0. 引言

某工業(yè)用便攜式流速檢測儀在進行CS（傳導抗擾度）實驗時，電流表檢測讀數(shù)超允許誤差范圍，電流表檢測精度為uA級，為整改帶來了難度，以下為實際案例經(jīng)驗分享，希望對大家有幫助和啟發(fā)。

1. 組網(wǎng)與測試配置

流速檢測儀為兩通道輸入輸出，傳感器輸入采用同軸線，輸出線纜為屏蔽線纜，供電DC15V ，傳感器同軸線長度約為6m，輸出屏蔽線長度約為3m，詳見圖1組網(wǎng)測試配置圖。

圖1 組網(wǎng)測試配置圖

2. CS測試問題描述

• 測試等級：3V，150KHz-80MHZ；

• 測試線纜：傳感器同軸線纜；
• 測試問題：10MHZ-20MHz左右頻點實驗時，電流表讀數(shù)出現(xiàn)飄偏，允許誤差±30uA，測試時偏差達到了上飄到50uA。

3. CS測試布置

3.1 測試波形

測試等級為3V，是指Urms為3V，實際測試波形為1KHz正玄波，80%調(diào)制后的Upp達到了15.27V。調(diào)制前后波形參見圖2.

3.2 測試原理與布局

根據(jù)IEC 61000-4-6標準要求，測試應該盡量保證被測對象處于300Ω阻抗環(huán)路中，以保證測試合規(guī)性與一致性。測試原理參見圖3。

標準推薦布局應該參照圖4進行。與流速測試儀的實際組網(wǎng)圖1對比可知，實驗測試只有一個CDN，缺少對被測線纜路徑的300Ω控制。

流速測試儀的測試布局嚴格來講是不滿足標準要求，在此不進行過多的講述，后續(xù)實驗在當前的測試布局下進行分析。圖5中為標準對測試阻抗要求說明。

4. 問題分析

CS測試實際上是電場和磁場的耦合，但電磁場的分析過于復雜，將場轉(zhuǎn)化成路的分析比較簡單和高效。

4.1 噪聲路徑分析

CS信號發(fā)生器將干擾信號注入到EM clamp中，EM clamp通過電場和磁場耦合到被測線纜中。同軸線纜耦合的干擾，通過同軸線及分布電容回流。噪聲回路參見圖6所示。

4.2 敏感設備

經(jīng)過排查分析，確認敏感設備為傳感器，CS注入的干擾，使得傳感器信號受到了干擾而產(chǎn)生了波動，特別是經(jīng)過了經(jīng)過長距離傳輸后，PCB1板中接受的信號質(zhì)量很差，導致超過允差范圍。

工程師整改方法：

• 在傳感器側(cè)加濾波電容，使得傳感器信號質(zhì)量得到保證，但無法落地；
• 在PCB1側(cè)加濾波電容，沒有效果，主要受干擾的信號經(jīng)過長線傳輸后，傳輸線效應削弱了濾波效果；
• 在PCB1側(cè)加共模電感，無效果；
• 在PCB1側(cè)加磁環(huán)，有效果；

以上四中方法中1）和2），原因分析比較常見，后續(xù)針對3）和4）進行機理分析。

4.3 同軸線抗擾性能

同軸線或屏蔽線的EMS性能可以通過屏蔽效率來表征，包括屏蔽效能和轉(zhuǎn)移阻抗兩方面評估，GB/T117738.1標準中評價同軸線的屏蔽效率的測試方法參見圖7所示。同軸線的CS測試從這個角度來看也是考量同軸線線纜的屏蔽效率特性。

4.3.1 屏蔽效能

（1）傳輸線等效電路分析

CS的干擾注入同軸線屏蔽層的等效電路圖參見圖8所示，其中Z1為流量檢測儀內(nèi)阻、Z2位傳感器內(nèi)阻、Vnoise為CS信號發(fā)生器通過EM clamp耦合到屏蔽層的干擾電壓、VCSG為CS發(fā)生器的注入噪聲電壓、Z3和Z4為clamp EM阻抗、 Z5為EM clamp與同軸線屏蔽層的耦合阻抗、Z6和Z7為同軸線屏蔽層阻抗、ZCSG為CS發(fā)生器內(nèi)阻、ZCS為耦合夾側(cè)負載阻抗、Zc1為流量檢測儀對地分布電容阻抗、Zc2為傳感器側(cè)對地分布電容阻抗。為進行量化分析，本文在20MHz下將同軸線的參數(shù)評估約為：Z1為 95Ω，Z2為95Ω，Z5為95Ω，Z3、Z4、Z6和Z7為0.1Ω，Zc1和Zc2為1nF。

由圖8（b）可計算出屏蔽層耦合的噪聲Vnoise：

Z5可表征EM clamp與同軸線屏蔽層的耦合效率阻抗，Z6和Z7可表征同軸線屏蔽層的屏蔽效能。當理想情況下Z6和Z7的阻抗為0，則Vnoise=0。Z5為0時，EM clamp的耦合效率最高。Z5為∞時，EM clamp的耦合效率最低。

實際的同軸線在使用過程中，需要選用屏蔽效能好的電纜，同時注意現(xiàn)場噪聲源和線纜間的耦合阻抗，阻抗越大越好，即等效距離越大越好。

（2）EM clamp耦合效率分析

EM clamp在干擾耦合時，其耦合效率隨著頻率變化而變化，標準中EM clamp的耦合效率測試布局參見圖9，測試結(jié)果參見圖10。

EM clamp的測試電路是在300歐姆回路阻抗的前提下，進行2端口s參數(shù)測量，S21即表示耦合因數(shù)。由圖10可知10MHz的耦合因數(shù)為-3db（150Ω兩端電壓約為0.69Vcsg），20MHz的數(shù)耦合因數(shù)為-1.5db（150Ω兩端電壓約為0.84Vcsg）。

當測試3V等級Upp達到了15.27V時，Vnoise≈15.27mV，可見傳感器的敏感度很高，很小的電壓就會被干擾，設計需要重點考慮。

4.3.2 轉(zhuǎn)移阻抗

轉(zhuǎn)移阻抗是指在屏蔽層上流過的電流I，在屏蔽層與芯線間產(chǎn)生的電壓V，即Zt=V/I。屏蔽層上流過的電流I，在屏蔽層阻抗上產(chǎn)生干擾電壓Vnoise，PCB1端的干擾為Vnoise在Z1上產(chǎn)生的電壓，來評估Z1兩端的干擾強弱。

Z1為流量檢測儀內(nèi)阻、Z2位傳感器內(nèi)阻、Z3-Z7位同軸線的傳輸阻抗、Zpe為同軸線兩端對地的分布阻抗：

Z5表征轉(zhuǎn)移阻抗，Z5為0時，Vz1的轉(zhuǎn)移效率最高。Z5為∞時，Vz1的轉(zhuǎn)移效率最低。同軸線線纜選型時注意轉(zhuǎn)移阻抗參數(shù)。

4.4 抑制措施分析

同規(guī)格不同廠家的同軸線的屏蔽效能是不同的，但因同軸線線不可更換，下面重點對轉(zhuǎn)移阻抗結(jié)合濾波措施進行分析。

4.4.1 共模電感濾波

如圖12所示，共模電感加在PCB1側(cè)，其100MHz阻抗為共模200Ω左右，差模阻抗僅僅10Ω（2*Zdm）。

經(jīng)分析對共模電感的加入對Z1兩端的電壓分壓影響較小，這也是加入共模電感后，沒有效果的原因。

4.4.2磁環(huán)濾波

屏蔽線纜加磁環(huán)參見圖13所示，因屏蔽層的屏蔽作用，同軸線內(nèi)部芯線內(nèi)電流產(chǎn)生的磁場被屏蔽層中產(chǎn)生的渦流抵消，使得同軸線芯線產(chǎn)生的磁場無法鏈過磁環(huán)，內(nèi)部芯線不會產(chǎn)生阻抗。

整改加入的磁環(huán)在20MHz約有300Ω（1匝），可計算出Vz1=0.21Vnoise；兩匝阻抗約1200Ω，可計算出Vz1=0.07Vnoise，噪聲被很好的衰減了。

5. 設計落地

設計落地方案三種：

• 同軸線外加磁環(huán)方案
• BNC和磁環(huán)一體結(jié)構(gòu)件方案
• 同軸線和磁環(huán)一體線纜方案

方案（1）最簡單方便，但涉及磁環(huán)如何固定，需要結(jié)合震動實驗進行權衡設計；方案（2）的一體結(jié)構(gòu)件設計，可作為選配件應用到同類產(chǎn)品中，適應場景靈活性高，但成本較高；方案（3）做成了標配線纜，但實際客戶應用時的線纜長度不定，從方案落實困難，需要限定客戶應用線纜長度。最終采取方案（1）進行落地。

6. 思考與啟示

• 傳感器類器件較敏感，一般容易受到干擾，設計時需要考慮實際的應用場景和測試要求，在設計端預留濾波措施；
• 同軸線為噪聲的耦合傳輸路徑，屏蔽效能和轉(zhuǎn)移阻抗很好的評定同軸線的性能，設計時盡量選擇轉(zhuǎn)移阻抗小屏蔽效能高的線纜；
• 同軸線加磁環(huán)后，內(nèi)部芯線因同軸線屏蔽層屏蔽效應，使得內(nèi)部芯線電流產(chǎn)生的磁場無法鏈過磁環(huán)，因此加磁環(huán)前后內(nèi)部芯線阻抗無變化。
• 同軸線應用場合下，注意差共模的轉(zhuǎn)化機理，本文中的共模電流主要從屏蔽層中流過，通過轉(zhuǎn)移阻抗轉(zhuǎn)化為差模影響敏感設備；
• 共模電感在同軸線抗擾抑制方法中不是最優(yōu)選擇，需要結(jié)噪聲和路徑機理分析，選擇合適的濾波器件。