强度测量系统的电磁兼容性研究

2024-01-03曲浩然陈轶珩贾小雪

工程与试验 2023年4期

曲浩然,陈轶珩,贾小雪

(中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室,陕西西安 710065)

1 引言

电磁兼容性是现代电子技术发展中的一个重要问题,在工业领域中更为突出。随着工业自动化程度的提高和电子设备的广泛应用,各种电子设备之间的电磁干扰问题日益突出。在地面强度试验现场存在大量的干扰源,测控系统的电磁兼容性能直接影响试验结果的准确性和可靠性。因此,提高测控系统的电磁兼容性能,对于确保试验结果的准确性和可靠性具有至关重要的意义。本文对测量系统进行研究,旨在有效提升测量板卡的电磁兼容性,以满足工业领域中对电磁兼容性的严格要求。

2 技术原理

2.1 测量板卡设计分析

测量板卡硬件架构是以微处理器和信号采集电路为核心,同时包含网口转光纤模块、电源模块等,如图1所示。

图1 测量系统硬件架构图

传感器信号经过放大、运算等处理后进入数模转换器,转换后的数字信号经总线传输至微处理器进行其他操作。测量系统的电磁兼容性问题往往由开关电源、高频振荡器、接地不良、接头产生的电磁泄漏以及布局布线等问题引发,该板卡的典型问题如图2所示。

图2 测量系统板卡的典型问题

通过分析系统设计,发现测量板卡具有以下几个问题。首先,核心板供电与外部接口供电共用一个电源模块,且容量不足,可能产生供电不稳干扰;其次,核心板与载板使用模块设计,连接线路较长,且为上下层,抗干扰能力较差,接口处会产生电磁泄漏;部分PCB走线为直角,其可视为容性负载,对信号传输产生负面影响,同时带来阻抗不连续,信号反射,产生EMI等问题。

2.2 系统设计优化

电磁兼容性优化需要从抑制传导型干扰和辐射型干扰的措施入手,并有针对性地对数据采集卡存在的问题进行改进。通过引入更稳定的电源模块,替代分立式电源设计,预留电源容量,并在电源输入端增加TVS、ESD、气体放电管、过流自恢复保险等,从而抑制输入端的干扰和冲击,电源模块电路设计如图3所示。

图3 电源模块电路设计

电路的布局布线参数可能会在特定的频率产生干扰信号,通过常规手段往往难以解决,需要在布线中的特定位置增加电感、电容、磁珠等来改变电路的参数结构,使其移到限值以外的频率。为此,本文对电路进行了重新布局布线,将电源部分、输入接口及主控处理单元布局分离,互不干扰,如图4所示。为进一步有效地抑制通过空间传播的各种电磁干扰,将原有保护壳更换为金属材质,减少散热开孔尺寸与数量。

图4 测量板卡

3 试验验证

本试验由广电计量检测(西安)有限公司电磁兼容实验室按照《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》中规定的试验条件与方法开展,依次完成了电场辐射发射、电场辐射敏感度等试验,如图5所示。

(a) RE102试验配置图

电场辐射发射试验是考核系统的电磁辐射发射能否达到相关标准的限值要求,需用到规定的天线、频谱仪等设备,在标准规定的带宽和最小测量时间,使测量接收机在使用的频率范围内扫描,记录测试频谱曲线,观察数据是否超出标准规定的限值。电场辐射敏感度试验是验证系统抗辐射干扰的能力是否符合标准要求。按标准规定的试验条件和方法,测量系统完成了RE102和RS103中的试验项目,达到了合格的判据要求,试验数据曲线如图6所示。