电磁兼容性研究与应用.pdf
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电磁兼容性研究与应用.pdf
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山东大学硕士学位论文电磁兼容性研究与应用姓名:
刘宝忠申请学位级别:
硕士专业:
无线电物理指导教师:
张有志20070417原创性声明本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。
本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名:
日期:
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导师签名:
乏噬日山东大学硕士学位论文中文摘要电磁兼容是一门新兴的综合性学科,它涉及的基础知识非常广泛,主要包括电磁场理论、电工原理、电子技术、电磁测量、信号分析、机械结构、自动控制、生物医学、材料及工艺等等,电磁兼容是一门交叉性和复杂性很强的学科。
电磁兼容性是指设备在一个电磁环境中能正常工作的适应能力。
电磁兼容性设计是提高产品电磁兼容性的技术途径之一,也有利于电子产品打入国际市场。
在实际的电子系统中,由于数字信号的频率越来越高,PCB不仅是电子系统的支撑结构,而且也可能是存在EMI问题的系统结构。
为了使电子产品能够满足EMC的要求,必须深入研究PCB的电磁兼容设计原理和方法。
内容包括:
PCB互连线之间的传导耦合;PCB互连线在高频时的辐射效应;PCB电路导线或回路拾取外部的干扰信号等等。
单片机系统要实现电磁兼容性的设计要求,除了考虑在电路原理和PCB的布局上采取抗干扰措施外,必须合理地采用软件抗干扰技术。
软件抗干扰技术具有电磁兼容性高和容易修改等优点,无论噪声从什么位置进入,都可以用数字滤波等技术进行克服。
并且软件抗干扰技术可以降低系统的设计成本,也是硬件抗干扰技术的有利补充。
论文阐述了电磁兼容技术的发展历史与技术概况,研究了传输线理论和电磁干扰机理等电磁兼容的基本理论,论述了电子系统硬件和软件电磁兼容设计的基本方法。
以智能充电器的电磁兼容性为研究对象,蜊述了电磁兼容和电磁干扰等基本概念,并对传导性电磁干扰和辐射性电磁干扰的产生机理进行了分析,推导出基本的理论计算公式。
同时对两类干扰的抑制提出了详细的解决方法,为实现产品的电磁兼容提供了理论依据。
关键词:
电磁兼容;传导干扰;辐射干扰;数字滤波山东大学硕士学位论文ABSTRACTElectromagneticcompatibilityisallemergingcomprehensivesubject,itselementaryknowledgeisextremelywidespread,mainlyincludestheoryofelectromagneticfield,principlesofelectronicengineering,electronictechnology,electromagnetismsurvey,signalbiomedicine,materialandcraRandoverlappingandcomplexsubjectanalyzing,mechanism,automaticcontrol,SOon,electromagneticcompatibilityisveryEMCisacapabilitythatthedeviceCallworkregularlyinelectromagneticenvironment,andalsoisatechnologyapproachusedtoimproveproductreliabilityTheelectronicproductseasilyinfiltrateintointernationalmarketswithgoodEMCInactualelectronicproductssystemasthedigitalsignalfrequencyismoreandmorehigh,PCBnotonlyisabracedstructureofelectronicsystem,moreovermaybeasystemstrueturewithEMIproblemInordertomaketheelectronicproductstosatisfytheEMCrequest,thedesignpnncipleandthemethodofelectromagneticcompatibilityofPCBmustbestudiedThecontentsinclude:
conductivecouplingandradiativeeffectofPCBintercoaneetionlineinhi【ghfrequencystatus;noisesignalcollectedbythePCBelectriccircuitwireorthecircuitloopetcInordertorealizingtheelectromagneticcompatibilitydesignrequestSOftwareanti-jammingmustbeconsideredintheMCUcircuitsystem,besidesconsideringhardwareanti-jammingofcircuitryandPCBlayoutThesoftwareanti-jammingtechnologyhasthemeritsofthehighreliabilityandeasilyrevised,thenoiseentersfromanypositionCanbeovercomewithdigitalfilteringThesoftwareanti-jammingmayreducethedesigncostofsystem,andalsoaffordsanadvantageoussupplementforthehardwareanti-jammingInthispaper,thedevelopmenthistoryoftheelectromagneticcompatibilitytechnologyandthetechnicalsurveyareelaborated,theelectromagneticcompatibilityelementarytheoriessuchasthetransmissionlinetheoryandtheelectromagneticinterferencemechanismandSOonarestudied。
andalsothehardwareandSOftware山东大学硕士学位论文electromagneticcompatibilitydesignessentialmethodofelectronicsystemareelaboratedElectromagneticcompatibilityandtheelectromagneticinterferenceandSOonamelaboratedusedanexampleofelectromagneticcompatibilityofintelligentbatterycharger,theanalysistomechanismoftheconductedelectromagneticinterferenceandtheradiatedelectromagneticinterferenceiscarriedon,andthebasictheoreticalcalculationformulaisinferredMeanwhilethedetailsolutionstotwothesekindsofinterferenceareproposedandthetheoryofrealizingproductelectromagneticcompatibilityisputforwardKeywords:
Electromagneticcompatibility;Conductedinterference;Radiatedinterference;Digitalfiltering7山东大学硕士学位论文符号说明EMC(ElectromagneticCompatibility):
电磁兼容性EMS(ElectromagneticSusceptibility):
电磁敏感性EMl(ElectromagneticInterference):
电磁干扰PCB(PrintedCircuitBoard):
印制电路板MCU(MicroprocessorControlUnit):
微处理机控制器IEC(IntemationalElectrotechnicalCommission):
国际电工技术委员会CISPR(InternationalSpecialCommitteeOnRadioInterference):
国际无线电干扰特别委员会DC(DirectCurrent):
直流电AD(AnalogtoDigital):
模拟数字转换lC(Integratedcireuit):
集成电路PWM(Pulse-WidthModulation):
脉宽调制MOS(Metal-oxidesemiconductor)金属氧化物半导体FET(FieldEffectTransistor):
场效应晶体管RC(ResistanceCapacitance):
电阻电容RAM(RandomAccessMemory):
随机存储器IO(1nputOutput):
输入输出TVS(TransientVoltageSuppresser)瞬态电压抑制器ITE(InformationTechnologyF_quipment):
信息技术设备8山东大学硕士学位论文第一章绪论EMC(ElectromagneticCompatibility,磁兼容),从学科、工业和技术角度来讲,应译为“电磁兼容”。
在衡量设备、分系统、系统的性能参数时,则应译为“电磁兼容性”。
国家军用标准GJB厂r43651995电磁干扰与电磁兼容性名词术语对电磁兼容的定义为设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起执行各自的功能的共存状态。
即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级,它也不会使同一电磁环境中其他设备(分系统、系统)因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级”。
而国家标准GBT176241-1998电磁兼容基本术语和定义的应用与解释对电磁兼容的定义为:
“电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境下能正常工作,并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”。
由此看来,设备的电磁兼容包含两层含义【11:
其一,设备工作中所产生的电磁干扰要限制在一定电平内,在此电平下,包含无线电、电信设备以及其他的一般设备,都能按其本身的功能正常工作而不受影响;另外,设备本身要有一定的抗干扰能力,即比较低的EMS(ElectromagneticSusceptibility电磁敏感性)。
11电磁兼容发展史电磁干扰是人们早就发现的电磁现象,1823年安培发现了电流产生磁力的基本定律。
1831年法拉第发现电磁感应现象,总结出电磁感应定律,揭示了变化的磁场在导线中产生感应电动势的规律。
1840年美国人亨利成功地获得了高频电磁振荡。
1864年麦克斯韦综合了电磁感应定律和安培全电流定律,总结出麦克斯韦方程,提出了位移电流的理论,全面地论述了电场和磁场之间的相瓦作用,并预言电磁波的存在。
麦克斯韦的电磁场理论为认识和研究电磁干扰现象奠定了理论基础。
1881年英国科学家希维赛德发表论干扰的文章,标志着研究干扰问题的开端。
1888年德国物理学家Hertz用实验证实了电磁波的存在,从此开始了人类对电磁干扰问题的实验研究。
1889年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题,使对干扰技术问题的研究开始走向工业化和产业化。
二十世纪以来,随着电子技术的发展和应用,人们逐渐认识到对各种电磁干山东大学硕士学位论文扰进行控制的重要性。
特别是工业发达国家格外重视干扰控制,它们成立了国家级以及国际间的组织,如德国电气工程师协会、IEC(IntemationalElectrotechnicalCommission,国际电工技术委员会)、CISPR(IntemationalSpecialCommitteeOnRadioInterference,国际无线电干扰特别委员会)等。
为了解决干扰问题,保证设备和系统运行的电磁兼容性,四十年代初有人提出了电磁兼容性的概念。
1944年德国电气工程师协会制订了世界上第一个电磁兼容性规范VDE0878。
接着美国在1945年颁布了美国最早的军用规范JANI225。
从四十年代提出电磁兼容性概念起,电磁兼容学科在认识、研究和控制电磁干扰的过程中得到了发展。
它深入阐述了电磁干扰产生的原因,分清了干扰的性质,研究了干扰传输以及耦合的机理,系统地提出了抑制干扰的技术措施,促进了电磁兼容的系列标准和规范的制订,建立了电磁兼容设计、分析和预测等一系列理论体系。
我国对电磁兼容理论和技术的研究起步较晚,直到80年代初才有组织系统地研究并制订电磁兼容性标准和规范。
1981年颁布了第一个航空工业部较为完整的标准HB56628l飞机设备电磁兼容性要求和测试方法。
此后,我国在标准和规范的研究与制订方面有了较大进展,到目前已制定了近百个国家标准和国家军用标准【2】o可以预言,今后电磁兼容技术将得到全人类的高度重视,电磁兼容学科将获得更加迅速的发展。
12电磁兼容研究的主要组织结构研究电磁兼容技术的国际组织很多,下面简要介绍一下与EMC有关的国际组织和一些工业发达国家的组织。
1IEC(国际电工委员会)1EC有两个专门从事电磁兼容标准化工作的技术委员会:
国际无线电干扰特别委员会(CISPR,成立于1934年1,下设7个分会;国际电磁兼容委员会(TC77,成立于1981年1,下设3个分会。
CISPR最初关心的主要是无线电干扰问题,近年来又涉猎到信息技术、工业、科研、医学、高压架空线路和高压设备之间电磁兼容技术,相应也开展了一些抗扰度标准研究。
山东大学硕士学位论文TC77最初关心低压电网系统的EMC标准(9kHz以下),近两年扩展到整个EMC所涉及的产品。
随着技术发展和世界贸易需求,这两个专业委员会的标准制定等也有一定的交叉,IEC正在从组织和技术上采取积极措施加以协调解决。
21Tu仍国际通信联盟第5、6研究组)第5研究组的研究成果为K系列建议,到目前为止,已经出版了KI到I(40,其内容涉及到过电压过电流保护、电信大楼的连接与接地、电信设备电磁环境条件、电信安装中高频EMC抑制技术、通信局站的防雷、大型物理系统射频发射测试,人体电磁感应的安全限值、感应杂波等。
3ORSt(t亘际无线电科学联盟)URSI成立于1919年,总部设在布鲁塞尔。
目前有A-JlO个委员会及1个“时域波形测试”联合工作组。
其中E委员会研究电磁噪声与干扰,涉及到EMC的各个领域。
4IEEEEMC(跨国电气电子工程师学会电磁兼容专业委员会)IEEE的前身是美国无线电工程师学会(IRE),1957年成立了射频干扰专业组,1959年改为EMC专业组,1978年又改为EMC专业委员会。
研究领域涉及EMC检测、电波传播、强电噪声及静电放电等二十多个方面。
5中国的EMC组织为了更好地把握电磁兼容标准化工作的国际动态,全国无线电标准化技术委员会和全国电磁兼容标准化技术委员会负责开展与IECC|SPR及IECT77相对应的工作;并对开展电磁兼容工作需要制定的政策、法规、标准化工作及组织建设提出建议。
13国内外电磁兼容的研究概况1EMC法律法规世界上大部分的国家只管制电机电子产品的EMl(ElectromagncticInterference,电磁干扰)部分,也有部分国家增加了EMS的管制,如欧盟地区。
(1)欧盟EMC指令口1。
为了使市场上的商品能在加盟国内自由流通,欧洲标准委员会(CEN)制定出各种标准和指令,而电机电子产品的标准和EMC的标准则由欧洲电器标准委员山东大学硕士学位论文会(CENELEC)制定。
欧盟制定的EMC标准,摹本上仍取自于IEC的标准。
(2)美国EMC规范FCC(FederalCommunicationsCommission,美国联邦通讯委员会)在1979年特别制定了各种产品的电磁辐射干扰法规,编号从Part0到Partl00,涵盖了各类电机电子产品。
(3)日本EMC认证法日本自1985年起,由机械电子等四个产业公会联合起来成立了VCCI,根据信息技术设备CISPR22的电磁辐射干扰标准,制定出一个自愿性认证法。
其中VCCI法规的V-2便是为电磁辐射干扰制定的。
(4)新西兰与澳大利亚新西兰与澳大利亚主要依据1992年公告的无
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