測試轉臺測控系統電磁兼容性設計

　　1　概述

　　測試轉臺測控系統不可能工作在絕對理想的環(huán)境下，因此它必然受到各種環(huán)境因素的影響。這些影響包括：(1)外部環(huán)境對測試設備的影響;(2)測試設備電子線路內部各元器件之間的相互干擾。外界環(huán)境干擾包括外界電磁場、電網波動等，而電子線路之間的互相干擾則主要是通過公共阻抗、線間分布電容及互感而相互影響。測試設備電子線路不僅受到外界環(huán)境的影響，同時它也會向外界發(fā)射電磁波，給電網回饋波動，這種效應會對其它電子設備造成干擾。因此其電磁兼容是研究該設備既不受周圍環(huán)境的影響，又不給周圍環(huán)境以這種影響的一門技術。

　　電磁兼容問題是一個非常復雜的問題，有些從原理設計時就可以考慮，如電源濾波，抗干擾的有源或無源濾波網絡的引入或繼電器等瞬間高壓的吸收等。而大部分的電磁兼容口問題如線間分布電容，由于其與具體的元器件的布局、走線等有關而難以在原理設計時就予以考慮。即使能夠考慮，也會因為需要在原理設計中加入一系列措施而使電路變得十分繁雜，反而會引入新的電磁兼容問題。解決這類電磁兼容問題往往是從電路布局、信號走線等方面入手。因此，電磁兼容技術很大程度上是一門工藝性技術。

　　隨著測試設備精度及可靠性要求的提高，電磁兼容性問題變得越來越重要，一定程度上它是限制測試設備性能進一步提高的的主因素，而且電磁兼容性問題自始至終貫穿于測試轉臺測控系統的研制過程，因此必須從原理設計、印刷板設計到裝配及設備調試都予以認真考慮。

　　2　測試轉臺測控系統的電磁兼容性設計

　　測試轉臺測控系統設計可以分為三大部分：①控制柜電子線路設計;②臺體布線，包括滑環(huán)布線、臺體內走線、控制及測量電纜布線、感應同步器反饋信號及陀螺信號前置放大器設計等;③接地系統設計。每一部分在運行過程中都會遇到如下幾方面干擾：①傳導性耦合干擾;②電容性耦合干擾;③電感性耦合干擾。解決其干擾問題一般從以下幾方面著手：①系統內干擾的抑制;②干擾途徑的抑制。但無論從原理上講還是從實踐上講，干擾源的抑制是解決干擾最有效的方法。下面分別從每一部分出發(fā)來討論其電磁兼容性設計。

　　2.1　控制柜電子線路的電磁兼容性設計

　　每個控制柜由若干控制箱構成，而控制箱內的電子線路采用了模塊化設計。每個控制箱的電磁兼容性設計大致可分為四個方面：①主電子線路印刷板設計;②外引線設計;③公用底板設計;④控制箱裝配工藝設計。

　　2.1.1　主電子線路印刷板設計

　　首先討論如何減小主線路板對外界的干擾。測控系統中任何電子線路都會對外界產生傳導性耦合干擾、電容性耦合干擾和電感性耦合干擾，只是大部分線路在某些方面的干擾并不突出，不作為明顯的干擾源。

　　在主電路中往往既有數字電路又有模擬電路。為了抑制數字電路造成的電源波動耦合干擾，在板內每一個芯片的Vcc和GND之間要接入旁路電容，以便該芯片造成的電源波動被就近吸收，減小其對其它芯片的影響。在接入旁路電容時應盡可能靠近芯片，使Vcc-GND通過旁路電容構成的回路面積最小，而且Vcc和GND的走線應盡可能短而粗。

　　為了防止每一塊印刷板通過Vcc、GND對其它印刷板造成傳導性耦合，其Vcc-GND入口處要接入一個大容量的電解電容，并入一個0.1 μF的高頻電容，以吸收該板的電平波動。

　　數字電路中各信號之間的容性和感性耦合有時難以避免，但因為數字電路本身具有很大的噪聲容限，這種耦合并不會造成嚴重的影響。同時數字電路中很少有大電壓和大電流信號，因此它對外界的電容性和電感性耦合可以忽略。抑制數字電路的容性和感性耦合的方法是對每塊印刷板外加接地良好的金屬殼，以起到電磁屏蔽效果。

　　測控系統中模擬電路大多處理的是直流小信號，因此一般不會對外界造成明顯的容性和感性耦合干擾。但也有一部分是處理交流大信號，如測角系統中的激磁電源，它是一個2 kHz的正弦交變信號，能產生變磁場，因此容易對外界造成干擾。在設計印刷板時沒有有效的方法來避免板內的干擾，只能通過加大干擾回路和被干擾回路的距離來減小它的影響，或適當采用屏蔽線的方法來抑制。該控制板對其它印刷板的這種磁干擾也只能通過對整塊板的屏蔽來抑制。

　　一般來講，電子線路中大電流回路和大電壓回路容易造成電感性和電容性耦合。在測試轉臺測控系統中，為了減小功耗，采用了數字功放。由于數字功放采用了含有高頻大電壓調制信號的數字PWM方式驅動，同時電機繞組又是一個電感性負載，因此它會對外界造成嚴重的電容性耦合干擾。但由于流過繞組的電流并不大，故它不會造成大的電感性耦合干擾。產生這種干擾的原因是驅動器中開關的通斷瞬間感性負載會產生很高的尖峰電壓，而容性干擾的大小同這一電壓成正比。抑制數字功放的這種干擾應從以下幾方面入手：

　?、匍_關二端加合理的吸收電路;

　　②在感性負載或A、B、C三相之間并入高壓高頻電容;

　?、墼贗GBT功

　　率開關驅動電路上設法減緩開關的導通、關斷速度，使其基極驅動波形變緩，這樣將使開關器件在導通和關斷瞬間均有很大的壓降，從而消除負載上的尖峰電壓，降低其對外的電容性干擾。

　　以上討論了如何在設計時消除或抑制主電路對外界的各種干擾。下面將討論在設計主電路印刷板時如何抑制外界干擾。

　　在數字電路中，傳導耦合主要是通過電源和地線引入的。上面曾談到的在Vcc-GND之間加濾波電容已從很大程度上抑制了這種耦合，因此下面主要討論如何抑制容性和感收耦合。對于感性耦合，從設計上要避免印刷線構成環(huán)路，當然包括電源線和地線，這樣既可以消除地環(huán)流，又使其不受外界磁場的干擾。對于容性耦合，要設法減小信號線之間的分布電容，因此應注意以下幾點：a.盡可能避免二信號線的長距離平行布線;b.強信號同弱信號盡可能不要貼近布線;c.布線時盡量不要從管腳間穿行，對于高頻信號尤其如此;d.時序邏輯電路的輸入、輸出線最易引入干擾，因此應避免過長引線。其輸出盡量不要跨板驅動，必要時應先加緩沖隔離，如測角系統中經20 MHz分頻得來的10 kHz、20 kHz等時間基準在板間傳輸時，應先加緩沖驅動以隔離傳輸線引入的回擾;e.經傳輸線傳輸的信號可能會發(fā)生畸變，因此應在下一級電路的輸入處加施密特整形。

　　數字電路中往往會有許多引腳空閑不用，由于其缺乏確定的電平而容易引入干擾，其中時序邏輯組合比邏輯電路更易受干擾，如測角系統中的計數電路、單雙穩(wěn)電路等，一個干擾脈沖有可能造成其狀態(tài)的誤翻轉。因此要將其不用的輸入端依設計要求分別接至GND或通過1 kΩ電阻接至Vcc。由于時序邏輯電路的輸出端可能是其內部的輸入，其閑置的輸出端也要避免懸空，而應對地接入1 000 Pf高頻電容。

　　同數字電路相比，模擬電路的抗干擾問題更難解決。在數字電路中傳導耦合一般不造成多大問題，但對模擬電路來講，這種干擾卻必須引起高度重視。

　　正如前面講到的，傳導耦合的最常見形式為公共地線耦合，而消除傳導耦合的最有效的方法是一點共地。有時由于受到印刷板空間的限制不可能使每一個單元電路的地全部是一點共地(有時也不必要)，因此常遵循的原則是：單元電路一點共地，然后接入公共的地線上去。這對多級線路來講仍存在著公共地線的傳導耦合，此時應注意在安排線路時不讓大信號回路的電流流過小信號回路，以盡量減小大信號回路對小信號回路的干擾。例如在測角系統中激磁電源從信號發(fā)生到其輸出共有多級電路，一般由運放單元電路組成，每個單元電路要一點共地，即其輸入、輸出及工作電源的地要盡可能從一點引出，然后連接到地母線上。在這種線路中，模擬工作的電源地線要從大信號單元電路即激磁輸出級的“地”處接入，而不應在信號發(fā)生處接入。

　　對于測角中的粗、精反饋信號及主控系統的測速機反饋、陀螺信號的前置處理電路等模擬線路設計，除了注意以上幾點外，尤其還要注意輸入信號的“地”應在其多級處理線路的最前級處接入，而不應隨便將輸入信號的“地”接自系統任意點的“地”。由于輸入端一般比輸出端的信號要小，故此處遵循單元電路的一點共地原則更重要。

　　除上述常見的傳導耦合外，模擬電路中還有其它性質的傳導耦合如接觸電阻變化，尤其是采用大量運放的模擬電路，由于其輸入端對各種噪音比較敏感，其同、反相端盡量不要直接同可調電位器的滑動端相連(滑動端具有大的接觸噪聲)。

　　正如以上談到的，運放的同、反相端(尤其是作為“虛地”的同相端)對噪音非常敏感，因此模擬線路中抑制電容性和電感性耦合，尤其是電容性耦合要特別注意避免這些引腳直接引入干擾。對于高增益、高阻抗和小信號放大電路更要注意這一點。

　　為了避免電容性干擾，連接運放的同、反相端的引線不宜過長，尤其應避免直接從前面板上的電位器一端到運放的輸入端的引線。對于高輸入阻抗、高增益及寬帶運放電路，除了一般的措施外，還應采取同、反相端的屏蔽和其它裝配工藝措施。關于這類電路的電磁兼容性設計在感應同步器前放設計中論述，此處不做詳細討論。

　　2.1.2　外引線的設計

　　測試轉臺測控系統采用了模塊化設計，每塊印刷板都經過底板上的88芯片插座進行信號通訊，因此印刷板上的外引信號都通過88芯片插座實現。由于88線插座將各種信號集中，信號間的相互影響相對比較嚴重。為減小通過該插座引入的電容和電感性耦合，在安排信號引線時應該將所有信號如電源信號、輸入信號、輸出信號、強信號或干擾信號、弱小信號加以區(qū)分，合理布線。

　　除分開安排信號引腳外，對于某些干擾源信號，如測角系統中的激磁信號和陀螺參考信號及易受干擾的信號線如陀螺輸出的信號，還應實行引腳間的屏蔽。這可以通過在二類信號之間安排隔離地線來實現。

　　2.1.3　底板設計

　　底板是模塊化設計的轉接件，為各模塊間提供通訊總線。因此其信號線安排以及電容性耦合干擾抑制等同各模塊的外引線的處理原則一樣。除此之外，底板為各模塊提供公共的電源和地線，因此如何抑制傳導耦合是底板設計的主要內容。

　　為減小公共地阻抗的傳導耦合，地線應盡量采用大的地平面，而且數字地和模擬地要分開走線，在底板上一點共地。為了實現大面積地，二個地只能安排在88芯插座的二邊，即A1、B1(數字地)、A44、B44(模擬地)，這樣為在底板的四周安排大面積地提供了可能。

　　底板上各印刷板插槽的安排應符合單元電路一點共地和多級電路的大電流不流過小電流回路的原則，因此將電流變化大的模塊安排在靠近電源輸入點的插槽里，其余插槽依每塊模塊電流及電流變化大小排列。例如主控系統中的主控模塊是數字模塊，它的電流變化較大，因而帶給公共阻抗上的傳導耦合干擾將最嚴重，故應將它安排在靠近電源引入點，而ADDA及陀螺伺服前置處理依次遠離主控板。還如測角系統中，激磁輸出板尤其是精激磁輸出板流過的電流大，計算機處理板的電流變化頻繁，應該靠近電源輸入口布置母板插槽。粗、精檢零板由于要處理反饋信號而易受到干擾，故應遠離電源輸入口。另外，在測角中還要注意其它噪聲干擾，如熱源造成的溫度變化對激磁正交度及幅值等的影響，因此在安裝數字電源時應充分考慮這一點。

　　2.1.4　控制箱裝配工藝設計

　　控制箱裝配工藝包括每個箱中的交、直流電源引線、布局，顯示指示燈引線、散熱風扇、后面板引線設計等。

　　電源裝配線是引入電網噪音、外界磁場干擾的一條主要途徑，同時它還會產生交變磁場和通過分布電容給測控系統本身造成干擾，因此這一部分的電磁兼容問題必須引起足夠的重視。

　　電源系統一般包括引線、電源濾波器、直流開關電源及其它輔助線路。提高這部分線路的抗干擾能力主要是通過配線方式、安裝位置等裝配工藝來實現的。首先220 V交流進線到電源濾波器的引線距離應盡可能短，因此將濾波器裝在后面板的220 V進線處最好。否則由于引線為大電壓交變信號，其走線過長，則同電子設備線路之間的分布電容大，電場干擾嚴重，交變磁場的影響區(qū)域也大。電源濾波器的輸入線和輸出線不應捆扎在一起平行敷設和公用一個屏蔽層，否則濾波后的交流信號中會耦合進干擾信號使濾波器失去作用。同樣地濾波器輸出線到開關電源的交流進線間的距離應盡量短，而且必須采用雙絞屏蔽方式。交流的保護地線應單獨走線，不應同220V的零、火線一起絞扭并共用一個屏蔽層，開關電源的直流輸出給測控系統提供工作電源，它的輸出引線不應同交流饋線捆扎布線，不能共用一個屏蔽層和長距離平行走線，并且為了防止任何外界電、磁場干擾，也應采用雙絞屏蔽的方式。

　　電源指示燈一般布置在各控制箱的前面板上，它的引線無論采用交流驅動還是直流驅動都應采用雙絞屏蔽，尤其是直流驅動時更要如此。因為指示燈電源同系統工作電源并聯，容易給系統耦合進干擾。

　　為了減小電源布線在控制箱中的走線長度，電源后面板引入插座、控制箱內開關電源以及前面板顯示燈應安排在箱體的同一側。

　　前面板上的電源開關一般為交流供電即濾波器后的220 V供電，它的走線不可避免要橫穿整個控制箱，故其走線應嚴格雙絞屏蔽。

　　每個控制柜的上方一般都安排系統散熱風扇，其干擾往往容易被忽視。散熱風扇有交、直流二類，因為直流風扇有電刷，易產生干擾噪音，故散熱風扇不宜采用直流類。采用交流風扇時，其電源引線是引入干擾的主要途徑，因此其電源布線應采用雙絞屏蔽，而且在進入風扇前經過獨立的濾波器濾波。

　　2.2　總體布線的電磁兼容設計

　　2.2.1　滑環(huán)結構及布線的電磁兼容設計

　　滑環(huán)是一個空間小、走線相當密集的部件，各種信號都在滑環(huán)內集中，因此各信號間的互感、互容效應較大。因為滑刷和環(huán)道接觸處無法屏蔽，其電容耦合尤其嚴重。在滑環(huán)設計時應注意如下幾點：①分配環(huán)道時將大、小信號，交、直流信號遠距離分開安排;②易產生干擾的信號和易受干擾的信號線如激磁電源信號、反饋信號、無刷機的三相電源信號不僅要在分配環(huán)道時考慮分開，而且在環(huán)體內走線一定要采用雙絞、三絞屏蔽，屏蔽層要一點接地;③關鍵信號要采用邊界環(huán)道作為專門的屏蔽環(huán)道，即將信號二邊的環(huán)道進行良好接地，以起到環(huán)道間的屏蔽作用。

　　電纜用于連接控制柜和臺體信號，在設計電纜時，應區(qū)別不同類型的信號。易產生干擾的信號如激磁電源要嚴格雙絞屏蔽，然后共用一個根電纜走線，反饋信號也如此。無刷機的A、B、C要三絞屏蔽，單獨用一條電纜，不能同其它信號電纜捆扎一起長距離平行敷設。

　　2.2.2　感應同步器反饋信號及陀螺信號前置放大電路的設計及裝配工藝

　　測角系統中感應同步器反饋信號及陀螺伺服中陀螺信號的前置放大電路設計在測試轉臺測控系統設計中最為關鍵，它是一個高輸入阻抗、高增益和微小信號放大電路，因此除了遇到一般模擬電路中常見的干擾問題以外，還有其特殊之處。在設計前放時，應選用具有一定通頻帶的高精度、高增益的適合于差動信號放大的儀表放大器，同時還要滿足單元電路的一點共地原則，采用整個一個印刷面作為大地平面。除了上述注意事項外，還應考慮到它是一個高輸入阻抗電路，特別容易耦合進電容性干擾。為了減小容性耦合，首先要保證印刷板內表面的絕緣，必要時應采取板內屏蔽措施，即將高輸入阻抗部分用印刷線在正反面包圍起來，然后將屏蔽層接入電路中等電位的低阻抗部分，如電壓跟隨器的同、反相端用印刷線包圍后應接至輸出端。而反相放大器同、反相端隔離則應同系統中地相連，因為反相放大中同、反相端幾乎為零電平。由于該電路具有高增益特性，任何輸入端微小的噪音都可能造成輸出端很大的干擾，而其同、反相輸入端又極易引入干擾，故在設計時要避免其同任何易產生噪音的元器件相連，如可調電位器的滑動端等。同時，由于過長的引線容易引入噪音干擾，同、反相端的引線也不宜過長。

　　微小電壓放大除了注意高增益時的注意事項之外，還應對高頻輻射加以足夠的注意。一般應將微小放大電路如感應同步器的前放、陀螺伺服的前放完全封閉在一個電磁屏蔽效果好的金屬盒中，其引入、引出線也要嚴格屏蔽，在引線界面處也不應外露。

　　采用了嚴格的屏蔽后，有時可能還難以消除高頻輻射造成的傳導耦合。因此應在運放同外界連接點包括+Vs、-Vs、同、反相端和輸出端都應接入一個高頻特性都十分好的濾波電容，而且其布線不應過長。

　　此外，為了消除信號中的噪音，放大電路應設計為合適帶寬的低通或帶通濾波形式。

　　前放盒的安裝位置直接影響系統的電磁兼容性，它必須安裝在滑環(huán)前緊靠感應同步器轉子處，而且要使調試人員調整方便。

　　2.3　接地系統

　　接地的目的是：①提供一個公共的參考電位;②220 V交流接地為保護接地，防止靜電、雷擊、漏電等;③提供屏蔽效果。

　　接地必須良好，以保證低阻抗性質，否則不僅無用，反而成為噪音傳輸途徑。為了消除公共阻抗的耦合，接地應按如下方式進行：將系統中各種類型的單元電路加以區(qū)分，模擬信號地同數字信號地、強干擾信號地和機殼地分別各自先連接，然后在大地處一點共地。具體地講，每個控制箱的地應通過導電性能好的銅排統一接地。各箱中的220 V電源地同機殼相連，然后通過電纜的屏蔽層并接到臺體上。因為臺體是一個大的金屬體，可以作為一點接地處在此處接大地。

　　另外，當氣浮軸工作時，臺體中動和不動部分并不直接相連，這對于不同部分的元件如感應同步器的定、轉子和無刷力矩電機的屏蔽來講不利，故應在滑環(huán)中留出專門位置以便將臺體各部分相連，以提供一個良好的低阻抗地通道。

　　3　結束語

　　本文詳細討論了測試轉臺測控系統研制過程中遇到的一些電磁兼容問題的解決辦法，并結合某型空氣軸承伺服轉臺進行了全面的實踐，得出如下幾點體會：

　?、匐姶偶嫒菔茄兄聘呔葴y試轉臺中的一個至關重要的問題，一定程度上，它是決定系統精度和可靠性的最關鍵的因素，應引起足夠的重視。

　?、陔姶偶嫒輪栴}自始至終貫穿測試轉臺測控系統的全部研制過程，決不僅僅是調試階段的問題，因此必須在原理設計時就加以考慮。

　?、墼诮鉀Q電磁干擾問題時，應先認真區(qū)分干擾的性質，然后才能采取對癥的措施。

　?、芨蓴_源的抑制是解決電磁兼容問題的最有效方法。

　　參考文獻：

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