牛志華,崔華義

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

電磁兼容設(shè)計(jì)在水聲探測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用

牛志華,崔華義

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水聲探測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)也向著高靈敏度、高集成度、高可靠性方向發(fā)展，其對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)的電磁兼容性能的要求越來(lái)越高。結(jié)合電磁干擾的形成因素及電磁干擾的傳播途徑等理論，分析了水聲探測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的毛刺、尖刺等影響系統(tǒng)正常工作的干擾現(xiàn)象形成原因，提出了電磁兼容的改進(jìn)措施，根據(jù)浮標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)特點(diǎn)，主要采用了屏蔽、優(yōu)化電路、隔離設(shè)計(jì)等抗干擾措施，并給出了改進(jìn)后的測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)證明，在進(jìn)行設(shè)備或系統(tǒng)邏輯及功能設(shè)計(jì)的同時(shí)，必須進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，才能充分保證系統(tǒng)的高可靠性。

EMC；電磁干擾；EMC設(shè)計(jì)

電氣和電子設(shè)備的種類及數(shù)量的增加以及電能消耗量的加大，不必要的電磁能量也隨之加大，由此將伴隨產(chǎn)生大系統(tǒng)的誤動(dòng)作；20世紀(jì)40年代為了解決飛機(jī)通信系統(tǒng)受到電磁干擾造成飛機(jī)事故的問(wèn)題，開始較為系統(tǒng)地進(jìn)行電磁兼容技術(shù)的研究。20世紀(jì)60年代以來(lái)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)向高頻、高速、高靈敏度、高安裝密度、高集成度、高可靠性方向發(fā)展，對(duì)其電磁兼容性能的要求越來(lái)越高。

據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的定義，電磁兼容(EMC)指的是設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能不受干擾地正常工作，而且其自身所發(fā)出的電磁能量也不至于干擾和影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)這些設(shè)備也會(huì)從其他電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中吸收能量，使自己不能正常工作。事實(shí)上，這種相互影響不僅存在于設(shè)備與設(shè)備之間，同時(shí)也存在于元件與元件之間，部件與部件之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間，甚至存在于集成電路內(nèi)部。

干擾的形成包括干擾源、傳播途徑和被干擾對(duì)象。任何形式的自然或電能裝置所發(fā)射的電磁能量，能使共享同一環(huán)境的人或其它生物受到傷害，或使其它設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)發(fā)生電磁危害，導(dǎo)致性能降低或失效，即稱為電磁干擾源。例如雷電、靜電、無(wú)線電磁波等。傳播途徑一種是以金屬導(dǎo)體以及電感、電容、變壓器或電抗器等為載體，其特點(diǎn)是載體在傳導(dǎo)電磁干擾信號(hào)的同時(shí)也消耗干擾源的能量。另外一種是以電磁波的形式向所處空間輻射干擾，其特點(diǎn)為干擾源對(duì)外輻射能量具有一定的方向性，并且輻射的能量隨著距離的增加而逐漸減弱。兩種傳播途徑在傳播過(guò)程中可以相互轉(zhuǎn)換。能量低的往往會(huì)成為被干擾對(duì)象，而恰恰這部分是設(shè)計(jì)最薄弱的地方，需要采取一定的抗干擾技術(shù)才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

水聲探測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)在定型后的前兩年，電磁干擾和電磁兼容問(wèn)題并沒(méi)有完全體現(xiàn)出來(lái)，但隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是電子產(chǎn)品淘汰更新周期很快，新生產(chǎn)的水聲探測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)也只能選用高速的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，從理論上說(shuō)系統(tǒng)的性能應(yīng)該有所提高，但電磁干擾問(wèn)題卻越來(lái)越突出，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，甚至有時(shí)不能正常工作。采集的噪聲信號(hào)被系統(tǒng)噪聲淹沒(méi)，根本無(wú)法提取，為了解決該問(wèn)題，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中注重了電磁兼容設(shè)計(jì)。

1 水聲探測(cè)浮標(biāo)電磁干擾分析

在水聲探測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)中電磁干擾的傳播途徑主要有兩種，一種是干擾源在空間上的輻射耦合，干擾通過(guò)電磁波的形式耦合到敏感設(shè)備上。為滿足系統(tǒng)小型化的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，使得系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間的間距很小，導(dǎo)致空間輻射的能量大部分傳導(dǎo)給敏感設(shè)備。在該系統(tǒng)中敏感設(shè)備主要有采集卡、水聽(tīng)器和GPS接收機(jī)。干擾源主要有大功率電臺(tái)和工控機(jī)，工控機(jī)既是一個(gè)干擾源也是敏感設(shè)備。電臺(tái)發(fā)射時(shí)，采集卡采集的原始數(shù)據(jù)上有很大的尖刺干擾，如圖1所示，同時(shí)GPS接收機(jī)無(wú)法正常接收GPS信號(hào)，導(dǎo)致浮標(biāo)無(wú)法正確定位，干擾嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致單片機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)位、工控機(jī)死機(jī)。

電磁干擾另外一種傳播途徑就是通過(guò)導(dǎo)線的傳導(dǎo)耦合，它可通過(guò)電源線、信號(hào)線，當(dāng)金屬導(dǎo)線流過(guò)的電流較大時(shí)，就可以轉(zhuǎn)化為輻射耦合，把干擾輻射到距離導(dǎo)線較近的敏感設(shè)備上。水聲探測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)水聽(tīng)器信號(hào)的輸入端、電臺(tái)發(fā)射饋線輸入端、GPS天線輸入端都在不銹鋼圓筒頂蓋的同一端，如圖2所示，使得水聽(tīng)器信號(hào)線和GPS接收線很容易受電臺(tái)饋線的輻射干擾的影響。

圖1 電臺(tái)發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)

圖2 不銹鋼圓筒頂蓋

2 水聲探測(cè)浮標(biāo)的電磁兼容設(shè)計(jì)

電子設(shè)備的各個(gè)組成部分在一定空間上形成一個(gè)具有相互作用的電磁環(huán)境，電磁環(huán)境包括了空間、時(shí)間和頻譜這些要素，因此控制或降低干擾源的輻射能量、切斷電磁干擾的耦合途徑、同時(shí)提供敏感設(shè)備或系統(tǒng)的抗干擾能力是電磁兼容設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。對(duì)浮標(biāo)的電磁兼容設(shè)計(jì)主要采用了以下幾種方式：

2.1 屏蔽設(shè)計(jì)

消除輻射干擾最有效的方法是采用屏蔽，按屏蔽的對(duì)象不同可分為主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽，即屏蔽噪聲源或屏蔽敏感設(shè)備。屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對(duì)電磁能流的反射、吸收和引導(dǎo)作用，而這些作用是與屏蔽結(jié)構(gòu)表面上和屏蔽體內(nèi)感生的電荷、電流與極化現(xiàn)象密切相關(guān)的，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分利用結(jié)構(gòu)體來(lái)作為屏蔽體，可達(dá)到一舉兩得的效果。

屏蔽體的設(shè)計(jì)的原則涉及到多個(gè)方面包括敏感設(shè)備所處的電磁環(huán)境、接收機(jī)的敏感度，選擇適當(dāng)?shù)牟牧?、根?jù)材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率設(shè)計(jì)材料的厚度等等。根據(jù)這一設(shè)計(jì)原則，以及水聲探測(cè)浮標(biāo)使用環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)室選用了不銹鋼材料作為屏蔽材料，其屏蔽效果要低于其他的金屬材料，但符合環(huán)境使用的要求（其他材料不太適合環(huán)境要求）。由于安裝結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)為圓柱體，其內(nèi)的空間有限，在里面采取屏蔽干擾源有些困難，另外由于電臺(tái)功率較大，如果屏蔽空間小不利于散熱可能導(dǎo)致電臺(tái)發(fā)射功率下降甚至燒毀發(fā)射管。最后采用了從空間上把干擾源與敏感設(shè)備分開，并分別屏蔽的辦法來(lái)設(shè)計(jì)安裝結(jié)構(gòu)。電臺(tái)和工控機(jī)采集系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)在兩個(gè)筒內(nèi)。水聽(tīng)器輸入信號(hào)電纜與電臺(tái)饋線分開安裝的設(shè)計(jì)，符合了不相容信號(hào)線不平行走線的原則。

2.2 優(yōu)化電路板的設(shè)計(jì)

電源控制板的設(shè)計(jì)，在功耗允許的范圍內(nèi)盡量采用線性穩(wěn)壓芯片，尤其是為模擬電路供電部分，對(duì)電源紋波的要求較高；盡量少用DC－DC電源轉(zhuǎn)換模塊，避免引入高頻干擾；單獨(dú)為各個(gè)單元供電，不相容的電路應(yīng)遠(yuǎn)離，每級(jí)電源輸入輸出端增加濾波電路，減少子系統(tǒng)間的相互干擾；充分考慮PCB板上地線的走線方式，給模擬電路和數(shù)字電路供電的地線分開布線，最后采用單點(diǎn)接地的方式；采用CMOS功率管代替繼電器控制采集系統(tǒng)的供電，減少開關(guān)時(shí)的噪聲。

2.3 隔離設(shè)計(jì)

為了抑制由于地電位差產(chǎn)生的地環(huán)路干擾，控制器與電臺(tái)MODEM、GPS的通訊采用光電耦合技術(shù)，如圖3所示，兩部分電路分別由兩組電池供電。 大大降低了電臺(tái)對(duì)采集系統(tǒng)以及對(duì)模擬電路的干擾。

圖3 光合耦合切斷地環(huán)路

2.4 設(shè)備內(nèi)的布線

設(shè)備內(nèi)布線原則：不相容的信號(hào)線不要平行走線，更不能綁扎在一起；在本系統(tǒng)中水聽(tīng)器的信號(hào)線不應(yīng)和電源線綁扎在一起。電源線盡量選用雙絞線；射頻信號(hào)選用同軸電纜，阻值一定要匹配。

3 改進(jìn)后的效果

3.1 保證了記錄信號(hào)的一致性

改進(jìn)后，數(shù)據(jù)信號(hào)幅度大致相等，信號(hào)變化趨勢(shì)一致性較好（如圖4所示）。

3.2 解決了記錄信號(hào)的寫硬盤干擾和記錄信號(hào)的不明尖刺

干擾問(wèn)題

對(duì)原浮標(biāo)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行全文件分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的寫硬盤干擾和不明原因的尖刺干擾，如圖5所示。浮標(biāo)改進(jìn)后，上述干擾都已解決，記錄數(shù)據(jù)基本呈白噪聲分布，如圖6所示。

3.3 解決了記錄信號(hào)的電臺(tái)發(fā)射干擾問(wèn)題

浮標(biāo)系統(tǒng)改進(jìn)前，電臺(tái)發(fā)射時(shí)會(huì)引起測(cè)量信號(hào)出現(xiàn)異常，信號(hào)幅度高達(dá)1 Vpp，每次發(fā)射對(duì)信號(hào)影響的持續(xù)時(shí)間約12 s，圖7是系統(tǒng)整體放入水中時(shí)記錄的電臺(tái)發(fā)射對(duì)數(shù)據(jù)的影響。浮標(biāo)改進(jìn)后，在空氣中測(cè)量時(shí)，電臺(tái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響在強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間上都不存在了，如圖8所示。

圖4 各個(gè)通道的數(shù)據(jù)一致性比較

圖5 改進(jìn)前浮標(biāo)記錄的數(shù)據(jù)文件中存在的各種干擾圖

圖6 改進(jìn)后浮標(biāo)記錄的噪聲數(shù)據(jù)基本呈白噪聲分布

圖7 改進(jìn)前電臺(tái)發(fā)射對(duì)信號(hào)的影響

圖8 改進(jìn)后電臺(tái)發(fā)射對(duì)信號(hào)的影響消失

4 結(jié)論

浮標(biāo)通過(guò)電磁兼容設(shè)計(jì)其性能已大大提高，為水聲調(diào)查提供了先進(jìn)的技術(shù)裝備。通過(guò)這次水聲探測(cè)浮標(biāo)的改進(jìn)，可以總結(jié)出：電磁兼容性是電子設(shè)備或系統(tǒng)的主要性能之一，電磁兼容設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)規(guī)定功能、使系統(tǒng)效能得以充分發(fā)揮的重要保證。在進(jìn)行設(shè)備或系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的同時(shí)，必須進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。電子設(shè)備或系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)已由邏輯設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到電磁兼容設(shè)計(jì)上來(lái)了。

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Abstract：Along with the development of modern science and technology,acoustic detection buoy system also evolves towards high sensitivity,high level of integration,high reliability.The electromagnetic compatibility of buoy system needs to be improved.Based on the formation of electromagnetic interference factors and electromagnetic interference transmission theory,the interference phenomenon formation reasons of burr and spikes during measuring process of underwater acoustic detection buoy system are analyzed.The improvement measures of electromagnetic compatibility are put forward.According to buoy system structure,the shielding,optimizes circuit,isolation design anti-interference measures are adopted.The improved test results and experimental results prove that the equipment or system logic and functional design must undertake EMC design to guarantee system of high reliability.

Key words：EMC;EMI;EMC design

Application of Electromagnetic Compatibility Design in System of Acoustic Detection Buoy

NIU Zhi-hua,CUI Hua-yi
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

TB565

B

1003-2029（2011）01-0020-04

2010-05-28