薛紅平，李熒興，韋勇宇，張建紅，金彧

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006）

利用二極管伏安特性轉(zhuǎn)移低電平干擾

薛紅平，李熒興，韋勇宇，張建紅，金彧

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006）

針對某型光電系統(tǒng)的電磁兼容問題，特別是電源脈動(dòng)電流引起的地線干擾問題，提出一種利用二極管伏安特性解決此類問題的方法。此方法在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)踐，完全消除了此類電磁兼容問題的影響，而且效費(fèi)比高，具有非常好的推廣及應(yīng)用價(jià)值。

光電系統(tǒng)，電磁兼容，脈沖干擾，二極管

0 引言

隨著電子技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)相同功能的系統(tǒng)體積變得越來越小，相同空間條件下系統(tǒng)集成度越來越高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅要考慮在有限體積和重量內(nèi)完成功能、性能要求，而且系統(tǒng)內(nèi)部的電磁兼容性也是一個(gè)不可忽略的問題。集成度越高，系統(tǒng)內(nèi)的各種復(fù)雜類型設(shè)備之間的電磁自兼容性要求就越來越高。電磁兼容設(shè)計(jì)是一項(xiàng)高難度的復(fù)雜工程，各種類型的系統(tǒng)，電磁兼容問題都有其特殊性，在深入分析系統(tǒng)特征、問題形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，有可能找到針對性的捷徑和技巧。

針對某型光電系統(tǒng)內(nèi)部電源脈動(dòng)電流引起的地線干擾而帶來的電磁兼容問題，提出一種利用二極管伏安特性解決此類電磁干擾的方法。此方法不僅成本低廉，而且能有效抑制干擾，效果明顯，具有非常好的推廣及應(yīng)用價(jià)值。

1 問題的提出

在某便攜式光電偵察系統(tǒng)中，集成有電視攝像機(jī)、紅外熱像儀、激光照射器等單體及伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)備連接框圖如圖1所示。

圖1 某偵察系統(tǒng)設(shè)備連接框圖

光電偵察系統(tǒng)各單體采用已經(jīng)定型的成熟產(chǎn)品，各單體均采用同一個(gè)24 V直流電源供電，由于光電成像元件、激光等器件的特殊性，其信號地、電源地與其外殼連通。

激光照射器啟動(dòng)時(shí)，每發(fā)射一束激光，會(huì)消耗大量的能量，在激光照射器輸入端產(chǎn)生一個(gè)大電流脈沖；而當(dāng)激光照射器啟動(dòng)照射，會(huì)周期性、高頻地發(fā)射激光束，從而在激光照射器輸入端產(chǎn)生高頻的脈沖大電流。這樣，從電視攝像機(jī)或紅外熱像儀輸出的視頻圖像上可以觀察到明顯的被干擾條紋，如圖2所示。

為了不影響偵察效果，如何消除視頻圖像上的干擾條紋是研究的重點(diǎn)。

圖2 脈沖電流造成視頻的橫紋干擾

受單體設(shè)備定型狀態(tài)、總體尺寸空間、連接器等條件限制，無法通過對各單體設(shè)備之間地線隔離、加粗地線等措施解決問題。

2 干擾機(jī)理

將系統(tǒng)的信號流圖簡化為如圖3所示的模型，圖中設(shè)備A為模擬弱信號源并且具有脈動(dòng)式大電流特性，設(shè)備B為模擬弱信號接收及處理設(shè)備，設(shè)備C為系統(tǒng)電源及控制設(shè)備，其中設(shè)備AB之間有非隔離模擬小信號傳輸關(guān)系，設(shè)備BC之間有非隔離的數(shù)字信號傳輸關(guān)系。

圖3 某偵察系統(tǒng)信號流示意圖

根據(jù)圖3建立信號傳輸模型：定義導(dǎo)線ac、ab、bc之間電阻分別為Rac、Rab、Rbc，其中Rbc＜Rac＜＜Rab；設(shè)備A工作時(shí)流經(jīng)地線ac的脈沖電流峰值為Ip，模擬信號傳輸流經(jīng)信號地線ab的電流為Ia，數(shù)字信號傳輸流經(jīng)信號地線bc的電流為Id，其中Ip＞Ia*103，且Ia≈Id；設(shè)備A信號源輸出信號電壓為Vxa，設(shè)備B接收信號電壓為Vyb。

簡化地線阻抗模型見圖4。

圖4 簡化地線阻抗模型圖

與Ip相比，Ia和Id可以忽略，因此，流經(jīng)地線的電流可以用下式綜合表達(dá)：

I≈Ip*σ，其中

由電流引起的ab間壓降：

考慮Rbc＜Rac＜＜Rab，有

設(shè)備A模擬信號傳輸?shù)皆O(shè)備B后，輸出表達(dá)式：

考慮Ip＞Ia*103，有

從式（2）可以看出，在設(shè)備B檢出的信號中，疊加了周期性的脈沖干擾。設(shè)系統(tǒng)允許的干擾門檻為ΔVma，即當(dāng)Ip*Rac＞ΔVma時(shí)，對系統(tǒng)工作產(chǎn)生影響。

本系統(tǒng)中，該干擾導(dǎo)致設(shè)備工作不正常，從式（2）分析，解決的途徑為降低干擾項(xiàng)Ip×Rac×σ，或者提高Vyb的門檻電壓ΔVma。本系統(tǒng)中，Vyb為視頻信號，Vp-p≈1 V，屬于弱信號，大于50 mV的干擾即可對圖像信號產(chǎn)生影響；為了保證激光輸出能量，激光照射器工作電流Ip必須保證15 A，只有降低電阻Rac數(shù)值，但即使降低到綜合電阻20 mΩ，也會(huì)導(dǎo)致300 mV的干擾產(chǎn)生。

3 利用二極管伏安特性轉(zhuǎn)移干擾的原理分析

根據(jù)式（1），如果能夠改變Rab和Rbc的關(guān)系，如增大Rbc，即可減小I在設(shè)備AB之間引起的擾動(dòng)Vab，相對應(yīng)的設(shè)備BC之間擾動(dòng)Vbc增高，擾動(dòng)被轉(zhuǎn)移。

如果設(shè)計(jì)Rbc為m*Rab，可得電流I在AB之間和BC之間形成的干擾分別為：

圖3中，設(shè)備B和C之間傳輸信號為TTL數(shù)字信號，其信號抗干擾門檻ΔVmd相比于ΔVma要高很多，如果將Ip*Rac*σ轉(zhuǎn)移到BC之間并且不影響數(shù)字信號的傳輸，則可解決本系統(tǒng)設(shè)備工作兼容性問題。但同時(shí)，由數(shù)字傳輸電流引起的BC之間的壓降Vbc也將增大。

定義Vbc1為調(diào)整Rbc前Id引起的壓降，Vbc2調(diào)整電阻為Rbc'后Id引起的壓降，并設(shè)Rbc'=n× Rbc。

則有：

Vbc1=Id×Rbc

Vbc2=Id×Rbc'=n×Vbc1

所以由Id引起的壓降增大了n倍，隨著Rbc'的增大，Vbc2可能變得無法容忍，將超過數(shù)字信號的抗干擾門檻ΔVmd。

如果設(shè)計(jì)Rbc為自適應(yīng)可變阻抗電路，當(dāng)Vbc2達(dá)到一定的幅度時(shí)，降低阻值，即可有效抑制Vbc2幅度。

圖5普通硅二極管伏安特性圖

圖5 為普通硅二極管的伏安特性曲線圖，二極管的正向電壓具有死區(qū)電壓Uth和導(dǎo)通電壓UD（on）兩個(gè)參數(shù)，二極管的特性描述如下：

①iD=0，當(dāng)uD＜Uth；

②iD迅速增大，當(dāng)uD≥Uth時(shí)；

③二極管飽和壓降為0.7 V，當(dāng)uD≥UD（on）時(shí)；

根據(jù)上述分析，選擇普通硅二極管替代Rbc，在工作電壓范圍內(nèi)，其阻抗特性（圖5）符合上述特征，且具有方向性，反向電阻理論值無窮大；正向電阻隨著電壓增大而減小，當(dāng)電壓值小于死區(qū)電壓Uth時(shí)，理論電阻值為無窮大，電壓到達(dá)飽和壓降時(shí)，電阻值急劇下降。因此，可考慮在Rbc回路中接入二極管轉(zhuǎn)移干擾。圖6為接入二極管后，簡化地線的阻抗模型。

圖6 接入二極管后的阻抗模型

圖7接入二極管Rbc阻值特性

圖7 為接入二極管后Rbc的阻值特性圖。從圖上看出，接入二極管后，Rbc的阻值隨Vbc2的增加急劇減小，而在電壓較低時(shí)，阻抗值理論上無窮大，符合上述分析，滿足使用需求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1試驗(yàn)系統(tǒng)

在工程實(shí)踐中，系統(tǒng)中設(shè)備1帶有大脈沖電流沖擊，并輸出模擬視頻。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，大脈沖電流的沖擊對視頻信號產(chǎn)生了明顯的橫紋干擾；如果在傳輸回路中串入雙向二極管，則消除了干擾。以下是整個(gè)分析過程。

圖8 帶有模擬視頻的控制系統(tǒng)框圖

如圖8所示，控制系統(tǒng)包含供電電源、設(shè)備1、設(shè)備2、系統(tǒng)控制臺(tái)、顯示終端5部分。

供電電源負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)供電，為24 V電源或電池；設(shè)備1內(nèi)部有模擬視頻信號輸出，且24 V-與視頻地共地，工作時(shí)有脈沖大電流沖擊；系統(tǒng)控制臺(tái)內(nèi)部包含二次隔離電源轉(zhuǎn)換電路，視頻處理電路，對外控制電路，兩個(gè)電路共用VCC供電；設(shè)備2工作電源為24 V，并需要與系統(tǒng)控制臺(tái)進(jìn)行TTL數(shù)字通訊，所以系統(tǒng)控制臺(tái)中需要24 V-與GND建立電流連接，采用短路連接或者串入雙向二極管兩種連接方式；顯示終端用來顯示系統(tǒng)的視頻信息。

4.2干擾轉(zhuǎn)移分析

如圖8所示，系統(tǒng)供電：由供電電源通過供電線1供電給系統(tǒng)控制臺(tái)，由控制臺(tái)通過供電線2給設(shè)備1供電。

計(jì)算供電線2的電阻值：

假設(shè)供電線2采用0.35 mm2的2根（24 V+和24 V-各兩根）多頭銅導(dǎo)線供電，電纜線長度0.7 m，電阻為0.017 Ω。

設(shè)備2的脈沖電流為15 A左右，則供電線2的電纜壓降為0.255 V左右。以系統(tǒng)控制臺(tái)上的A點(diǎn)為參考點(diǎn)，測量設(shè)備1的A點(diǎn)，即測量供電線2的24V-回路的壓降，測的電壓波形示意如圖9所示，其中T為設(shè)備2脈沖電流的周期。

圖9 設(shè)備1有脈沖電流時(shí)，供電線2壓降波形示意

可將圖8的工程實(shí)踐系統(tǒng)與理論分析的系統(tǒng)模型圖3對應(yīng)如表1所示。

從上述理論分析已經(jīng)得到，如果設(shè)備B和設(shè)備C的信號直接連接，根據(jù)式（2）可得，系統(tǒng)中供電線2的壓降都疊加到模擬視頻傳輸中，對視頻圖像造成了干擾。如果在設(shè)備B和設(shè)備C中串入雙向二極管，則把對模擬視頻的的低電壓干擾轉(zhuǎn)移到數(shù)字電路，數(shù)字通訊為TTL電平通訊，干擾門檻電壓遠(yuǎn)大于供電線2的壓降，對數(shù)字通訊不受影響。

表1 理論模型與實(shí)際系統(tǒng)的對照表

5 結(jié)論

針對帶有電源脈動(dòng)電流的系統(tǒng)，對模擬小信號的干擾進(jìn)行了深入的分析，提出了一種利用二極管伏安特性來轉(zhuǎn)移低電平干擾的方法，并在實(shí)際工程中加以應(yīng)用驗(yàn)證，采用極低成本解決了問題，取得了良好的效果，該方法在類似系統(tǒng)中有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Transfer Low Level Jamming Using Current-Voltage Characteristic of Diode

XUE Hong-ping，LI Ying-xing，WEI Yong-yu，ZHANG Jian-hong，JIN Yu
（North Automatic Control Technology Institue，Taiyuan 030006，China）

According to electromagnetic compatibility（EMC）problem of certain electro-optical system，especially the problem of ground wire interference caused by power pulse current，a methord that using of current-voltage characteristic of diode to resolve these prolems is raised.In actual system，the methord completely eliminates the interference of these EMC problems with good costeffectiveness，has good promotion and application value.

electro-optical system，EMC，pulse jamming，diode

TN31

A

1002-0640（2016）11-0167-04

2015-10-12

2015-11-16

薛紅平（1980-），男，山西稷山人，高級工程師。研究方向：偵察指揮。