计算机电磁兼容技术研究毕业论文.doc

1、1毕 业 论 文系 别 电子工程系 专 业 雷电防护与电磁兼容 姓 名 钟静 学 号 2000405224 论文题目 计算机电磁兼容技术研究 指导教师 肖稳安 施广全 2目录摘要.3关键词.3一、引言3二、计算机干扰源及其抑制321 电气干扰422 射频干扰423 雷电干扰424 静电干扰5三、计算机的耦合途径531 传导耦合5311 公共阻抗耦合5312 电容性耦合6313 电感性耦合732 辐射耦合7四、系统内电磁兼容74.1 数字集成电路抗干扰措施84.2 印制板电路的抗干扰8五、综合布线8六、系统外抗干扰961 屏蔽96.1.1 缝隙的处理96.1.2 通风散热孔的处理106.1.3

2、进出线的处理1062 接地1063 滤波11631 反射式滤波器11632 吸收式滤波器1164 软件抗干扰12641Watchdog 技术12642 数字滤波技术123七、电磁泄漏13八、光计算机14九、结束语14参考文献14计算机电磁兼容技术研究(Technique Research of Computer Electromagnetism Compatibility) 南京气象学院 钟静摘要： 本文着重阐述了计算机的 电磁兼容问题，全面地分析了来自外部和内部的电磁干扰的形式及其影响，讨论 了干扰 的耦合方式，介绍了计算机工程中常用的干扰抑制和隔离方法，并 对计算机电磁兼容技术的发展作了展

3、望。关键词： 计算机、电磁兼容一、引言随着科技的高速发展，计算机已广泛应用于人民日常生产生活中，它的使用大大提高了生产力和人民生活水平。但在电磁环境日益恶化的今天，计算机的使用也使我们面临一个不可忽视的问题，这就是计算机的电磁兼容。何谓电磁兼容？美国电器与电子工程师协会（IEEE）的定义是：装置、设备或系统在其电磁环境中能正常工作，同时又不会产生对该环境中任何事物所不允许的电磁骚扰的能力。如何才能具备这种能力？首先让我们了解一下电磁骚扰和电磁干扰。电磁骚扰是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低，或者对有生命无生命物质产生损坏作用的电磁现象。而电磁骚扰引起的后果就是电磁干扰，即设备传输通道或系

4、统因电磁骚扰而造成的性能下降。任何一个电磁干扰效应必须具备三个基本条件：首先要有产生电磁能量的物体或现象即干扰源，其次是传输干扰能量的途径，最后是被干扰的敏感设备。4事实上，任何一台用电设备既可能是干扰源又可能是敏感设备。但从计算机本身特性分析来看，计算机工作于低电压大电流（5 ，几百安） ，其系统工作频率范围很宽V（150 500 ） ，包含了中波、短波、超短波、及微波前端，正好与各种通信、kHz医疗、军用设备同频段。且随着 CPU 主频的提高,为解决随之而来的发热问题,目前 CPU的工作电压一般在 1.21.8V 。CPU 工作频率越高,其工作电压越低，工作电压越低信号就会越模糊，越容易受

5、干扰。因此计算机主要是一个敏感设备。若用时间 t，频率 f,距离 ，和方位角 的函数 （ ，f, ， ） ， （ ，f， ， ） ， （ ，f， ，rStrCtrRr）来分别依次表示计算机的电磁干扰源，电磁能量干扰偶合及计算机的敏感性，则要抑制电磁干扰，必须满足： （ ，f， ， ） （ ，f， ， ） （ ，f，t， ） 。上式说明要提高计算机的电磁兼容性可以从三方面着手解决：（1）切断干扰源，即减小 （ ，f， ， ） ；（2）减小偶合，即减小 （ ，f， ， ） ；（3）Str tr提高受干扰设备的敏感度阈值，即加大 （ ，f， ， ） 。在实际情况中，往往是三Rtr个因素综合考虑。 二

6、计算机的干扰源及其抑制 计算机的干扰源广泛存在，它们轻则增加电磁噪声干扰使计算机信息出错产生丢“1”冒“1”现象，重则使计算机元器件击穿设备损坏。各种电磁干扰的幅频特性如下图所示:图 2.1 各种电磁干扰的幅频特性计算机外部干扰源主要有电气干扰射频干扰雷电干扰及静电干扰等。1电气干扰一般计算机电源取自工频交流电，电源中的高频瞬态电压浪涌电压谐波畸变电压不足及掉电等都会沿电源线进入计算机，严重影响计算机设备安全、系统稳定性及可靠性。防止电气干扰的根本办法是采用稳定可靠电源，如 UPS 电源是一种比较理想的供电设备，它可以对付各种突发脉冲噪声电源电压降低及停电等，并加滤波和隔离措施，如下图所示：5

7、图 2.1.1 计算机供电系统示意图2射频干扰各种通信科学工业医疗等大功率无线电发射设备高频大电流设备产生的电磁场会以电磁波辐射的形式对计算机产生干扰。当电场强度超过 5 和磁场强度超/Vm过 800 时，计算机系统就可能出错。因此，计算机应远离这些干扰设备，若条件/Am不允许时应采取一定的屏蔽措施将干扰源屏蔽。3雷电干扰雷电放电有电流强度大，感应电压高等特点，它的干扰频谱主要在 30 以下。MHz它产生的浪涌电压、浪涌电流一旦进入计算机将会严重威胁计算机设备安全。计算机雷电危害的防护措施：1）计算机应摆放在 LPZ0A 区内；2）计算机应摆放在建筑物顶四层以下；3）计算机摆放位置应避开建筑物

8、内作为防雷引下的钢筋；4）计算机应有良好的屏蔽与接地；5）电源线信号线有需要应安装避雷器图 2.3.1 计算机供电接地避雷电磁兼容系统4静电干扰静电是计算机半导体器件的大敌.在计算机房中,由于机房结构温湿度人员衣着家具和工具的移动灰尘的积累都会使物体带电。静电积累到一定程度时将会放电造成计算机误动作逻辑元件击穿显示器画面絮乱磁带打印机停走等故障。由于计算机的总线结构，并行线多，相互间阻抗高等特点，极易积累静电且不易泄放。因此线间故障率极高。计算机防静电危害可以从两个方面着手解决，一方面通过采取各种措施使环境产生静电的能力减到最小；另一方面要提高计算机抗静电干扰的能力。防静电产生的措施:1）地板

9、要求导静电，且防静电地面与建筑物地面间用导电胶连接；2）工作桌面和座椅垫套均要求导静电;3）机房内不允许有对大地绝缘的导体；4）保持环境一定的温湿度，湿度保持 40%60%，温度 213;5）保持环境洁净，防止灰尘积累;6)导静电地面、地板、工作桌面、垫套均要接地7）接地连接线布足够的强度和化学稳定性。6提高计算机的抗静电能力的措施：1） 设备中不用的输入端不允许悬浮；2） 使用滤波器防止静电放电耦合到设备；3）使用防静电表面涂覆技术。三电磁干扰能量的耦合途径耦合是指电路设备系统与其它电路设备系统间能量的联系。各种电磁骚扰源通过耦合传输电磁能量到敏感设备。耦合途径有两种方式：一种是传导耦合，另

10、一种是辐射偶合。1传导耦合传导耦合是通过电源线信号线互连线接地导体等连接通道进行耦合。按耦合方式又可划分为公共阻抗耦合电容性耦合电感性耦合三种基本方式。但实际中，这三种方式是同时存在共同作用的。1） 公共阻抗耦合 当两路电流流经一个公共阻抗时，一个电路的电流在该公共阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路。公共电源阻抗耦合模型及其等效电路如下图所示:（对电路进行简单的分析）图 3.1.1.1 公共电源阻抗耦合模型 图 3.1.1.2 公共电源阻抗耦合等效电路在图 3.1.1.2 中将图 3.1.1.1 中的电源阻抗及公共线路阻抗合并表示为 R,U 为理想电压源,Z1、Z2 分别为电路 1 和电路

11、2 的阻抗。根据等效电路则有：由上式可以看出由于 R 的存在，电路 1 电源电流的任何变化都会影响电路 2 的电源电压。若 R=0，则 U1=U2=U，电路 1 和电路 2 间无公共阻抗耦合。降低电路 1 与电路 2 间的公共阻抗耦合即减小电源阻抗和公共线路阻抗。一方面可将电路的电源引线靠近电源输出端，从减小电源线长度的方式来减小公共线路阻抗；另一方面可采用稳压电源将电源内阻降低。 2)电容性耦合 电容性耦合是由两条电路间的电场相互作用所引起的，其耦合模型及等效电 路如下图所示： 7图 3.1.2.1 电容性耦合模型 图 3.1.2.2 电容性耦合等效电路图中 是导体 1 与导体 2 之间的分

12、布电容， 是导体 1 与地之间的电容， 是导12C1GC2GC体 2 与地之间的电容， 是导体 2 与地之间的电阻， 是作为骚扰源的导体 1 的电压，RU电路 2 为计算机的受干扰电路， 是在线路 2 与地之间产生的骚扰电压。NU根据等效电路则有 121()GjCR若 为低阻抗，且满足 则 R12()Rj12NUjCR若 为高阻抗，且满足 则 12()GjC12G式表明电容性耦合的骚扰作用相当于在导体 2 与地间接了一个幅值的电流源。在骚扰源电压和频率恒定的情况下要减小耦合干扰，12nIjCU一方面可使敏感电路在较低的电阻值上工作，即通过减小 的方式来减小 ；另一方面导体通过合适地取向、RNU

13、屏蔽或隔离的方式来减小 来达到减小 。12式表明 在高阻抗的情况下电容性耦合骚扰作用只与 、 有关，且此时产R12CG生的骚扰作用要大得多。3） 电感性耦合电感性耦合是由两电路间的磁场相互作用引起的，其耦合模型及等效电路如图所示 8图 3.1.3.1 电感性耦合模型 图 3.1.3.2 电感性耦合等效电路电路 1 中干扰电流 I1在电路 2 的负载电阻 和 上产生的骚扰电压分别为R2112nRUjM221nRUjMI因为 ， 是回路面积， 是角频率为 的正弦变化磁通密度1cosIBSB的有效值，所以有 （合并计算） 12snRUj22cosnRUjS由上式可知，可通过减小 、 、 的方式达到减

14、小电感性耦合骚扰的目的。BScos2、辐射耦合辐射耦合是以电磁场的形式将电磁能量从骚扰源经空间传输到敏感设备。空间中除了骚扰源有意辐射之外还存在许多无意辐射的电磁波，而处在这一电磁场中的导体都能感应出电压。因此，辐射干扰可通过天线、导线、闭合回路或机壳上的孔缝等的耦合对计算机进行干扰。四、系统内电磁兼容计算机是一个相当复杂的含有多种元器件和许多分系统的数字系统。它除易受外来干扰外，内部元器件间、分系统间的相互串扰也会对计算机及其数据信息产生干扰破坏。由于计算机高速化、高灵敏度化、高密度化、小型化的发展趋势，相应的内部干扰将增大。因此，计算机在设计阶段应十分重视内部系统间的电磁兼容。1. 数字集

15、成电路抗干扰措施 数字逻辑电路不仅本身能产生干扰，还对干扰十分敏感，并将干扰信号当成信息记忆存储。它对电源线、地线引入的干扰抵御能力很差，因此应采取加滤波电容、级间加缓存、管角涂防静电涂层等措施解决。对已产生的干扰，可在逻辑电路输入端采用幅度鉴别（设门限阈值） 、波形鉴别（用积分的方法将大幅度窄脉冲变成低于阈值的宽脉冲）或如图 4.1.1 用硬件进行延迟去干扰，对前沿、后沿产生的震荡可用施密特电路对波形进行整形。9图 4.1.1 硬件延迟去干扰2. 印制板电路板的抗干扰 印制板电路工作时，板上各个走线的电流将产生电磁发射，电路中元器件也会产生电磁辐射。根据电磁辐射公式：16230()EfAIr

16、印制电路板空间 r 处辐射场强； 印制电路板上工作电流频率；E印制电路板的环路面积； 印制电路板上的电流；AI因此可通过减小 、 、 ，增大 来达到减小 的目的。 fAIrE五、综合布线导线的作用是进行两点间的连通，但实际上导线本身和导线间存在多种参数。如电阻、电容、电感等。如果布线不合理，导线间会通过电容耦合、电感耦合产生干扰。因此，综合布线对计算机的电磁兼容也十分重要。不论系统内或系统外布线时应注意：1. 强弱信号线分开；2. 交直流电路分开布线；3. 高低压电路分开走线；4. 尽量减小布线的环路面积；5. 地线应尽量短而粗；6. 对必须较长敷设的平行线进行屏蔽或隔离；布线时应对各因素进行

17、综合考虑。 （对所有附图进行标号，加标题）图 5.1 图 5.2例如图 5.1 所示的布线方法满足了强弱线分开，但它存在的另一个问题是电源线与信号线形成了一个大的环路。如果附近存在交变电磁场（如雷击电磁场）,在环路中就会感应出电流对计算机进行干扰破坏；但如果单纯按图 5.2 的方法进行布线，满足了布线的环路面积最小，但它存在的问题是电源线会对信号线进行干扰，由此也会影响计算机的正常运行。因此，最佳的方案是对图 5.2 的导线进行屏蔽处理或布线时选择本身带屏蔽的线缆。但应强调的是接头部分的处理和良好的接地是对线缆进行屏蔽不可忽视的环节（接头部分的处理，接地）10六、系统外抗干扰措施1、 屏蔽屏蔽

18、是电磁工程中广泛采用的抑制电磁骚扰的有效方法之一。在计算机工程中，良好的屏蔽一方面可以防止外界电磁场干扰，另一方面可以防止计算机信息的泄漏与失密。电磁屏蔽按其原理可分为：对于不同的干扰场要采用不同的屏蔽方法。 高电压小电流骚扰源与交变电场的屏蔽要求屏蔽体必须是良导体（如铜、铝等）以及良好的接地；磁场的屏蔽视磁场频率不同对屏蔽体又有不同要求。低频（100 以下）磁场的屏蔽必须采用高导磁的材料KHz（如铁、硅钢片等）且要有足够的厚度；而高频磁场的情况下采用高电导率材料（如铜、铝等）以及良好的接地，还可以达到电磁屏蔽的目的。要达到更好的屏蔽效能则可进行双层屏蔽，一层用高电导率的材料（铜） ，另一层用

19、高磁导率的材料（铁） 。一般而言， 钢筋水泥建筑物能提供 30 左右的屏蔽效果，在严格要求的场合需dB要建屏蔽室，屏蔽室的屏蔽效能一般要求在 60 以上，对强干扰源环境要求在 100以上。dB计算机的金属机箱本身也是一个很好的屏蔽体，但如果机箱的通风散热孔电源信号进出线金属板材接缝处处理不当，机箱的屏蔽效能会大打折扣。因此机箱设计时要提高屏蔽性能可以从下面几个方面考虑：1）缝隙的处理a减少缝隙的长度 当缝隙的长度达到 4 或更长时，这个缝隙就成为非常有效的辐射发生器，从而引起电磁能量的大量泄露。因此从开箱方式上可采用一边开盖式结构，而不采用两边开盖式结构，从而减少总的缝隙长度；也可在接缝处涂上

20、导电材料或增加导电衬垫。由于接触表面从微观上讲是凸凹不平的，结合面上只可能是部分接触，涂上导电材料或加上导电衬垫，可增大接触面，从而减小电磁泄露。要求缝隙的长度尽可能控制在 57 厘米以内。所以在条件允许的情况下，增加螺钉数目，减小螺钉间距也可起到控制缝隙长度的作用。b增大缝隙的深度 如果机箱为嵌套式的，尽量采用“T”字型嵌套，尽量避免“井字”型嵌套，通过这种方法亦可使其等效的缝隙深度增加。2）通风散热孔的处理 为了通风散热需要在机箱壳上开一系列的通风孔。但带孔隙的金属板对超高频以上的频率基本上已没有屏蔽效果。因此，应采用截止波导管来屏蔽，它对截止频率以下的所有频率都有衰减作用。由多个截止波导管紧挨排列在一起组成的通风孔阵列不仅可以增大通风面积及通风流量满足散热要求还提高了屏蔽性能。3)进出线的处理