號干擾的核心表現(xiàn)形式，是電子控制設(shè)備中最為常見的干擾信號，噪音干擾主要分為常模和共模兩種類型，常模噪音作為對稱噪音又包括噪音電流和信號電流兩種，而兩種電流在電子設(shè)備中擁有相同的運(yùn)行軌跡。共模噪音作為不對稱噪音會在電流運(yùn)行過程中分流出一部分，相比常模噪音電流而言，共模噪音分流出的部分電流更容易抑制，同時由于共模噪音交直流交互作用的特性，能夠運(yùn)用隔離、接地等多種方式對其進(jìn)行抑制。

1.2?電子干擾產(chǎn)生的原因

電子干擾包括內(nèi)源干擾和外源干擾，電子控制設(shè)備運(yùn)行過程中各類電子元器件同步作用必然會產(chǎn)生各種無用信號，電磁信號是干擾電子設(shè)備的主要因素，多由于電子元器件本身運(yùn)行或者外界人為因素的影響，此外包括電網(wǎng)系統(tǒng)、電器設(shè)備都是造成電子干擾的原因。例如由分布電容造成的靜電耦合、互感效應(yīng)造成的電磁耦合以及電阻造成的阻抗耦合等都會產(chǎn)生電子干擾。電子控制設(shè)備產(chǎn)生電子干擾需要包含干擾源、耦合通道以及接受通道三個重要因素，從干擾因素來看，抗干擾措施可從這3個因素重點入手，通過避開干擾源、阻止耦合通道、降低電路接受通道的噪音敏感性來加強(qiáng)電子設(shè)備抗干擾性。此外，從電子干擾的類型來看，脈沖型干擾和正弦型干擾主要由于外部原因造成電子設(shè)備干擾，而起伏型干擾主要由于電子設(shè)備自身造成電子干擾。

1.3?電子系統(tǒng)中的干擾源

（1）熱干擾。與電子控制設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的溫度、熱量有很大的關(guān)聯(lián)，熱能對電子控制設(shè)備內(nèi)部的元器件造成直接干擾，因而需要采用良好的導(dǎo)熱性金屬材料以制作防護(hù)罩的方式來屏蔽電子設(shè)備內(nèi)熱能的干擾。（2）機(jī)械干擾。電子設(shè)備處于工作狀態(tài)時在機(jī)械振動的影響和沖擊下，電子控制設(shè)備內(nèi)部的元器件會產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致內(nèi)部電路原有參數(shù)信息發(fā)生改變。因而針對機(jī)械振動想要達(dá)到減震作用就需要采用彈簧或者橡膠等材料做好防護(hù)措施。（3）電磁干擾。主要是指電子系統(tǒng)運(yùn)行中由于電路元器件運(yùn)行產(chǎn)生的靜電感應(yīng)而造成的電磁干擾，針對電磁干擾可通過屏蔽靜電和電磁信號的方式來達(dá)到抗干擾效果。

2?電磁兼容性抗干擾設(shè)計及原理分析

2.1?接地設(shè)計

首先，電子設(shè)備采用接地技術(shù)的主要目的在于：一是有效防止外界電磁場的干擾，通過將機(jī)殼接地來為大肆積累的靜電感應(yīng)提供電荷泄放的通道，避免電荷形成高壓而導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生火花放電對設(shè)備控制運(yùn)行產(chǎn)生干擾，同時可采用接地技術(shù)來對電路進(jìn)行屏蔽，同樣能夠獲得較好的屏蔽效果。二是通過采用接地技術(shù)能夠確保電子系統(tǒng)中所有的電路有共用的參考零電位，最大限度地保證電路系統(tǒng)能夠穩(wěn)定正常運(yùn)行。其次，接地技術(shù)的核心作用在于保證電子控制設(shè)備能夠安全工作，對于產(chǎn)生的電磁感應(yīng)或者由于輸入電壓絕緣性不良等原因造成工頻交流電源與機(jī)殼直接相通時，殼采用接地技術(shù)避免電力操作人員發(fā)生觸電安全事故。最后，針對電路系統(tǒng)電路的接地方式可以通過單點接地的方式來達(dá)到抗干擾目的，通過在一個線路中確定物理接地參考點，將其他接地點全部銜接到這一個確定的物理接地點上來達(dá)到抗干擾效果。而多點接地則通過將電路系統(tǒng)內(nèi)部的各個接地點銜接到最近距離的接地平面上，合理控制接地引線長度來達(dá)到抗干擾效果。同時接地平面包括電子設(shè)備底板部件、電路系統(tǒng)接地導(dǎo)線或者電子設(shè)備結(jié)構(gòu)框架等[1]。

2.2?屏面設(shè)計

采用屏面技術(shù)對電路系統(tǒng)內(nèi)兩個不同的空間區(qū)域進(jìn)行金屬性隔離，即控制一個區(qū)域電場、磁場和電磁波對另外一個空間區(qū)域產(chǎn)生電磁感應(yīng)和電磁輻射，采用屏蔽體將整體電力系統(tǒng)內(nèi)包括各路元器件、組合件以及電纜電路等干擾源進(jìn)行包圍，防止電磁感應(yīng)向外擴(kuò)散干擾電磁場，同時采用屏蔽體避免電路設(shè)備或電子系統(tǒng)受到外界電磁場的干擾。屏蔽體本身對電力系統(tǒng)內(nèi)元器件、電纜導(dǎo)線以及電路系統(tǒng)內(nèi)外部電磁波起著能量吸附、反射能量和抵消能量的作用，因而需要充分發(fā)揮屏蔽體的抗干擾功能。此外，要慎重選擇屏蔽體材料，當(dāng)電路系統(tǒng)干擾電磁波頻率相對較低時需要選用高導(dǎo)磁率的屏蔽材料，通過將磁力線控制在屏蔽材料內(nèi)部來避免磁力擴(kuò)散到屏蔽體屏蔽的外部空間。當(dāng)電路系統(tǒng)干擾電磁場頻率較高時則需要采用低電阻率金屬材料形成的渦流來抵消外界電磁波，從而形成保護(hù)屏蔽層達(dá)到屏蔽效果。此外針對一些特定場合需要選用不同金屬材料形成不同層次屏蔽體達(dá)到多層屏蔽效果?？傮w來看，屏面設(shè)計主要通過靜電屏蔽、磁屏蔽以及電磁屏蔽技術(shù)來達(dá)到屏蔽抗干擾效果，采用靜電屏蔽技術(shù)是指靜電場的電源線在接地金屬導(dǎo)體位置被中斷來避免產(chǎn)生電磁場，而采用磁屏蔽技術(shù)需要借助具有高導(dǎo)磁率的金屬材料使得磁場電路發(fā)生變化，從而達(dá)到屏蔽磁場和抗干擾的效果[2]。

2.3?其他抗干擾技術(shù)

（1）電路技術(shù)。主要針對經(jīng)過屏蔽基礎(chǔ)處理之后仍然無法完全防止電路干擾而采用電路技術(shù)與屏蔽技術(shù)相結(jié)合的方式來達(dá)到完全抗干擾的效果。采取平衡電路措施將雙線電路中的兩根導(dǎo)線與相關(guān)的所有電路形成阻抗，確保2根導(dǎo)線周圍的干擾信號具有相同的阻抗，促使噪音干擾形成共態(tài)信號而產(chǎn)生自行消失的作用。電路技術(shù)并不是指某一種技術(shù)，而是包括平衡電路、接點網(wǎng)絡(luò)、整形電路以及選通電路等多種電路技術(shù)，結(jié)合實際情況采用不同的電路技術(shù)是有效控制抗干擾效果的有效措施。（2）濾波技術(shù)。電路系統(tǒng)內(nèi)干擾頻譜成分與系統(tǒng)內(nèi)有用的頻率不相等，通過采用濾波器來減小傳到干擾電平，從而更好地對有用信號頻率的不同成分進(jìn)行有效抑制，可靈活應(yīng)用于干擾源抑制、干擾耦合的消除以及增強(qiáng)電子控制設(shè)備接收機(jī)抗干擾能力等范圍領(lǐng)域，電路電源在阻容、感容去耦網(wǎng)絡(luò)的作用下得以隔離開來[3]。

3?電路保護(hù)器件的選擇技巧

對于元器件的選擇需要明確電路保護(hù)元器件的類型，結(jié)合不同元器件的不同特點和應(yīng)用范圍合理選擇，工程師需要了解各路元器件的作用、特點，明確保護(hù)電路的具體流程方法和電路系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定行為，經(jīng)過多次模擬測試之后合理選擇過壓保護(hù)器件或者過流保護(hù)器件。當(dāng)前，電子控制設(shè)備處于電路系統(tǒng)運(yùn)行過程中容易遭受ESD、過流、過熱等現(xiàn)象的危害，對于電路保護(hù)器件需要在考慮伏安特性及器件保護(hù)級別的基礎(chǔ)上重點考慮與電子設(shè)備相適應(yīng)的尺寸、元器件不同大小的能量密度、電子設(shè)備接口速率信號的完整性以及元器件電容大小、元器件耐沖擊次數(shù)、抗震防潮因素等，從而選取最為合適的電路保護(hù)器件[4]。

關(guān)于過流功能保護(hù)器件用于串聯(lián)電路中需要建立在電阻小、功耗小的基礎(chǔ)上，電路系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，過流保護(hù)器件充當(dāng)一根導(dǎo)線來穩(wěn)定導(dǎo)通電路，在電路系統(tǒng)發(fā)生電流波動時能夠承載一定的電流波動范圍，這時要明確過流保護(hù)器件電流承載范圍，當(dāng)電流過載時則會開啟熔斷器，通過斷開電路電流來保護(hù)電路安全，防止電路危害不斷擴(kuò)散。在選擇過壓保護(hù)器件和過流保護(hù)器件時要著重考慮元器件的熔斷性能和額定電流，結(jié)合熔斷器周圍電路環(huán)境來分析熔斷器熱能值[5]。

4?信號傳輸抗干擾設(shè)計

4.1?輸入信號線路線纜

關(guān)于電子控制設(shè)備系統(tǒng)信號傳輸線的選擇需要在允許的頻率范圍內(nèi)可采用屏蔽雙絞線輸入模擬信號，或者采用雙層屏蔽雙絞線電纜做輸入模擬信號TA，外層屏蔽需要向地面靠攏，采用懸空的形式來防止不平衡接地電勢對二次控制設(shè)備造成的干擾。

4.2?開關(guān)狀態(tài)信號線設(shè)計

通常用繼電器作為控制信號的控制對象，而開關(guān)信號為狀態(tài)信號的主要傳輸信號，選用雙絞線作為信號傳輸線要盡可能以并行傳輸?shù)姆绞絹硖岣叩钟材Ｐ盘柛蓴_能力，要避免將傳輸線與連接器斷續(xù)相連，針對多個雙絞線連接在一起時要盡量采用不同節(jié)距的雙絞線對于多對長距絞合線需要設(shè)置好絞合線交叉具體位置和距離，在增大節(jié)距絞合的基礎(chǔ)上達(dá)到抑制噪聲的效果[6]。

4.3?其他抗干擾措施

為了達(dá)到抑制整流電源紋波干擾的目的需要對電源做穩(wěn)壓處理，在遇到電壓穩(wěn)定而電子電路系統(tǒng)無法正常運(yùn)行的情況時需要明確電路無法運(yùn)行的原因，常見的多由于放大電路輸入端與整流電源輸出端連接線長度超過限制的長度，對于連接線長度超過20?cm時可考慮安裝濾波器的方式來維持電子電路系統(tǒng)正常運(yùn)行。此外，針對邏輯電路板中的電源線和地線要確保分布合理，盡可能將布線長度控制得短一些來避免產(chǎn)生布線回路現(xiàn)象。

5?結(jié)語

綜上所述，電子控制設(shè)備干擾源受多方面因素的影響會產(chǎn)生不同危害程度的干擾，該文通過對干擾的內(nèi)涵、類型及干擾源傳播來源進(jìn)行重點分析，從而具體說明了集中抗干擾措施的實施辦法。在整個電路系統(tǒng)領(lǐng)域中，電子控制設(shè)備抗干擾和抑制干擾一直是需要重點分析研究的方向，需要結(jié)合實際情況進(jìn)行具體分析，才能更好地采用適合的抗干擾措施達(dá)到理想的抗干擾效果。

參考文獻(xiàn)

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[3]?孫偉.電子電路設(shè)計的實用技巧研究[J].電子元器件與信息技術(shù)，2020，4（3）：122-123.

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