第十三讲 电磁兼容性基础知识

电源干扰的抑制与接地技术
• 机壳与安全接地相连常采用一点接地形式，屏蔽 接地与安全接地相连也常采用一点接地形式
• 信号接地形式有一点接地和多点接地。
– 在一点接地形式中应使用并联一点接地，因为串联的一点接地易 引起各单元电路接地电位的差异，造成相互干扰。
– 对高频信号处理单元为避免过长的连线，可采用多点接地形式， 即各电路以最短的距离分别接到就近的低阻抗接地排上。
– 电子设备的接地方式有三种
• 浮地方式： • 直接接地方式： • 电容方式 ：
电源干扰的抑制与接地技术
– 浮地方式
• 将信号接地与大地隔离，使其处于悬浮状态。 • 浮地方式的特点是对地的电阻较大，对地分布电容很小，因
此由共模干扰引起的干扰电流很小。 • 但当设备附近有高压时，由电场耦合引起的静电感应会影响
• 工业用高频设备：塑料热合机、高频加热器、高频电焊机等 • 高频医疗设备：甚高频或超高频理疗装置、高频手术刀、电测仪、X光机等 • 电力传动设备：各种直流、交流伺服电动机、步进电机、电磁阀、接触器等 • 电力电子器件组成的变流装置：可控整流器、逆变器、变频器、斩波器 • 电力传输设备：高压电力传输线、高压断路器、变压器等；内燃机中的点火系统、发
– (2). 继电器隔离
• 继电器的线圈与触点之间没有电气上的联系，因此可通过驱动继电 器线圈来控制触点的闭合或断开。
隔离与屏蔽技术
– (3). 变压器隔离
• 利用变压器可隔离直流信号的特点，可用于它对信号和电源进行隔 离。交流电源变压器则是保障电气安全的重要措施。
– (4). 布线隔离
• 对易产生噪声的电路，如电感性负载（如继电器驱动电路、电机驱 动电路）、晶闸管整流电路、功率放大电路、开关电源、供电线路 等，通过合理布线，抑制噪声源对微弱信号处理电路的干扰。
– (4). 耦合与耦合途径（Coupling & Coupling Paths）
• 耦合泛指系统间或一个系统的各部分之间相互作用而彼此发生关联的 现象。
• 耦合途径是指干扰源对受扰体发生作用时，电磁能量的传输介质，亦 称耦合通道。
• 耦合途径有传导、感应和辐射。
电磁兼容性
– (5). 传导与辐射（Coduction & Radition）
– 控制系统中通常有弱电控制部分和强电控制部 分，两者之间既有信号上的联系，又有隔绝电 气的要求。
• 抑制信号之间的干扰、电源之间的干扰 • 保证设备和操作人员的安全
隔离与屏蔽技术
• 隔离方式有光电隔离、继电器隔离、变压 器隔离和布线隔离。
– (1). 光电隔离
• 光电隔离就是利用光电耦合器件将电信号转换为光信号，然后再将 光信号转换为电信号，实现电气的隔离。
电磁兼容性
– (3). 噪声源与受扰体（Noise source & Susceptor）
• 噪声源就是产生噪声的主体，也称干扰源，如雷电、继电器、可控硅、 电机、高频时钟等都可能成为干扰源。
• 受扰体就是受到干扰危害的装置、设备或系统，受扰体亦称受干扰对 象或干扰对象，受扰体通常对噪声有较高敏感性（susceptibility）， 如A/D、D/A变换器、单片机、数字IC、弱信号放大器等。
内容提要
31 电磁兼容性 32 噪声的分类和耦合方式 3 隔离与屏蔽技术 34 电源干扰的抑制与接地技术 35 Watchdog技术 36 数字滤波技术
电源干扰的抑制与接地技术
• 1. 电源干扰的抑制
– 根据许多工程统计分析和经验可知，工业控制系统中大部分的干 扰来源于电源的干扰，因此，抑制电源干扰是控制系统的最基本 要求。
隔离与屏蔽技术
• (3). 电磁场屏蔽
– 采用低电阻材料、减小平行于导体电流的网孔 大小则有利于屏蔽效果。
• 高频电磁场用金属层或金属编织网，利用高频电磁场中的金属会产 生涡流，来消耗空透金属的电磁场能量。
• 低频电磁场得用高导磁率的铁、玻莫合金或铁氧体材料来进行屏蔽。
– 为了抑制电磁场对信号线的干扰，应避免使用 平行电缆，而是应采用同轴电缆或双绞线，在 控制系统中，信号传输更多地是采用双绞线。
电磁兼容性
• 由噪声干扰引起设备或系统性能下降现象 的产生，必须满足4个条件：
– 噪声的发生（即有噪声源的存在） – 噪声的接收（即有受扰体的存在） – 噪声的传播（即有耦合途径的存在） – 以及上述三者在时间上的一致性。
内容提要
31 电磁兼容性 32 噪声的分类和耦合方式 3 隔离与屏蔽技术 34 电源干扰的抑制与接地技术 35 Watchdog技术 36 数字滤波技术
• (1). 电源干扰的来源
– 切换感性负载产生的瞬变噪声干扰 – 电力线从空间引入的场型干扰 – 由启动大功率设备引起的瞬时电压下降的干扰 – 由晶闸管等设备引起电源波形畸变而产生的高次谐波干扰
电源干扰的抑制与接地技术
• (2). 电源干扰的耦合途径
– 直接通过电源导线的耦合 – 经交流变压器产生的电磁耦合 – 由分布电容产生的电容耦合 – 由电源内阻产生的公共电阻耦合
接地等。
内容提要
31 电磁兼容性 32 噪声的分类和耦合方式 3 隔离与屏蔽技术 34 电源干扰的抑制与接地技术 35 Watchdog技术 36 数字滤波技术
隔离与屏蔽技术
• 隔离技术
– 隔离技术就是切断噪声源与受扰体之间噪声通 道的技术，其特点是将两部分电路的地线系统 分隔开来，切断通过阻抗进行耦合的可能。
– (2). 电磁骚扰和电磁干扰（Electromagnetic disturbance & Electromagnetic interference）
• 电磁骚扰是泛指对装置、设备、系统或者有生命物体产生损害作用的电磁现 象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。
• 电磁干扰（简称EMI）是指由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能下 降。
• 传导是通过导线传播电磁能量的耦合方式，具体有电导耦合、电感耦合、电 容耦合、公共阻抗耦合等。
• 辐射是通过自由空间传播电磁能量的耦合方式。
– (6). 系统间干扰和系统内干扰（Inter－system interference & Intra －system interference）
• 系统间干扰是指由其他系统对一个系统造成的电磁干扰。 • 系统内干扰是指系统中出现的由本系统内部电磁骚扰引起的电磁干扰。
• (3). 按噪声传导模式分类
– 常模噪声 – 共模噪声
噪声的分类和耦合方式
• 常模噪声
– 又称差动噪声、串模噪声、横向噪声、线间感 应噪声或对称噪声
– 常模噪声与有用信号串在一起，噪声电流In与 有用信号电流Is在线路中的流向是一致的
– 采用滤波方法来抑制。
噪声来自百度文库分类和耦合方式
• 共模噪声
– 又称地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。 – 抑制共模噪声的方法较多，如隔离、屏蔽、
– 设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对 该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的 能力。
电磁兼容性
• 电磁兼容实际有两方面的含义
– 一方面是设备或系统对来自周围环境中的电磁 干扰，应具有足够的抗御能力。
– 一方面是设备或系统产生的电磁干扰，不应对 周围设备造成不能承受的干扰，也不应对周围 环境造成不能承受的“污染”。
• 电场屏蔽 • 磁场屏蔽 • 电磁屏蔽
隔离与屏蔽技术
• (1). 电场屏蔽
– 处于高压电场的电阻抗回路，是电场干扰的主要形式。 – 任意形状的导体置于电场中，电力线将终止于导体表面，而不能
穿过导体进入空腔，因此，置入在导体空腔内的物体将不受外界 电场的影响。 – 可用屏蔽材料包绕在电子设备和信号传输线外层，形成导体空腔。 – 实际应用时，须将屏蔽层接地，使导体空腔内的电势值也不受外 界电场影响，同时导体空腔内产生的电场也不影响外界。
电源干扰的抑制与接地技术
• 2. 接地技术
– 电气设备中的接地有三类
• 安全接地：设备金属外壳与地球大地相连，以保证设备和人身安全。 • 信号接地：信号回路与基准导体相连，基准导体又称参考零电位、系统地，
这种接地的目的是提供稳定的参考基准电位，同时也对抗干扰有重要影响。 • 屏蔽接地 ：为电缆、变压器等屏蔽层提供接地，以抑制电场、磁场的干扰。
• 合理布线使微弱信号处理电路在空间距离上尽可能远离噪声源，但 在有限的空间内，有时难以靠布线来隔离，这时就需要使用屏蔽技 术。
隔离与屏蔽技术
• 屏蔽技术
– 屏蔽主要运用各种导电材料，制造成各种壳体 并与大地连接，以切断通过空间的静电耦合、 感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传 播途径。
– 根据干扰的耦合通道性质，屏蔽可分为
– (7). 内部抗扰性和外部抗扰性（Internal immunity & External immunity）
• 内部抗扰性是指装置、设备或系统在其输入或天线处存在电磁骚扰时能正常 工作而性能没有降低的能力。
• 外部抗扰性是指装置、设备或系统在电磁骚扰经由除输入端或天线以外的途 径侵入情况下，能正常工作而性能没有降低的能力。
电磁兼容性
• 常用名词说明
– 1). 噪声与干扰（Noise & Interfering）
• 噪声是一种明显不传送信息的信号，它可与有用信号叠加或组合，并使有用 信号发生畸变。
• 噪声会损害有用信号的接收，并可引起装置、设备或系统性能降低，甚至不 能正常工作，具有危害性的噪声称干扰。
• “噪声”与“干扰”有时也不严格区分，一般在讨论对有用信号影响程度时， 多用“噪声”一词，而讨论危害作用时，多用“干扰”一词。
第十三讲 电磁兼容的基础知识
彭小明 汽车与工程机械学院
内容提要
31 电磁兼容性 32 噪声的分类和耦合方式 3 隔离与屏蔽技术 34 电源干扰的抑制与接地技术 35 Watchdog技术 36 数字滤波技术
电磁兼容性
• 电磁兼容性（EMC：Electromagnetic Compatibility）的概念
噪声的分类和耦合方式
• 按噪声产生的位置分类
– 自然噪声
• 雷电、火花放电、台风、火山喷烟、黄砂、飞雪、太阳噪声等。其中雷电是经常遇到 的，它从较低频率(数千赫兹)到VHF射频段(30—300MHz)或更高的频段内产生干扰。
– 人造噪声
• 有触点的家用电器和民用设备：电冰箱、电熨斗、电磁开关、继电器等；使用整流子 电动机的机器：电钻、电动刮胡刀、电按摩器、吸尘器、电动搅拌机、牙科医疗器械； 家用电力半导体器件装置：硅整流调光器、开关电源等
电机、电压调节器、电刷等 • 无线电发射和接收设备：移动通信系统、广播、电视、雷达、导航设备等；高速数字
电路设备：计算机及其相关设备等。
噪声的分类和耦合方式
• 按噪声产生的原因分类
– 热噪声 – 接触噪声 – 放电噪声 – 高频振荡噪声 – 感应噪声 – 反射噪声 – 浪涌噪声 – 辐射噪声
噪声的分类和耦合方式
电源干扰的抑制与接地技术
内容提要
31 电磁兼容性 32 噪声的分类和耦合方式 3 隔离与屏蔽技术 34 电源干扰的抑制与接地技术 35 Watchdog技术 36 数字滤波技术
人身安全。
电源干扰的抑制与接地技术
– 直接接地方式
• 将信号接地与大地相连，当设备体积较大时，采用直接接地方式可 使系统的基准电位不易受静电干扰，但易受共模干扰。
– 电容方式
• 将信号接地与大地之间用电容相连。电容方式可抑制高频干扰通过 分布电容对系统造成的影响。电容方式主要工作在信号地与大地之 间存在直流或低频电位差的情况，所用的电容应具有良好的高频特 性和耐压性能，容量一般可选2.2～10μF。
电源干扰的抑制与接地技术
• (3). 电源干扰的基本抑制方法
– 使用电源滤波器 – 使用交流净化电源 – 采用电源去耦电路 – 采用电源变压器屏蔽措施 – 使用在线式UPS不间断电源 – 采用各单元电路分开方式供电 – 对不同类型用电设备（动力用电、照明用电、控制设备用电、信
号处理用电等）采用分类供电方式
隔离与屏蔽技术
隔离与屏蔽技术
隔离与屏蔽技术
• 2). 磁场屏蔽
– 使用高导磁率的材料作屏蔽体
• 如用铁皮包在变压器的侧面，为漏磁提供回路，以减小对外界的影 响
• 如为抑制外界磁场对信号电路中受扰体（如脉冲变压器等）的影响， 可用导磁率高的材料将信号电路屏蔽起来。
– 一般来说磁场干扰以低频磁场干扰为主，高频 磁场通常与电场并存，即以电磁场干扰形式出 现。