強度測量系統的電磁兼容性研究

曲浩然,陳軼珩,賈小雪

(中國飛機強度研究所 強度與結構完整性全國重點實驗室,陜西 西安 710065)

1 引 言

電磁兼容性是現代電子技術發展中的一個重要問題,在工業領域中更為突出。隨著工業自動化程度的提高和電子設備的廣泛應用,各種電子設備之間的電磁干擾問題日益突出。在地面強度試驗現場存在大量的干擾源,測控系統的電磁兼容性能直接影響試驗結果的準確性和可靠性。因此,提高測控系統的電磁兼容性能,對于確保試驗結果的準確性和可靠性具有至關重要的意義。本文對測量系統進行研究,旨在有效提升測量板卡的電磁兼容性,以滿足工業領域中對電磁兼容性的嚴格要求。

2 技術原理

2.1 測量板卡設計分析

測量板卡硬件架構是以微處理器和信號采集電路為核心,同時包含網口轉光纖模塊、電源模塊等,如圖1所示。

圖1 測量系統硬件架構圖

傳感器信號經過放大、運算等處理后進入數模轉換器,轉換后的數字信號經總線傳輸至微處理器進行其他操作。測量系統的電磁兼容性問題往往由開關電源、高頻振蕩器、接地不良、接頭產生的電磁泄漏以及布局布線等問題引發,該板卡的典型問題如圖2所示。

圖2 測量系統板卡的典型問題

通過分析系統設計,發現測量板卡具有以下幾個問題。首先,核心板供電與外部接口供電共用一個電源模塊,且容量不足,可能產生供電不穩干擾;其次,核心板與載板使用模塊設計,連接線路較長,且為上下層,抗干擾能力較差,接口處會產生電磁泄漏;部分PCB走線為直角,其可視為容性負載,對信號傳輸產生負面影響,同時帶來阻抗不連續,信號反射,產生EMI等問題。

2.2 系統設計優化

電磁兼容性優化需要從抑制傳導型干擾和輻射型干擾的措施入手,并有針對性地對數據采集卡存在的問題進行改進。通過引入更穩定的電源模塊,替代分立式電源設計,預留電源容量,并在電源輸入端增加TVS、ESD、氣體放電管、過流自恢復保險等,從而抑制輸入端的干擾和沖擊,電源模塊電路設計如圖3所示。

圖3 電源模塊電路設計

電路的布局布線參數可能會在特定的頻率產生干擾信號,通過常規手段往往難以解決,需要在布線中的特定位置增加電感、電容、磁珠等來改變電路的參數結構,使其移到限值以外的頻率。為此,本文對電路進行了重新布局布線,將電源部分、輸入接口及主控處理單元布局分離,互不干擾,如圖4所示。為進一步有效地抑制通過空間傳播的各種電磁干擾,將原有保護殼更換為金屬材質,減少散熱開孔尺寸與數量。

圖4 測量板卡

3 試驗驗證

本試驗由廣電計量檢測(西安)有限公司電磁兼容實驗室按照《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》中規定的試驗條件與方法開展,依次完成了電場輻射發射、電場輻射敏感度等試驗,如圖5所示。

(a) RE102試驗配置圖

電場輻射發射試驗是考核系統的電磁輻射發射能否達到相關標準的限值要求,需用到規定的天線、頻譜儀等設備,在標準規定的帶寬和最小測量時間,使測量接收機在使用的頻率范圍內掃描,記錄測試頻譜曲線,觀察數據是否超出標準規定的限值。電場輻射敏感度試驗是驗證系統抗輻射干擾的能力是否符合標準要求。按標準規定的試驗條件和方法,測量系統完成了RE102和RS103中的試驗項目,達到了合格的判據要求,試驗數據曲線如圖6所示。

圖6 電場輻射發射試驗數據曲線

4 結束語

本文針對強度測量系統研制過程中遇到的電磁兼容性差的問題,介紹了多種可以提高電磁兼容性性能的電路設計方法。經過測試,修改后的測量板卡性能穩定,提升了原有設計的電場輻射發射和電場輻射敏感度指標,消除了設備的可靠性和穩定性隱患。