專用系統數據采集裝置電磁兼容性優化方案研究

摘 要：

電氣設備的多樣性使專用系統試驗現場存在復雜的電磁環境，而保證數據采集裝置采集信號的可靠性是對整個系統的關鍵要求，作為專用系統中的敏感設備，數據采集裝置的抗擾度指標應達到標準要求?，F首先依據GJB 151B—2013完成數據采集裝置的電磁兼容性試驗，給出各項測試結果；然后針對測試項CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導敏感度進行分析整改；最后通過增加共模、差模電感以及濾波電解電容等措施，使其通過測試。

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引言

數據采集裝置作為專用系統保護裝置的一部分，其可靠性直接影響著整個系統試驗的順利實施，這種可能受電磁干擾影響的設備被稱為敏感類設備。在專用系統試驗現場，多種電氣設備形成的電磁環境中存在各式各樣的傳導干擾和輻射干擾，干擾以傳導和輻射的方式進入EUT內部電路，會使模擬信號的輸入/輸出與預期偏離，造成數字電路的控制失效或誤動作，甚至引起微處理電路的程序出錯、存儲和讀取數據錯誤。通過系統電磁環境試驗，得到了系統中存在的干擾類型及干擾強度。但干擾源的非理想化及寬頻率范圍的特點[1]，導致現場存在的干擾源無法直接模擬，因此，依據《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》（GJB 151B—2013）標準，選取接近的干擾波型及干擾等級對數據采集裝置進行EMC摸底試驗，給出試驗結果。其中，在CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導敏感度項目中，在低頻段出現了監測電流值超出合理范圍的情況，通過對內部結構進行分析，找出整改方案，并驗證其有效性。

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數據采集裝置

信號采集作為狀態監測與診斷系統的前端，其主要功能是通過傳感器將現場物理信號轉換為模擬信號，再經過調理、采樣、量化、編碼等步驟轉化為數字信號，并由計算機進行處理、存儲、發送[2]。信號采集的準確性和可靠性直接影響監測系統的整體性能，因此對于信號采集的要求非常高。

1.1

裝置組成及原理

數據采集裝置由電源模塊、信號采集及處理模塊、信號轉換模塊、預置顯示模塊和故障輸出模塊組成。信號采集及處理模塊采集電信號，通過信號轉換模塊，轉換為4～20 mA標準信號，發送至安全監控單元，故障信號輸出至電控裝置，實現相應的保護功能。數據采集裝置原理框圖如圖1所示。

1.2

裝置EMC測試及結果

依據專用系統現場存在的電磁干擾類型及強度，參照《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》（GJB 151B—2013）標準，選取了10個測試項目，開展數據采集裝置電磁兼容性摸底試驗。試驗要求及結果如表1所示。

本次測試首先開展的是CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導敏感度項目的測試，優化整改通過測試后，其他項目在此基礎上均通過測試。

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CS114試驗過程及結果

CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導敏感度試驗的目的是確保采集裝置受到內外天線發射電磁場在其線纜上形成的電流的影響下，性能不下降。干擾采用對地共模方式施加到EUT各個被測接口電纜上[3]。依據標準確定的測試頻段為10 kHz～400 MHz，電流注入，正弦波，1 kHz，占空比50%的脈沖調制；試驗等級根據GJB 151B—2013中陸軍限值的規定，10 kHz～2 MHz按照曲線3規定的校驗限值，2～400 MHz按照曲線4規定的校驗限值的試驗信號（陸軍地面標準）進行試驗，限值曲線如圖2所示。

2.1

試驗布置

數據采集裝置安裝在金屬接地平板上，模擬實際安裝情況。將檢測探頭置于距數據采集裝置5 cm處，將注入探頭置于距檢測探頭5 cm處，干擾信號通過電流鉗感性耦合注入到被測電纜上。試驗布置如圖3所示。

2.2

敏感度判據

在整個試驗過程中，輸出端串接電流表進行測試，要求數據采集裝置的輸出電流范圍為：干擾未施加時的輸出值±20 mA×1%F.S.，判定合格。

2.3

試驗結果

2.3.1 完整的電源電纜

干擾注入電源線纜（正負兩根）。干擾未施加時，輸出電流值為4.002 mA。干擾信號施加過程中的電流值范圍如表2所示。

2.3.2 電源線正極

在電源線正極單獨施加干擾信號：全頻段正常。

2.3.3 輸入信號線（正常4.112 mA）

輸入信號線上施加干擾時的電流值范圍如表3所示。

2.3.4 輸出信號線（正常4.09 mA）

輸出信號線上施加干擾時的電流值范圍如表4所示。

試驗分別對輸入、輸出信號線及電源線進行了電纜束注入傳導敏感度項目的測試。電源線單線不受注入干擾的影響；雙線及信號線均有影響，其中在2～100 MHz干擾最強，最強頻點為37 MHz。

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優化改進及結果

3.1

原因分析

針對2～100 MHz電流超標情況進行分析，此干擾是由射頻連續波感應引起的傳導干擾，頻率較低的輻射干擾波長較長，主要通過EUT接口線接收進入內部，若接口處有濾波器，則部分干擾信號會被濾波器衰減，剩余干擾信號沿電纜進入EUT內部形成干擾。干擾通過外殼直接進入的效率非常低，此采集裝置為金屬外殼，若該電纜為屏蔽電纜，則干擾信號會部分分流到外殼，可以通過在線纜上加超微晶磁環的方式，來增強電纜的屏蔽效能。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。

3.2

優化改進

3.2.1 電源線優化及測試

針對電源線注入傳導干擾的超標問題，現場優化措施如表5所示。

考慮到最終實施過程中，濾波器占據的空間比較大，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超微晶小磁環兩個，分別穿4匝及7匝。

3.2.2 整機優化及測試

數據采集裝置內部線纜進行屏蔽處理，信號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，套屏蔽網并接地；輸入、輸出信號線增加共模電感。插箱24 V電源端加10 mH共模電感，優化實物圖如圖4所示。

最終試驗結果如表6所示，因條件限制4～20 mA輸出線在沒有屏蔽網及輸出電感的條件下，在2～100 MHz測試時不能達標，也需按上述條件進行整改；其他所有線在上述條件都滿足的情況下測試，都能達標。

3.3

整改電路分析

被測電纜回路的阻抗變化會對實際加載的干擾電流產生影響，尤其是低頻段，干擾影響比較明顯，阻抗越小，施加到被測電纜上的干擾電流就越大，可以在設計時增加負載阻抗，或者使用磁環等可以使被測電纜阻抗發生變化的措施，來增強被測系統的抗干擾能力[4-5]。實際整改措施如圖5所示，通過直接在數據采集裝置電源模塊內部電路增加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傳導干擾，數據采集裝置順利通過CS114試驗。

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結語

對于數據采集裝置這類極易受到電磁干擾影響的敏感類設備，可通過增加輸入/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增大回路阻抗，降低原有電磁干擾影響，減少傳導干擾對數據采集準確性的影響。本文通過對輸入/輸出線采取屏蔽措施，對電源線及信號線增加共模、差模電感以及濾波電解電容的措施，降低了傳導干擾對數據采集準確性的影響。未來，可以對輸入和輸出線屏蔽線纜材質、屏蔽措施做進一步分析和優化，也可以進一步研究設備整體的電磁屏蔽性能。

審核編輯 ：李倩