李菊 谈小虎

摘 要：电气设备的多样性使专用系统试验现场存在复杂的电磁环境，而保证数据采集装置采集信号的可靠性是对整个系统的关键要求，作为专用系统中的敏感设备，数据采集装置的抗扰度指标应达到标准要求。现首先依据GJB 151B—2013完成数据采集装置的电磁兼容性试验，给出各项测试结果;然后针对测试项CS114 10 kHz～400 MHz電缆束注入传导敏感度进行分析整改;最后采取增加共模、差模电感以及滤波电解电容等措施，使其通过测试。

关键词：数据采集装置;电磁环境;敏感设备;CS114

中图分类号：TM937.3  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）09-0037-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.010

0    引言

数据采集装置作为专用系统保护装置的一部分，其可靠性直接影响着整个系统试验的顺利实施，这种可能受电磁干扰影响的设备被称为敏感类设备。在专用系统试验现场，多种电气设备形成的电磁环境中存在各式各样的传导干扰和辐射干扰，干扰以传导和辐射的方式进入EUT内部电路，会使模拟信号的输入/输出与预期偏离，造成数字电路的控制失效或误动作，甚至引起微处理电路的程序出错、存储和读取数据错误。通过系统电磁环境试验，得到了系统中存在的干扰类型及干扰强度。但干扰源的非理想化及宽频率范围的特点[1]，导致现场存在的干扰源无法直接模拟，因此，依据《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》（GJB 151B—2013）标准，选取接近的干扰波型及干扰等级对数据采集装置进行EMC摸底试验，给出试验结果。其中，在CS114 10 kHz～400 MHz电缆束注入传导敏感度项目中，在低频段出现了监测电流值超出合理范围的情况，通过对内部结构进行分析，找出整改方案，并验证其有效性。

1    数据采集装置

信号采集作为状态监测与诊断系统的前端，其主要功能是通过传感器将现场物理信号转换为模拟信号，再经过调理、采样、量化、编码等步骤转化为数字信号，并由计算机进行处理、存储、发送[2]。信号采集的准确性和可靠性直接影响监测系统的整体性能，因此对于信号采集的要求非常高。

1.1    装置组成及原理

数据采集装置由电源模块、信号采集及处理模块、信号转换模块、预置显示模块和故障输出模块组成。信号采集及处理模块采集电信号，再通过信号转换模块，将其转换为4～20 mA标准信号，发送至安全监控单元;故障信号输出至电控装置，实现相应的保护功能。数据采集装置原理框图如图1所示。

1.2    装置EMC测试及结果

依据专用系统现场存在的电磁干扰类型及强度，参照《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》（GJB 151B—2013）标准，选取了10个测试项目，开展数据采集装置电磁兼容性摸底试验。试验要求及结果如表1所示。

本次测试首先开展的是CS114 10 kHz～400 MHz电缆束注入传导敏感度项目的测试，优化整改通过测试后，其他项目在此基础上均通过测试。

2    CS114试验过程及结果

CS114 10 kHz～400 MHz电缆束注入传导敏感度试验的目的是确保采集装置受到内外天线发射电磁场在其线缆上形成的电流的影响下，性能不下降。干扰采用对地共模方式施加到EUT各个被测接口电缆上[3]。依据标准确定的测试频段为10 kHz～400 MHz，电流注入，正弦波，1 kHz，占空比50%的脉冲调制;试验等级根据GJB 151B—2013中陆军限值的规定，10 kHz～2 MHz按照曲线3规定的校验限值，2～400 MHz按照曲线4规定的校验限值的试验信号（陆军地面标准）进行试验，限值曲线如图2所示。

2.1    试验布置

数据采集装置安装在金属接地平板上，模拟实际安装情况。将检测探头置于距数据采集装置5 cm处，将注入探头置于距检测探头5 cm处，干扰信号通过电流钳感性耦合注入到被测电缆上。试验布置如图3所示。

2.2    敏感度判据

在整个试验过程中，输出端串接电流表进行测试，要求数据采集装置的输出电流范围为：干扰未施加时的输出值±20 mA×1%F.S.，判定合格。

2.3    试验结果

2.3.1    完整的电源电缆

干扰注入电源线缆（正负两根）。干扰未施加时，输出电流值为4.002 mA。干扰信号施加过程中的电流值范围如表2所示。

2.3.2    电源线正极

在电源线正极单独施加干扰信号：全频段正常。

2.3.3    输入信号线（正常4.112 mA）

输入信号线上施加干扰时的电流值范围如表3所示。

2.3.4    输出信号线（正常4.09 mA）

输出信号线上施加干扰时的电流值范围如表4所示。

试验分别对输入、输出信号线及电源线进行了电缆束注入传导敏感度项目的测试。电源线单线不受注入干扰的影响;双线及信号线均有影响，其中在2～100 MHz干扰最强，最强频点为37 MHz。

3    优化改进及结果

3.1    原因分析

针对2～100 MHz电流超标情况进行分析，此干扰是由射频连续波感应引起的传导干扰，频率较低的辐射干扰波长较长，主要通过EUT接口线接收进入内部，若接口处有滤波器，则部分干扰信号会被滤波器衰减，剩余干扰信号沿电缆进入EUT内部形成干扰。干扰通过外壳直接进入的效率非常低，此采集装置为金属外壳，若该电缆为屏蔽电缆，则干扰信号会部分分流到外壳，可以通过在线缆上加超微晶磁环的方式，来增强电缆的屏蔽效能。因此，首先在输入电源线接口处接入滤波器，并在电源线上加超微晶磁环。

3.2    优化改进

3.2.1    电源线优化及测试

针对电源线注入传导干扰的超标问题，现场优化措施如表5所示。

考虑到最终实施过程中，滤波器占据的空间比较大，因此最终整改方案为电源线加6.2 mH白色共模电感及22×14×8超微晶小磁环两个，分别穿4匝及7匝。

3.2.2    整机优化及测试

对数据采集装置内部线缆进行屏蔽处理，信号输入线采用屏蔽效果好的屏蔽线缆。电源线增加了共模、差模电感以及滤波电解电容，套屏蔽网并接地;输入、输出信号线增加共模电感。插箱24 V电源端加10 mH共模电感，优化实物图如图4所示。

最终试验结果如表6所示，因条件限制4～20 mA输出线在没有屏蔽网及输出电感的条件下，在2～100 MHz测试时不能达标，也需按上述条件进行整改;其他所有线在上述条件都满足的情况下测试，都能达标。

3.3    整改電路分析

被测电缆回路的阻抗变化会对实际加载的干扰电流产生影响，尤其是低频段，干扰影响比较明显，阻抗越小，施加到被测电缆上的干扰电流就越大，可以在设计时增加负载阻抗，或者使用磁环等可以使被测电缆阻抗发生变化的措施，来增强被测系统的抗干扰能力[4-5]。实际整改措施如图5所示，通过直接在数据采集装置电源模块内部电路增加20 mH差模电感以及增大滤波电解电容CP2的方式，有效抑制了CS114在2～100 MHz传导干扰，数据采集装置顺利通过CS114试验。

4    结语

对于数据采集装置这类极易受到电磁干扰影响的敏感类设备，可通过增加输入/输出共模、差模电感和滤波电解电容的方式，利用共模和差模滤波方式来增大回路阻抗，降低原有电磁干扰影响，减少传导干扰对数据采集准确性的影响。本文通过对输入/输出线采取屏蔽措施，对电源线及信号线增加共模、差模电感以及滤波电解电容的措施，降低了传导干扰对数据采集准确性的影响。未来，可以对输入和输出线屏蔽线缆材质、屏蔽措施做进一步分析和优化，也可以进一步研究设备整体的电磁屏蔽性能。

[参考文献]

[1] 邓建球，郝翠.强电磁脉冲耦合与电源防护研究[J].微波学报，2017，33（6）：85-89.

[2] 贾民平，张洪亭，周剑英.测试技术[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3] 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量：GJB 151B—2013[S].

[4] 朱文立，陈燕，郭远东.电子电器产品电磁兼容质量控制及设计[M].北京：电子工业出版社，2015.

[5] 赵东杰.关于CS114 4 kHz～400 MHz电缆束注入传导敏感度的研究[J].电子质量，2020（11）：117-120.

收稿日期：2022-02-14

作者简介：李菊（1988—），女，河北廊坊人，硕士研究生，工程师，研究方向：专用电源可靠性技术。