CN104678189A - 一种基于emi滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统，其包括线性阻抗稳定网络、信号选择模块、噪声放大模块、滤波器模块、A/D采样模块、中心控制模块以及串口通信模块；线性阻抗稳定网络的提取信号输出端经信号选择模块后输入噪声放大模块的输入端，噪声放大模块的输出端依次经滤波器模块和A/D采样模块后与中心控制模块双向连接，中心控制模块经串口通信模块与上位机进行通信；信号选择模块包括噪声分离电路和其外接的继电器常闭触点K1-1、继电器常开触点K1-2和继电器常开触点K2-1，继电器常闭触点K1-1和继电器常开触点K1-2互为反向动作触点。本发明的优点是能实现数据采样调控、噪声模态快速准确分离、抗外部干扰同时抑制本身对其他设备产生干扰。

Description

一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统

技术领域

本发明涉及一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统，属于电磁干扰噪声处理技术领域。

背景技术

目前，在电力线和电气设备中，电磁干扰（EMI）的作用途径主要分为两大类，分别是辐射干扰和传导干扰。辐射干扰是指干扰源比较远，干扰源发出的干扰以电磁波的形式被吸收，而传导干扰是指干扰源距离比较近，干扰源经过耦合电容、耦合电感和公共阻抗的途径进入被干扰设备。在低频范围内，电磁干扰的主要表现形式是传导干扰。干扰信号主要是电流和电压的谐波分量，而传导干扰的载体则是信号线、控制线和电力线，为了控制并降低EMI的影响，在工业界最为有效的手段之一是采用EMI滤波器，根据传导噪声差模干扰和共模干扰产生的机理不同，相应的电磁干扰EMI滤波器的设计又分为共模滤波器和差模滤波器两种，因此，在噪声测量时需要分离后的共模噪声和差模噪声，这就需要设计能够提供能精确分离共模噪声和差模噪声的共模滤波器和差模滤波器。按照国际标准进行的传导性电磁干扰测量系统采用线性阻抗稳定网络（LISN），只能提供电力线上的相互叠加的共模和差模混合干扰信号，由于不同模态信号确定不同滤波性能、拓扑结构与参数选取，因而现阶段使用的线性阻抗稳定网络对试剂功率线滤波器的干扰抑制帮助不大。

在多数电子、电气设备的传导发射过程中，传导发射频率从几千盒子直至1GHz以上，当频率很高时，由于导体损耗以及分布电感和分布电容的作用，使传导电流大大衰减，直流电源的输出端可能出现不同程度的交流噪声和其他干扰，在交流整流后还能出现由于电源滤波器元件、电容和非正常的串联电感谐振而传输的波纹，它们在电源的输出端极可能引起阻尼振荡。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种能实现数据采样调控、噪声模态快速准确分离、能够抗外部干扰同时抑制本身对其他设备产生干扰的基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统。

本发明的技术方案如下：

一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统，其包括用于提取混合噪声的线性阻抗稳定网络、信号选择模块、噪声放大模块、滤波器模块、A/D采样模块、中心控制模块以及串口通信模块；所述线性阻抗稳定网络的电源端外接有主电源，所述主电源经线性阻抗稳定网络后接入被测设备的被测端，所述线性阻抗稳定网络设置在主电源和被测设备之间，将提取到的混合噪声输出至噪声分离电路进行差模信号、共模信号或者直通信号的分离选择；

所述主电源经线性阻抗稳定网络后接入被测设备的被测端，所述线性阻抗稳定网络的提取信号输出端经信号选择模块后输入噪声放大模块的输入端，所述噪声放大模块的输出端依次经滤波器模块和A/D采样模块后与中心控制模块双向连接，所述中心控制模块经串口通信模块与上位机进行通信；

所述信号选择模块包括噪声分离电路和其外接的继电器常闭触点K1-1、继电器常开触点K1-2和继电器常开触点K2-1，所述继电器常闭触点K1-1和继电器常开触点K1-2相互为反向动作触点。

进一步的，所述线性阻抗稳定网络的地线输出端V’_E经继电器常开触点K2-1导出直通信号c接入噪声放大模块的输入端；所述线性阻抗稳定网络的火线输出端V’_L经噪声分离电路后经继电器常闭触点K1-1导出共模信号a接入噪声放大模块的输入端；所述线性阻抗稳定网络的零线输出端V’_N经噪声分离电路后经继电器常开触点K1-2导出差模信号b接入噪声放大模块的输入端。

进一步的，所述噪声分离电路包括带中心抽头的射频变压器T、共模电感线圈L、差模滤波电容C和电阻R1~R2；所述差模滤波电容C和继电器常闭触点K1-1串联后并联在射频变压器T的原边，所述射频变压器T的原边的中点抽头经电阻R1接地，所述射频变压器T的原边的中点抽头导出共模信号a，所述射频变压器T的副边的两端分别接共模电感线圈L的两输入端，所述射频变压器T的副边的一端和共模电感线圈L的一个输入端之间串联有继电器常开触点K2-1，所述共模电感线圈L的两输出端一个接地，另一个经电阻R2接地，所述共模电感线圈L的接电阻R2的输出端导出差模信号b。

进一步的，所述噪声放大模块包括运算放大器及其外围电路组成，所述共模信号a、差模信号b和直通信号c择一输入所述运算放大器的输入端。

进一步的，所述滤波器模块由EMI低通滤波器和高通滤波器串联组成，所述噪声放大模块中的运算放大器的输出端依次经过EMI低通滤波器和高通滤波器接入A/D采样模块。

进一步的，所述A/D采样模块包括A/D驱动芯片和A/D采样芯片，所述滤波器模块中的高通滤波器的输出端接A/D驱动芯片的输入端，所述A/D驱动芯片的输出端接A/D采样芯片的输入端，所述A/D采样芯片的输出端接入中心控制模块。

进一步的，所述中心控制模块包括FPGA芯片和RAM存储器，所述RAM存储器与FPGA芯片双相连接，所述FPGA芯片的通信端经串口通信模块与上位机连接，所述FPGA芯片的数据端与A/D采样芯片的输出端相连接。

进一步的，所述线性阻抗稳定网络为具有稳定阻抗的三端口接口电路，其为单向V型线性阻抗稳定网络、Y型线性阻抗稳定网络或△型线性阻抗稳定网络。

进一步优选的，所述线性阻抗稳定网络选用单向V型线性阻抗稳定网络，其包括分别接在主电源的V_L端和主电源的V_N端上的第一低通滤波器和第二低通滤波器，以及隔直电容C3~ C4和电阻R3~R4；所述第一低通滤波器包括电容C1和电感L1，所述第二低通滤波器包括电容C2和电感L2，所述主电源的V_L端和V_N端分别经电感L1和L2接被测设备的L输入端和N输入端，所述主电源的V_E端接地，所述电容C1并联在主电源的V_L端与地之间，所述电容C2并联在主电源的V_N端与地之间，所述隔直电容C3与电阻R3串联后接在所述被测设备的L输入端和地之间，所述隔直电容C4与电阻R4串联后接在所述被测设备的N输入端和地之间。

进一步的，所述射频变压器T的变比为2：1~4：1。

进一步的，所述噪声放大模块中的运算放大器的型号为THS4271DGK，所述中心控制模块中的FPGA芯片的型号为EP1C3T144，所述中心控制模块中的RAM芯片的型号为IS61LV3216L，所述串口通信模块为RS232串口模块，所述A/D采样模块中的A/D驱动芯片的型号为AD8138AR，所述A/D采样模块中的A/D采样芯片的型号为AD9283BRS-100。

本发明的有益效果是：

本发明采用线性阻抗稳定网络在被测设备和主电源之间形成了一个具有稳定阻抗的接口电路，其电路中设计有低通滤波器和相应的隔直电容和用于泄放耦合电流的电阻，能有效防止中途突然断开时产生尖峰电压而损坏被测设备，保证了火线、零线和地线之间的阻抗一致，为信号选择模块和被测设备之间提供了一个稳定的网络，滤除可能由主电源进入本系统的高频噪声，减少引起测量误差；

之后通过信号选择模块完成输入信号到共模信号、差模信号或直通信号的转换并通过继电器触点选择其中一路，使得本系统适用范围更广，可产生的信号类型更多变；进而通过噪声放大模块进行信号放大后通过滤波器模块中的EMI低通滤波器和高通滤波器串联滤除工作频率范围以外的信号，防止在后续数字处理过程中引起信号混叠，后续的数字处理采用A/D采样模块，最终通过FPGA芯片控制A/D采样模块选择信号类型并通过串口通信模块传输给上位机进行后续分析，最终本系统实现了对采样数据的调控、快速准确分离噪声模态、消减外部干扰的同时抑制本身对其他设备产生干扰，性能稳定，数据精准。

附图说明

图1为本发明的结构关系示意图。

图2为本发明中信号选择模块的电路原理图。

图3为本发明中线性阻抗稳定网络的实施例示意图。

其中，1线性阻抗稳定网络、2信号选择模块、3噪声放大模块、4滤波器模块、5 A/D采样模块、6中心控制模块、7串口通信模块。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图和具体实施例进行详细描述。

如图1~3所示，本实施例1包括用于提取混合噪声的线性阻抗稳定网络1、信号选择模块2、噪声放大模块3、滤波器模块4、A/D采样模块5、中心控制模块6以及串口通信模块7；所述线性阻抗稳定网络1的电源端外接有主电源，所述主电源经线性阻抗稳定网络1后接入被测设备的被测端，所述线性阻抗稳定网络1设置在主电源和被测设备之间，将提取到的混合噪声输出至噪声分离电路进行差模信号、共模信号或者直通信号的分离选择；

所述主电源经线性阻抗稳定网络1后接入被测设备的被测端，所述线性阻抗稳定网络1的提取信号输出端经信号选择模块2后输入噪声放大模块3的输入端，所述噪声放大模块3的输出端依次经滤波器模块4和A/D采样模块5后与中心控制模块6双向连接，所述中心控制模块6经串口通信模块7与上位机进行通信；

所述信号选择模块2包括噪声分离电路和其外接的继电器常闭触点K1-1、继电器常开触点K1-2和继电器常开触点K2-1，所述继电器常闭触点K1-1和继电器常开触点K1-2相互为反向动作触点。

进一步的，所述线性阻抗稳定网络1的地线输出端V’_E经继电器常开触点K2-1导出直通信号c接入噪声放大模块3的输入端；所述线性阻抗稳定网络1的火线输出端V’_L经噪声分离电路后经继电器常闭触点K1-1导出共模信号a接入噪声放大模块3的输入端；所述线性阻抗稳定网络1的零线输出端V’_N经噪声分离电路后经继电器常开触点K1-2导出差模信号b接入噪声放大模块3的输入端。

进一步的，所述噪声分离电路包括带中心抽头的射频变压器T、共模电感线圈L、差模滤波电容C和电阻R1~R2；所述差模滤波电容C和继电器常闭触点K1-1串联后并联在射频变压器T的原边，所述射频变压器T的原边的中点抽头经电阻R1接地，所述射频变压器T的原边的中点抽头导出共模信号a，所述射频变压器T的副边的两端分别接共模电感线圈L的两输入端，所述射频变压器T的副边的一端和共模电感线圈L的一个输入端之间串联有继电器常开触点K2-1，所述共模电感线圈L的两输出端一个接地，另一个经电阻R2接地，所述共模电感线圈L的接电阻R2的输出端导出差模信号b。

进一步的，所述噪声放大模块3包括运算放大器及其外围电路组成，所述共模信号a、差模信号b和直通信号c择一输入所述运算放大器的输入端。

进一步的，所述滤波器模块4由EMI低通滤波器和高通滤波器串联组成，所述噪声放大模块3中的运算放大器的输出端依次经过EMI低通滤波器和高通滤波器接入A/D采样模块5。

进一步的，所述A/D采样模块5包括A/D驱动芯片和A/D采样芯片，所述滤波器模块4中的高通滤波器的输出端接A/D驱动芯片的输入端，所述A/D驱动芯片的输出端接A/D采样芯片的输入端，所述A/D采样芯片的输出端接入中心控制模块6。

进一步的，所述中心控制模块6包括FPGA芯片和RAM存储器，所述RAM存储器与FPGA芯片双相连接，所述FPGA芯片的通信端经串口通信模块7与上位机连接，所述FPGA芯片的数据端与A/D采样芯片的输出端相连接。

进一步的，所述线性阻抗稳定网络1为具有稳定阻抗的三端口接口电路，其为单向V型线性阻抗稳定网络、Y型线性阻抗稳定网络或△型线性阻抗稳定网络。

进一步优选的，所述线性阻抗稳定网络1选用单向V型线性阻抗稳定网络，其包括分别接在主电源的V_L端和主电源的V_N端上的第一低通滤波器和第二低通滤波器，以及隔直电容C3~ C4和电阻R3~R4；所述第一低通滤波器包括电容C1和电感L1，所述第二低通滤波器包括电容C2和电感L2，所述主电源的V_L端和V_N端分别经电感L1和L2接被测设备的L输入端和N输入端，所述主电源的V_E端接地，所述电容C1并联在主电源的V_L端与地之间，所述电容C2并联在主电源的V_N端与地之间，所述隔直电容C3与电阻R3串联后接在所述被测设备的L输入端和地之间，所述隔直电容C4与电阻R4串联后接在所述被测设备的N输入端和地之间。

进一步的，所述射频变压器T的变比可以为2：1。

进一步的，所述噪声放大模块3中的运算放大器的型号为THS4271DGK，所述中心控制模块6中的FPGA芯片的型号为EP1C3T144，所述中心控制模块6中的RAM芯片的型号为IS61LV3216L，所述串口通信模块7为RS232串口模块，所述A/D采样模块5中的A/D驱动芯片的型号为AD8138AR，所述A/D采样模块5中的A/D采样芯片的型号为AD9283BRS-100。

在实施例2中所述射频变压器T的变比可以为3：1，其他技术方案与实施例1相同。

在实施例3中所述射频变压器T的变比可以为4：1，其他技术方案与实施例1相同。

在实施例4中所述射频变压器T的变比可以为3.5：1，其他技术方案与实施例1相同。

本发明的工作原理如下：

本系统通过在主电源和被测设备之间接入线性阻抗稳定网络使得在其之间形成了一个具有稳定阻抗的接口电路，其电路中设计有低通滤波器和相应的隔直电容和用于泄放耦合电流的电阻，能有效防止中途突然断开时产生尖峰电压而损坏被测设备，保证了火线、零线和地线之间的阻抗一致，为信号选择模块和被测设备之间提供了一个稳定的网络，滤除可能由主电源进入本系统的高频噪声，减少引起测量误差。

之后，通过信号选择模块完成输入信号到共模信号、差模信号或直通信号的转换并通过继电器触点选择其中一路，使得本系统适用范围更广，可产生的信号类型更多变；进而通过噪声放大模块进行信号放大后通过滤波器模块中的EMI低通滤波器和高通滤波器串联滤除工作频率范围以外的信号，防止在后续数字处理过程中引起信号混叠，后续的数字处理采用A/D采样模块，最终通过FPGA芯片控制A/D采样模块选择信号类型并通过串口通信模块传输给上位机进行后续分析，最终本系统实现了对采样数据的调控、快速准确分离噪声模态、消减外部干扰的同时抑制本身对其他设备产生干扰，性能稳定，数据精准。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统，其特征在于：其包括用于提取混合噪声的线性阻抗稳定网络（1）、信号选择模块（2）、噪声放大模块（3）、滤波器模块（4）、A/D采样模块（5）、中心控制模块（6）以及串口通信模块（7）；所述线性阻抗稳定网络（1）的提取信号输出端经信号选择模块（2）后输入噪声放大模块（3）的输入端，所述噪声放大模块（3）的输出端依次经滤波器模块（4）和A/D采样模块（5）后与中心控制模块（6）双向连接，所述中心控制模块（6）经串口通信模块（7）与上位机进行通信；

所述信号选择模块（2）包括噪声分离电路和其外接的继电器常闭触点K1-1、继电器常开触点K1-2和继电器常开触点K2-1，所述继电器常闭触点K1-1和继电器常开触点K1-2相互为反向动作触点。

2.根据权利要求1所述的一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统，其特征在于：所述线性阻抗稳定网络（1）的地线输出端                                                经继电器常开触点K2-1导出直通信号c接入噪声放大模块（3）的输入端；所述线性阻抗稳定网络（1）的火线输出端V’_L经噪声分离电路后经继电器常闭触点K1-1导出共模信号a接入噪声放大模块（3）的输入端；所述线性阻抗稳定网络（1）的零线输出端V’_N经噪声分离电路后经继电器常开触点K1-2导出差模信号b接入噪声放大模块（3）的输入端。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统，其特征在于：所述噪声分离电路包括带中心抽头的射频变压器T、共模电感线圈L、差模滤波电容C和电阻R1~R2；所述差模滤波电容C和继电器常闭触点K1-1串联后并联在射频变压器T的原边，所述射频变压器T的原边的中点抽头经电阻R1接地，所述射频变压器T的原边的中点抽头导出共模信号a，所述射频变压器T的副边的两端分别接共模电感线圈L的两输入端，所述射频变压器T的副边的一端和共模电感线圈L的一个输入端之间串联有继电器常开触点K2-1，所述共模电感线圈L的两输出端一个接地，另一个经电阻R2接地，所述共模电感线圈L的接电阻R2的输出端导出差模信号b。

4.根据权利要求3所述的一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统，其特征在于：所述噪声放大模块（3）包括运算放大器及其外围电路组成，所述共模信号a、差模信号b和直通信号c择一输入所述运算放大器的输入端。

5.根据权利要求4所述的一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统，其特征在于：所述滤波器模块（4）由EMI低通滤波器和高通滤波器串联组成，所述噪声放大模块（3）中的运算放大器的输出端依次经过EMI低通滤波器和高通滤波器接入A/D采样模块（5）。

6.根据权利要求5所述的一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统，其特征在于：所述A/D采样模块（5）包括A/D驱动芯片和A/D采样芯片，所述滤波器模块（4）中的高通滤波器的输出端接A/D驱动芯片的输入端，所述A/D驱动芯片的输出端接A/D采样芯片的输入端，所述A/D采样芯片的输出端接入中心控制模块（6）。

7.根据权利要求6所述的一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统，其特征在于：所述中心控制模块（6）包括FPGA芯片和RAM存储器，所述RAM存储器与FPGA芯片双相连接，所述FPGA芯片的通信端经串口通信模块（7）与上位机连接，所述FPGA芯片的数据端与A/D采样芯片的输出端相连接。

8.根据权利要求1~2、4~7中任一所述的一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统，其特征在于：所述线性阻抗稳定网络（1）为具有稳定阻抗的三端口接口电路，其为V型线性阻抗稳定网络、Y型线性阻抗稳定网络或△型线性阻抗稳定网络。

9.根据权利要求3中任一所述的一种基于EMI滤波器的电磁干扰噪声测量与抑制系统，其特征在于：所述射频变压器T的变比为2：1~4：1。