提高智能檢測儀中抗電磁干擾能力方法的相關研究

楊昊澤

【摘要】 隨著電子技術的不斷發展，智能檢測儀在電子行業發揮的作用也越來越大。由于內部和外部因素的影響，造成電磁環境變得越來越復雜，因此智能檢測儀受到的干擾也在不斷地增大。為了更好的應對智能監測儀中微弱信號在電路檢測工作中遇到的問題，本文從有限元法和電磁屏蔽法兩個方面進行分析，探討微弱信號的處理辦法，保證智能監測儀的平穩運行。

【關鍵詞】 智能檢測儀 微弱信號 處理辦法

智能檢測儀對于電子行業的發展具有重要的作用，但是在智能檢測儀的工作過程中，由于復雜的電磁環境的干擾，導致微弱信號在工作中受到影響，阻礙了智能檢測儀的正常平穩的工作，所以有針對性的加強對微弱信號檢測工作中存在問題的分析，并進行探討是十分必要的[1]。

一、智能檢測儀的概念

智能檢測儀的概念：智能檢測儀是一種智能型的測量控制儀表，能夠對溫度以及壓力做出精確的反映，同時也可以實現聯合，能夠與傳感器和變送器等構成各種類型、各種功能的測量控制系統。智能檢測儀的信號輸入并不是固定的，可以根據實際的需要，靈活的改變，還可以與熱電偶和其他的標準電壓、電流信號，熱電阻進行搭配。智能檢測儀還自帶報警功能，分為四路報警，操作者可以根據需要將報警輸出任意的定義，一般是上限報警和下限報警。同時還可以實現與0-10mA、4-20mA標準電流的輸送及12VDC/50mA、5VDC/50mA、24VDC/50mA饋電輸出。智能檢測儀的特點是采用當今最先進的ATMEL單片微機作主機，減少了外圍部件，提高了可靠性。其次是輸出接口采用模塊化結構，功能配置方便靈活。另外集多種輸入型號、輸出方式于一機。還有用WATCHDOG電路、軟件陷阱與冗余、掉電保護、數字濾波等技術，注重現場容錯能力，使整機具有很強的抗干擾能力。最后是采用雙四位LED數碼顯示，可同時顯示測量值與第一報警值。通過光柱（20線）顯示測量值[2]。

二、微弱信號處理方法研究

2.1 基于有限元法

1、PCB中電磁干擾源。因為在微弱信號檢測過程中，容易受到來自內部和外界各種因素的干擾，因此電磁干擾源也是多種多樣的。其中包括高頻信號線產生的電磁輻射、分布電感耦合引起的串擾等等，這些都對微弱信號的工作產生嚴重的影響[3]。PCB中的電磁輻射分為兩類。一種是電場輻射，另外一種是磁場輻射。電場輻射產生的原因是在PCB設計走線時，走線的長度是電磁輻射波長四分之一的奇數倍，這時的PCB中的金屬線條就充當了天線的角色，向外界輻射高頻度的電磁能量，在此同時外部的電磁輻射也會對金屬線條產生干擾。應當注意的是在微弱信號的工作過程中，其自身的電子元件會對接受道德電子輻射進行調頻和控制，會產生相應的電子噪音，從而對用于檢測微弱信號的電子設備內部的高頻度電路產生不良的影響，而且還會影響到設備內部的中低頻度的電路。PCB中的磁場輻射產生主要是由印制線條造成的。印制線條的長度很小，尤其是和工作的波長相比，是遠遠小于的，因此可以運用偶極子天線的原理進行解釋。電偶極子的另外一個成為是電流元，它的長度以及它的橫向的尺寸和工作的波長相比都是較小的[4]。

2、PCB的抗干擾設計措施。抗干擾設計的措施需要用專業的方法，一般采用的是電磁兼容設計的方法，還有另外一個稱謂是低噪聲設計法。在進行設計的時候一般包括三個環節，布局、布線和接地。布局這一環節是十分重要的一個組成部分，因為布局的質量好壞與否直接決定了接下來走線的科學合理以及測控系統的平穩運行。所以在進行布局的過程中，要綜合的考慮各個方面的因素，力求做到布局的質量高，為后續的布線工作做好基礎準備。在布局時，具有邏輯關系的電子元件應該盡量要就近的放置，那些易受到干擾的、小電流電路等電子元件應該在放置的時候需要有一定的安全距離，盡量的和數字邏輯元件之間留的較遠。另外微弱信號檢測工作中，盡量的選用低速的芯片進行操作，保證檢測工作的順利進行。還應當注意的是PCB在進行檢測的過程中，要根據電流強度的不同進行區分，將電流大小不同的板塊進行分開和隔離。并且要注意的是PCB在設計的過程中盡量將干擾源和敏感器件之間的距離放大一點，比如是DAC芯片等，屬于比較敏感的電子元件，所以就應該的和PCB之間的距離拉開。并且在進行DAC參考電壓端的放置時，要和數字信號線之間保持一定的距離，保證避免遭受電磁的輻射和干擾，從而影響電壓的平穩，造成上下的波動[5]。在微弱電路檢測中，對時鐘的走線要進行合理的布置，線長要適中，最好是短一點，并且在走線區域內都要進行隔離。在設計環節要最大程度的避免出現直角走線，因為將走線的角度確定為45度的設計，可以在很大程度上降低和減少對外部的電磁輻射。另外為了減少電磁之間的相互干擾，PCB在設計過程中大信號線的走線布局，要和小的型號走線避免靠近，尤其是在走線時出現平行走線的情況。這些方式有利于在很大程度上降低來自于外界的干擾，避免對敏感的信號線產生不良的影響。還有要注意在布線過程中，盡量的較少或者完全的不在小信號線的周圍設置電流環路，當出現特殊的情況不得不設置的時候，要盡量采用調整布線方向的方式，從而減少電流環路區域的面積，尤其是不要在對噪聲特別敏感的電子元器件的周圍出現布線的設置。

3、微弱信號檢測電路PCB的電磁場仿真。利用微弱信號檢測電磁場的仿真，首先是要建立相關的仿真模型。Ansoft Designer是綜合了電磁仿真、建模等物理原理，用有限元法解決電磁場問題的軟件，同時該軟件在仿真模型的建立中發揮著重要的作用。采用混合電位積分方程的計算方法，利用矩量法來計算相關的電流密度，得到參數J，從而根據得到的參數計算出S參數。接著利用Protel DXP軟件畫出PCB設計的方案，最后在Ansoft Designer軟件中導入，結合實際的情況需要，根據實際的參數建立仿真模型。

其次是在建立PCB仿真模型之后，還要根據實際的情況添加激勵端口，設置所需要的激勵增幅值。在設置的環節都完成之后需要對模型進行分析工作的準備。設定分析的各項條件，掃描的頻率、求解的頻率等等。最后的環節是進行檢驗，檢驗合格方可進行分析工作，不合格的需要進行重新的設定，知道檢驗合格才能進行下一步的工作。最后根據對仿真模型分析的結果，對PCB設計中的走線方向和方式進行適當的調整，對距離較近或者是相同方向的信號線，要注意保持安全的距離，防止相互之間的干擾。另外對于垂直距離之間的走線，應當注意避免直角走線的情況。還要注意對那些比較敏感的信號線在走線設計的過程中，要盡量的遠離場強較強的地方，減少影響。

2.2 基于電磁屏蔽法

1、屏蔽原理分析。屏蔽是指通過用導電的材料，以及具有導磁功能的材料制成的屏蔽體，把電磁的能量限制在一定的范圍之內，從而大大的削弱電磁的傳輸。在現階段一般采用的屏蔽措施是通過對一些較敏感的電子設備和元器件進行保護，阻止外部的帶電磁場對設備內部產生影響，降低外界的電磁環境和電磁輻射對電子設備的內部產生影響。另外，一些具有比較嚴重干擾能力的電磁器件，會采用隔離的措施進行保護，從而減弱和降低電磁泄露。屏蔽的原理有很多種，大體上屏蔽的方式分為三類：電磁屏蔽和磁場的屏蔽，以及電磁的屏蔽。

2、屏蔽效能分析。對于屏蔽效能的分析，一般通過計算來驗證。屏蔽的效果用公式可以表示，傳輸系數T與屏蔽效能SE之間存在一定的比例關系。在公式中字母T所代表的是在屏蔽之后，某一處的場強（用字母E1和H1表示）和未經屏蔽處理之前的場強（用字母E2和H2表示）之間的比，由此可以得出關系式：即有對電場存在T1=E1/E2的反比例關系；對磁場存在T2=H1/H2的反比例關系，并且在關系式中，傳輸系數的值，也就是T的值越小，代表著該屏蔽效能越強，屏蔽的效果越佳。另一方面屏蔽的效能（用字母SE表示）也存在一定的比例關系，是指經過屏蔽之后某一處的場強E1和H1與和之前未經過屏蔽處理的場強E2與H2之間形成的比，所得到的數據單位是dB，由此可以得出公式：對電場存在S1=20log（E1/E2），對磁場存在S2=20log（H1/H2）的關系。并由此可知，屏蔽的效能值，也即是S值越大，代表著屏蔽物體所產生的屏蔽效果越強。利用屏蔽效能對屏蔽物體所產生的效果進行表示，能夠在進行多層屏蔽體的效果計算過程中，直接簡單的通過加減運算就能夠表示出整體的屏蔽效能，更加的直觀簡潔。

3、孔縫對屏蔽效能的影響。電磁波要對系統內部產生電磁干擾，一般會通過兩種形式。一種是利用設備的天線耦合，另一種是從設備的縫隙進入。針對第一種情況，為了防止外界電磁的干擾，可以加裝相關的抗干擾電子元件對設備進行保護。但是另一方面電子設備的內部不可避免的存在孔縫，孔縫會導致內部電磁對外界的輻射，也更容易的使外界的電磁干擾直接的進入電子設備的內部，難以保證屏蔽的效果。屏蔽效果還受到孔縫尺寸和面積的影響，一般來說，矩形孔縫造成的電磁輻射和泄漏要遠遠的大于方形或者是圓形孔縫所造成的電磁污染，然而方形孔縫造成的電磁泄漏比圓形的泄漏要嚴重得多。

4、Ansoft HFSS中屏蔽效能仿真分析。Ansoft HFSS是針對于微波電子器件的設計，利用有限元法解決電磁場問題，對電磁場數值進行高精度仿真的一款軟件，在電子領域的各個行業中應用廣泛。利用該軟件進行屏蔽效能的仿真分析，可以總結出：避免在屏蔽物體表面留下縫隙，否則會降低屏蔽的效果，另外，在必須要有縫隙的情況下，盡量減小縫隙的面積，采用圓形空洞，減少電磁的泄漏；敏感的元器件在放置過程中要遠離孔縫，從而減少電磁的干擾，提高屏蔽的效果。

三、結束語

綜上所述，在電子技術的發展過程中，智能檢測儀微弱信號電路檢測工作能夠發揮重大的作用，保證了不受電磁輻射的干擾，同時通過對微弱信號的處理辦法的探討，有利于提高抗電磁干擾的能力，保證電子系統的平穩運行。

參 考 文 獻：

[1]朱維娜，林敏.基于隨機共振和人工魚群算法的微弱信號智能檢測系統[J].儀器儀表學報，2013，11：2464-2470.

[2]宋毅，楊裕翠.散射式低能見度無線預警檢測儀設計[J].測控技術，2013，10：55-58.

[3]劉旭飛.強噪聲下微弱信號處理方法研究[J].科技信息，2012，07：83-84.

[4]黃佳亮.微弱信號檢測的噪聲和處理方法[J].儀器儀表與分析監測，1995，01：38-54.

[5]楊漢祥.微弱信號檢測技術的研究[J].科技廣場，2009，01：27-30.

[6]楊曉闊，王曙釗，王峻，劉鵬.基于特征向量盲分離的多頻微弱信號檢測方法[J].傳感技術學報，2008，08：1393-1397.