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电磁干扰及其特性

作者:扑克之星6up下载 发布时间:2020-09-17 23:54 点击数:

  电磁干扰及其特性_能源/化工_工程科技_专业资料。第2章 电磁干扰特性及电子系统的EMC要求 一 电磁干扰源 电磁干扰三要素 防止电磁干扰的三个途径: (1)抑制源的发射 (2)尽可能使耦合路径无效 (3)使接收器对发射不敏感 第2章电磁

  第2章 电磁干扰特性及电子系统的EMC要求 一 电磁干扰源 电磁干扰三要素 防止电磁干扰的三个途径: (1)抑制源的发射 (2)尽可能使耦合路径无效 (3)使接收器对发射不敏感 第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求 (一) 电磁干扰源类型 1、自然干扰源:雷电放电、局部自然干扰源、天电噪声源、热噪声 2、人为干扰源:电力线干扰源、旋转机械干扰源、点火系统干扰源、 功能干扰源 3、 大气中的无线电噪声:来源于全世界的风暴,它主要的变量是地 理位置、无线电频率、一天的时间和季节; 第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求 (二) 电磁环境和人为辐射源 1、人为辐射源的数学模式 (1)单个的技术装置辐射源 专门为辐射电磁能的装置 辐射电磁能是其副作用的装置 (2)城市辐射源: N=zM 发射源数N,城市人口M,比例系数z是每人占有的发射源数 一个城市的辐射功率 P ? ? pi i i=1,2,3?k 第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求 (二) 电磁环境和人为辐射源 在相当远的距离时,城市则类似于一个同样功率的点能源。 将能流分成三种基本模式: 1)类似线性波导的传播模式A A 线性模式:人口及辐射源是沿一直线而对称分布的 Ho=(1/2)P Ho——功率通量密度 B 平面模式:人口和辐射源的分布是在平面上对称的 2)类似表面波导的传播模式B C 三维模式:假设人口和辐射源是对称立体分布的 Ho=P/(2*Pi*r) (Pi:第i个辐射源的功率) 3)自由空间的传播模式C Ho=P/(4*Pi*r*r) 第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求 (二) 电磁环境和人为辐射源 城市辐射源的上述研究得出结论: 2、人工接收机 各最近的辐射源会产生最大的影响 一类专门制造来对所辐射的电磁能起反应的 在城市中心的功率密度即使该城市是无穷大时也是有限的 一类并不是有意制造对所辐射的电磁能起反应的 如果指定观测点距离城市很远,则此给定点的功率密度与城市 人口成正比 可用一个范围有限的作用区域来代替一个给定的城市 第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求 二 电磁干扰波传播或耦合 1、传导干扰波传播 通过导体传播的电磁干扰 2、辐射干扰波传播 通过空间传播的电磁干扰 (其耦合形式有近场感应耦合、远场辐射耦合) 3、复合干扰:辐射和传导干扰同时存在 第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求 电耦合 传导干扰 电磁干扰传播 辐射干扰 磁耦合 电磁耦合 近场感应耦合 远场辐射 空间 辐射干扰 干扰源 导体 传导干扰 磁感应 电感应 敏感设备 产生电磁辐射现象,导致电磁干扰的原因 当电压或电流发生迅速变化时,就会产生电磁辐 射现象,导致电磁干扰。 因此,最近电磁干扰问题日益突出的主要原因之 一就是脉冲电路(数字电路、脉冲电源)的大量应用。 凡是存在这种电压或电流突然变化的地方,都要考虑 电磁干扰问题。 三 耦合通道和敏感体 1、耦合通道 ① 传导耦合通道 耦合通道是把电磁干扰从干扰源传输到敏感体的各种途径。 ② 辐射耦合 指通过金属导体、电阻、电容器、电感线圈及导线之间 基本形式:传导耦合通道、辐射耦合通道 指以电磁场和波的形式通过空间传输电磁干扰的途径 的分布参数传输干扰的通路。 耦合通路中三种模式:电路的非线性作用 系统间的辐射耦合——远场耦合 电路性耦合、电感性耦合、电容性耦合 互调制、交叉调制、直接混频调制 系统内的辐射耦合——近场耦合 第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求 四、传导干扰的一般性质 传导干扰的一般性质有:频谱、幅度、波形、出现率。 一般性质1:频谱 电信号在低频时按集中参数电路处理(及电路分析基础提出的电 路模型),在高频时按分布参数电路处理(及微波理论提出的电路 模型)。 传导干扰频谱分为:窄带干扰、宽带干扰 窄带干扰:带宽只有几十赫兹到几百赫兹。 宽带干扰:带宽分布在几十到几百赫兹甚至更宽的频带范围。 频谱下分贝(dB) 的概念 P2 分贝的定义:分贝数 = 10 ? lg P 1 P1、P2 是两个功率数值,对于电流或电压,定义如下: V2 电压增益的分贝数 = 20 ? lg V1 I2 电流增益的分贝数 = 20 ? lg I1 用分贝表示的物理量 电压:用1V、1mV、1?V 为参考(例如:1?V = 0dB?V) 则单位为:dBV、dBmV、dB?V 等, 电流:用1A、1mA、1?A 为参考,则:dBA、dBmA、dB?A 场强:用1V/m、1?V/m 为参考,则:dBV/m、dB?V/m 等, 功率:用1W、1mW 为参考,则:dBW、dBm等, 电磁兼容中常用频域分析 时域波形 示波器观察 付立叶级数(周期) 付立叶变换(非周 期) 频谱分量 频谱分析仪观察 EMC分析更多是在频域中进行,并且不 考虑相位因素。 电磁兼容中常用仪器:频谱分析仪 幅度 分辨带宽 扫描速率 (时间) 频率 频率范围 脉冲信号的频谱 谐波幅度 (电压或电流) tr d A -20dB/dec T V( or I) = 2A(d+tr)/T V( or I) = 0.64A/Tf -40dB/dec V( or I) = 0.2A/Ttrf2 1/?d 1/?tr 频率(对数) 第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求 (一)传导干扰的一般性质 一般性质2:幅度(规定带宽条件下的发射电平) 干扰幅度可表现为多种形式: 1)不同型号的幅度分布(概率,它是确定的幅度值出现 次数的百分率) 2)可用“正弦”或“随机”的概念来说明干扰性质 3)典型干扰是热噪声和冲击噪声 第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求 例如:热噪声 如果用x表示噪声电压或电流,它具有高斯分布的幅 度概率,这类噪声的电压或电流的峰值或平均值都正比 于检测设备的带宽B ;如果不受带宽限制的热噪声称为 白噪声(见“随机过程”) ? ? 2 1 ? x ? e xp( P( x) ? ? ) 1 2 ? ? 2? 2 ? ? ? ( 2? ) ? ? 冲击噪声 冲击噪声的电流或电压峰值正比于频带B,而其 平均值则与频带无关。 主要由内燃机点火系统;电源线放电、充气管放 电产生的火花。 一般性质3:波形 由于波形是决定带宽的重要因素,设计者要很好地 控制波形。 上升斜率越陡,所占的带宽就越宽。 通常脉冲下的面积决定了频谱中的低频含量,而其 高频成分与脉冲沿的陡度有关。在所有脉冲中,高斯脉 冲的占有带宽最窄。 周期矩形脉冲的频谱 (公式) n?? ? ?? Fn ? Sa ( ) ? Sa ( ) T T T 2 Fn E? T 2? 4? ? ? o ? 3? 周期矩形脉冲信号的频谱 ? ? f(t ) E E 5 Fn ?= 2? 2? T ? τ o τ - 2 2 T t (a ) o ? 4? ? ? f(t ) E E 10 o τ T t (b ) Fn o ? 2? τ ? 不同τ 值时周期矩形信号的频谱 (a) τ =T/5; (b) τ =T/10 一般性质4:出现率 干扰信号在时间轴上出现的规律称为出现率。 按出现率把电函数分为周期性、非周期性和随机的 三种类型。 五、传导干扰及其实例 1、ESD现象 静电放电 静电放电 信号端口 电源端口 静电放电 传导干扰的实例1 产生电磁干扰的条件 1.突然变化的电压或电流,即dV/dt 2.辐射天线或传导导体 设计中,遇到电压、电流的突然变化,需要考虑潜在的 电磁干扰问题 或 dI/dt 很大! 当数字电路出现电磁干扰的问题,许多有经验 的工程师会检查地线和电源线上的噪声,通常的 结果是在电源线和地线上,用示波器可以观察到 明显的噪声电压。 ? 虽然许多人可以断定这些噪声是造成电路电磁 干扰问题的原因,但是不知道如何解决。因为,他 们不知道这些噪声是如何产生的。 ? 传导干扰的实例2 下图将产生地线和电源线上的噪声 ICC VCC R1 R2 R4 Q3 Q2 Q1 R3 I驱动 被 驱 动 电 路 Q4 I充电 Ig Vg I放电 电源线上的噪声: ? 图中是一个典型的门电路输出级(图腾柱输出),当输出为高时,Q3导 通,Q4截止,相反,当输出为低时,Q3截止,Q4导通,这两种状态都在电 源与地之间形成了高阻抗,限制了电源的电流。 ? 但是,当状态发生变化时,会有一段时间Q3和Q4同时导通,这时在电源 和地之间形成了短暂的低阻抗,产生30-100毫安的尖峰电流。当门电路输 出从低变为高时,电源不仅要提供这个短路电流,还要提供给寄生电容充 电的电流,使这个电流的峰值更大。由于电源线总是有不同程度的电感, 因此当发生电流突变时,会产生感应电压。这就是在电源线上观察到的噪 声。由于电源线阻抗的存在,也会造成电压的暂时跌落。 地线上的噪声: ? 在当电源线上产生上述尖峰电流的同时,地线上必然也流过这个 电流,特别是当输出从高变为低时,寄生电容要放电,地线上的峰 值电流更大(这与电源线上的情况正好相反:电源线上的峰值电流 在输出从低变为高时更大)。由于地线总是有不同程度的电感,因 此会感应出电压。这就是地线噪声。 ? 地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工作不正常,而且会 产生较强的电磁辐射。 传导干扰的实例3 地线的输出从高变为低时,会发生以下过程: 寄生电容通过门1放电,很大的地电流流过地线的地线上形成 ? 地线输出低电平,这个电压直接反应到门2的输出端,成为 门4 的输入信号。当幅度超过门4的噪声门限时,导致门4 误动作。 ? 地线上的这些干扰不仅会引起电路的误操作,还会造成传导和辐射发射。 为了减小这些干扰,应尽量减小地线的阻抗。 ? 注意:对于数字电路,地线mm的 印制线MHz的信号,其阻抗为 9.24 ?,远大于直流电阻。因此对于数字电路,减小地线电感是十分重要 的。 传导干扰的实例4:及解决方案 传导干扰的实例5:解决方案 六、 传导干扰传输线、低频域传输线路 定义:低频域是指传输线路的几何长度远远小于工作波长 传导干扰主要靠传输线路的电流和电压起作用:传输线路在 对一般模拟电路来说,它可作为集中参数来处理。 不同频率下表现的性质不同,其处理方法也有所差异 对数字电路,将传输脉冲按其宽度分为窄脉冲和宽脉冲。 其中低频域传输线路: 低频域是指传输线,可以按照集总参 数电路来处理,具有频率低,波长长,电路尺寸与波长相比很 小,甚至小到可以视为一点的特性,电场与磁场可以近似看作 只随时间变化,不随导线长度变化,并且频率低,线的阻抗和 导纳的作用可以忽略不计,因此导线上的各点的电位相同。这 样,整个电路的电能近集中在电容器里,磁能集中在电感线圈 里,损耗集中在电阻上。 在数字电路中:传输的脉冲将按照窄脉冲和宽脉冲来处理, ① 窄脉冲必须考虑由线路阻抗而产生的电压下降,以及线路 间的寄生电路而使波形变钝等现象。 ② 宽脉冲除考虑窄脉冲出现的问题以外,还必须考虑传输时 间滞后,以及线路反射等问题。 只有在脉冲宽度Δt远小于线路内的传输时间,才能作为低频处 理,即: l ? ? v ? ?t 其中:l为传输线路的几何长度,v为传输速度, Δt为脉冲宽度 例如:低频域的集中参数电路 低频时: Rl/2 Rs Cl Vs Rl/2 Rl/2 Rr Rl/2 ( Rs ? Rl )(Rr ? Rl ) 1 ?? ?Cl Rs ? Rr ? 2 Rl 输入为正弦波情况(在低频时:) 电路接收端电压为: ( Rs ? Rl )(Rr ? Rl ) 1 ?? ?C l Rs ? Rr ? 2 Rl Rr 可得, Vr ? VR sin?t ? Vs sin( ?T ? ? ) Rs ? 2 Rl ? Rr ? (Rs+Rl) (Rr+Rl) ? 其中,相角 ? ? tg ??C l ? R + R + 2 R s r l ? ? -1 输入为脉冲时,其脉冲前沿情况(在低频) 电路接收端电压为: Rr ?t / ? Vr ? Vs (1-e ) Rs ? 2 Rl ? Rr (Rs ? Rl) (Rr+Rl) 其 中? ? C l Rs ? 2 Rl ? Rr 输入为脉冲时,其脉冲后沿情况(在低频) 电路接收端电压为: Rr Vr ? Vs e ? t /? Rs ? 2 Rl ? Rr (Rs ? Rl) (Rr+Rl) 其 中? ? C l Rs ? 2 Rl ? Rr 总结 总结1 2:低频域的集总参数电路 : 当线路阻抗 Rl很小时,接收端电压Vr则由电源阻抗Rs和 集总参数电路,频率低,波长长,电路尺寸与波长 负载阻抗 Rr来决定,从负载看进去的干扰阻抗,大致同干 相比很小,甚至小到可以视为一点,电场与磁场可以近 扰发生源的阻抗 Rs相等,则可认为与线路阻抗特性无关。 似看作只随时间变化,不随导线长度变化,并且频率低, 线的阻抗和导纳的作用可以忽略不计,因此导线上的各 点的电位相同。这样,整个电路的电能近集中在电容器 里,磁能集中在电感线圈里,损耗集中在电阻上。(参 考《微波原理》) 2、高频域的分布参数电路 当线路的几何长度L大致与工作波长可以比拟时,线 路应看作分布参数电路,线路的特性主要决定于分布参 数L(分布电感)、C(分布电容),其中主要的参数为 1) 对无损耗传输线: 线路传输波的传输速度v和线路的特性阻抗Z。 v? 1 LC ZC ? L C ① 线路的特性阻抗只与分布参数有关 例如平行线 d ? ln ? lg C r r ?r ?r ② 对于线路间距离一定,线径大小一定的均匀线路,其特 性阻抗又可由下式表示: d d Z C ? 120ln ? 276log ( 双 线 ) r r R R Z C ? 60 ln ? 138log ( 空 气 同 轴 电 缆 ) r r 2h 2h ZC ? 60 ln ? 138 log ( 离离地面的h的单线 r r ③ 线路的特性阻抗的另一定义:是行波电压与行波电流之比。 Vi Vr ZC ? 或者Zc ? Ii Ir ④ 当线上的电压不是行波而是驻波时:线上任一对应点的电流电 压之比定义为线路长度为l 的端点输入阻抗 V(l) Zi ? I(l) (输 入 阻 抗 ) 总结: 分布参数电路因为频率高,波长短,一般电路尺 寸与电磁波的波长可以比拟,电磁场不仅随时间变化, 而且同时随空间位置变化,电磁波在电路传播的滞后 效应显著,同时频率高,传输线上的电感、电阻和线 间电容、电导都不能忽略,线上各点电位不同,处处 有储能和损耗。 3、驻波和行波的概念 ?什么是行波? ?波在介质中传播时不断向前推进,故称行波. ?电力系统输电线路发生故障后,利用阻抗原理的测距装置 测距误差较大,而利用行波测距技术可以实现精确故障定 位.行波测距技术的优越性在于精度高、适用性强、方便使 用等,行波测距技术在超高压输电线路中被成功应用,这一 技术在电力系统中将有着广阔的发展前景. 驻波和行波的概念 ?什么是驻波(Standing Wave)? ?振动频率、振幅和传播速度相同而传播方向相反的两列波 叠加时,就产生驻波。 ?驻波形成时,空间各处的介质点或物理量只在原位置附近 做振动,波停驻不前,而没有行波的感觉,所以称为驻波。 形成驻波时,各处介质质点或物理量以不同的振幅振动。振 幅最大处叫波腹,振幅最小处即看上去静止不动处叫波节。 相邻两个波节或波腹之间的距离是半个波长。 ?驻波也是一种波的干涉现象,但是一种特殊的干涉现象. ? 1、行波状态 ?当传输线无限长或负载阻抗等于特性阻抗时,线上只有入 射波,没有反射波,入射波功率全部被吸收,这种称为与负 载相匹配的传输线,其上的状态为行波状态。 ? 2、驻波状态 ?当传输终端或接电抗负载,线上发生全反射,这时负载并不 消耗能量,而把它全部反射回振荡器,同时线上出现了由入射 ?波和反射波相互迭加而形成的驻波,这种状态称为驻波工作 状态。 入射波与反射波 ? 入射波(Incident Wave) – 由波源送出的波 ? 反射波(Reflected Wave) – 向著波源的波 ? 一般假設朝+z方向前進的波為入射波 2)当线为理想传输线时,其输入阻抗可表示为 : Z r cos ? l ? jZ c sin? l Zi ? Zc Z c cos ? l ? jZ r sin? l 其中 ,线π /λ ,Zr为负载阻抗,Zc为线的特性阻抗 当线路终端短路时, Zi = jZctg βl 当线路终端开路时, Zi =-jZcctg βl 处理高频电路时,要注意线路的电长度 l/λ引起的阻抗、电 流、电压变化 4、线间电压和对地电压,共模干扰和异模干扰 共模干扰(CI):两导线上的干扰电流振幅相差甚小,相位相同。 差模干扰(DI):两导线上的干扰电流,其振幅相等,相位相反。 差模干扰(DI):两导线上的干扰电流,其振幅相等,相位相反。 ? 共模和差模的工作原理 4、线间电压和对地电压,共模 干扰和异模干扰 对地电压VL : VL = V1+Vc 线间电压VM : VM = V 2+Vd V1----原对地电压 Vc ----由地回路地电位差 引起的共模干扰电压 V2 ---- 原信号源电压 Vd ----由线间回路受干扰 引起的差模干扰电压 IⅡ 两线之间干扰源引起的差模电流, IC 两线与地线之间的干扰引起的共模电流 图1.26 共模和差模的工作原理 第2章 电磁干扰源性质与传输 ? 共模和差模的工作原理 七 传导干扰电耦合途径 ?电耦合的两种形式: (1)电路性干扰:由两个回路经公共阻抗耦合 而产生,干扰量是电流,或变化的电流 di 。 dt (2)电容性干扰:在干扰源与干扰对象之间存 在着耦合的分布电容而产生,干扰量是变化的电场, 及变化的的电压 。du dt 1、电路性干扰的物理模型 原因:电路性干扰的产生至少存在两个相互 耦合的电流回路,其电流全部或部分地在公共阻 抗中流过。 1、电路性干扰的物理模型 1、电路性干扰的物理模型 U02经阻抗Z3、Z4在回路1中产生的干扰电流为: 1、电路性干扰的物理模型 1、电路性干扰的物理模型 1、电路性干扰的物理模型 电路去耦:在有效电流电路与干扰电流电路间即使存在电 气连接,他们彼此也不互相干扰。 2、电路性干扰的耦合阻抗特性 为了对必须首先了解对电流回路的耦合阻抗:电阻、感抗、容抗 (1) 电阻 近似计算时可认为实际电阻与频率的1/2次方成正比 R ? R0 K f (2) 感抗 任何导线都存在感抗,导线的电感通常以耦合阻抗的形式出现, 同别的电流回路发生电路耦合并产生干扰。 jX L ? j?L ? j 2?fL ?当导线长度与电磁波的波长可以比拟时,宜采用分布参 数概念,此时以特性阻抗计算最恰当,例如双线分布电感 和电容: L1 ? C1 ? F / m, F1为单位长度传输线为单位长度传输线电阻 d (m m) ? (m) ?r ?0 2 D ln H / m, L1为单位长度传输线电感 量 ? d ?? 0? r D---双线中心距离,d---导线直径,εr---相对介电常数,对空气εr=1 (3) 容抗 如下图所示,说明电流回路之间如何通过公共的导线阻 抗和内阻抗而相互影响并产生干扰。 1 jXc ? j?C 显然,电容越大,干扰越小 (3) 容抗 如图所示,说明电流回路之间如何通过公共的 导线阻抗和内阻抗而相互影响并产生干扰。 频率 Hz 10Hz 1k 100k 1M 5M 10M 50M 100M 150M d = 0.65cm 10cm 1m 51.4? 429? 42.6m 426m 2.13 4.26 21.3 42.6 63.9 d = 0.27cm 10cm 1m d = 0.06cm 10cm 1m 5.29m 5.34m 71.6m 714m 3.57 7.14 35.7 71.4 107 52.9m 53.9m 1.0 10 50 100 500 d= 0.04cm 10cm 1m 13.3m 14m 90.3m 783m 3.86 7.7 38.5 77 115 133m 144m 1.07 10.6 53 106 530 517? 327? 3.28m 7.14 632? 8.91m m 712m 54m 828m 7.12 35.5 71.2 356 540m 8.28 2.7 5.4 27 54 81 41.3 82.8 414 高 频 时 , 导 线 的 直 径 作 用 减 小 3、电路性干扰的抑制与避免措施 (1)让两个电流回路或系统彼此无关; (2)限制耦合阻抗,使耦合阻抗Zk、Z11、Z12越小越好,当耦 合阻抗趋于零时,称为电路去耦。 为使耦合阻抗小,必须使导线电阻和导线)电路去耦:即各个不同的电流回路之间仅在唯一的一点 作电连接,在这一点即不可能流过电路性干扰电流; (4)电位隔离。 电位隔离法实例1:平衡电路对地环路干扰的抑制 RS1 VS1 VG VS2 RS2 IN1 RL1 IS IN2 RL2 ? 什么叫平衡电路: 两个导体及其所连接的电路相对于地线或其它参考物体具有相同 ? 的阻抗。典型的平衡电路是差分放大器。但差分放大器的源端通常 不是平衡的。上图所示的电路中如果,RS1 = RS2,RL1 = RL2,VS1 = VS2,则是完全平衡的电路。 ? 地环路电流在平衡电路中产生的噪声电压: 设由于地电压VG的影响,在两根导体中产生了地环路电流IN1 和 ? IN2,由于电路是平衡的,因此,IN1 = IN2 ,负载上的电压为: ? VL = IN1 RL1 – IN2 RL2 + IS(RL1 + RL2 )= IS(RL1 + RL2 ) 因此,地环路噪声电流在负载上没有造成影响,仅有信号电流流 ? 过负载。 ? 高频时平衡是很困难的:上图中的电路仅是一种理想的状态, 实际的电路会有很多寄生因素,如寄生电容、电感等。这些参数在 频率较高时对电路阻抗发挥着较大作用。由于这些寄生参数的不确 定性,电路的阻抗也是不确定的,因此很难保证两个导体的阻抗完 全相同。因此,在高频时,电路平衡性往往较差,这意味着:平衡 电路对频率较高的地环路电流干扰抑制效果较差。 ? 思考题:现实中的地环路电流往往占有从很低的频率(50Hz) 到很高的频率(数百MHz)较宽的频段,怎样对这样宽频带的地环 路干扰进行抑制? 地线问题-公共阻抗耦合 电路1 电路2 ~ 地电流1 公共地阻抗 地电流2 改进1 改进2 ~ V ~ 单点接地 1 I1 R1 A 2 I2 R2 B R3 3 I3 C I1 A 1 I2 2 B 3 C I3 串联单点接地 优点:简单 缺点:公共阻抗耦合 并联单点接地 优点:无公共阻抗耦合 缺点:接地线:隔离变压器 CP VG VS RL VN 屏 蔽 层 只 能 接 2 点 C1 C2 蔽屏 1 VG 2 解决地环路干扰的最基本方法是切断地环路。用隔离变压器就起到了这个作用,两个设备之 间的信号传输通过磁场耦合进行,而避免了电气直接连接。这时地线上的干扰电压出现在变压 器的初次级之间,而不是在电路2的输入端。 在初次级之间加屏蔽层可以减小寄生电容,这样地线耦合到屏蔽层,并被 短路到地,而不会经过C2 耦合到电路2的输入端。 电位隔离法3:光隔离器 Cp 发送 VS VG 接收 RL 发送 VS 接收 RL ? ? 用光传输信号是解决地环路问题的理想方法。 光耦器件的寄生电容为 2pf 左右,因此能够在很高的频率起到隔离 作用。如果使用光纤,则没有寄生电容的问题,能够获得十分完善的隔 离效果。但是,用光纤会带来其它问题: 光纤连接需要更大的功率; 需要更多的器件; 光连接的线形和动态范围都达不到模拟信号的要求; 光缆的安装和维护比较复杂; 光缆连接技术一般用在数字电路中,由于其带宽很宽,因此可以用在 高速数据网中。 4、电容性干扰的物理模型 电容性干扰的物理模型条件是: (1)在两个导体表面1和2之间存在一个干扰源,它可用初 始电源U01和一个内阻抗Zi表示。 (2)存在于两个导体表面3和4之间的一个干扰对象,它具 有内阻抗Zt。 4、电容性干扰的物理模型 如图所示比较直观地说明电容性干扰的物理模型电容性干扰 的物理模型条件是: (1)在两个导体表面1和2之间存在一个干扰源,它可用初始 电源U01和一个内阻抗Zi表示。 (2)存在于两个导体表面3和4之间的一个干扰对象,它具有 内阻抗Zt。 Q—干扰源 E--干扰对象 PQ--干扰源的基准电位 PE--干扰对象的基准电位 电容性干扰的等值电路图 干扰源和干扰对象的基准电位相同时的电容性干扰 4、电容性干扰的物理模型 存在公共的基准电位时(Zz=0),此时干扰源和干扰对 象的基准电位相同,则阻抗Zl上的干扰电流和干扰电压是: 13之间的电容C可以简化为三种情况进行估算:3和4是平行圆导线、或两个球体、或 两个相互平行的平面 5、电容性干扰的抑制方法 A 、针对干扰源和干扰对象的措施 : (1)干扰源系统的电气参数应使电压变化幅度 和变化率尽可能地小; (2)被干扰系统应尽可能设计成低阻及高信噪 比的系统; (3)两个系统的结构应尽量紧凑,并且彼此空 间上相互隔离; B、针对减小电容性耦合的措施 : (1)两个系统的耦合部分的布置应使耦合电容尽可能小。 例如加大间距、导线短、避免平行走线)可对干扰源和干扰对象进行电气屏蔽,屏蔽的目的 是切断干扰源和干扰对象之间的电力线路,使耦合电容变 得最小; (3)将耦合电容彼此电气对称地连接,以抵消耦合的干 扰信号,即用平衡措施来消除电容性干扰。 5、电容性干扰的抑制方法 屏蔽和平衡措施 平衡条件:C13:C23=C14:C24 (五)传导干扰---磁耦合干扰及途径 1、磁耦合干扰的物理模型 磁耦合干扰也叫电感性干扰,其干扰模型如下图: 1)图中产生磁耦合的条件: ① 存在以电流回路01形式出现的干扰源,其中电流为i1,产生磁 通Φ1 ② 存在以电流回路02形式出现的干扰对象,它与干扰源的磁通 Φ1相交连 干扰源电流为i1的变化在干扰对象中感应一个电压,其大小为: di1 Vk=M k dt 两个电感耦合的电流回路可以用b图表示 当u1为正弦波,u2=0时,其幅值为: U 01 ? I1 ( R1 ? j?L1 ) ? I 2 j?M K 0 ? I 2 ( R3 ? j?L3 ) ? I1 j?M K 互感为:其中l是导线 M K=l ( ) ln( ) 2? a13 a24 2)减小耦合的措施: ① 导线绞合(如d图) ② 减小导线换所围成的面积(h小),增大两个回 路间距离(s大),将可以使互感大为减小;(如f图) 2、抑制磁耦合干扰措施简介 A:针对干扰源和被干扰对象的措施 : ①干扰源系统的电器参数应使电流变化的幅度和 速率尽量小; ②被干扰系统应当具有低阻抗、高信噪比; ③两个系统结构上应尽量紧凑,在空间上彼此 隔开。 2、抑制磁耦合干扰措施简介 B:针对减小电感耦合的措施 : ① 减少两个系统的互感(主要指电线电缆)、让导线尽量短, 间距尽量大,避免平行走线,采用双线结构时应缩小电流回路所围 成的面积; ② 针对干扰源和被干扰对象设置次品必,以抑制干扰磁场,可以 用铁磁性导体加以排除,也可以用感应的涡流屏蔽; ③ 采用结构平衡措施,使干扰磁场以及耦合的干扰信号大部 分相互抵消; 例:导线环平衡(绞合):将一个电流的来回线间的表面积分 成极性交错的若干局部耦合环(来回线绞合) (六)电路性干扰的实例和计算 例1: Ig ? Vg Z g ? ZW ? Z L ? ZC Vg=Vgi+Vgu--激励电源电压 Vgi---直流或50/60/400Hz电源 Vgu---其他频率的干扰源 Zg---电源阻抗 ZL---负载阻抗 Vg=Vgi+Vgu--激励电源电压 Vgi---直流或50/60/400Hz电源 Vgu---其他频率的干扰源 Zg---电源阻抗 ZL---负载阻抗 电流Ig流经接地阻抗Zc产生的共模干扰电压为: Vi ? IgZc 直流或50、60、400Hz时: Vgi Igi ? ZL ? ZW 耦合方式的粗略判断 ZSZL 3002: ZSZL 10002: 磁场耦合为主 电场耦合为主 3002 ZSZL 10002:取决于几何结构和频率 电容耦合模型 C12 C12 V1 VN V1 C1G R C2G C1G C2G R VN = j ? [ C12 / ( C12 + C2G)] j ? + 1 / R ( C12 + C2G)] V1 耦合公式化简 VN = j ? [ C12 / ( C12 + C2G)] j ? + 1 / R ( C12 + C2G)] V1 R 1 / [ j ? ( C12 + C2G )] R 1 / [ j ? ( C12 + C2G )] VN = j ?R C12 V1 VN = V1 [ C12 / ( C12 + C2G ) ] 屏蔽对电容耦合的影响-全屏蔽 C2S C1s C1s C1G V1 CsG V1 C1G CSG Vs Vs 屏蔽层不接地:VN = VS =V1 [ C1S / ( C1S + CSG ) ],与无屏蔽相同 屏蔽层接地时:VN = VS = 0, 具有理想的屏蔽效果 部分屏蔽对电容耦合的效果 C12 C2S C1G C12 C1s V1 C1s CSG C2G V1 VN CsG VN R 很大时:VN = V1 [ C12 / ( C12 + C2G + C2S ) ] R 很小时:VN = j?RC12 (七)电容性干扰的实例和计算 例1:导线MHz,受干扰的导线Ω ,导线mm,两导线mm,导线mm,试求导线的差模干扰电压VN=? (七)电容性干扰的实例和计算 例2:导线MHz,受干扰的导线Ω ,导线mm,两导线mm,导线mm,此题中导线外面有一屏蔽体,试求导线和屏蔽体受干扰 的差模干扰电压分别是多少?


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