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第三章 硬件抗干扰技术

第三章 硬件抗干扰技术. 谈英姿 tanyz@seu.edu.cn 东南大学自控系工业自动化教研室. 主要硬件抗干扰技术. 接地 屏蔽 滤波. 接地. 为什么要地线 地线问题－地环路 地线问题－公共阻抗耦合 接地方式种类 电缆屏蔽层的接地. 安全地. 0V. 220V. +. +. +. +. +. 信号地. 定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径. 地线引发干扰问题的原因. 地线是等电位的假设不成立. V = I R. 地线电压. 我们并不知道地电流的确切路径. 电流走最小阻抗路径. 地电流失去控制. 地线电位示意图.

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第三章 硬件抗干扰技术

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  1. 第三章 硬件抗干扰技术 谈英姿 tanyz@seu.edu.cn 东南大学自控系工业自动化教研室

  2. 主要硬件抗干扰技术 • 接地 • 屏蔽 • 滤波

  3. 接地 • 为什么要地线 • 地线问题－地环路 • 地线问题－公共阻抗耦合 • 接地方式种类 • 电缆屏蔽层的接地

  4. 安全地 0V 220V + + + + +

  5. 信号地 定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径

  6. 地线引发干扰问题的原因 地线是等电位的假设不成立 V = I R 地线电压 我们并不知道地电流的确切路径 电流走最小阻抗路径 地电流失去控制

  7. 地线电位示意图 100mV ~ 200mV  2mV 10mV ~ 20mV 200mV 20mV ~ 100mV 2mV ~ 10mV

  8. 导线的阻抗 L  1H/m Z = RAC + jL RAC= 0.076r f1/2 RDC 电流 趋肤效应 I  0.37I 深度 r  = 1 / ( f r r)1/2

  9. 导线的阻抗

  10. 金属条与导线的阻抗比较 金属条阻抗/导线阻抗 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 S / W 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

  11. 地线问题－地环路 I1 VN I2 地环路 IG VG

  12. 隔离变压器 CP RL VS VN VG C1 C2 屏蔽层只能接2点！ 屏蔽 VG 2 1

  13. 光隔离器 光耦器件 Cp 发送 接收 VS RL VG

  14. 共模扼流圈的作用 L R1 IS RL VS + VN IN1 M Vs R1 IN2 VG VN / VG  = R1 / L RL/（RS + RL） f

  15. 平衡电路对地环路干扰的抑制 RS1 IN1 RL1 VS1 IS VL VG VS2 RL2 RS2 IN2

  16. 地线问题－公共阻抗耦合 电路1 电路2 地电流1 地电流2 公共地阻抗 ~ V

  17. 接地方式种类 信号接地方式 单点接地 多点接地 混合接地 串联单点接地 并联单点接地

  18. 单点接地 1 2 3 1 2 3 A I1 I2 I3 I2 B I1 C A R2 B R3 C R1 I3 并联单点接地 优点：无公共阻抗耦合 缺点：接地线过多 串联单点接地 优点：简单 缺点：公共阻抗耦合

  19. 串联单点、并联单点混合接地 模拟电路1 模拟电路2 模拟电路3 数字信息处理电路 数字逻辑控制电路 马达驱动电路 继电器驱动电路

  20. 线路板上的地线 模拟 噪声 数字

  21. 长地线的阻抗 L L R R 设备 C C Z0 = (L/C)1/2 ZP = (L)2/R 并联谐振 RAC 串联谐振 RDC FP1 = 1/2(LC)1/2

  22. 多点接地 电路1 电路2 电路3 R1 R2 R3 L2 L1 L3

  23. 混合接地 Rs ~ Vs 地电流 Rs ~ Vs 地环路电流 安全接地 安全接地

  24. 屏蔽 • 屏蔽的概念 • 电屏蔽 • 磁屏蔽 • 电磁屏蔽 • 实际屏蔽体的问题 • 双绞线和金属屏蔽线

  25. 屏蔽的概念 • 屏蔽就是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传播的一种措施； • 屏蔽体是为了阻止或减小电磁能传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层，它可以是导电的、导磁的、介质的或带有非金属吸收填料的。

  26. 屏蔽效能 屏蔽前的场强E1 屏蔽后的场强E2 屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量: SE = 20 lg ( E1/ E2 ) dB

  27. 屏蔽前场强 屏蔽后的场强 衰减量 屏蔽效能(dB) 1 0.1 0.9 20 1 0.01 0.99 40 1 0.001 0.999 60 1 0.0001 0.9999 80 1 0.00001 0.99999 100 1 0.000001 0.999999 120 屏蔽效能与场强衰减的关系 • 屏蔽效能越高，每增加２０ｄＢ的难度越大。民用设备的机箱一般仅需要４０ｄＢ左右的屏蔽效能，而军用设备的机箱一般需要６０ｄＢ以上的屏蔽效能。

  28. 电屏蔽 具有空腔的金属导体在静电平衡状态下，不仅导体内部场强为零，而且腔内场强也为零，因而置于腔内的物体不受外界电场的影响，这种作用叫静电屏蔽。

  29. 电屏蔽 • 静电屏蔽的一般方法是在电容耦合通道上插入一个接地的金属屏蔽导体。 • 由于金属屏蔽导体接地，其中的干扰电压为零，从而隔断了电场干扰的原来耦合通道。 C1s C1G V1 Vs C2G

  30. 磁屏蔽 • 载流导体或线圈周围都会产生磁场，如果电流是随时间变化的，则磁场也随时间变化，这变化的磁场会对其他元件或电路造成干扰； • 对于低频磁场的屏蔽，主要依赖高导磁率材料所具有的小磁阻起磁分路作用

  31. 高导磁率材料的磁旁路效果 H0 R0 Rs H1 Rs SE = 1 + R0/RS H0 H1 R0

  32. 怎样屏蔽低频磁场？ 低频 吸收损耗小 低频磁场 反射损耗小 磁场 高导电材料 高导电材料 高导磁材料

  33. 磁屏蔽材料的频率特性 r 103 坡莫合金 15 金属 10 镍钢 5 冷轧钢 1 0.01 0.1 1.0 10 100 kHz

  34. 电磁屏蔽 • 电磁屏蔽是对于高频电磁场的屏蔽 • 电磁波在通过金属材料或对电磁波有衰减作用的阻挡层时，会受到一定程度的衰减，这就起到了电磁屏蔽的作用。

  35. 趋肤深度举例

  36. 电磁屏蔽与静电屏蔽 • 电磁屏蔽指的是对电磁波的屏蔽，而静电屏蔽指的是对静电场的屏蔽。 • 静电屏蔽要求屏蔽体必须接地。 • 影响屏蔽体电磁屏蔽效能的不是屏蔽体接地与否，而是屏蔽体导电连续性。破坏屏蔽体的导电连续性的因素有屏蔽体上不同部分的接缝、开口等。 • 电磁屏蔽对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。

  37. 实际屏蔽体的问题 实际机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线等 电源线 缝隙 通风口 显示窗 键盘 调节旋钮 指示灯 电缆插座

  38. 缝隙的泄漏 低频起主要作用 高频起主要作用

  39. 缝隙的处理 电磁密封衬垫 缝隙

  40. 电磁密封衬垫的种类 • 金属丝网衬垫(带橡胶芯的和空心的) • 导电橡胶(不同导电填充物的) • 指形簧片(不同表面涂覆层的) • 螺旋管衬垫(不锈钢的和镀锡铍铜的) • 导电布

  41. 指形簧片

  42. 螺旋管电磁密封衬垫

  43. 电磁密封衬垫的主要参数 • 屏蔽效能 (关系到总体屏蔽效能) • 回弹力（关系到盖板的刚度和螺钉间距） • 最小密封压力（关系到最小压缩量） • 最大形变量（关系到最大压缩量） • 压缩永久形变（关系到允许盖板开关次数） • 电化学相容性（关系到屏蔽效能的稳定性）

  44. 衬垫种类 屏蔽效能 弹性 永久形变 环境密封 价格 优点 不锈钢螺旋管 高 好 小 无 低 价低 镀锡铍铜螺旋管 很高 好 小 无 中 屏蔽效能高 多重密封螺旋管 高 好 小 有 较高 有环境密封、耐久 指形簧片 高 好 小 无 高 压缩最大、允许切向滑动接触 空心金属网套 低频高　高频中等 好 较小 无 中 需要的压力小 橡胶芯金属网套 低频高　高频中等 好 小 无 低 价低 传统导电橡胶 低频低　高频高 差 大 有 高 有环境密封、高频屏蔽好 双重导电橡胶 低频低　高频高 好 小 有 低 有环境密封、高频屏蔽好、价低 定向金属丝导电橡胶 低频高　高频低 好 小 有 低 有环境密封、价低 各种电磁密封衬垫的特点

  45. 电磁密封衬垫的安装方法 绝缘漆 环境密封

  46. 显示窗/器件的处理 滤波器 屏蔽窗 隔离舱 滤波器

  47. 操作器件的处理 用隔离舱将操作器件隔离出 屏蔽体上开小孔

  48. 通风口的处理 穿孔金属板

  49. 在内部可将电缆延伸 屏蔽互套 表面做导电清洁处理，保持360度连接 注意防腐 屏蔽体边界 与电缆套360度搭接 屏蔽电缆 屏蔽电缆穿过屏蔽机箱的方法

  50. 屏蔽壳体上的穿线 • 屏蔽壳体上不允许有任何导线穿过，屏蔽效能再高的屏蔽体，一旦有导线穿过屏蔽体，屏蔽体的屏蔽效能就会大幅度下降。这是因为导线充当了接收干扰和辐射干扰的天线。当有导线要穿过屏蔽体时，必须使用贯通滤波器，如图所示。这样可以将导线接收到的干扰滤除到屏蔽体上，从而避免干扰穿过屏蔽体。

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