不可忽视的电子测量问题——电磁兼容

1 概述

    目前人们已逐步认识到电子产品电磁兼容的关系与生活越来越密切，彩电、计算机和通讯产品是否有电磁干扰，这些产品的电磁兼容状况如何，国家对此颁发了许多有关标准，电磁兼容性已成为考核电子产品性能质量的一个重要的参数。电磁兼容性是任何电子工程、系统设备的主要性能指标之一。所谓电磁兼容是指装置、设备不会由于受到同一电磁环境中其它装置，设备的电磁发射而导致或遭受不允许的性能降低。例如，在同一房间所容纳计算机和彩电、VCD和手机所在电磁环境中都有能正常工作，即在共同的电磁环境中能完成各自功能的共存状态。

2 电子测量中的电磁兼容问题

    当我们开展对电子产品进行电磁兼容测试时，一个很容易忽视的问题，就是电子测量仪器本身也存在着电磁兼容的问题。

    因为，在电子测量中，测试系统和仪器设备的功能、精度等性能指标是衡量系统和仪器测试准确度的最重要的因素，而较少考虑测试系统与仪器设备自身的电磁兼容性能对由于电磁兼容性不良好而导致的不正确的测量结果往往被忽视，结论往往下给被测电子产品。许多测试系统是由很多不同的仪器组合起来的，相互间存在着不同程度的干扰，尤其是被测对象电磁兼容性不良时，与测试系统间的影响是非常严重的，甚至可能导致错误的测量结果。本人在参与设计的581雷达晶液电磁兼容测量时，采用一台德国进口发射（信号发生器）源仪表进行测试，因该仪器有轻微的泄漏，而引起被测产品中的中频电路自激和干扰，关掉测试仪表，自激消除。又例如本人开展用RS-2、TS-3信号源对XB-35彩电讯号发生器进行检定时，特别是在小信号测量（如灵敏度）的情况下，干扰尤为严重，影响测试。因此，从事质量检验工作的技术人员都应了解和掌握电磁兼容原理，并在实际工作中运用有关技术，解决测量过程中遇到的电磁兼容问题。分清是产品问题、还是测试本身的问题。

    事实上，任何的检验装置均要在一定的电磁环境下工作，电磁环境中的意外的电磁能量会使检验装置的技术性能降低，或造成永久性的破坏，这种电磁效应主要取决于检验装置的敏感特性。电磁环境特性，为了避免这种电磁损害，必须对电磁环境进行分析。电磁环境往往是由大量的不同特性的干扰源主生，决定的因素很多，而且是随机变化的，这些干扰会影响测试系统和仪器设备的可靠性和使用性，为了控制电磁干扰，就要识别各类干扰，并采取相应的防护方法。学会区分电磁干扰的本质部分。

3 透过现象看本质

    我们在开展测量时，有的电子测量装置在工作中，有时会出现某些不正常的现象，如指针式仪表会出现抖动，突跳现象；数字式仪表的数码出现不规则的跳动现象等，产生这些现象的原因，一方面可能是由于仪表本身电路结构不合理，工作原理不完善，元器件质量差，制造工艺存在缺陷等问题，这种现象在国产测量仪器中常常出现，也不排除泊外品也存在这方面的问题；另一方面可能是由于仪表的工作环境（条件）发生变化，如电源电压、频率波动、环境温度变化以及受其它电气设备的影响，特别是当被检信号很微弱时，这种影响就显得更加严重和突出，这种对电子测量装置的测量结果起影响作用的各种外部的和内部的无用信号而干扰，通过现象分析本质，为了消除或削弱各种干扰对电子测量装置工作的影响，必须采取各种必要的措施。因此，从事电子测量的技术人员，在遇到上述类似现象，出现测量异常或不可信服的测量结果时，不能简单地认为仪器或被测样品出现问题，而应该首先检查是否存在干扰，查找干扰源，并应尽量排除各种干扰，使测量更加准确。

    对存在的问题应进行分析，在电子测量装置中，存在着各种联系，可分为内部和外部联系。外部联系如：输入信号、输出信号、电源以及外部环境条件（包括温度、湿度、压力、各种场强），这些外部因素，当处于正常状况时，对电子测量装置和仪器表并没有什么坏影响，有些还是必需和有用的，但是当这些外部因素发生变化时，将对电子测量装置发生影响，便变成为有害的联系，成为外界干扰的来源。仪器仪表和电子测量装置的内部各部分之间也是相互联系的，如信号的正向传输，属有用的联系，而各部分之间存在的寄生耦合，便函属于有害的联系了，因此，必须想方设法割断或削弱那些有害的联系，同时又不对那些为了正常进行测量和工作所需要的联系产生影响或损害。

    对于来自外部的干扰，可通过适当的抗干扰措施加以解决。对于来自电子测量装置和仪器仪表的内部干扰，可通过装置的正确设计及合理布局加以消除削弱。实践证明，不同的测量原理和测量方法受干扰的影响不同，同时，干扰对电子测量装置和仪器仪表工作的影响是通过其内在原因作用的。

    针对以上所述，透过现象看本质是研究电子测量装置和仪器仪表的抗干扰问题，不能完全归结为防护措施问题，而应当与工作原理、测试方法结合一起研究，做到具体问题区别对待。



4 电磁干扰的产生和分析

    在检测中我们遇到电磁干扰，最常见的有电噪声，即叠加在有用信号上的扰乱信号传输、使原来的有用信号发生畸变的电物理量，简称噪声。检测仪表在工作时，噪声总是叠加在有用信号上，影响测量结果，有时甚至会完全将有用信号淹没掉，使测量工作无法进行，在测量过程中应尽量提高信噪比，使有用信号抑制噪声的干扰。

4．1噪声的产生

    噪声的种类繁多，其产生、传递及抑制的方法也各不相同，以产生的原因来分类，有内部噪声和外部噪声。

    内部噪声是指检测仪表和装置内部或器件本身产生的噪声，常见的有：热噪声、散粒噪声、接触噪声、感应噪声、交流噪声、振荡噪声、反射噪声及其它。

    外部噪声是指从外部侵入检测仪表和装置的噪声，主要有自然噪声和人为噪声二类，自然噪声指大气噪声、太阳噪声、宇宙噪声。人为噪声有放电噪声、高频噪声、工频噪声、辐射噪声等，其中影响比较严重的是工频噪声，工频噪声是电力输配电线路、工频电源由于工频感应、静电感应、电磁感应、大地漏电流等形成的噪声，对检测仪表是影响最大的干扰；而辐射噪声是由大功率发射、接收装置等产生的噪声，通过辐射或通过电源线会给电子测量装置造成很大的干扰。

4．2噪声的传播

    噪声的传播来源于噪声源，不同的噪声必有各自不同的噪声源，噪声源必须通过一定的耦合途径进行传播，才能将噪声送至检测仪表和装置中，对其正常工作造成影响而形成 干扰，因此，噪声形成干扰必须具备以下途径：a、噪声源；b、对噪声敏感的接收电路或装置；c、噪声源到接收电路之间的噪声通道。

    噪声可能通过公共导线（如公用电源、公用连线等），设备间电容相邻导线的互感空间辐射以及交变电磁场中的导线途径，将噪声源耦合和合到接收电路中，耦合方式主要有传导耦合和辐射耦合，有些噪声可通过传导和辐射两种途径传输。

    传导耦合分为电容性耦合、电感性耦合、公共阻抗耦合和漏电流耦合。

    电容性耦合是由检测仪表和装置内的寄生电容形成的耦合，其干扰电压正比于噪声源的角频率、分布电容、接收电路的输入阻抗。

    电感性耦合是由于噪声源中通过交变电流所形成的交变磁场与周围回路交链，在高敏感接收回路中产生感应而形成，其干扰电压正比于噪声源角频率、互感系数和噪声源电流。

    公共阻抗耦合是由于两个电路存在着公共阻抗，当一个电路中有电流通过时，通过公共阻抗便在另一个电路中产生干扰电压、形成公共阻抗耦合干扰，其干扰电压正比于公共阻抗和噪声源电流。公共阻抗耦合是检测仪表中常见的一种干扰，一般有以下几种形式：
    由电源骨阻形成的公共阻抗耦合干扰，当用同一个电源同时对多个仪表供电时，如有高电平电路的输出电流流过电源，这个电流就会在电源内阻上产生压降，形成干扰电压，造成对其它低电平电路的干扰。

    信号输出电路相互干扰，当电子测量装置的信号输出电路带有多路负载时，如果有任一路负载发生变化，此变化者将通过输出阻抗公共耦合而影响到其它输出电路。

    由接地线阻抗形成的公共耦合干扰，如果电子测量装置的公共线接地时，若在接地线上有较大电流通过，会通过接地线阻抗产生公共阻抗耦合干扰。

    漏电流耦合是由于绝缘不良时，电流经绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰。

    电磁辐射耦合是指干扰源通过空间辐射将干扰传递给接收电路，接收电路受到干扰的程度与所处位置的干扰强度成正比。

4．3电磁干扰的方式

    各种噪声源产生的噪声，必然要通过各种耠合通道进入电子测量装置，对其产生干扰，引起测量误差，根据噪声进入测量电路的方式不同及与有用信号的关系，可将噪声干扰分为差模干扰与共模干扰。

    差模干扰是检测仪表的一个信号输入端于相对于另一个信号输入端子的电位新式发生变化而产生的干扰，即干扰信号与有用信号是叠加在一起，直接作用于输入端，因此，它直接影响测量结果。

    共模干扰是相对于公共的电位基点（通常为接地点）。在检测仪表的两个输入端子上同时出现的干扰，虽然这种干扰不直接影响测量的结果，但是，当信号输入电路参数不对称时，这种共模干扰就会转化为差模干扰，对测量结果产生影响，而在实际测量中，由于共模干扰的电压值一般都比较大，而且其耦合机理及其耦合电路也比较复杂，排除较为困难，所以，共模干扰比差模干扰对测量的影响更为严重。

5 电磁干扰的排除

    电磁干扰对测量结果的影响程度是相对于信号而言，高电平信号允许有较大的干扰，而信号电平信号允许有较大的干扰，而信号电平越低，对干扰的限制也就越严格，通常干扰的频度范围很宽，但对一台电子仪器来说，并不是所有频率的干扰所造成的结果都有相同的，对直流测量仪表，由于仪器本身具有低通滤波特性，因此对频率较高的交流干扰不敏感；对于低频测量仪器，若输入端装有滤波器，则可将通常以外的干扰滤除；但是，对于工频干扰，用滤波器会将50Hz的有用信号滤掉，因此工频干扰是对低频电子仪表的最严重且不易除去的干扰，对于宽频带电子仪表，在工作频带内的各种干扰都将起作用。抑制干扰应着眼于噪声形成的三个要素，根据具体情况，有针对性地采用相应措施。一般常用采用的有五种方法：

5．1接地

    在进行电子测量时，接地是抑制干扰的主要方法之一，即将设备的地线或接地面与大地实行低阻抗连接，接地主要目的是：

（1）给出设备的零电位基准（统一参考电位点）；
（2）防止在设备外壳或屏蔽层上由于电荷积聚，电压上升而造成人身和仪器的不安全，或引起火花放电；
（3）将设备机壳或屏蔽层等接地，给高频干扰电压形成一个低阻抗通路，以防止它对电子设备的干扰。

5．2连接线

    在电子测量装置和被测电子产品中，需要很多的连接线，连接导线是引起干扰的重要原因，应考虑正确布置这些连接线，减少各种寄生耦合。导线的引线电感对于低频来说，没有大的影响，但对高频的影响是不能忽视的，必须尽量减少引线电感，为了抑制感应干扰，高频时应采用同轴电缆或屏蔽双绞织线，且导线应尽可能短；在测试系统中，有不同用途的连接导线，如电源线、射频线、音频线、控制线等，要进行分类，使不同类别的导线尽量远离，且不要平行排列，为了避免辐射耦合，连接导线最好使用屏蔽线，此外导线的粗细与噪声有关，要选择适当的连接导线，是测量前的准备。

5．3屏蔽

    为了抑制电磁干扰，无论是外部干扰，还是内部干扰，都必须对干扰源或接收器进行屏蔽，然而，在电子测量中，这种方法只能应用于抑制外部干扰，对于测试系统内的干扰，采用屏蔽是不太可能。

5．4浮置

    浮置是指电子测量装置的公共线（信号地线）不接大地。浮置与屏蔽接地相反，屏蔽接地的目的是将干扰电流从信号电路引开，即不让干扰电流经信号线，而是让干扰电流流经机壳或屏蔽层到大地，浮置是阻断干扰电流的通路，测量系统被浮置后，加大了测试系统公共线与大地之间的阻抗，大大减少了共模干扰电流，可以提高共模干扰抑制能力。

    但是，浮置不是绝对的，测试系统公共线与大地之间的阻抗虽然很大（绝缘电阻级），可大大地减少电阻性漏电流干扰，但它们之间仍存在寄生电容，即容性漏电流仍存在。

5．5滤波

    滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施，无论是抑制干扰源和消除耦合或提高系统的抗干扰能力，都有可以采用滤波技术，任何使用交流电源的电子设备，噪声会通过电源线传导耦合到电路中，形成干扰，为了抑制这种干扰，在测试系统的交流电源进线端使用滤波器是十分必要的也是常用的抗干扰方法。

    在测量过程中，会遇到各种各样的问题，需要测量技术人员认真进行分析解决，不要轻易被测电子产品下不合格结论，一定要分清是测量仪器问题、测量方法问题、测量环境问题与其无关时，才可给被测产品下结论。尤其是在自动测试过程中，测量人员要善于分析测量结果，排除各种干扰，提高测量的准确性和可靠的数据。测量人员必须具备良好的业务素质，还要具备分析问题和解决问题的能力。