GBT 6113.102容性电压探头设计

论文总字数：19795字

摘 要

电磁兼容问题一直以来都是产品设计的一大要点，所以在电子电路中测量一些电磁干扰的参数是十分的必要的。容性电压探头就是为了方便的测量不对称骚扰的电压而产生的简易的测量装置之一。它可以在不切断原电路、不影响设备工作的基础上进行不对称骚扰电压的测量，这是它的主要特点。本文主要是在参照GB/T 6113.102中容性电压探头的原理和市场上已生产的产品的前提下对容性电压探头及其校准装置的设计，并在完成后进行性能验证。

关键词：容性电压探头，电磁兼容，GB/T 6113.102

Abstract

The problems of EMC have been a major point of the products’ design, so it is necessary to measure the parameters of electromagnetic interference in electronic circuits. Capacitive voltage probe is one of the simple measuring devices to measure the voltage of asymmetrical disturbance. It can measure the voltage of asymmetrical disturbance when don’t cut off the original circuit and don’t affect the work of equipment on the basis of asymmetric disturbance voltage measurement, which is its main one of the characters. In this paper, the design of capacitive voltage probe and its calibration device is mainly based on the principle of capacitive voltage probe in GB/T 6113.102 and the products which have been produced on the market. The last step is performance verification.

Keywords: CVP, electromagnetic compatibility, GB/T 6113.102

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文研究内容及意义 3

1.4 论文组织结构 4

第二章 容性电压探头的设计 5

2.1 设计要求 5

2.2 机械结构设计 6

2.2.1 电极的设计 6

2.2.2 辅助机构的设计 13

2.2.3 电路盒子的设计 14

2.3 电路的设计 16

第三章 校准装置和电缆的设计 19

3.1 校准装置的设计 19

3.2 电缆的设计 21

第四章 容性电压探头性能实验 22

第五章 个人总结与展望 27

致谢 29

参考文献 30

作者简介 31

绪论

• 1. 研究背景

电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。[1]

在电缆电流的传输中会在周围产生电磁场，同时也就会伴随着电压，这种电压是会对外界产生影响的，所以被称为骚扰电压，所以在电缆传输的过程中要控制在一定的范围之内。骚扰电压过大不仅会影响源工作设备的工作效率，而且会对周围环境的其他电器造成重大的影响，它可以使得其他的设备不能正常的工作或者是停止工作。因为会存在着像这种的电磁兼容问题，所以在产品设计中电磁兼容问题显得尤为重要。除了防患于未然的手段以外，为了查看产品的电磁兼容性是否满足了设计是的要求，还要进行相应的参数测量并与预期的结果进行比较。当然除了这种有预期结果的测量外，还有对无预期结果产品的性能测量。

容性电压探头就是测量电缆的不对称的骚扰电压产品之一。它的主要特色在于它可以在不切断电路、不影响回路正常工作的前提下测量电缆的不对称骚扰电压。这种测量方法极大地方便了测量者在测试时的工作。不过这种测量也是有很大的缺陷的，那就是它的精度并不是很高，因此需要在原有的基础上进行改进。

国内外研究现状

根据GB/T 6113.102中有关于容性电压探头的明确规定来看，目前的市场上已经存在容性电压探头这种产品。不过国内关于这方面的论文和介绍非常少，在搜索引擎上和各大资料网站上都没有什么关于这方面的论文，不过这方面的产品已经由厂家在生产销售了，北京世纪汇泽科技有限公司目前就在生产型号为CVP9222高阻抗容性电压探头。除了容性电压探头以外，他们还生产相应的预校准装置，校准夹具CAL9222是用于CVP9222高阻抗容性电压探头的变换器，如果使用更短的内导体还可以用于校准电流探头或钳。从国内来看，容性电压探头是使用中的产品，但是研究并不多。

相对于国内的参考，国外这方面的论文要更多一点。国外关于的电压探头的研究已经不满足于它已有的方便性，除此之外，它们还在不断地想办法提高它的精度。国外有人提出：如果在测量每种不同的电缆时都要进行预校准的测量，这样是十分的不方便的，所以避免预校准的测量方法被研究。改变 CVP 的输入电容的方法作为一种避免预校准的方法被提出。当输入电容变化时，这个方法从一个水平偏差中估计其敏感性。然而，该水平偏差的波动会使估计精度变低。[2]为了在避免预校准的前提下提高测量的精度，用机械继电器改变输入电容的方法被提出。这种方法不但能避免预校准测试还可以有较高的测量精度。除了这种的研究之外还有其他的研究。例如：The Influence of the Low - Voltage Capacitor Dielectric Material on the Capacitive Probe Response in the Nanosecond Range这篇论文主要讲述低电压电容器介电材料对纳秒级电容探头响应的影响。[3]文章中提到：电压幅度超过100千伏和特性上升时间在纳秒范围内的问题被认为是与脉冲电压记录相关的问题。脉冲电压现象被解释并被应用于电压幅度超过100千伏和特性上升时间在纳秒范围内的问题中。之后，为了脉冲电压的记录和传递提出了几种构建原则。初次之外，文中还详细描述了可调的测量探头对脉冲电压监视。特别注意的是低压电容器的结构和计算，以及材料的适当选择。基本构建要求是使监督的脉冲电压的频率高达500兆赫同时在频率域和电压域没有任何失真。CISPR 22 conducted common mode voltage measurements along a wire using a capacitive voltage probe这篇论文主要介绍CISPR 22采用容性电压探头沿线共模电压的测量。[4]CISPR 22（1997）定义了运行共模辐射（扰动）的限制。信息技术设备（ITE）要在150 kHz到30 MHz的频率范围内。本文提出了在平衡和非平衡双绞线上，由容性电压探头（CVP）组成的共模电压发射测量。Common mode voltage measurements comparison for CISPR 22 conducted emissions measurements主要讲述了共模电压测量与CISPR 22传导发射测量的比较。[5]CISPR 22需要测试的共模电压在信息技术设备上电缆布线确定在150KHz到30MHz的发射水平。本文介绍和比较了在一个模拟电缆束上使用容性电压探头测量共模电压的结果（1）和采用电容式注射夹与低电容FET电压探头连接测量共模电压的结果。在模拟电缆束的不同物理位置的两种方法的共模电压测量结果进行了介绍。有一个良好的控制共模阻抗和在恰当的位置进行电压测量是很重要的。没有一个良好的控制阻抗可以导致电压驻波，导致重要的电压测量误差。结果还提供了在被测电缆的CISPR 22的规定下显示电容钳位 FET电压探针组合超过5 pF的电容负载限制。Method of measuring conducted disturbance using both capacitive voltage probe and current probe主要讲述了采用容性电压探头和电流探头测量传导干扰的方法。[6]主要是用静电屏蔽，测量各种电缆的共模电压的电容电压探头研制。它是由两个同轴电极，电缆夹具，与高输入阻抗放大器由一个电池供电的。外电极作为静电屏蔽。当电压出现电缆和地之间，感应电压之间发生的内部电极和静电屏蔽。感应电压取决于电缆的类型，所以探头的投入产出系数是每个电缆。测量共模电压的通信设备采用电容式电压探头和阻抗稳定网络（ISN）根据CISPR22的设置。An innovative fast-response, co-axial, capacitive high voltage probe主要讲述了一种快速响应，共轴向，电容式高压探头的创新。[7]它介绍了详细的设计，快速响应，同轴，电容，高电压探头。容性电压探头通常是高重复率系统的首选，因为使用一个电阻分压器的固有的缺点。电阻式电压探头需要低电阻，以便提供足够的频率响应，但这种低阻抗可以暗示过多的加热，由于高重复率的系统。针对基本设计及其操作进行了讨论。探头的同轴设计，最大限度地减少杂散阻抗。这种方法的构建也使探头对输出信号电缆提供良好的阻抗匹配特性。这些影响的组合允许探头执行具有良好的高频响应。探头设计的另一个优点是探头电容可以很容易地预测通过简单的分析计算。讨论的探头性能的分析包括在讨论中。实际的实验数据审查的探针反应也将被提出。

这些文献都是导师提供的参考文献，也让我对国外的电压探头的发展有了一定的了解。

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