電子測量儀器使用中的EMC問題

1 概述

目前人們已逐步認識到電子產(chǎn)品電磁兼容的關(guān)系與生活越來越密切，彩電、計算機和通訊產(chǎn)品是否有電磁干擾，這些產(chǎn)品的電磁兼容狀況如何，國家對此頒發(fā)了許多有關(guān)標準，電磁兼容性已成為考核電子產(chǎn)品性能質(zhì)量的一個重要的參數(shù)。電磁兼容性是任何電子工程、系統(tǒng)設(shè)備的主要性能指標之一。所謂電磁兼容是指裝置、設(shè)備不會由于受到同一電磁環(huán)境中其它裝置，設(shè)備的電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的性能降低。例如，在同一房間所容納計算機和彩電、VCD和手機所在電磁環(huán)境中都有能正常工作，即在共同的電磁環(huán)境中能完成各自功能的共存狀態(tài)。

2 電子測量中的電磁兼容問題

當我們開展對電子產(chǎn)品進行電磁兼容測試時，一個很容易忽視的問題，就是電子測量儀器本身也存在著電磁兼容的問題。

因為，在電子測量中，測試系統(tǒng)和儀器設(shè)備的功能、精度等性能指標是衡量系統(tǒng)和儀器測試準確度的最重要的因素，而較少考慮測試系統(tǒng)與儀器設(shè)備自身的電磁兼容性能對由于電磁兼容性不良好而導(dǎo)致的不正確的測量結(jié)果往往被忽視，結(jié)論往往下給被測電子產(chǎn)品。許多測試系統(tǒng)是由很多不同的儀器組合起來的，相互間存在著不同程度的干擾，尤其是被測對象電磁兼容性不良時，與測試系統(tǒng)間的影響是非常嚴重的，甚至可能導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果。本人在參與設(shè)計的581雷達晶液電磁兼容測量時，采用一臺德國進口發(fā)射（信號發(fā)生器）源儀表進行測試，因該儀器有輕微的泄漏，而引起被測產(chǎn)品中的中頻電路自激和干擾，關(guān)掉測試儀表，自激消除。又例如本人開展用RS-2、TS-3信號源對XB-35彩電訊號發(fā)生器進行檢定時，特別是在小信號測量（如靈敏度）的情況下，干擾尤為嚴重，影響測試。因此，從事質(zhì)量檢驗工作的技術(shù)人員都應(yīng)了解和掌握電磁兼容原理，并在實際工作中運用有關(guān)技術(shù)，解決測量過程中遇到的電磁兼容問題。分清是產(chǎn)品問題、還是測試本身的問題。

事實上，任何的檢驗裝置均要在一定的電磁環(huán)境下工作，電磁環(huán)境中的意外的電磁能量會使檢驗裝置的技術(shù)性能降低，或造成永久性的破壞，這種電磁效應(yīng)主要取決于檢驗裝置的敏感特性。電磁環(huán)境特性，為了避免這種電磁損害，必須對電磁環(huán)境進行分析。電磁環(huán)境往往是由大量的不同特性的干擾源主生，決定的因素很多，而且是隨機變化的，這些干擾會影響測試系統(tǒng)和儀器設(shè)備的可靠性和使用性，為了控制電磁干擾，就要識別各類干擾，并采取相應(yīng)的防護方法。學(xué)會區(qū)分電磁干擾的本質(zhì)部分。

3 透過現(xiàn)象看本質(zhì)

我們在開展測量時，有的電子測量裝置在工作中，有時會出現(xiàn)某些不正常的現(xiàn)象，如指針式儀表會出現(xiàn)抖動，突跳現(xiàn)象；數(shù)字式儀表的數(shù)碼出現(xiàn)不規(guī)則的跳動現(xiàn)象等，產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因，一方面可能是由于儀表本身電路結(jié)構(gòu)不合理，工作原理不完善，元器件質(zhì)量差，制造工藝存在缺陷等問題，這種現(xiàn)象在國產(chǎn)測量儀器中常常出現(xiàn)，也不排除泊外品也存在這方面的問題；另一方面可能是由于儀表的工作環(huán)境（條件）發(fā)生變化，如電源電壓、頻率波動、環(huán)境溫度變化以及受其它電氣設(shè)備的影響，特別是當被檢信號很微弱時，這種影響就顯得更加嚴重和突出，這種對電子測量裝置的測量結(jié)果起影響作用的各種外部的和內(nèi)部的無用信號而干擾，通過現(xiàn)象分析本質(zhì)，為了消除或削弱各種干擾對電子測量裝置工作的影響，必須采取各種必要的措施。因此，從事電子測量的技術(shù)人員，在遇到上述類似現(xiàn)象，出現(xiàn)測量異常或不可信服的測量結(jié)果時，不能簡單地認為儀器或被測樣品出現(xiàn)問題，而應(yīng)該首先檢查是否存在干擾，查找干擾源，并應(yīng)盡量排除各種干擾，使測量更加準確。

對存在的問題應(yīng)進行分析，在電子測量裝置中，存在著各種聯(lián)系，可分為內(nèi)部和外部聯(lián)系。外部聯(lián)系如：輸入信號、輸出信號、電源以及外部環(huán)境條件（包括溫度、濕度、壓力、各種場強），這些外部因素，當處于正常狀況時，對電子測量裝置和儀器表并沒有什么壞影響，有些還是必需和有用的，但是當這些外部因素發(fā)生變化時，將對電子測量裝置發(fā)生影響，便變成為有害的聯(lián)系，成為外界干擾的來源。儀器儀表和電子測量裝置的內(nèi)部各部分之間也是相互聯(lián)系的，如信號的正向傳輸，屬有用的聯(lián)系，而各部分之間存在的寄生耦合，便函屬于有害的聯(lián)系了，因此，必須想方設(shè)法割斷或削弱那些有害的聯(lián)系，同時又不對那些為了正常進行測量和工作所需要的聯(lián)系產(chǎn)生影響或損害。

對于來自外部的干擾，可通過適當?shù)目垢蓴_措施加以解決。對于來自電子測量裝置和儀器儀表的內(nèi)部干擾，可通過裝置的正確設(shè)計及合理布局加以消除削弱。實踐證明，不同的測量原理和測量方法受干擾的影響不同，同時，干擾對電子測量裝置和儀器儀表工作的影響是通過其內(nèi)在原因作用的。

針對以上所述，透過現(xiàn)象看本質(zhì)是研究電子測量裝置和儀器儀表的抗干擾問題，不能完全歸結(jié)為防護措施問題，而應(yīng)當與工作原理、測試方法結(jié)合一起研究，做到具體問題區(qū)別對待。

4 電磁干擾的產(chǎn)生和分析

在檢測中我們遇到電磁干擾，最常見的有電噪聲，即疊加在有用信號上的擾亂信號傳輸、使原來的有用信號發(fā)生畸變的電物理量，簡稱噪聲。檢測儀表在工作時，噪聲總是疊加在有用信號上，影響測量結(jié)果，有時甚至會完全將有用信號淹沒掉，使測量工作無法進行，在測量過程中應(yīng)盡量提高信噪比，使有用信號抑制噪聲的干擾。

4．1噪聲的產(chǎn)生

噪聲的種類繁多，其產(chǎn)生、傳遞及抑制的方法也各不相同，以產(chǎn)生的原因來分類，有內(nèi)部噪聲和外部噪聲。

內(nèi)部噪聲是指檢測儀表和裝置內(nèi)部或器件本身產(chǎn)生的噪聲，常見的有：熱噪聲、散粒噪聲、接觸噪聲、感應(yīng)噪聲、交流噪聲、振蕩噪聲、反射噪聲及其它。

外部噪聲是指從外部侵入檢測儀表和裝置的噪聲，主要有自然噪聲和人為噪聲二類，自然噪聲指大氣噪聲、太陽噪聲、宇宙噪聲。人為噪聲有放電噪聲、高頻噪聲、工頻噪聲、輻射噪聲等，其中影響比較嚴重的是工頻噪聲，工頻噪聲是電力輸配電線路、工頻電源由于工頻感應(yīng)、靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、大地漏電流等形成的噪聲，對檢測儀表是影響最大的干擾；而輻射噪聲是由大功率發(fā)射、接收裝置等產(chǎn)生的噪聲，通過輻射或通過電源線會給電子測量裝置造成很大的干擾。

4．2噪聲的傳播

噪聲的傳播來源于噪聲源，不同的噪聲必有各自不同的噪聲源，噪聲源必須通過一定的耦合途徑進行傳播，才能將噪聲送至檢測儀表和裝置中，對其正常工作造成影響而形成 干擾，因此，噪聲形成干擾必須具備以下途徑：a、噪聲源；b、對噪聲敏感的接收電路或裝置；c、噪聲源到接收電路之間的噪聲通道。

噪聲可能通過公共導(dǎo)線（如公用電源、公用連線等），設(shè)備間電容相鄰導(dǎo)線的互感空間輻射以及交變電磁場中的導(dǎo)線途徑，將噪聲源耦合和合到接收電路中，耦合方式主要有傳導(dǎo)耦合和輻射耦合，有些噪聲可通過傳導(dǎo)和輻射兩種途徑傳輸。

傳導(dǎo)耦合分為電容性耦合、電感性耦合、公共阻抗耦合和漏電流耦合。

電容性耦合是由檢測儀表和裝置內(nèi)的寄生電容形成的耦合，其干擾電壓正比于噪聲源的角頻率、分布電容、接收電路的輸入阻抗。

電感性耦合是由于噪聲源中通過交變電流所形成的交變磁場與周圍回路交鏈，在高敏感接收回路中產(chǎn)生感應(yīng)而形成，其干擾電壓正比于噪聲源角頻率、互感系數(shù)和噪聲源電流。

公共阻抗耦合是由于兩個電路存在著公共阻抗，當一個電路中有電流通過時，通過公共阻抗便在另一個電路中產(chǎn)生干擾電壓、形成公共阻抗耦合干擾，其干擾電壓正比于公共阻抗和噪聲源電流。公共阻抗耦合是檢測儀表中常見的一種干擾，一般有以下幾種形式：

由電源骨阻形成的公共阻抗耦合干擾，當用同一個電源同時對多個儀表供電時，如有高電平電路的輸出電流流過電源，這個電流就會在電源內(nèi)阻上產(chǎn)生壓降，形成干擾電壓，造成對其它低電平電路的干擾。

信號輸出電路相互干擾，當電子測量裝置的信號輸出電路帶有多路負載時，如果有任一路負載發(fā)生變化，此變化者將通過輸出阻抗公共耦合而影響到其它輸出電路。

由接地線阻抗形成的公共耦合干擾，如果電子測量裝置的公共線接地時，若在接地線上有較大電流通過，會通過接地線阻抗產(chǎn)生公共阻抗耦合干擾。

漏電流耦合是由于絕緣不良時，電流經(jīng)絕緣電阻的漏電流所引起的噪聲干擾。

電磁輻射耦合是指干擾源通過空間輻射將干擾傳遞給接收電路，接收電路受到干擾的程度與所處位置的干擾強度成正比。

4．3電磁干擾的方式

各種噪聲源產(chǎn)生的噪聲，必然要通過各種耠合通道進入電子測量裝置，對其產(chǎn)生干擾，引起測量誤差，根據(jù)噪聲進入測量電路的方式不同及與有用信號的關(guān)系，可將噪聲干擾分為差模干擾與共模干擾。

差模干擾是檢測儀表的一個信號輸入端于相對于另一個信號輸入端子的電位新式發(fā)生變化而產(chǎn)生的干擾，即干擾信號與有用信號是疊加在一起，直接作用于輸入端，因此，它直接影響測量結(jié)果。

共模干擾是相對于公共的電位基點（通常為接地點）。在檢測儀表的兩個輸入端子上同時出現(xiàn)的干擾，雖然這種干擾不直接影響測量的結(jié)果，但是，當信號輸入電路參數(shù)不對稱時，這種共模干擾就會轉(zhuǎn)化為差模干擾，對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，而在實際測量中，由于共模干擾的電壓值一般都比較大，而且其耦合機理及其耦合電路也比較復(fù)雜，排除較為困難，所以，共模干擾比差模干擾對測量的影響更為嚴重。

5 電磁干擾的排除

電磁干擾對測量結(jié)果的影響程度是相對于信號而言，高電平信號允許有較大的干擾，而信號電平信號允許有較大的干擾，而信號電平越低，對干擾的限制也就越嚴格，通常干擾的頻度范圍很寬，但對一臺電子儀器來說，并不是所有頻率的干擾所造成的結(jié)果都有相同的，對直流測量儀表，由于儀器本身具有低通濾波特性，因此對頻率較高的交流干擾不敏感；對于低頻測量儀器，若輸入端裝有濾波器，則可將通常以外的干擾濾除；但是，對于工頻干擾，用濾波器會將50Hz的有用信號濾掉，因此工頻干擾是對低頻電子儀表的最嚴重且不易除去的干擾，對于寬頻帶電子儀表，在工作頻帶內(nèi)的各種干擾都將起作用。抑制干擾應(yīng)著眼于噪聲形成的三個要素，根據(jù)具體情況，有針對性地采用相應(yīng)措施。一般常用采用的有五種方法：

5．1接地

在進行電子測量時，接地是抑制干擾的主要方法之一，即將設(shè)備的地線或接地面與大地實行低阻抗連接，接地主要目的是：

（1）給出設(shè)備的零電位基準（統(tǒng)一參考電位點）；

（2）防止在設(shè)備外殼或屏蔽層上由于電荷積聚，電壓上升而造成人身和儀器的不安全，或引起火花放電；

（3）將設(shè)備機殼或屏蔽層等接地，給高頻干擾電壓形成一個低阻抗通路，以防止它對電子設(shè)備的干擾。

5．2連接線

在電子測量裝置和被測電子產(chǎn)品中，需要很多的連接線，連接導(dǎo)線是引起干擾的重要原因，應(yīng)考慮正確布置這些連接線，減少各種寄生耦合。導(dǎo)線的引線電感對于低頻來說，沒有大的影響，但對高頻的影響是不能忽視的，必須盡量減少引線電感，為了抑制感應(yīng)干擾，高頻時應(yīng)采用同軸電纜或屏蔽雙絞織線，且導(dǎo)線應(yīng)盡可能短；在測試系統(tǒng)中，有不同用途的連接導(dǎo)線，如電源線、射頻線、音頻線、控制線等，要進行分類，使不同類別的導(dǎo)線盡量遠離，且不要平行排列，為了避免輻射耦合，連接導(dǎo)線最好使用屏蔽線，此外導(dǎo)線的粗細與噪聲有關(guān)，要選擇適當?shù)倪B接導(dǎo)線，是測量前的準備。

5．3屏蔽

為了抑制電磁干擾，無論是外部干擾，還是內(nèi)部干擾，都必須對干擾源或接收器進行屏蔽，然而，在電子測量中，這種方法只能應(yīng)用于抑制外部干擾，對于測試系統(tǒng)內(nèi)的干擾，采用屏蔽是不太可能。

5．4浮置

浮置是指電子測量裝置的公共線（信號地線）不接大地。浮置與屏蔽接地相反，屏蔽接地的目的是將干擾電流從信號電路引開，即不讓干擾電流經(jīng)信號線，而是讓干擾電流流經(jīng)機殼或屏蔽層到大地，浮置是阻斷干擾電流的通路，測量系統(tǒng)被浮置后，加大了測試系統(tǒng)公共線與大地之間的阻抗，大大減少了共模干擾電流，可以提高共模干擾抑制能力。

但是，浮置不是絕對的，測試系統(tǒng)公共線與大地之間的阻抗雖然很大（絕緣電阻級），可大大地減少電阻性漏電流干擾，但它們之間仍存在寄生電容，即容性漏電流仍存在。

5．5濾波

濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施，無論是抑制干擾源和消除耦合或提高系統(tǒng)的抗干擾能力，都有可以采用濾波技術(shù)，任何使用交流電源的電子設(shè)備，噪聲會通過電源線傳導(dǎo)耦合到電路中，形成干擾，為了抑制這種干擾，在測試系統(tǒng)的交流電源進線端使用濾波器是十分必要的也是常用的抗干擾方法。

在測量過程中，會遇到各種各樣的問題，需要測量技術(shù)人員認真進行分析解決，不要輕易被測電子產(chǎn)品下不合格結(jié)論，一定要分清是測量儀器問題、測量方法問題、測量環(huán)境問題與其無關(guān)時，才可給被測產(chǎn)品下結(jié)論。尤其是在自動測試過程中，測量人員要善于分析測量結(jié)果，排除各種干擾，提高測量的準確性和可靠的數(shù)據(jù)。測量人員必須具備良好的業(yè)務(wù)素質(zhì)，還要具備分析問題和解決問題的能力。