脉冲激光测距机电磁兼容解析
脉冲激光测距机电磁兼容解析
作者:韩春生;张蕾;操有伟
激光测距仪具有方向性好、测距精度高、测程远、抗干扰能力强、隐蔽性好等优点。因此脉冲激光测距机已成为现代信息战的重要装备。以氙灯为泵浦光源的大功率脉冲激光测距机中 ,由于氙灯在高压电离时所需的激励源瞬时功率变化很大 ,而且随着激光测距威力的增加 ,激励源的瞬时功率变化量还有越来越大的趋势 ,所以其分机是很大的电磁干扰源 [ 1 ] 。同时 ,在工程上 ,对激光测距机的功能、测距精度、测距速度的要求不断提高 ,在激光测距中采用高速 CPU (如 ARM单片机 )或 DSP器件已经成为一种趋势 ,随着这些高速器件工作频率不断提升 ,如果电压不变 ,则必然导致发热过大 ,因此必须降低其内核的工作电压。这也直接导致高速 CPU成了一个易被干扰的器件 ,相应的分机也成了敏感设备 ,因此需要找出干扰的主要形式 ,并加以解决。
1 工作原理
某种以氙灯为泵浦光源的脉冲激光测距机的原理图如图 1所示。其工作原理如下 :电源分机分别对接收分机、控制及信息处理分机 (以下简称“终端机 ”) 、激励源进行供电。在终端机的控制下 ,激励源为发射分机提供瞬时大功率能量 ,发射分机发射脉冲激光 ,激光照射到被测目标后返回 ,接收分机接收到返回的激光信号 ,将激光信号转化为电信号传输给终端机 ,终端机通过解算从发射激光到接收到激光的时间 ,可以得出被测目标的距离。
2 干扰分析
为了解决电磁干扰问题 ,必须找出形成电磁干扰的三个因素 : (1)电磁干扰源 ; (2)敏感设备 ; (3)耦合路径 /耦合通道。
首先 ,确定干扰源。通过理论分析 ,在终端机的控制下 ,激励源要为发射分机的氙灯提供 15 000 V的高压放电 ,这必然在激励源内部产生电磁干扰 ,并且使得激励源本身成为激光测距机中最大的电磁干扰源。用示波器进行测量 ,干扰信号产生时正是激励源高压放电的时刻。
其次 ,确定敏感设备。在终端机设计中 ,我们采用了 Philip s公司的 LPC2114单片机作为大功率脉冲激光测距机的控制核心 [ 2 ] 。LPC2114以 ARM7为内核的微处理器的核供电电压只有 1. 8 V (要求电源纹波在±0. 15 V以内 ) ,比起 +5 V供电的 8X51单片机 (要求电源纹波在 ±0. 5 V以内 ) ,更容易受到干扰。通过示波器测量可知 ,干扰信号到达时 , 1. 8 V供电电源上出现最低1. 4 V、最高 2. 3 V的干扰信号 ,导致 LPC2114死机 ,这也导致终端机成为敏感设备。
第三 ,确定耦合路径。应用排除法 ,可以确定电磁辐射干扰是通过控制电缆以传导耦合的方式进行耦合的。其物理连接形式为 :终端机与激励源通过双绞线以 TTL电平进行连接。双绞线上传导的干扰信号可用差模和共模干扰信号来分解。
差模干扰 也称常模干扰、横模干扰或对称干扰 ,指在两根信号线上产生的幅度相等、相位相反的噪声。差模干扰在两导线之间传输 ,属于对称性干扰。工程中 ,差模干扰电压存在于信号线及其回线 (一般称为信号地线 )之间 ,干扰回路电流是在导线与参考物体构成的回路中流动 ,是载流导体之间的干扰 。
激光测距机中的差模干扰原理图如图 2所示。差模干扰测量方法如下 :示波器探笔地端接双绞线地线在终端机的接口 (图 2的 B 点 ) ,检测端接双绞线信号线在终端机的接口 (图 2的 A 点 ) 。通过示波器上的 SIN2GLE方式可以测量到终端机与激励源接口处的原始差模噪声。
共模干扰 [ 5 ]有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰 ,指在两根信号线上产生的幅度相等、相位相同的噪声。共模干扰在导线与地 (机壳 )之间传输 ,属于非对称性干扰。共模干扰电压在信号线及其回线 (一般称为信号地线 )上的幅度相同 ,这里的电压以附近任何一个物体 (大地、金属机箱、参考地线板等 )为参考电位 ,干扰回路电流是在导线与参考物体构成的回路中流动 ,是载流导体与大地之间的干扰。图 3为终端机中的共模干扰耦合到电路中的示意图。图中 I1是信号线中流过的干扰电流 , I2 是信号地中流过的干扰电流。 I1、I2 是双绞线中流过的共模干扰电流 ,通过电源分机构成回路。共模干扰测量方法如下 :示波器探笔地端接终端机电源地的接口 (图 3的 A 点 ) ,检测端接双绞线地线在终端机的接口 (图 3的 B 点 ) 。可以测量到共模干扰。
3 解决方案
控制信号是 TTL电平的阶跃信号 ,干扰信号 (该图为示波器画面 ,纵向每格电压 10 V,( a )图横向每格时间 0. 1μs, ( b )图横向每格时间0. 2μs) ,是 10 MHz~100 MHz的高频信号。由于频率相差较大 ,对于差模干扰 ,我们采用滤波电容将差模噪声短路滤除。具体方法是在图 2所示的 A、B 间放置滤波电容。电容值的选取并不严格 ,可按 C = 1 / f计算 ,如 f = 100 MHz则 C = 0. 01μF。试验中取 0. 1μF和 0. 01μF两个电容并联。加了滤波电容以后的试验效果可知电容对差模干扰的抑制大于 10 dB。
共模噪声是方向相同、相位相同的噪声 ,在电容器两边没有电位差 ,所以用电容滤波的方法不能滤除。但是在工程中 ,仅仅去掉差模干扰还不够 ,尤其是当采用比较敏感的低压供电 CPU 时。实践中仅仅利用电容进行滤波仍然不能满足工程需求 ,还必须对共模干扰进行滤波。
共模扼流圈对于共模干扰的滤波是有效的。试验中 ,利用环形磁芯绕制了共模扼流圈。在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗 ,这样 ,在一定的地线电压作用下 ,地环路电流会减小。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容 ,否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈的匝数越多 ,则寄生电容越大 ,高频隔离的效果就越差。
I1、I2 为共模干扰电流 ,曲线上的箭头为差模电流方向 ,磁芯上的箭头为差模电流产生的磁场方向。双绕组扼流圈 L1和 L2都绕在同一只磁环上 ,两组线圈匝数相同 ,线间排列均匀一致 ,加入高导磁磁芯之后 ,电感量可大大提高。 ,两根信号线上的差模干扰信号在磁芯内所产生的磁通是相互抵消的 ,起不到扼流圈的作用 ,但对于共模干扰信号可起到高扼圈作用 [ 6 ] 。
双绕组扼流圈对高频干扰信号阻抗很大 ,使整个终端机与激励源之间有了一定程度的高频隔离。试验中采用了铁氧体磁芯 ,μr = 10 000, Bmax = 400 T,尺寸为 10 mm ×6 mm ×5 mm, N = 10。可以算出 L = 0. 83 mH, Imax = 7. 2 A。干扰信号主要集中在 30 MHz~100 MHz之间。通过计算可知对共模干扰的阻抗很大。通过测量如图 7 ( b)所示 (该图为示波器画面 ,纵向每格电压 10 V ,横向每格时间 0. 1μs) ,主要干扰的幅度已经从 15 V 降低到只有 5 V 左右。对共模干扰抑制了 10 dB。
由以上分析可知 ,通过滤波对差模和共模干扰各抑制了 10 dB ,而 8X51与 LPC2114对电源纹波的要求也相差约 10 dB。工程中 ,使用共模扼流圈和电容滤波以后 ,在 LPC2114的 1. 8 V核供电电压上已经观察不到明显的干扰 , LPC2114可以正常工作。
5 结束语
通过对以氙灯为泵浦光源的大功率脉冲激光测距机干扰的分析 ,找到了干扰的主要形式 ,采用同时抑制差模干扰和共模干扰的方法 ,有效解决了干扰问题 ,为新型 CPU的应用克服了障碍 ,为激光测距机的功能拓展打下了良好的基础。
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