李菊 談小虎

摘 要：電氣設(shè)備的多樣性使專用系統(tǒng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)存在復(fù)雜的電磁環(huán)境，而保證數(shù)據(jù)采集裝置采集信號(hào)的可靠性是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵要求，作為專用系統(tǒng)中的敏感設(shè)備，數(shù)據(jù)采集裝置的抗擾度指標(biāo)應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求?，F(xiàn)首先依據(jù)GJB 151B—2013完成數(shù)據(jù)采集裝置的電磁兼容性試驗(yàn)，給出各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果;然后針對(duì)測(cè)試項(xiàng)CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導(dǎo)敏感度進(jìn)行分析整改;最后采取增加共模、差模電感以及濾波電解電容等措施，使其通過(guò)測(cè)試。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集裝置;電磁環(huán)境;敏感設(shè)備;CS114

中圖分類號(hào)：TM937.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號(hào)：1671-0797（2022）09-0037-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.010

0 ? ?引言

數(shù)據(jù)采集裝置作為專用系統(tǒng)保護(hù)裝置的一部分，其可靠性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)的順利實(shí)施，這種可能受電磁干擾影響的設(shè)備被稱為敏感類設(shè)備。在專用系統(tǒng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，多種電氣設(shè)備形成的電磁環(huán)境中存在各式各樣的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，干擾以傳導(dǎo)和輻射的方式進(jìn)入EUT內(nèi)部電路，會(huì)使模擬信號(hào)的輸入/輸出與預(yù)期偏離，造成數(shù)字電路的控制失效或誤動(dòng)作，甚至引起微處理電路的程序出錯(cuò)、存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。通過(guò)系統(tǒng)電磁環(huán)境試驗(yàn)，得到了系統(tǒng)中存在的干擾類型及干擾強(qiáng)度。但干擾源的非理想化及寬頻率范圍的特點(diǎn)[1]，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)存在的干擾源無(wú)法直接模擬，因此，依據(jù)《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》（GJB 151B—2013）標(biāo)準(zhǔn)，選取接近的干擾波型及干擾等級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行EMC摸底試驗(yàn)，給出試驗(yàn)結(jié)果。其中，在CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導(dǎo)敏感度項(xiàng)目中，在低頻段出現(xiàn)了監(jiān)測(cè)電流值超出合理范圍的情況，通過(guò)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出整改方案，并驗(yàn)證其有效性。

1 ? ?數(shù)據(jù)采集裝置

信號(hào)采集作為狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的前端，其主要功能是通過(guò)傳感器將現(xiàn)場(chǎng)物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)調(diào)理、采樣、量化、編碼等步驟轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、發(fā)送[2]。信號(hào)采集的準(zhǔn)確性和可靠性直接影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體性能，因此對(duì)于信號(hào)采集的要求非常高。

1.1 ? ?裝置組成及原理

數(shù)據(jù)采集裝置由電源模塊、信號(hào)采集及處理模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、預(yù)置顯示模塊和故障輸出模塊組成。信號(hào)采集及處理模塊采集電信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，將其轉(zhuǎn)換為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，發(fā)送至安全監(jiān)控單元;故障信號(hào)輸出至電控裝置，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)功能。數(shù)據(jù)采集裝置原理框圖如圖1所示。

1.2 ? ?裝置EMC測(cè)試及結(jié)果

依據(jù)專用系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)存在的電磁干擾類型及強(qiáng)度，參照《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》（GJB 151B—2013）標(biāo)準(zhǔn)，選取了10個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，開展數(shù)據(jù)采集裝置電磁兼容性摸底試驗(yàn)。試驗(yàn)要求及結(jié)果如表1所示。

本次測(cè)試首先開展的是CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導(dǎo)敏感度項(xiàng)目的測(cè)試，優(yōu)化整改通過(guò)測(cè)試后，其他項(xiàng)目在此基礎(chǔ)上均通過(guò)測(cè)試。

2 ? ?CS114試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導(dǎo)敏感度試驗(yàn)的目的是確保采集裝置受到內(nèi)外天線發(fā)射電磁場(chǎng)在其線纜上形成的電流的影響下，性能不下降。干擾采用對(duì)地共模方式施加到EUT各個(gè)被測(cè)接口電纜上[3]。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定的測(cè)試頻段為10 kHz～400 MHz，電流注入，正弦波，1 kHz，占空比50%的脈沖調(diào)制;試驗(yàn)等級(jí)根據(jù)GJB 151B—2013中陸軍限值的規(guī)定，10 kHz～2 MHz按照曲線3規(guī)定的校驗(yàn)限值，2～400 MHz按照曲線4規(guī)定的校驗(yàn)限值的試驗(yàn)信號(hào)（陸軍地面標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行試驗(yàn)，限值曲線如圖2所示。

2.1 ? ?試驗(yàn)布置

數(shù)據(jù)采集裝置安裝在金屬接地平板上，模擬實(shí)際安裝情況。將檢測(cè)探頭置于距數(shù)據(jù)采集裝置5 cm處，將注入探頭置于距檢測(cè)探頭5 cm處，干擾信號(hào)通過(guò)電流鉗感性耦合注入到被測(cè)電纜上。試驗(yàn)布置如圖3所示。

2.2 ? ?敏感度判據(jù)

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，輸出端串接電流表進(jìn)行測(cè)試，要求數(shù)據(jù)采集裝置的輸出電流范圍為：干擾未施加時(shí)的輸出值±20 mA×1%F.S.，判定合格。

2.3 ? ?試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 ? ?完整的電源電纜

干擾注入電源線纜（正負(fù)兩根）。干擾未施加時(shí)，輸出電流值為4.002 mA。干擾信號(hào)施加過(guò)程中的電流值范圍如表2所示。

2.3.2 ? ?電源線正極

在電源線正極單獨(dú)施加干擾信號(hào)：全頻段正常。

2.3.3 ? ?輸入信號(hào)線（正常4.112 mA）

輸入信號(hào)線上施加干擾時(shí)的電流值范圍如表3所示。

2.3.4 ? ?輸出信號(hào)線（正常4.09 mA）

輸出信號(hào)線上施加干擾時(shí)的電流值范圍如表4所示。

試驗(yàn)分別對(duì)輸入、輸出信號(hào)線及電源線進(jìn)行了電纜束注入傳導(dǎo)敏感度項(xiàng)目的測(cè)試。電源線單線不受注入干擾的影響;雙線及信號(hào)線均有影響，其中在2～100 MHz干擾最強(qiáng)，最強(qiáng)頻點(diǎn)為37 MHz。

3 ? ?優(yōu)化改進(jìn)及結(jié)果

3.1 ? ?原因分析

針對(duì)2～100 MHz電流超標(biāo)情況進(jìn)行分析，此干擾是由射頻連續(xù)波感應(yīng)引起的傳導(dǎo)干擾，頻率較低的輻射干擾波長(zhǎng)較長(zhǎng)，主要通過(guò)EUT接口線接收進(jìn)入內(nèi)部，若接口處有濾波器，則部分干擾信號(hào)會(huì)被濾波器衰減，剩余干擾信號(hào)沿電纜進(jìn)入EUT內(nèi)部形成干擾。干擾通過(guò)外殼直接進(jìn)入的效率非常低，此采集裝置為金屬外殼，若該電纜為屏蔽電纜，則干擾信號(hào)會(huì)部分分流到外殼，可以通過(guò)在線纜上加超微晶磁環(huán)的方式，來(lái)增強(qiáng)電纜的屏蔽效能。因此，首先在輸入電源線接口處接入濾波器，并在電源線上加超微晶磁環(huán)。

3.2 ? ?優(yōu)化改進(jìn)

3.2.1 ? ?電源線優(yōu)化及測(cè)試

針對(duì)電源線注入傳導(dǎo)干擾的超標(biāo)問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化措施如表5所示。

考慮到最終實(shí)施過(guò)程中，濾波器占據(jù)的空間比較大，因此最終整改方案為電源線加6.2 mH白色共模電感及22×14×8超微晶小磁環(huán)兩個(gè)，分別穿4匝及7匝。

3.2.2 ? ?整機(jī)優(yōu)化及測(cè)試

對(duì)數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)部線纜進(jìn)行屏蔽處理，信號(hào)輸入線采用屏蔽效果好的屏蔽線纜。電源線增加了共模、差模電感以及濾波電解電容，套屏蔽網(wǎng)并接地;輸入、輸出信號(hào)線增加共模電感。插箱24 V電源端加10 mH共模電感，優(yōu)化實(shí)物圖如圖4所示。

最終試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，因條件限制4～20 mA輸出線在沒(méi)有屏蔽網(wǎng)及輸出電感的條件下，在2～100 MHz測(cè)試時(shí)不能達(dá)標(biāo)，也需按上述條件進(jìn)行整改;其他所有線在上述條件都滿足的情況下測(cè)試，都能達(dá)標(biāo)。

3.3 ? ?整改電路分析

被測(cè)電纜回路的阻抗變化會(huì)對(duì)實(shí)際加載的干擾電流產(chǎn)生影響，尤其是低頻段，干擾影響比較明顯，阻抗越小，施加到被測(cè)電纜上的干擾電流就越大，可以在設(shè)計(jì)時(shí)增加負(fù)載阻抗，或者使用磁環(huán)等可以使被測(cè)電纜阻抗發(fā)生變化的措施，來(lái)增強(qiáng)被測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力[4-5]。實(shí)際整改措施如圖5所示，通過(guò)直接在數(shù)據(jù)采集裝置電源模塊內(nèi)部電路增加20 mH差模電感以及增大濾波電解電容CP2的方式，有效抑制了CS114在2～100 MHz傳導(dǎo)干擾，數(shù)據(jù)采集裝置順利通過(guò)CS114試驗(yàn)。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

對(duì)于數(shù)據(jù)采集裝置這類極易受到電磁干擾影響的敏感類設(shè)備，可通過(guò)增加輸入/輸出共模、差模電感和濾波電解電容的方式，利用共模和差模濾波方式來(lái)增大回路阻抗，降低原有電磁干擾影響，減少傳導(dǎo)干擾對(duì)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的影響。本文通過(guò)對(duì)輸入/輸出線采取屏蔽措施，對(duì)電源線及信號(hào)線增加共模、差模電感以及濾波電解電容的措施，降低了傳導(dǎo)干擾對(duì)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的影響。未來(lái)，可以對(duì)輸入和輸出線屏蔽線纜材質(zhì)、屏蔽措施做進(jìn)一步分析和優(yōu)化，也可以進(jìn)一步研究設(shè)備整體的電磁屏蔽性能。

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收稿日期：2022-02-14

作者簡(jiǎn)介：李菊（1988—），女，河北廊坊人，碩士研究生，工程師，研究方向：專用電源可靠性技術(shù)。