专利名称：一种用于数字式重力计量设备的辐射噪声测试方法
技术领域：
本发明涉及一种用于数字式重力计量设备的辐射噪声测试方法，属于电磁兼容测 试以及电力线通信领域。
背景技术：
电子设备产品在进行市场推广之前，必须通过相应的标准测试，其中一项就是辐 射电磁干扰标准测试。而基于单片机数字式重力计量设备的辐射噪声主要是由于其传输线 缆辐射造成的。而现有采用微波暗室来测量电磁辐射的成本较高，因此如何针对单片机数 字式重力计量设备的特点，开发一种用于数字式重力计量设备的辐射噪声测试方法简便方 法是本发明研究的问题。
发明内容
本发明目的是提供一种用于数字式重力计量设备的辐射噪声测试方法，该方法通 过高频电流钳和噪声分离网络先对单片机数字式重力计量设备的共模噪声电流进行测量， 再通过该共模噪声电流来预估辐射噪声。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种用于数字式重力计量设备的辐 射噪声测试方法，包括以下步骤步骤一测试传导噪声分离网络在辐射噪声频段内共模插入损耗和差模抑制比的 性能，以确定该传导噪声分离网络在辐射噪声频段满足测量要求；步骤二 根据高频电流钳结构计算得出相应的转移阻抗Z ( )，该转移阻抗Z ( ) 的具体计算公式为 式中，&为接收机内阻抗(Q)，L2为高频电流钳内感(H)，M为电路与高频电流钳 之间的额互感(H)，(0为角频率(rad/s)，j为虚部单位；步骤三将高频电流钳中的一个测量环置于数字式重力计量设备电源线的火线与 地线上，以提取数字式重力计量设备中电源线中火线对地线的第一噪声电压(Vi)；将高频 电流钳中的另一个测量环置于数字式重力计量设备电源线的中线与地线上，以提取数字式 重力计量设备中电源线中中线对地线的第二噪声电压(V2)；步骤四通过噪声分离网络将火线噪声电压(\)、中线噪声电压(VN)进行矢量和 与矢量差运算，得到差模传导噪声电压(VDM)和共模传导噪声电压(veM)，以分离传导噪声中 差模传导噪声和共模传导噪声；具体公式如下 式中^为火线噪声电压，VN为中线噪声电压，VDM为差模传导噪声电压，VeM为共模 传导噪声电压。步骤五将所述第一噪声电压(义)、第二噪声电压(V2)结合所述高频电流钳的转 移阻抗Z( )进行运算，得到差模传导噪声电流和共模传导噪声电流；具体公式如下
V2 =--—TVcm -^M) 式中，&为接收机内阻抗(Q)，L2为高频电流钳内感(H)，M为电路与高频电流钳 之间的额互感(H)，(0为角频率(rad/s)，j为虚部单位，1 为共模噪声电流(A)，IDM为差 模噪声电流(A)；步骤六根据如下共模噪声电流通过公式 ，获得向自由空间发射出辐射噪声电场，式中，&为自由空间波阻抗，单位为Q；1 为导线长度，单位为m ;1为电流，单位为A ；r为测试距离，单位为m;^为2JI/X，其中入 为相关频率信号波长，单位为m;E0为辐射噪声电场，单位为dBuV/m;j为虚部标志；0为测
量矢量角度。上述技术方案中的有关内容解释如下1、上述方案中，所述共模插入损耗和差模抑制比性能是传导噪声分离网络在工作 频率为30MHz以上的性能。2、上述方案中，所述&为接收机内阻抗(Q)，L2为高频电流钳内感(H)，M为电路 与高频电流钳之间的额互感(H)，《为角频率(rad/s)，j为虚部单位，。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点1、本发明以测量单片机数字式重力计量设备中的传导噪声，并将其分离成共模噪 声和差模噪声，并采用相应的噪声抑制措施使得电力线通信系统在传导部分达到标准要 求。2、本发明根据共模电流对于辐射噪声进行预估，可以省去利用微波暗室等高额测
量费用。3、本发明采用分离网络提取共模噪声，并设计相应的滤波器对于其共模噪声进行 抑制，从而达到抑制单片机数字式重力计量设备辐射噪声的目的。使得对辐射EMI噪声的 抑制更为有效。4、本发明使用高频电流钳可测量小到微安量级的电流。5、本发明测量导线对之间的平衡以确保优化信号的完整性。
图1高频电流钳与噪声分离网络组成的测试系统图；图2高频电流钳电路拓扑结构图；图3射频电流探头预估原理其中，11,12... In为每小段对应电流，El，E2. . . En为 每段电流对应的电场；图4基于单片机数字式重力计量设备电路图，放大部位为引起辐射噪声原因；图5高频电流钳转移阻抗测试图；图6噪声分离网络高频特性图；图7辐射噪声预估结果。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一种用于数字式重力计量设备的辐射噪声测试方法，包括以下步骤步骤一测试传导噪声分离网络在辐射噪声频段内共模插入损耗和差模抑制比的 性能，以确定该传导噪声分离网络在辐射噪声频段满足测量要求；步骤二 根据高频电流钳结构计算得出相应的转移阻抗Z ( )，该转移阻抗Z ( ) 的具体计算公式为
DZ(o))= 八2 jcoM
R2 + j0)L2式中，R2为，L2为，M为，《为，j为；步骤三将高频电流钳中的一个测量环置于数字式重力计量设备电源线的火线与 地线上，以提取数字式重力计量设备中电源线中火线对地线的第一噪声电压(义)；将高频 电流钳中的另一个测量环置于数字式重力计量设备电源线的中线与地线上，以提取数字式 重力计量设备中电源线中中线对地线的第二噪声电压(V2)；步骤四通过噪声分离网络将火线噪声电压(VJ、中线噪声电压(VN)进行矢量和 与矢量差运算，得到差模传导噪声电压(VDM)和共模传导噪声电压(veM)，以分离传导噪声中 差模传导噪声和共模传导噪声；具体公式如下 式中^为火线噪声电压，VN为中线噪声电压，VDM为差模传导噪声电压，VeM为共模 传导噪声电压。步骤五将将所述第一噪声电压(义)、第二噪声电压(V2)结合所述高频电流钳的 转移阻抗Z( )进行运算，得到差模传导噪声电流和共模传导噪声电流；具体公式如下 式中，&为接收机内阻抗(Q)，L2为高频电流钳内感(H)，M为电路与高频电流钳 之间的额互感(H)，(0为角频率(rad/s)，j为虚部单位，1 为共模噪声电流(A)，IDM为差 模噪声电流(A)；步骤六根据如下共模噪声电流通过公式，获得向自由空间发射出辐射噪声电场，式中，A为自由空间波阻抗，单位为Q；1 为导线长度，单位为m ;1为电流，单位为A ；r为测试距离，单位为为2JI/X，其中入 为相关频率信号波长，单位为m;E0为辐射噪声电场，单位为dBuV/m;j为虚部标志；0为测
量矢量角度。所述共模插入损耗和差模抑制比性能是传导噪声分离网络在工作频率为30MHz 以上的性能。所述&为接收机内阻抗(Q)，L2为高频电流钳内感(H)，M为电路与高频电流钳 之间的额互感(H)，(0为角频率(rad/s)，j为虚部单位。本实施例上述内容具体解释如下。高频电流钳和噪声分离网络对于单片机重力计量设备的共模噪声电流进行提取， 进而通过共模噪声电流来预估电路中的辐射噪声的新测试系统。利用噪声分离网络和高频电流钳组成的测试系统用于测量电路中电磁干扰噪声 电流的电路原理如图1。其中，高频电流钳利用互感作用将线路中实际电磁干扰噪声感应到 电流钳中，并被频谱分析仪接收到。高频电流钳测量电路的等效模型如图2所示。根据图 2电路，转移阻抗Z ( )定义如式⑴所示 其中，V2( )为高频电流钳测量得到的电压值，为电路中电流值。由于高 频电流钳的互感作用，不难得出电路中的电磁干扰电流在电流探头中产生的感应电动势为 j Co MI: ((0)，又因为测量仪器的内阻抗为50 Q，与匹配阻抗相同。则电流探头测量所得的电 压与电路中电路电流的关系如式(2)所示 其中，&为500负载阻抗，jcoMIJco)为电压探头通过互感作用感应得到的电压 值，k为电流探头的自感。在电路中，由于匹配阻抗阻值与测量仪器内阻抗相同，所以可利 用匹配阻抗上测量得到的电压值来计算电路中的电流如式(3)所示 其中，队为50Q负载阻抗。所以，⑵式可以转换为 利用噪声分离网络，可提取高频电流钳测量到总噪声电流中的共模分量。单片机 重力计量设备传输线噪声电S\、VN定义为总噪声，通过对两者进行矢量和与矢量差可以 得到电路中的差模噪声和共模噪声如式(5) (6)所示 对于传导噪声电流，根据电磁兼容理论，也可将其分为差模传导噪声电流与共模 传导噪声电流。差模噪声电流产生于火线与中线之间，其定义如式(7)所示
ldm 2 (7)共模噪声电流是火线与地线以及零线与地线上电流噪声之和，其定义如式(8)所 示I = IL+IN (8)根据图1中所示的共模电流流向可知，由于参考地面的阻抗要比安全地线的电感 阻抗值小，所以，共模电流通过火线与零线后最终流向参考地面。因此，共模电流是导致辐 射电磁干扰的主要原因。在单片机重力计量设备设计中，由于电路中环路的存在而导致电 路中存在该种形式的共模电流，从而导致其辐射噪声的增大。由以上分析可知，测量得到的电压与电路中共模(CM)/差模(DM)电流的关系可由 式(9)表示v, = ‘ JmM Ix ( )” -) 兄
(V +V )*50(9)=jcoM ~ V CM y DM-
(50 +jcd 1^(50+ j co l2)+
jcoM 50 /T T N= 50 + Jwj^ {Icm + IDJ由该式可以将电流探头测量得到的感应电压与电路中的共模噪声电流与差模噪 声电流相联系，通过噪声分离网络，可以得到单片机重力计量设备的共模噪声电流，从而预 估其辐射噪声。其具体实施步骤如下1、首先，在频域中对于电流探头的转移阻抗进行测试，考虑到电流探头的等效电 路包含着自感和互感两个方面，所以可以写出电流探头部分电路方程，不难推导出V2 ((0 ) 和义(《)之间的关系如(4)式所示。2、对于传导噪声分离网络在辐射频段内的性能进行测试，以确定其性能在辐射频 段是否可以满足测量要求。3、建立单片机数字重力计量设备共模噪声电流提取系统，该系统由高频电流钳、
8数字式重力计量设备、频谱分析仪和噪声分离网络所构成(见图1)。将高频电流钳1夹在 火线与地线上，以测量流经火线与地线的电磁干扰噪声电流IL ；同时将另一高频电流钳2 夹在中线与地线上，以测量流经中线与地线的电磁干扰噪声电流IN。将两个高频电流钳的 输出端接入噪声分离网络，用以提取系统中的共模噪声。并将共模噪声转化为共模噪声电 流，即可根据提取到的共模噪声电流来预估该系统的辐射噪声。单片机数字式重力计量设 备的电磁辐射主要来源于线路上的共模辐射，而共模辐射来源于高频共模电流，共模电流 沿传输线向自由空间发射出辐射场，场强计算公式如式(10)所示
其中Zo为自由空间波阻抗⑴)，1为导线长度(m)，I为电流(A)，r为测试距离 (m)，3 0 = 2 Ji /入，入为相关频率信号波长(m)。随着频率的增加，导线的物理长度将与波长的几何尺寸可比，则沿导线上的电流 分布不再均勻一致。为此可以将导线均勻分成N个小段，采用射频高频电流钳在每小段的 中间位置测量其各自电流(见图3)，设分别为II，12. . . In，对于每一段导线可以采用公式 (10)进行计算。采用公式(10)计算各小段的辐射电磁场。由于开阔试验场(0ATS)通常是测量电 磁辐射的标准场地，所以需考虑地面反射效应，则总的等效辐射场计算转化为如式(11)所 其中，|EC|为辐射电场，1为每小段等效天线长度，f表示测试频率，r表示开阔试 验场标准测试距离，H表示测试天线高度，F为计算开阔试验场测试环境下的修正因子。4、由于数字式重力计量设备传输线缆较长，因此可利用高频电流钳和噪声分离网 络所组成的测试系统对于传输线缆上不同区域的共模噪声电流进行提取，以确定抑制措施 加载的最佳位置。5、采用铁氧体磁环对于单片机数字重力计量设备中的辐射噪声进行抑制，通过比 较加载铁氧体磁环前后线缆上辐射噪声的衰减程度以检验文中方法的效果。本发明采用的测试方法，可以针对各类单片机数字重力计量设备传输线缆上的辐 射EMI噪声进行预估。采用高频电流钳和噪声分离网络对于线缆上共模噪声电流进行提取 从而对于辐射EMI噪声进行预估，该方法操作简单并且测试准确。通过该测试方法，可以对 单片机数字重力计量设备传输线的辐射EMI噪声进行测试，进一步为抑制该辐射EMI噪声 提供理论依据。其电路如图4所示，其辐射噪声产生原因是由于电路中12MHz时钟电路耦合到传 输线中所致。建立如图1所示测试系统，该测试系统由高频电流钳、噪声分离网络、频谱分 析仪以及数字式重力计量设备等组成。具体测试方法在时域中，其实验连接如图5所示，本实验利用信号发生器在所需测量频段内输 出不同频率的正弦信号到双踪示波器的一个端口中，同时将高频电流钳加载在传输线上， 将测量得到的值输入到双踪示波器的另外一个端口，根据3式，可以求出在不同频率点上，
9该电流探头的转移阻抗。对所采用的噪声分离网络在辐射频段的性能进行测量，以确定该噪声分离网络可 以运用到辐射噪声的预估当中。判断共模噪声分离网络性能优劣主要指标是其共模插入损 耗(CMIL)以及差模抑制比(DMRR)其定义如式(12)所示 其中，VeM为共模输入，为共模输出；VDM为差模输入，为差模输出。在共模分 离网络中，共模插入损耗的理想值应为0，以保证在共模噪声传输中，其共模噪声信号的损 耗较小；同理可知，其差模抑制比应尽可能大，以保证其差模噪声不会耦合到共模噪声信号 的传输中，所以，其差模抑制比的理想值应为-⑴。通过测试，可以得到其共模插入损耗和 差模抑制比测试结果如图6所示。该结果表明该分离网络可运用于辐射EMI频段的预估。在测试噪声分离网络在辐射频段性能的基础上，可以连接电路系统。将数字式重 力计量设备通电，并将高频电流钳1夹在火线与地线上；另一个高频电流钳夹在中线与地 线上，以测量电缆上的火线噪声和中线噪声\、VN其超标频点为36MHz (如图7所示)。高 频电流钳的输出端口接入到噪声分离网络中，将分离后的噪声输入频谱分析仪中以分析单 片机重力计量设备的共模噪声电流。将高频电流钳摆放在数字式重力计量设备线缆上不同地方，以确定线缆上辐射最 大处的位置。此案例中分为近电源端，中点和近设备端三处进行检测，其检测结果如表1所 示表1数字式重力计量设备传导EMI噪声分离结果 根据表中所示，其抑制部位应在近设备端处。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人 士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明 精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种用于数字式重力计量设备的辐射噪声测试方法，其特征在于包括以下步骤步骤一测试传导噪声分离网络在辐射噪声频段内共模插入损耗和差模抑制比的性能，以确定该传导噪声分离网络在辐射噪声频段满足测量要求；步骤二根据高频电流钳结构计算得出相应的转移阻抗Z(ω)，该转移阻抗Z(ω)的具体计算公式为 <mrow><mi>Z</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>ω</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>R</mi><mn>2</mn> </msub> <mrow><msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>jω</mi><msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>·</mo><mi>jωM</mi> </mrow>式中，R2为频谱仪接收阻抗，L2为高频电流钳自感系数，M为测试电路与高频电流钳之间的互感系数，ω为角频率，j为虚部符号；步骤三将高频电流钳中的一个测量环置于数字式重力计量设备电源线的火线与地线上，以提取数字式重力计量设备中电源线中火线对地线的第一噪声电压(V1)；将高频电流钳中的另一个测量环置于数字式重力计量设备电源线的中线与地线上，以提取数字式重力计量设备中电源线中中线对地线的第二噪声电压(V2)；步骤四将所述第一噪声电压(V1)、第二噪声电压(V2)结合所述高频电流钳的转移阻抗Z(ω)进行运算，得到差模传导噪声电流和共模传导噪声电流；具体公式如下 <mrow><mo>|</mo><msub> <mi>V</mi> <mn>1</mn></msub><mo>|</mo><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>jωM</mi><mo>·</mo><msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>jω</mi><msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>I</mi><mi>CM</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>I</mi><mi>DM</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>|</mo><msub> <mi>V</mi> <mn>2</mn></msub><mo>|</mo><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>jωM</mi><mo>·</mo><msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>jω</mi><msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>I</mi><mi>CM</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>I</mi><mi>DM</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中，R2为接收机内阻抗(Ω)，L2为高频电流钳内感(H)，M为电路与高频电流钳之间的额互感(H)，ω为角频率(rad/s)，j为虚部单位，ICM为共模噪声电流(A)，IDM为差模噪声电流(A)；步骤五根据如下共模噪声电流通过公式 <mrow><msub> <mi>E</mi> <mi>θ</mi></msub><mo>≈</mo><mi>j</mi><mfrac> <mrow><mi>l</mi><msub> <mi>Z</mi> <mn>0</mn></msub><mi>I</mi><msub> <mi>β</mi> <mn>0</mn></msub><mi>sin</mi><mi>θ</mi> </mrow> <mrow><mn>4</mn><mi>πr</mi> </mrow></mfrac><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><mi>j</mi><msub> <mi>β</mi> <mn>0</mn></msub><mi>r</mi> </mrow></msup> </mrow>，获得向自由空间发射出辐射噪声电场，式中，Z0为自由空间波阻抗，单位为Ω；l为导线长度，单位为m；I为电流，单位为A；r为测试距离，单位为m；β0为2π/λ，其中λ为相关频率信号波长，单位为m；Eθ为辐射噪声电场，单位为dBuV/m；j为虚部标志；θ为测量矢量角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括通过噪声分离网络将火线噪声电 压(\)、中线噪声电压(Vn)进行矢量和与矢量差运算，得到差模传导噪声电压(Vdm)和共模 传导噪声电压(Vqi)，以分离传导噪声中差模传导噪声和共模传导噪声；具体公式如下 式中^为火线噪声电压，Vn为中线噪声电压，Vdm为差模传导噪声电压，Vqi为共模传导 噪声电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述共模插入损耗和差模抑制比性能是 传导噪声分离网络在工作频率为30MHz以上的性能。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述内阻抗为R2为接收机内阻抗(Ω)， L2为高频电流钳内感(H)，M为电路与高频电流钳之间的额互感(H)，ω为角频率(rad/s)， j为虚部单位。
全文摘要
一种用于数字式重力计量设备的辐射噪声测试方法，根据高频电流钳结构计算得出相应的转移阻抗；将高频电流钳中的测量环置于数字式重力计量设备电源线上，以提取电源线中第一噪声电压和第二噪声电压；通过噪声分离网络将第一噪声电压、第二噪声电压进行矢量和与矢量差运算，得到差模传导噪声电压和共模传导噪声电压；将所述差模传导噪声电压、为共模传导噪声电压结合所述高频电流钳的转移阻抗进行运算，得到差模传导噪声电流和共模传导噪声电流；根据所述共模噪声电流公式获得向自由空间发射出辐射噪声电场。本发明通过高频电流钳和噪声分离网络先对单片机数字式重力计量设备的共模噪声电流进行测量，在通过该共模噪声电流来预估辐射噪声。
文档编号G01R31/00GK101887095SQ20101021478
公开日2010年11月17日 申请日期2010年7月1日 优先权日2010年7月1日
发明者董颖华, 赵阳, 颜伟, 黄学军 申请人:苏州泰思特电子科技有限公司