Классификация источников помех

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

                                                                

 

Кафедра ЭС 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ : «Классификация источников помех» 
 
 
 
 
 
 
 
                                             Студент : Зинатуллин Б.Н.

 Группа : ТВН-1-10

Преподаватель: Муратаева Г.А.

 

                                 Казань 2012г. 
 

1. Классификация  электромагнитных помех

В качестве электромагнитной помехи (ЭМП) может фигурировать практически  любое электромагнитное явление  в широком диапазоне частот. Прежде чем переходить к рассмотрению влияния  ЭМП на электронную аппаратуру, попытаемся ввести некоторую классификацию  ЭМП.

В зависимости от источника ЭМП можно разделить  на естественные и искусственные. Наиболее распространенной естественной ЭМП является электромагнитный импульс при ударе молнии. Искусственные помехи можно разделить на создаваемые функциональными источниками и создаваемые нефункциональными источниками. Функциональным источник помехи будем называть в случае, если для него самого создаваемая ЭМП является полезным сигналом. К таким источникам относятся, прежде всего, передающие устройства радиосвязи, а также аппаратура, использующая цепи питания для передачи информации. Нефункциональными будем называть источники, которые создают ЭМП в качестве побочного эффекта в процессе работы. К ним можно отнести любые проводные коммуникации, создающие электромагнитные поля, коммутационные устройства, импульсные блоки питания аппаратуры и т.п. Электростатический разряд с тела человека также может рассматриваться как создаваемый нефункциональным источником ЭМП. Принципиальное различие между функциональными и нефункциональными источниками состоит в том, что для вторых уровень ЭМП часто можно снизить путем пересмотра конструкции источника, в то время как для функциональных ЭМП такой путь обычно исключается.

В зависимости от среды распространения ЭМП могут  разделяться на индуктивные и кондуктивные. Индуктивными называют ЭМП, распространяющиеся в виде электромагнитных полей в непроводящих средах. Кондуктивные ЭМП представляют собой токи, текущие по проводящим конструкциям и земле.

Деление помех на индуктивные и кондуктивные является, строго говоря, условным. В реальности протекает единый электромагнитный процесс, затрагивающий проводящую и непроводящую среду. В ходе распространения многие помехи могут превращаться из индуктивных в кондуктивные и наоборот. Так, переменное электромагнитное поле способно создавать наводки в кабелях, которые далее распространяются как классические кондуктивные помехи. С другой стороны, токи в кабелях и цепях заземления сами создают электромагнитные поля, т.е. индуктивные помехи.

Условность деления  помех на индуктивные и кондуктивные наглядно проявляется, например, в ходе анализа пути проникновения высокочастотных помех внутрь электронной аппаратуры. Часто выясняется, что реальный путь проникновения помехи представляет собой комбинацию металлических проводников и «дорожек» на платах аппаратуры («кондуктивные» участки) и паразитных емкостных и индуктивных связей («индуктивные» участки). В результате помеха достигает высокочувствительных цифровых контуров аппаратуры, минуя защитные элементы типа фильтров и варисторов, установленные в расчете на чисто кондуктивный характер помехи.

Деление помех на индуктивные и кондуктивные можно считать относительно строгим лишь в низкочастотной (до десятков кГц) области, когда емкостные и индуктивные связи обычно малы. Однако и здесь есть исключения - например, строгий анализ растекания тока через сложный заземлитель в землю требует учета как гальванической, так и электромагнитной составляющей единого процесса.

Кондуктивные помехи в цепях, имеющих более одного проводника, принято также делить на помехи «провод - земля» (синонимы - несимметричные, общего вида, Common Mode) и «провод-провод» (симметричные, дифференциального вида, Differential Mode). В первом случае («провод-земля») напряжение помехи приложено, как следует из названия, между каждым из проводников цепи и землей. Во втором - между различными проводниками одной цепи (см. рис. 1). Обычно самыми опасными для аппаратуры являются помехи «провод-провод», поскольку они оказываются приложенными так же, как и полезный сигнал (рис. 1 б)). Реальные помехи обычно представляют собой комбинацию помех «провод-провод» и «провод-земля». Нужно учитывать, что несимметрия внешних цепей передачи сигналов и входных цепей аппаратуры может вызывать преобразование помехи «провод-земля» в помеху «провод-провод». Это легко понять, рассматривая упрощенную схему на рис. 2: несимметрия внешних цепей (Z_l1≠Z_l2) и входных цепей аппаратуры-приемника (Z_i1≠Z_i2) приводит к появлению помехи «провод-провод» величиной U_l = (Z_i1/ Z_l1 - Z_i2/Z_l2)U_c. В данном примере упрощение заключалось в том, что внутреннее сопротивление приемника в режиме «провод-провод» принято равным бесконечности (т.е., в качестве измерителя полезного сигнала включен идеальный вольтметр). 

 

Рисунок 1. Схема  приложения помехи «провод-земля» (а) и  «провод-провод» (б).

Рисунок 2. Преобразование помехи «провод-земля» в помеху «провод-провод».  

 

Применение внешних  цепей с высокой степенью симметрии (т.е. с Z_l1 ≈Z_l2, например, типа «витая пара»), позволяет обеспечить низкий уровень преобразования помех «провод-земля» в помехи «провод-провод», но лишь при условии высокой симметрии входных цепей аппаратуры (Z_i1 ≈ Z_i2).

Следующие два способа  классификации помех основываются на их спектральных характеристиках. Во-первых, ЭМП делятся на узкополосные и  широкополосные. К первым обычно относятся  помехи от систем связи на несущей  частоте, систем питания переменным током и т.п. Их отличительной  особенностью является то, что характер изменения помехи во времени является синусоидальным или близок к нему. При этом спектр помехи близок к  линейчатому (максимальный уровень - на основной частоте, пики меньшего уровня - на частотах гармоник).

Широкополосные  помехи имеют существенно несинусоидальный характер и обычно проявляются в виде либо отдельных импульсов, либо их последовательности. Для периодических широкополосных сигналов спектр состоит из большого набора пиков на частотах, кратных частоте основного сигнала. Для апериодических помех спектр является непрерывным и описывается спектральной плотностью. Типичными широкополосными помехами являются:

· шум, создаваемый  в сети питания аппаратуры при  работе импульсного блока питания;

· молниевые импульсы;

· импульсы, создаваемые  при коммутационных операциях;

· ЭСР.

Другой спектральной характеристикой является область  частот, в которой лежит основная часть спектра помехи. Условно  принято делить все помехи на низкочастотные и высокочастотные. К первым обычно относят помехи в диапазоне 0 - 9 кГц. В большинстве случаев они создаются силовыми электроустановками и линиями. Высокочастотные узкополосные помехи (с частотой выше 9 кГц) обычно создаются различными системами связи. Высокочастотными являются все распространенные типы импульсных помех. Иногда также вводят понятия радиочастотной помехи (диапазон - от 150 кГц до 1,2 ГГц) и СВЧ-помехи (порядка нескольких ГГц).

Приведенная классификация  не претендует ни на строгость, ни на полноту. Тем не менее, она позволяет ввести понятия, которые понадобятся нам  в дальнейшем. Эта же классификация  широко используется инженерами, работающими  в области ЭМС.

 
2. Влияние  ЭМП на аппаратуру связи

Влияние ЭМП на аппаратуру бывает разнообразным - от непредсказуемых  временных ухудшений характеристик  канала передачи информации, сбоев  цифровой техники и искажения  изображения на экранах мониторов  до физического повреждения и  даже возгорания аппаратуры и ее кабелей. Иногда при анализе той или  иной неисправности оказывается очень сложно обнаружить, что реальным ее источником являются проблемы ЭМС.

Прежде, чем переходить к описанию физических механизмов влияния  ЭМП на аппаратуру, рассмотрим формальную классификацию воздействия ЭМП  по признаку степени серьезности  последствий. В действующих стандартах для этого используются так называемые критерии качества функционирования аппаратуры под действием ЭМП (см., например, [5]). Они используются для формализации описания поведения аппаратуры под  действием той или иной помехи. Рассмотрим эти критерии.

Критерий А - воздействие ЭМП никак не отражается на функциональных характеристиках аппаратуры, работа которой до, во время и после воздействия помехи происходит в полном соответствии с техническими условиями или стандартами. Обычно выполнение критерия А требуется для аппаратуры, используемой для выполнения функций высокой важности в реальном масштабе времени. В первую очередь это аппаратуры защиты и противоаварийной автоматики.

Критерий В - допускается временное ухудшение функциональных характеристик аппаратуры в момент воздействия помехи. После прекращения воздействия ЭМП функционирование полностью восстанавливается без вмешательства обслуживающего персонала. Этот критерий обычно используется для аппаратуры, выполняющей задачи высокой важности, однако не в реальном масштабе времени. Достаточно «скользким» моментом при определении соответствия аппаратуры критерию В является допустимое время восстановления функциональных характеристик после воздействия помехи. Это актуально, например, когда речь идет о цифровой аппаратуре, воздействие ЭМП на которую приводит к перезагрузке.

Критерий С - аналогичен В, но, в отличие от него, допускает вмешательство персонала для восстановления работоспособности аппаратуры (например, перезагрузки «зависшей» цифровой системы, повторного набора номера и т.п.). Обычно используется для аппаратуры, не предназначенной для выполнения ответственных задач.

Критерий D - физическое повреждение аппаратуры под действием  помехи. По понятным причинам, этот критерий не может использоваться для формулировки требований к устойчивости аппаратуры.

Несмотря на высокий  уровень формализации, применение этих критериев часто требует дополнительной информации. Такая конкретизация  обычно выполняется в стандартах на виды продукции, технических условиях и программах испытаний.

Перейдем теперь к рассмотрению физических механизмов влияния ЭМП на аппаратуру.

Условно, можно выделить следующие основные сценарии воздействия  ЭМП на аппаратуру:

1) Искажение сигналов  во внешних информационных цепях.  Можно выделить две основных  причины возникновения кондуктивных помех в информационных цепях (рис. 3):

- действие индуктивных  ЭМП, наводящих кондуктивные помехи в информационных цепях;

- наличие гальванической  связи между подверженной влиянию  цепью и источником внешних  помех (кондуктивный механизм). В качестве такой гальванической связи очень часто выступает общее для различных устройств сопротивление заземления: потенциал, созданный падением напряжения на сопротивлении заземления, оказывается приложенным к корпусу аппаратуры и, через сопротивления между входными цепями этой аппаратуры и корпусом, прикладывается к информационным цепям.

Помехи, появившись в проводных коммуникациях, достигают  входов аппаратуры. Далее механизм воздействия помех зависит от их частот.

Рисунок 3. Возникновение  помех в линии связи: а) - ЭДС  помехи E_п создается под действием внешнего электромагнитного поля (индуктивный механизм), б) - напряжение U_п создается при протекании тока помехи I_п через общее для устройств 2,3 сопротивление заземления Z (кондуктивный механизм).

Особенно опасны составляющие спектра помехи, лежащие  в той же полосе частот, что и  рабочие сигналы. Обычно такие составляющие беспрепятственно минуют входные фильтры  и далее обрабатываются так же, как если бы они были полезными  сигналами. В результате повышается число ошибок в канале передачи информации. В отдельных случаях может  происходить даже физическое повреждение  элементов сигнального тракта.

Сравнительно низкочастотные (до 10 - 20 МГц) составляющие помехи, лежащие  вне рабочей полосы частот канала связи, обычно воздействуют на ближайшие  к входам схемные элементы. В грамотно спроектированной аппаратуре ими обычно оказываются фильтры и специальные  устройства ограничения перенапряжений (разрядники, варисторы и т.п.). В  этом случае основной угрозой является возможность физического повреждения  этих элементов. Обычно это бывает, если амплитуда помехи значительно  превышает ту, на которую защитные элементы были рассчитаны.

Высокочастотные составляющие спектра помехи вне рабочей полосы частот, отличаются тем, что благодаря  наличию паразитных индуктивных  и емкостных связей оказываются  способными «обходить» защитные элементы и проникать глубоко внутрь аппаратуры. Особенно опасно их воздействие на элементы внутренних цифровых схем аппаратуры. Поскольку обмен данными по внутренним системным шинам часто производится без использования протоколов с  обнаружением и коррекцией ошибок, искажение только одного бита информации уже способно полностью блокировать  работу системы.

2) Искажение сигналов  в антенных цепях. Относится  к радиоаппаратуре. Механизм возникновения  помех аналогичен индуктивному  механизму возникновения помех  в проводных коммуникациях аппаратуры  связи (рис. 3 а): электромагнитное  поле помехи индуцирует в антенных  цепях ЭДС помехи. Обычно амплитуды  помех, наводимых таким образом,  малы для того, чтобы повредить  входные фильтры аппаратуры. Поэтому  основную угрозу для приема  представляют помехи, значительная  часть спектра которых лежит  в рабочей полосе частот радиоаппаратуры.