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摘要: 电磁脉冲对数字电路的辐照效应成为当今重要的研究课题,在用电领域具有重要的意义。主要是通过改变磁场的极性、强度、被试器件的类型等试验条件,进而研究电磁脉冲辐射场对数字电路的辐照效应。
关键词: 电磁脉冲;数字电路;辐照效应;探讨
在电子系统工作中,电磁脉冲是一种常见的电磁干扰源, 具有频谱宽、功率高等特点,如雷电电磁脉冲、静电放电电磁脉冲等。随着科学技术的发展,用电设备的外部电磁环境下日趋复杂,从而使得电子设备或系统将面临着各种自然和人为的电磁骚扰,最终影响到整个电子系统的正常工作。因此,开展电磁脉冲对数字电路的辐照效应和进一步研究抗电磁脉冲的设计原则和防护措施在航天、国防、电子等领域都具有重要意义。
1 电磁脉冲对数字电路的辐照试验探讨
雷电电磁脉冲辐照系统主要由被试电路、界波电磁脉冲模拟器和测试设备三部分构成。其中,有界波电磁脉冲模拟器由前过渡段、脉冲源、后过渡段、平行板段(传输线)和终端器几个部分构成。在试验过程中,首先将受试设备设置在平行板传输线工作空间中,同时,选用LSG-8015雷电浪涌发生器高压脉冲源,这样使之能够产生国际标准IEC 61000-4-5所规定的综合波浪涌电压波形。此外,对被试电路接收的耦合电压的测量,尽可能采用TEK-TDS680B示波器;而对于工作空间内脉冲场的测量,则应采用光纤传输的宽带电场测试系统进行测量, 传输线工作空间中央的电场波形。
跟据以上的试验配置安排,按照以下图一所示的被试电路摆放方向进行辐照试验,然后,再分别测量与非门输入端的波形和与非门输出端的波形。接下来,根据测量要求逐步改变场强的大小,再对与非门的输入与输出端电压波形进行测量。与非门的输入与输出端在场强峰值为8·75kV/m的电压波形辐射。从图可看出,主要当当输入信号是低电平或者输入信号是高电平时受到干扰的情况,其中通道1是输入波形,通道2输出波形。图四中原本处于低电平或高电平的信号,在受到干扰后,产生了振荡,产生了辐照效应先是高频振荡,后为低频衰减振荡。
2 辐照耦合结果
2.1 改变浪涌极性对耦合结果的影响
在磁脉冲对数字电路的辐照试验中,改变浪涌极性前后呈现出以下相同点,同一E水平下,低频振荡的振荡频率、感应波形的高频振荡和持续时间基本相同;器件接收到的U与E仍成线性上升趋势;不同E下的感应电压波形与改变极性前基本相似,都是由高、低频振荡组成。而在不同的极性下,感应结果主要体现在以下方面的不同:电路对于电场的方向就不同,放电极性不同,即相当于天线形状不同。
2.2 改变与非门类型的耦合结果
由于芯片的内部结构在一定程度上决定了耦合结果,将对管脚接收到的感应电压产生一定的影响。因而,在本试验中将同一公司生产的低功耗与非门74LS00肖特基TTL电路替换为74HC00,这两者的感应电压波形基本一致。通过测试不同E下感应电压峰峰值Upp,其试验结果如下表1所示。同一E下,测试了二者的工作波形,供电电池约6V,与非门输入端与CD4047输出端并联,数据显示74HC00的Upp普遍低于74LS00。测试结果为:74HC00输入端高电平仅5V,而74LS00输入端高电平约6V,由此可见,在此电压下,74HC00输入端阻抗比74LS00比更低,其分压也比较低。
2.3 改变EUT方向对结果的影响
将线圈平面旋转90°,改变引线线圈在电磁场中的方向,垂直于磁场方向,使线圈平面平行于电场的传输方向,通过这样的试验设置使得线圈在电磁场中既受到磁场的作用,还受到电场作用。改变电磁场的方向后,随E线性变化在同样E下的U的增长率也有随着变大。因为,在线圈改变方向后,使之同时受到磁场和电场的双重作用,进而使得U会增大。此外,改变方向后,接收到的电压波形几乎没什么变化,与改变极性前极为相似,都是由高、低频振荡组成。只是感应电压波形在改变方向前后有些差异,但是,其高频振荡部分并没有出现太大变化,基本相同,且衰减较快,但低频振荡在改变方向后周期减小,由此可见,改变被试设备的方向对U及波形都有影响。因此,在控制信号传输线上耦合了干扰电压,当电路受到电磁辐照时,引起了地电位的波动,干扰电容的正常运行,该电压会传导到多谐振荡器的充放电电容的两端,改变电容充放电到阈值电压的时间,从而影响多谐振荡器输出方波的高、低电平持续时间及占空比。
3 结语
综上所述,随着电子技术的不断发展与变革,电子系统的工作环境日益复杂,并会影响到数字电路中电子系统的正常工作。电磁脉冲对电路的辐照耦合的因素有接收天线形状、场的强度、阻抗特性、器件电路的内部结构与设备或系统在线上的信号、电磁场中的方向等。电磁脉冲具有功率高、前沿陡、频带宽等特点,其电磁辐射极可能对电子设备造成影响和破设,不利于电子系统的正常、高效运作,甚至在超过一定强度后,电磁脉冲还会会使器件发生潜在性失效或永久性损伤,从而给企业和个人造成经济损失和灾难性事故。因此,在设计计电路及安装系统时,这就要求相关人员必须根据干扰电磁场及系统的特性,借鉴国外先进的设计理念,采取各种有效的防范措施,尽量减小和避免电磁脉冲对数字电路的干扰,确保整个电
子系统的正常、可靠、安全地工作。
参考文献:
[1]周星、程二威、王书平,电磁脉冲对数字电路的辐照法与注入法比较[J].河北大学学报(自然科学版),2010(05).
[2]臧扬、刘文冰、魏明、路潇,FPGA静电电磁脉冲辐照效应试验研究[J].军械工程学院学报,2005(05).
[3]周星、王书平、魏光辉,雷电电磁脉冲对数字电路的辐照耦合试验研究[J].军械工程学院学报,2005(05).
[4]陈海林、陈彬、李正东、段艳涛,电磁脉冲作用下自由空间线缆的感应开路电压[J].强激光与粒子束,2006(01).
[5]魏明、刘尚合、翟景升,LEMP成因与特性[J].高电压技术,2000(04).
关键词: 电磁脉冲;数字电路;辐照效应;探讨
在电子系统工作中,电磁脉冲是一种常见的电磁干扰源, 具有频谱宽、功率高等特点,如雷电电磁脉冲、静电放电电磁脉冲等。随着科学技术的发展,用电设备的外部电磁环境下日趋复杂,从而使得电子设备或系统将面临着各种自然和人为的电磁骚扰,最终影响到整个电子系统的正常工作。因此,开展电磁脉冲对数字电路的辐照效应和进一步研究抗电磁脉冲的设计原则和防护措施在航天、国防、电子等领域都具有重要意义。
1 电磁脉冲对数字电路的辐照试验探讨
雷电电磁脉冲辐照系统主要由被试电路、界波电磁脉冲模拟器和测试设备三部分构成。其中,有界波电磁脉冲模拟器由前过渡段、脉冲源、后过渡段、平行板段(传输线)和终端器几个部分构成。在试验过程中,首先将受试设备设置在平行板传输线工作空间中,同时,选用LSG-8015雷电浪涌发生器高压脉冲源,这样使之能够产生国际标准IEC 61000-4-5所规定的综合波浪涌电压波形。此外,对被试电路接收的耦合电压的测量,尽可能采用TEK-TDS680B示波器;而对于工作空间内脉冲场的测量,则应采用光纤传输的宽带电场测试系统进行测量, 传输线工作空间中央的电场波形。
跟据以上的试验配置安排,按照以下图一所示的被试电路摆放方向进行辐照试验,然后,再分别测量与非门输入端的波形和与非门输出端的波形。接下来,根据测量要求逐步改变场强的大小,再对与非门的输入与输出端电压波形进行测量。与非门的输入与输出端在场强峰值为8·75kV/m的电压波形辐射。从图可看出,主要当当输入信号是低电平或者输入信号是高电平时受到干扰的情况,其中通道1是输入波形,通道2输出波形。图四中原本处于低电平或高电平的信号,在受到干扰后,产生了振荡,产生了辐照效应先是高频振荡,后为低频衰减振荡。
2 辐照耦合结果
2.1 改变浪涌极性对耦合结果的影响
在磁脉冲对数字电路的辐照试验中,改变浪涌极性前后呈现出以下相同点,同一E水平下,低频振荡的振荡频率、感应波形的高频振荡和持续时间基本相同;器件接收到的U与E仍成线性上升趋势;不同E下的感应电压波形与改变极性前基本相似,都是由高、低频振荡组成。而在不同的极性下,感应结果主要体现在以下方面的不同:电路对于电场的方向就不同,放电极性不同,即相当于天线形状不同。
2.2 改变与非门类型的耦合结果
由于芯片的内部结构在一定程度上决定了耦合结果,将对管脚接收到的感应电压产生一定的影响。因而,在本试验中将同一公司生产的低功耗与非门74LS00肖特基TTL电路替换为74HC00,这两者的感应电压波形基本一致。通过测试不同E下感应电压峰峰值Upp,其试验结果如下表1所示。同一E下,测试了二者的工作波形,供电电池约6V,与非门输入端与CD4047输出端并联,数据显示74HC00的Upp普遍低于74LS00。测试结果为:74HC00输入端高电平仅5V,而74LS00输入端高电平约6V,由此可见,在此电压下,74HC00输入端阻抗比74LS00比更低,其分压也比较低。
2.3 改变EUT方向对结果的影响
将线圈平面旋转90°,改变引线线圈在电磁场中的方向,垂直于磁场方向,使线圈平面平行于电场的传输方向,通过这样的试验设置使得线圈在电磁场中既受到磁场的作用,还受到电场作用。改变电磁场的方向后,随E线性变化在同样E下的U的增长率也有随着变大。因为,在线圈改变方向后,使之同时受到磁场和电场的双重作用,进而使得U会增大。此外,改变方向后,接收到的电压波形几乎没什么变化,与改变极性前极为相似,都是由高、低频振荡组成。只是感应电压波形在改变方向前后有些差异,但是,其高频振荡部分并没有出现太大变化,基本相同,且衰减较快,但低频振荡在改变方向后周期减小,由此可见,改变被试设备的方向对U及波形都有影响。因此,在控制信号传输线上耦合了干扰电压,当电路受到电磁辐照时,引起了地电位的波动,干扰电容的正常运行,该电压会传导到多谐振荡器的充放电电容的两端,改变电容充放电到阈值电压的时间,从而影响多谐振荡器输出方波的高、低电平持续时间及占空比。
3 结语
综上所述,随着电子技术的不断发展与变革,电子系统的工作环境日益复杂,并会影响到数字电路中电子系统的正常工作。电磁脉冲对电路的辐照耦合的因素有接收天线形状、场的强度、阻抗特性、器件电路的内部结构与设备或系统在线上的信号、电磁场中的方向等。电磁脉冲具有功率高、前沿陡、频带宽等特点,其电磁辐射极可能对电子设备造成影响和破设,不利于电子系统的正常、高效运作,甚至在超过一定强度后,电磁脉冲还会会使器件发生潜在性失效或永久性损伤,从而给企业和个人造成经济损失和灾难性事故。因此,在设计计电路及安装系统时,这就要求相关人员必须根据干扰电磁场及系统的特性,借鉴国外先进的设计理念,采取各种有效的防范措施,尽量减小和避免电磁脉冲对数字电路的干扰,确保整个电
子系统的正常、可靠、安全地工作。
参考文献:
[1]周星、程二威、王书平,电磁脉冲对数字电路的辐照法与注入法比较[J].河北大学学报(自然科学版),2010(05).
[2]臧扬、刘文冰、魏明、路潇,FPGA静电电磁脉冲辐照效应试验研究[J].军械工程学院学报,2005(05).
[3]周星、王书平、魏光辉,雷电电磁脉冲对数字电路的辐照耦合试验研究[J].军械工程学院学报,2005(05).
[4]陈海林、陈彬、李正东、段艳涛,电磁脉冲作用下自由空间线缆的感应开路电压[J].强激光与粒子束,2006(01).
[5]魏明、刘尚合、翟景升,LEMP成因与特性[J].高电压技术,2000(04).