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        低頻抗擾度信號(hào)發(fā)生器的研制

        2021-08-28 14:22:54周競(jìng)恒葉志武
        關(guān)鍵詞:工控機(jī)磁場(chǎng)儀器

        周競(jìng)恒 葉志武

        (廣東省江門市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所,廣東江門 529000)

        在工業(yè)或居家環(huán)境中,公共的網(wǎng)絡(luò)相連設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很多連續(xù)或瞬態(tài)低頻干擾信號(hào),范圍在DC 到300 kHz 內(nèi),通過連接線纜或空間傳遞到智能電器、車輛及零部件等電子電器產(chǎn)品,干擾其正常工作,從而導(dǎo)致設(shè)備失穩(wěn)、失控,甚至損壞。因此,對(duì)電子電器產(chǎn)品進(jìn)行干擾度檢測(cè)非常必要。

        目前,國內(nèi)還沒有針對(duì)智能電器、車輛及零部件等在DC~300 kHz 范圍內(nèi)的低頻復(fù)雜環(huán)境信號(hào)發(fā)生器;國外提供低頻復(fù)雜環(huán)境信號(hào)發(fā)生器的廠家主要有TESEQ、EM TEST、EMC PARTNER 等,產(chǎn)品主要有以下特點(diǎn):TESEQ 只有符合GB/T 17626.16《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 0 Hz~150 kHz共模傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)》[1]標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,其它標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品目前沒有涉及,產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)覆蓋性不夠全面;EM TEST 產(chǎn)品市場(chǎng)占有率高,性能穩(wěn)定,但產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)覆蓋性不夠齊全,產(chǎn)品價(jià)格比較昂貴;EMC PARTNER 產(chǎn)品可以瞬態(tài)發(fā)生器上擴(kuò)展,產(chǎn)品集成度高,但市場(chǎng)占有率低,不能覆蓋電表、智能馬桶等產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求。因此,根據(jù)檢測(cè)平臺(tái)能力建設(shè)和相關(guān)行業(yè)科研需要,研發(fā)一款符合標(biāo)準(zhǔn)的智能儀表,提高國內(nèi)智能電器、車輛及零部件等行業(yè)檢測(cè)自給能力,從而縮短投入周期,降低設(shè)備投入成本。

        1 儀器設(shè)計(jì)

        低頻復(fù)雜環(huán)境信號(hào)發(fā)生器是通過任意波形發(fā)生器模擬供電系統(tǒng)DC~300 kHz 范圍內(nèi)的各種連續(xù)或瞬態(tài)噪聲,經(jīng)功率放大器將信號(hào)進(jìn)行放大,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的信號(hào)強(qiáng)度,并通過變壓器注入干擾電壓或?qū)拵Лh(huán)天線轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)來檢測(cè)被測(cè)試設(shè)備抗低頻干擾能力。

        該儀器設(shè)計(jì)難點(diǎn)需要解決寬頻帶功率放大器,并且放大器的線性要求非常高,這樣才可以確保信號(hào)輸出的精度,該儀器信號(hào)輸出精度需要達(dá)到0.5%。本設(shè)計(jì)首先需要研發(fā)1 Hz~300 kHz 寬頻放大器、可編程電源、輸出控制單元等硬件;通過嵌入式軟件設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出兼容Lunix 或Windows的自動(dòng)測(cè)試軟件,實(shí)現(xiàn)集成多種低頻抗擾度測(cè)試于一體的一款設(shè)備,其主要有以下特點(diǎn):(1)信號(hào)頻率DC~300 kHz;(2)電壓或電流輸出,電壓幅度≤300 V(AC 和DC),電流幅度≤16 A(持續(xù));(3)支持工頻磁場(chǎng)、低頻磁場(chǎng)、低頻傳導(dǎo)抗擾度三大類型的民用、軍用、汽車、航空標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

        儀器與外界連接關(guān)系如圖1 所示。低頻干擾發(fā)生器儀器中的工控機(jī)扮演測(cè)試主控角色。除了本儀器(低頻干擾發(fā)生器)以外,對(duì)于不同測(cè)試,可能會(huì)有其他一個(gè)或兩個(gè)儀器(萬用表、示波器、頻譜儀)通過儀器后面板上的通信接口(USBA、LAN、RS232)與工控機(jī)連接并受控進(jìn)行參數(shù)測(cè)量(有些測(cè)試可選使用內(nèi)部測(cè)量或者外部儀器測(cè)量,有些是必須要外部儀器測(cè)量)。專用的遠(yuǎn)程LAN 口可連接其他電腦,通過Web 頁面或者應(yīng)用程序遠(yuǎn)程控制儀器工作。

        圖1 儀器與外界連接關(guān)系

        2 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分析

        2.1 工頻磁場(chǎng)測(cè)試

        工頻磁場(chǎng)發(fā)生器通過給線圈通電源頻率的交流或直流電流來產(chǎn)生磁場(chǎng),其電路原理如圖2 所示,由可調(diào)壓或調(diào)流的電源產(chǎn)生所需頻率的電源,然后通過變壓器降壓升流,最后輸出到線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。

        圖2 工頻磁場(chǎng)發(fā)生器原理

        磁場(chǎng)和電流的關(guān)系是H=Fcoil×I(其中H 是磁場(chǎng)強(qiáng)度,F(xiàn)coil 是線圈因子,I 為線圈中的電流)??紤]源和線圈中間有n:1 變壓器,則有H=Fcoil×nI。發(fā)生器工作時(shí),通過設(shè)定的H、Fcoil、n 來計(jì)算電流I,則輸出計(jì)算的電流值即對(duì)應(yīng)產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

        2.2 DC~300 kHz 低頻傳導(dǎo)測(cè)試

        低頻傳導(dǎo)測(cè)試基本電路模型如圖3 所示,試驗(yàn)中將產(chǎn)生的低頻干擾信號(hào)通過耦合網(wǎng)絡(luò)注入被測(cè)件的電源、地線、通信端口或殼體等位置,耦合網(wǎng)絡(luò)有阻容耦合、線纜感性耦合、變壓器耦合幾種方式。通??梢栽诒粶y(cè)端測(cè)量注入的信號(hào)電壓和電流大小。

        圖3 低頻傳導(dǎo)測(cè)試基本電路模型

        注入方式分為共模和差模兩種。不同標(biāo)準(zhǔn)按測(cè)試等級(jí)標(biāo)定參數(shù)類型可分為電壓注入和電流注入。電壓標(biāo)定類型中,一部分測(cè)試標(biāo)定對(duì)象為源開路輸出電壓(圖中的Uo)或者定義耦合網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓(圖中的Un,即將耦合網(wǎng)絡(luò)和源看作整體源),因此此類標(biāo)準(zhǔn)(民標(biāo)差模和共模)測(cè)試時(shí)不需要進(jìn)行校準(zhǔn);另一類測(cè)試標(biāo)定被測(cè)件線路電壓UL或IL,此類測(cè)試(軍車航標(biāo))需要進(jìn)行校準(zhǔn)或者采用閉環(huán)調(diào)整方式。電流注入型測(cè)試均為閉環(huán)調(diào)整方式,軍車航標(biāo)電源測(cè)試均使用變壓器耦合注入,軍車航標(biāo)信號(hào)線測(cè)試均使用線纜耦合注入。

        2.3 DC~150 kHz 低頻磁場(chǎng)測(cè)試

        低頻磁場(chǎng)發(fā)生基本電路模型如圖4 所示,由電壓源Ui產(chǎn)生正弦波干擾電壓,經(jīng)過合適的內(nèi)阻Zi,輸出到發(fā)射線圈UL,磁場(chǎng)傳感器將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),輸出給傳感器電壓測(cè)量單元,測(cè)得電壓,經(jīng)計(jì)算確認(rèn)是否達(dá)到目標(biāo)值,如果沒有達(dá)到目標(biāo)值繼續(xù)調(diào)整電壓源Ui,直到傳感器電壓測(cè)量裝置測(cè)得電壓計(jì)算結(jié)果達(dá)到目標(biāo)值,此時(shí)標(biāo)定目標(biāo)場(chǎng)強(qiáng)值時(shí)線路電流測(cè)量結(jié)果為測(cè)試發(fā)射目標(biāo)。裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),根據(jù)目標(biāo)場(chǎng)強(qiáng)值和線圈因子的反比例關(guān)系,得到目標(biāo)電流值,當(dāng)線路電流測(cè)量到的電流與目標(biāo)電流一致時(shí),則輸出場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到目標(biāo)場(chǎng)強(qiáng)。

        圖4 低頻磁場(chǎng)發(fā)生基本電路模型

        3 儀器結(jié)構(gòu)

        儀器結(jié)構(gòu)如圖5 所示。系統(tǒng)主要由測(cè)試主機(jī)和可編程電源兩個(gè)儀器組成,其間通過串口線纜連接,電源輸出接入主機(jī)的電源輸入端。開關(guān)板完成信號(hào)輸入通道(來自電源或者功放)以及輸出通道(香蕉頭或同軸頭)的選擇,同時(shí)實(shí)現(xiàn)us開關(guān)功能。函數(shù)發(fā)生板實(shí)現(xiàn)DDS 函數(shù)發(fā)生器功能。探頭板實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸入隔離及增益調(diào)整,兩路測(cè)量分別對(duì)線路電流及外部輸入的電壓進(jìn)行測(cè)量。主控板作為功放、開關(guān)、電源、函數(shù)發(fā)生控制,通過串口與工控機(jī)相連。

        圖5 儀器結(jié)構(gòu)圖

        主控采用x86+Windows/Linux 平臺(tái),成品固態(tài)繼電器開關(guān)時(shí)間通常最快在100 us 級(jí)別,采用半導(dǎo)體開關(guān)器件;除us開關(guān)外,其余通道切換均在信號(hào)輸出前,采用具有接觸電阻低、交直流可用、控制與信號(hào)隔離的優(yōu)勢(shì)的繼電器進(jìn)行通道切換;信號(hào)發(fā)生器采用ADI 的單片函數(shù)發(fā)生器,其具有片內(nèi)14 bit DDS發(fā)生器,另外帶有4096 bit 任意波發(fā)生器,輸出最高采樣率可達(dá)180 MSPS,片內(nèi)24 bit 分頻器在分辨率為0.01 Hz 時(shí)最高頻率為167.78 kHz,需要額外采取措施做頻率擴(kuò)展;功率放大器使用市售現(xiàn)有產(chǎn)品,需要拆除外殼,機(jī)械增益旋鈕用電調(diào)替代;程控電源采用定制方式,滿足頻率分辨率優(yōu)于0.1 Hz,精度優(yōu)于±0.2%,電流最大值不小于10 A,分辨率優(yōu)于0.01 A,精度優(yōu)于±0.5%設(shè)定值,承受沖擊電流倍數(shù)≥5,電壓:0 V~330 V,分辨率優(yōu)于0.1 V,精度優(yōu)于±1%設(shè)定值。

        4 測(cè)試儀主機(jī)環(huán)境及安全

        EMC 滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 61326-1:2020 Electrical equipment for measurement,control and laboratory use–EMC requirements–Part 1:General requirements[2]要求;安規(guī)滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 61010-1-2011 This Test Report Form applies to IEC 61010-1 (Third Edition):2010[3]要求,震動(dòng)滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068-2-6 Environmental testing-Part 2-6:Tests-Test Fc:Vibration (sinusoidal)[4]要求,沖擊滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068-2-27 Environmental testing -Part 2-27:Tests-Test Ea and guidance:Shock[5]要求,溫濕滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068-2-30 Environmental testing-Part 2-30:Tests-Test Db:Damp heat,cyclic (12 h+12 h cycle)[6]要求,外殼防護(hù)滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 60529-2013 Degrees of protection provided by enclosures (IP Code)[7]要求。

        5 工控機(jī)軟件功能

        軟件由MCU 部分程序和工控機(jī)部分程序組成,MCU 部分程序負(fù)責(zé)將底層硬件控制轉(zhuǎn)換成串口SCPI 指令。工控機(jī)部分程序基于現(xiàn)有軟件底層,設(shè)計(jì)適合于觸屏的UI 實(shí)現(xiàn)。示波器控制使用廠家提供的SDK,其余控制通過SCPI 指令,頁面層級(jí)如圖6 所示。

        圖6 頁面層級(jí)圖

        軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

        (1)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器內(nèi)MCU、函數(shù)發(fā)生器、示波器的指令控制。

        (2)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部指定型號(hào)的可編程電源的指令控制,以及可選的其他儀器的指令控制(方式與內(nèi)部儀器類似),支持SCPI 指令或其他需要的類型指令。

        (3)實(shí)現(xiàn)儀器界面操作,包括系統(tǒng)設(shè)置、測(cè)試參數(shù)設(shè)置、測(cè)試、文件操作。

        (4)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程Web 服務(wù)器或應(yīng)用程序訪問接口(LAN)。

        6 結(jié)論

        低頻抗擾度信號(hào)發(fā)生器的研制,可以提高自給檢測(cè)能力,縮短檢測(cè)能力建設(shè)時(shí)間,降低檢測(cè)能力投入成本,加強(qiáng)對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的監(jiān)管,更好地保障消費(fèi)者權(quán)益,指導(dǎo)智能電器、汽車零部件等行業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn),促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展。

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