【摘 要】 在電子電路的應用過程中，或多或少的受到環(huán)境的電磁干擾，對于測控系統(tǒng)來說，一般表現(xiàn)為測量精度降低。針對這種情況我們往往采取各種手段來保證精度，但是在保證精度的同時系統(tǒng)也一直工作于存在各種惡劣電磁條件的環(huán)境中，造成部分設備損壞或者整個系統(tǒng)的損壞。本文簡要概述一下幾種電磁干擾的產生及進入系統(tǒng)的途徑；幾種保證精度的方法及在保證精度的情況下存在的隱患；系統(tǒng)工作在有隱患的情況下如何zui大程度的保護整個系統(tǒng)的安全。
【關鍵詞】 電磁干擾；測控精度；系統(tǒng)隱患和保護；模塊化設計
引 言
實際的電子電路設備和系統(tǒng)的應用中，總歸是依靠模擬信號和數(shù)字信號的運算、處理和傳輸?shù)仁侄?，實現(xiàn)各種目的和功能。設備和系統(tǒng)的工作總是處在一定的電磁環(huán)境中的，不管這種環(huán)境是可以預期或者不能預期，設備和系統(tǒng)總是或多或少的受到一定程度的干擾，導致電路會產生不同程度的電壓變化。電壓變化的程度取決于電磁環(huán)境中干擾條件的強弱，以及系統(tǒng)對干擾防護能力的強弱。系統(tǒng)的抗*力差往往會出現(xiàn)延時、畸變、衰減等等，從而導致諸如測控系統(tǒng)精度降低、控制系統(tǒng)無法正常工作等等，一些不可預見的后果。以下對幾種電磁干擾情況中略提幾種，并針對電磁防護闡述個人觀點意見。
一、ESD和感應雷擊防護
ESD可以解釋為靜電釋放，同時它指的是靜電產生和防護的一個學科。靜電的產生可能是摩擦、極化等等，我們不做具體闡述。靜電的特點是凝聚時間長、電壓高，除開自然界的帶電云體之類的情況外，一般靜電蘊含的電量都比較低，但是靜電的釋放往往發(fā)生在很短的時間內，產生一個很強的脈沖來干擾或者破壞系統(tǒng)。
在實際使用中，自然界形成的雷電是zui嚴厲的放電情況，放電的過程是帶電云體中蘊含的電量一次性釋放的過程。這種帶電云體體積一般都相當大，而水的電容系數(shù)為僅次于硫酸的81，因此帶電云體存儲的能量是非常大的，一次雷擊所釋放的能量也是相當大的。當電子設備和系統(tǒng)直接遭到雷擊時，設備的損壞幾乎是不可避免的，哪怕僅僅是有一些傳遞到系統(tǒng)的感應雷擊都很難避免設備損壞。
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1、系統(tǒng)的靜電防護
如圖1-1，為帶有避雷地線的三相發(fā)電機輸送簡圖。
圖1-1
紅線A、B、C表示高壓輸送線路，高壓輸送線路一般都用鐵塔空架支撐，用以對幾十萬伏的交流電進行遠距離傳送，這種情況下其經常受雷擊是不可避免的；為了避免雷擊，一般都在高壓線路的上方平行架設一條地線，這條地線一般稱為避雷地線。所謂地線就是與大地相連的導線，當打雷的時候，雷電首先會打到避雷地線上，避雷地線可把雷電引入地球，避免高壓輸送線路被幾億伏，乃至十幾億伏的雷電把發(fā)電機或變壓器的線圈與外殼擊穿，以及把與線路連接的其它電器設備遭受瞬間高壓沖擊而損壞。
避雷地線之外，發(fā)電機和變壓器的外殼也要接地，這種接地叫防護接地。防護地線與避雷地線兩者是不同的，防護地線與避雷地線的zui大區(qū)別是，防護地的地線一般沒有電流通過，而避雷地的地線在打雷時有非常大的電流通過，電流可大于數(shù)十萬安培。避雷地的主要作用是把雷電高壓引入地球，以降低雷電高壓對電子設備的沖擊；而防護接地則是讓設備外殼的電位與地球相同，避免設備內部電路在強電場之下感應帶電產生位移電流，以及人體觸摸電子設備外殼時不會觸電。因此，兩者要做*分開的兩個不同的接地端。
雖然避雷地線和電子線路中的地線都要接地，但是兩者一定分開兩個*不同的接地端。
（1）汽車衡的避雷地線架設
相對于高壓輸電線路，雖然一般汽車衡受到雷擊的可能性要小很多，但是汽車衡作為安裝在室外的金屬設備，還是有一定概率受到感應雷擊或者雷擊的，特別是在一些雷電高發(fā)的地區(qū)的雷雨季節(jié)，避雷地線的架設還是能起到一定作用的。
如圖1-2，要求現(xiàn)場電源已經有良好接地樁，將秤臺良好接到此地線上。在離開原來接地樁一定距離再打一個接地樁作為避雷地，在需要防護的秤臺上空單獨架設避雷地線。
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（2）感應雷擊防護
圖1-2
與高壓輸電線路不同的是，汽車衡是安裝在地表的設備，高度十分有限，如果是地下衡，衡器的高度都不會超過地表，所以受到直接雷擊的可能性很小，但是受到周邊感應雷擊的可能性就要大很多。這個時候，衡器上方的避雷地線并不能起到很好的防護作用，因為感應雷擊可能來自各個方向。
假設，整個汽車衡安裝在一個金屬殼體內部，這個金屬殼體具備通過一個無限大電流的能力且良好連接在避雷地上，汽車衡的防護地和避雷地通過有一定距離的大地連接在一起，那么整個系統(tǒng)應該具有良好的抗雷擊能力。
實際上我們做不到這樣的一個防護結構，我們退而求其次，在可能受到感應雷擊的幾個方向，有針對性的架設幾條避雷地線。期望架設好的這幾條避雷地線就可以將這幾個方向的感應雷擊直接導入大地，從而達到理想的效果。
2、稱重顯示器的接地
汽車衡作為一種測控系統(tǒng)，稱重顯示器是信號的處理和控制設備，對于信號線上竄入的靜電會有一定的反應，強度比較低的會引起稱量不準，達到一定強度是更會損壞整個儀表，因此信號的傳輸一般都選用屏蔽線。當顯示器直接受到靜電干擾時，同樣的也會帶來不好的影響。某些情況下，我們也會選擇將顯示器內部地線直接接到信號的屏蔽和地線上。對于靜電干擾來說，這種處理方法是很有效果的，因為靜電都是在地線和屏蔽上流過，不會進入模擬電路和數(shù)字電路。但是顯示器一般設計為弱電下工作，就算靜電僅僅在地線和屏蔽上流過，強度達到一定程度時，比如達到雷擊的強度，能量會直接通過電弧的形式進入模擬電路和數(shù)字電路，依然不可避免的會損壞顯示器。因此當雷雨天氣的時候要斷開顯示器所有的信號線，不管安裝在室內還是室外，雷擊的能量都會通過連接線損壞儀表。
3、避雷地線和防護地線直接連接帶來的問題
如果沒有避雷地線，雷擊和感應雷擊一般通過金屬秤臺進入防護地線，再竄入系統(tǒng)造成設備損壞。避雷地線的目的是在雷擊和感應雷擊進入防護地線之前將能量通過避雷地線直接導入大地。避雷地線在保護系統(tǒng)的同時，避雷地線受到雷擊的可能性也會大很多，這時候避雷地線和防護地線的
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連接就很關鍵，如果兩者直接連接，避雷地線引導的能量在導入大地之前會直接傳入系統(tǒng)，反而會大大增加系統(tǒng)損壞的可能性。
因此避雷地線的架設必須通過一個單獨的地樁，或者通過其他方式保證避雷地線引導的能量不會傳入系統(tǒng)。
二、傳導干擾
傳導干擾是指干擾信號通過信號線或公共電源線進行傳輸，互相產生干擾。比如使用吸塵器時，收音機會出現(xiàn)啪啦啪啦的雜音，其原因是吸塵器的電動機產生微弱的低強度高頻率電壓、電流通過電源線傳遞入收音機，以雜音的方式放了出來。
1、共模干擾和差模干擾
類似RS485這種用兩根通信線的電壓差傳輸信號的方式，除了兩根通信線以外，還存在著第三導體作為參照，485的差分電壓傳輸就是以地作為參照。導線上的干擾通過兩根信號線作為往返傳輸?shù)穆窂?，這種就是差模干擾；導線上的干擾通過兩根信號線作為去路，而以作為參照的地線為返回路徑就是共模干擾。
2、來自于電源的傳導
電源線上的傳導同樣可以分為兩類：在火線和零線之間流動的干擾電流就是差模干擾電流，在火線、零線與地之間流動的干擾電流就是共模干擾電流。
圖2-1
如圖2-1，每一個回路就相當于一個感應線圈，C1、C2、C3、C4是各主要部分的對地電容或對機殼的電容，R1、R2、R3是地電阻或機殼的電阻（機殼接地）；i1、i2、i3、i4是開關電源電路中幾個主要部分的回路電流?？梢钥闯?，i1、i2、i3 之間具有代數(shù)和的關系，因此只要3個電流中有一個電流的高頻諧波對其它電路產生干擾，那么3個電流都會對其它電路產生干擾，這種不通過地線的干擾是差模信號干擾。
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i4通過磁感應產生，與i1、i2、i3沒有直接連接，因此i1、i2、i3的傳導不會傳到到i4，i4只有自身產生的差模信號干擾才會傳入U0。但它可能會產生比較嚴重的共模信號干擾，i4產生共模信號干擾的主要回路一個是通過對地電容C4。
i5、i6、i7、i8，這四個回路電流通過電磁感應產生的，且經過電容與大地相連，因此i5、i6、i7、i8這四個回路電流全部都屬于共模信號干擾電流。
（1）電源的傳導的處理
在產品的線路設計階段，要注意的是盡量減少每個電流回路的有效面積，這是zui有效的方法，即便是工作在干擾嚴重的環(huán)境中，也可以讓大部分影響互相抵消。
當zui終產生在變壓器輸出端的干擾，需要通過濾波和屏蔽的方式來處理。相對來說，低頻干擾對設備產生的影響是比較有限的，但在高頻階段，所帶來的影響是不能忽視的。這個時候我們在變壓器的輸出端加上一個磁環(huán)作為低通濾波，僅通過低頻干擾，將高頻的傳導干擾去除。
在設備的電源輸入端我們會加上幾個對地電容，來消除不同頻率的傳導干擾，大電容消除低頻高能量的毛刺，小電容去除高頻低能量的毛刺，這里所說的高頻頻率比前面所說的低通濾波去除的高頻要低很多。
對于差模干擾來講，傳播的原理是通過兩根相鄰的導線傳導，并且電流大小相等，電流方向相反，這個時候它們產生的磁力線可以互相抵消，因此很多時候差模干擾的影響要小很多。
3、來自于接口的傳導
接口的傳導干擾與電源類似，只是干擾的載體變成了信號線，比如前面介紹的RS485通訊方式：用兩根通信線的電壓差傳輸信號，以地作為第三導體參照物。與電源上的傳導不同的是，信號線的干擾不是由電源帶進來的干擾，而大多是由輻射的方式耦合進通訊的線路中，再竄入設備的。竄入設備的方式有以兩根信號線作為往返傳輸?shù)穆窂交蛘咭詢筛盘柧€作為去路，而以作為參照的地線作為返回路徑。
（1）接口傳導干擾的處理
用在防護電源帶來的傳導干擾的幾種措施，大部分也可以用到接口帶來的傳導干擾的防護上。在通訊接口靠近設備的一端，加上磁環(huán)作為低通濾波，去除高頻干擾。在進入儀表的時候選擇合適的電容來消除相對高頻的干擾。
此外，雙絞線是防護信號線上傳導干擾的一種重要手段，雙絞線是由兩條相互絕緣的導線按照一定的規(guī)格互相纏繞在一起來傳輸同一路信號的一種配線，每一根導線在傳輸中輻射的電波會被另一根線上發(fā)出的電波抵消，從而達到防護傳導干擾的作用。不管是模擬信號的傳輸還是數(shù)字信號的傳輸，雙絞線都有很好的效果。
接口是信號傳輸途徑的一部分，當接口傳輸?shù)氖菙?shù)字信號的時候，我們可以通過光電的手段來保證信號傳輸途徑上*的電氣分離。我們知道傳導的干擾一定要通過導線來傳導，當信號線的電氣連接*分離是，傳導干擾無法進入設備，從而達到*去除傳導干擾的目的。
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稱重科技 三、輻射干擾
電磁輻射是一種客觀存在的物理現(xiàn)象，當電荷、電流隨時間變化時，在其周圍會激發(fā)起電磁波。在電磁波向外發(fā)射的過程中，會有一部分能量隨著電磁波輸送過去。在實際運用中，一個電路網絡必定會向外發(fā)射一定的電磁輻射，在電磁輻射發(fā)射范圍內，每個閉合的電路通路都會對電磁輻射產生反應，帶來電荷的流動，從而形成干擾。
輻射干擾就是指這種電路中的能量以電磁波的形式在空間傳播，然后通過接收體耦合到電路中形成干擾的一種方式。輻射干擾的傳播方式可以在一個電路網絡內部，也可以從一個電路網絡傳輸?shù)搅硪粋€電路網絡。
1、輻射干擾對PCB的影響
如圖2-1，假設電路處在一個輻射電磁場中時，每一個回路都會發(fā)送感應電荷的流動，形成干擾電流。輻射的強度越大，這種電路的強度也越大；輻射的頻率越高，這種感應電流就非常不穩(wěn)定。一個隨時在變化的很大的干擾電流對電路網絡的影響非常大，尤其是作為信號采集的模擬電路，會導致采集的信號*偏離實際值，造成系統(tǒng)癱瘓。如果除了信號采集系統(tǒng)中還有相應的控制功能，那么很可能會帶來更為嚴重的后果。
2、變壓器產生的輻射
圖3-1
如圖3-1，變壓器在電磁轉換過程中，工作效率不可能100%，因此，也會有一部分能量損失，其中的一部分能量損失就是因為產生漏磁。變壓器的漏磁是非常重要的一種干擾途徑，產生的干擾是非常嚴重的，這些漏磁通穿過其它電路的時候，也會產生感應電動勢。
變壓器產生的漏磁通穿過其它電路時，在其它電路中也產生感應電動勢，其中漏磁通M1、M2、M3、M4產生的感應電動勢e1、e2、e3、e4屬于是差模干擾信號；M5、M6、M7、M8產生的感應電動勢e5、e6、e7、e8屬于是共模干擾信號。
3、由天線耦合進系統(tǒng)的輻射干擾
輻射的干擾是一種通過耦合方式進入電路的，耦合是電磁波通過天線將能量轉換為電流的過
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程，輻射對PCB的影響就是電磁波將PCB上的線路做為天線耦合進電路的。雖然我們不希望輻射對系統(tǒng)帶來影響，但是系統(tǒng)裸露在外的通信線是很好的接受輻射干擾的天線，不可避免的會受到輻射的影響，然后通過傳導的方式進入系統(tǒng)。
4、輻射的防護
對于電子電路來說，減小回路面積的效果是相當好的。減小回路面積有一種簡單的方法，就是在信號線邊上布一條地線，這條地線應盡量靠近信號線，這樣就形成了較小的回路面積。信號上產生共模干擾電流時肯定會取道這個面積zui小的回路，而不是其它地線路徑。如果是雙層線路板，應該在線路板的反面盡可能多的布滿地線。特別是緊靠近信號線的下面，布滿地線以后就形成了一個比較小的回路面積，回路面積等于線路板的厚度乘以信號線的長度。
通訊線上帶來的輻射干擾可以通過與防護傳導干擾類似的手段來防護。比如使用雙絞線，雙絞線除了可以抑制自身的傳導干擾向外輻射外，也能很好的抑制接收到的輻射干擾，如果使用帶屏蔽的雙絞線就能達到更好的效果。通訊線上的輻射干擾防護還可以通過光纖通信的方式，光纖通信可以*杜絕輻射干擾。通訊線的輻射干擾雖然是耦合在通訊線上的，但是需要傳導的方式進入設備，通訊線上的輻射干擾防護也可以通過光電隔離方式*隔離。
上面說過，變壓器的漏磁也是非常重要的一種干擾途徑，針對這種干擾，可以從處理輻射干擾的角度出發(fā)，用銅箔片在變壓器外圍進行磁屏蔽，從而降低電源上傳導干擾的強度。從原理上來說，銅箔片不是導磁材料，對漏磁通是起不到直接屏蔽作用的，但銅箔片是良導體，交變漏磁通穿過銅箔片的時候會產生渦流，渦流產生的磁場方向正好漏磁通的方向與相反，是部分漏磁通被抵消，銅箔片也可以起到磁屏蔽的作用。
四、各種抗干擾方式的問題
避雷地線的架設難度大、成本高，架設的過程也比較復雜，如果架設存在問題反而會增加受到雷擊的可能性。
防護地的接地可能帶來的是來自于防護地本身的干擾，比如防護地和避雷地直接連接是非常危險的，另外防護地沒有良好接地的情況下，防護地很可能會有很強的干擾。
使用雙絞線時，信號的傳輸距離、信道寬度和數(shù)據(jù)傳輸速度等方面均受到一定限制。使用光纖的成本非常之高，光纖的架設也是非常復雜的工程，而且光纖很容易受到破壞。
使用光電隔離的手段時，雖然可以減小干擾的影響，同時存在干擾的事實被隱藏了起來，可能造成系統(tǒng)的損壞，隔離的電路部分可能更容易損壞。