強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)的電磁兼容性研究

曲浩然,陳軼珩,賈小雪

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)完整性全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065)

1 引 言

電磁兼容性是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重要問(wèn)題,在工業(yè)領(lǐng)域中更為突出。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高和電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用,各種電子設(shè)備之間的電磁干擾問(wèn)題日益突出。在地面強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)存在大量的干擾源,測(cè)控系統(tǒng)的電磁兼容性能直接影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。因此,提高測(cè)控系統(tǒng)的電磁兼容性能,對(duì)于確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性具有至關(guān)重要的意義。本文對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行研究,旨在有效提升測(cè)量板卡的電磁兼容性,以滿足工業(yè)領(lǐng)域中對(duì)電磁兼容性的嚴(yán)格要求。

2 技術(shù)原理

2.1 測(cè)量板卡設(shè)計(jì)分析

測(cè)量板卡硬件架構(gòu)是以微處理器和信號(hào)采集電路為核心,同時(shí)包含網(wǎng)口轉(zhuǎn)光纖模塊、電源模塊等,如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、運(yùn)算等處理后進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)總線傳輸至微處理器進(jìn)行其他操作。測(cè)量系統(tǒng)的電磁兼容性問(wèn)題往往由開(kāi)關(guān)電源、高頻振蕩器、接地不良、接頭產(chǎn)生的電磁泄漏以及布局布線等問(wèn)題引發(fā),該板卡的典型問(wèn)題如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)板卡的典型問(wèn)題

通過(guò)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)測(cè)量板卡具有以下幾個(gè)問(wèn)題。首先,核心板供電與外部接口供電共用一個(gè)電源模塊,且容量不足,可能產(chǎn)生供電不穩(wěn)干擾;其次,核心板與載板使用模塊設(shè)計(jì),連接線路較長(zhǎng),且為上下層,抗干擾能力較差,接口處會(huì)產(chǎn)生電磁泄漏;部分PCB走線為直角,其可視為容性負(fù)載,對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生負(fù)面影響,同時(shí)帶來(lái)阻抗不連續(xù),信號(hào)反射,產(chǎn)生EMI等問(wèn)題。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

電磁兼容性優(yōu)化需要從抑制傳導(dǎo)型干擾和輻射型干擾的措施入手,并有針對(duì)性地對(duì)數(shù)據(jù)采集卡存在的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)引入更穩(wěn)定的電源模塊,替代分立式電源設(shè)計(jì),預(yù)留電源容量,并在電源輸入端增加TVS、ESD、氣體放電管、過(guò)流自恢復(fù)保險(xiǎn)等,從而抑制輸入端的干擾和沖擊,電源模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電源模塊電路設(shè)計(jì)

電路的布局布線參數(shù)可能會(huì)在特定的頻率產(chǎn)生干擾信號(hào),通過(guò)常規(guī)手段往往難以解決,需要在布線中的特定位置增加電感、電容、磁珠等來(lái)改變電路的參數(shù)結(jié)構(gòu),使其移到限值以外的頻率。為此,本文對(duì)電路進(jìn)行了重新布局布線,將電源部分、輸入接口及主控處理單元布局分離,互不干擾,如圖4所示。為進(jìn)一步有效地抑制通過(guò)空間傳播的各種電磁干擾,將原有保護(hù)殼更換為金屬材質(zhì),減少散熱開(kāi)孔尺寸與數(shù)量。

圖4 測(cè)量板卡

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)由廣電計(jì)量檢測(cè)(西安)有限公司電磁兼容實(shí)驗(yàn)室按照《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》中規(guī)定的試驗(yàn)條件與方法開(kāi)展,依次完成了電場(chǎng)輻射發(fā)射、電場(chǎng)輻射敏感度等試驗(yàn),如圖5所示。

(a) RE102試驗(yàn)配置圖

電場(chǎng)輻射發(fā)射試驗(yàn)是考核系統(tǒng)的電磁輻射發(fā)射能否達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限值要求,需用到規(guī)定的天線、頻譜儀等設(shè)備,在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的帶寬和最小測(cè)量時(shí)間,使測(cè)量接收機(jī)在使用的頻率范圍內(nèi)掃描,記錄測(cè)試頻譜曲線,觀察數(shù)據(jù)是否超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。電場(chǎng)輻射敏感度試驗(yàn)是驗(yàn)證系統(tǒng)抗輻射干擾的能力是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)條件和方法,測(cè)量系統(tǒng)完成了RE102和RS103中的試驗(yàn)項(xiàng)目,達(dá)到了合格的判據(jù)要求,試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

圖6 電場(chǎng)輻射發(fā)射試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)研制過(guò)程中遇到的電磁兼容性差的問(wèn)題,介紹了多種可以提高電磁兼容性性能的電路設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過(guò)測(cè)試,修改后的測(cè)量板卡性能穩(wěn)定,提升了原有設(shè)計(jì)的電場(chǎng)輻射發(fā)射和電場(chǎng)輻射敏感度指標(biāo),消除了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性隱患。