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系統(tǒng)試驗的順利實施,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)試驗現(xiàn)場,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,會使模擬信號的輸入/輸出與預(yù)期偏離,造成數(shù)字電路的控制失效或誤動作,甚至引起微處理電路的程序出錯、存儲和讀取數(shù)據(jù)錯誤。通過系統(tǒng)電磁環(huán)境試驗,得到了系統(tǒng)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,導(dǎo)致現(xiàn)場存在的干擾源無法直接模擬,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量》(GJB151B一2013)標(biāo)準(zhǔn),選取接近的干擾波型及干擾等級對數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行EMC摸底試驗,給出試驗結(jié)果。其中,在CS11410kkHz400M~H電纜束注入傳導(dǎo)敏感度項目中,在低頻段出現(xiàn)了監(jiān)測電流值超出合理范圍的情況,通過對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,找出整改方案,并驗證其有效性。

1數(shù)據(jù)采集裝置

信號采集作為狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的前端,其主要功能是通過傳感器將現(xiàn)場物理信號轉(zhuǎn)換為模擬信號,再經(jīng)過調(diào)理、采樣、量化、編碼等步驟轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,并由計算機進(jìn)行處理、存儲、發(fā)送。信號采集的準(zhǔn)確性和可靠性直接影響監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集裝置由電源模塊、信號采集及處理模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、預(yù)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,再通過信號轉(zhuǎn)換模塊,將其轉(zhuǎn)換為4H20mA標(biāo)準(zhǔn)信號,發(fā)送至安全監(jiān)控單元:故障信號輸出至電控裝置,實現(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測試及結(jié)果

依據(jù)專用系統(tǒng)現(xiàn)場存在的電磁干擾類型及強度,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量》(GJB151B一2013)標(biāo)準(zhǔn),選取了10個測試項目,開展數(shù)據(jù)采集裝置電磁兼容性摸底試驗。試驗要求及結(jié)果如表1所示。

本次測試首先開展的是CS11410kkH~400M~H電纜束注入傳導(dǎo)敏感度項目的測試,優(yōu)化整改通過測試后,其他項目在此基礎(chǔ)上均通過測試。

2CS114試驗過程及結(jié)果

CS11410k~H~400M~H電纜束注入傳導(dǎo)敏感度試驗的目的是確保采集裝置受到內(nèi)外天線發(fā)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。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定的測試頻段為10kHz~400MHz,電流注入,正弦波,1kHz,占空比50%的脈沖調(diào)制:試驗等級根據(jù)GJB151B一2013中陸軍限值的規(guī)定,10kHz~2MHz按照曲線3規(guī)定的校驗限值,2~400MHz按照曲線4規(guī)定的校驗限值的試驗信號(陸軍地面標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行試驗,限值曲線如圖2所示。

2.1試驗布置

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集裝置5cm處,將注入探頭置于距檢測探頭5cm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(jù)

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

2.3試驗結(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,輸出電流值為4.002mA。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4.112mA)

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4.09mA)

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(jìn)行了電纜束注入傳導(dǎo)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2~100MHz干擾最強,最強頻點為37MHz。

3優(yōu)化改進(jìn)及結(jié)果

3.1原因分析

針對2~100MHz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較長,主要通過EUT接口線接收進(jìn)入內(nèi)部,若接口處有濾波器,則部分干擾信號會被濾波器衰減,剩余干擾信號沿電纜進(jìn)入EUT內(nèi)部形成干擾。干擾通過外殼直接進(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,則干擾信號會部分分流到外殼,可以通過在線纜上加超微晶磁環(huán)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(huán)。

3.2優(yōu)化改進(jìn)

3.2.1電源線優(yōu)化及測試

針對電源線注入傳導(dǎo)干擾的超標(biāo)問題,現(xiàn)場優(yōu)化措施如表5所示。

考慮到最終實施過程中,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6.2mH白色共模電感及22×14×8超微晶小磁環(huán)兩個,分別穿4匝及7匝。

3.2.2整機優(yōu)化及測試

對數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)部線纜進(jìn)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(wǎng)并接地:輸入、輸出信號線增加共模電感。插箱24V電源端加10mH共模電感,優(yōu)化實物圖如圖4所示。

最終試驗結(jié)果如表6所示,因條件限制4~20mA輸出線在沒有屏蔽網(wǎng)及輸出電感的條件下,在2~100MHz測試時不能達(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試,都能達(dá)標(biāo)。

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(chǎn)生影響,尤其是低頻段,干擾影響比較明顯,阻抗越小,施加到被測電纜上的干擾電流就越大,可以在設(shè)計時增加負(fù)載阻抗,或者使用磁環(huán)等可以使被測電纜阻抗發(fā)生變化的措施,來增強被測系統(tǒng)的抗干擾能力。實際整改措施如圖5所示,通過直接在數(shù)據(jù)采集裝置電源模塊內(nèi)部電路增加20mH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2~100MHz傳導(dǎo)干擾,數(shù)據(jù)采集裝置順利通過CS114試驗。

4結(jié)語

對于數(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(dǎo)干擾對數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)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(dǎo)干擾對數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的影響。未來,可以對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。