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EMC 的预测试技术是保证产品质量不可少的手段

EMC 的预测试技术是保证产品质量不可少的手段

】  【 编 辑 】邮科  【 日 期 】2011-3-16 15:24:45

1 引言
     电磁兼容性(E1ectromagnetic Compatibility, EMC)是指电子、电气设备共处一个环境中能互不干扰、兼容工作的能力。对于一个设备,既要求它不产生过大的干扰使其它设备工作失常,也要求它具有一定的抗干扰能力,以保证在其它设备发出的干扰环境下能正常工作。
    为了获得一个产品(设备、系统)优良的EMC,其中之一是预测产品可能存在的EMC问题。它包括了以下二个方面:⑴电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)特性、干扰耦合路径特性、受试设备的电磁敏感度(Electromagnetic Susceptibility, EMS)特性的物理模拟预测与数学模拟预测;⑵研究科学可行的EMC测试与试验技术,即包括测试方法与测试设备。值此,本文将对EMC预测试技术特征与新型测试设备及其测试应用实例作分析说明。

2  EMC预测试必不可少
     一个产品EMC的评价最终归结为是否符合相应的EMC标准,实施这种评价称为EMC鉴定测试(CompliaHce Measurement)。它是在一个产品投放市场前的最后阶段完成的。其实,按照一个产品研发、生产全过程中所需要的EMC测试量而言。鉴定测试只占了不到10%,90%的测试工作量是在此前完成的,包括准电路的板卡、原理样机、初样到正样研制的过程中,通过不断的EMC测试逐步实现产品良好的电磁兼容性。将这90%的测试工作总称为EMC预测试。预测试可以比鉴定测试精确度低些、粗略一些,以便迅速找出问题并不使测试设施费用过高。
     预测试仪表在保证必需的精度的同时,缩短测量时间是一个不可忽视的因素。如采用频谱分析仪既可以保证与EMI接收机有相似的精度,又可显著提高测量速度,而且价格不足EMI接收机的一半。因此,预测试常采用频谱分析仪代替EMI接收机,如图2(b)所示。也就是说,预测试系统可以使单位具有全程的EMC检测手段,可以全面提高产品的EMC特性。

3  如何建立EMC预测试系统
    所谓预测试系统,实际上也是严格按照国家各种EMC标准进行的,包括设备、方法等等。但是,预测试系统具有区别于鉴定测试的特点主要如下:其一是对环境要求较低,EMC标准对于环境的要求比较严格,一般必须在屏蔽室或暗室中进行,但预测试的主要目的在于初步摸底,只要找到问题所在即可,所以对环境要求可以低一些,屏蔽室和暗室的尺寸、指标可以低于认证测试;其二是核心测量仪器利用高性能频谱分析仪,高性能的频谱分析仪完全具备了EMC检测的能力,可以取代传统的EMI接收机,目前有一个共识,频谱分析仪是建立预测试系统的最佳选择;其三是专用的中文软件;其四是EMC预测试系统的灵魂是测试软件与测试附件(传感器/天线、LISN、衰减器等)。
3.1 EMI预测试系统的基本组成。
    EMI测试系统的总体结构如图1所示。


       
     图1 EMI测试系统的总体结构示意图


     系统主要按照GJBl51A的CEl01、CEi02、REi01和REl02对电子、电气或机电产品的EMI性能进行测试,检查受试设备的相关EMI性能是否合格。如果不合格必须指出频率点及其对应的幅度值,以备产品设计人员有针对性地提出解决办法,将问题较早地消除,为产品进入市场前能通过EMI标准测试奠定坚实的基础。
    系统所采取的测试方法按照前述GJBl52A中有关部分所规定的程序进行,包括标准的检查配置、正式测试配置、校准步骤、测试步骤和测试完毕所应提交的数据。
    基本的系统测量指标:频率范围3Hz-26.5GHz;距离容差±5%;频率容差±2%;,测量接收机幅度容差±2dB;测量系统(包括测量接收机、传感器、电缆等)容差±3dB;时间(波形)容差±5%。

3.2  系统主要分为硬件和软件两部分
    ⑴ 硬件部分
    包括三个分系统:前端子系统(主要包括传感器,如电流探头、环形天线、杆天线、双锥天线、双脊喇叭天线;电源阻抗稳定网络;衰减器等)、接收机子系统(主要包括频谱仪、射频预选器和EMI分辨带宽选件等)和主控计算机子系统(主要包括IBM兼容机、PC-GPIB卡、GPIB线缆)。
    ① 接收机子系统功能与指标
    接收机子系统是采用新型的E4440A型EMI测量接收机(安捷伦公司产)。功能与指标如下。
    E4440APSA系列频谱分析仪与全新N9039A射频预选器双剑合璧且精确、快速、频率高达50GHz的EMI测量接收机。这款新型接收机能够进行精确和可重复的测量。测量系统可在整个测量带宽上提供最佳的幅度和频率精度。该系统每次扫描8192个数据点,可以分析超宽扫宽,同时拥有CISPR所要求的分辨率。另外,全新的射频预选器使系统完全符合CISPR标准。可以从旁路快速切换到预选模式,以进行兼容性测量。EMI测量系统可提供需要的幅度性能和系统精度,以实现低投入高产出。
    ② EMI测量系统描述和元件
    包含带有EMI专用软件的频谱分析仪E4440A PSA系列、射频预选器N9039A与N5181A系统调整信号发生器。
    ③ 进行发射分析所需的所有特性
    9kHz至1GHz射频预选;ClSPR带宽(200Hz、9kHz、120kHz和1MHz);检波器(平均值、准峰值和峰值);限制线和限制范围;天线、线缆、放大器和其他设备的校正因数;利用外部信号源进行的预选滤波器校准;执行发射保护的内置限制器;极其灵敏的前置放大器;可从101个变到8192个的数据点。
    ④ 测量精度和可重复性
    1GHz频率内的辐射发射频段灵敏度为152dBm;绝对幅度精度为±1.0dB,9kHz至1GHz;输入VSWR为1.2:1;预选TOI为+5dBm;100MHz扫宽时的扫宽精度:20kHz典型值。
    ⑵ 软件部分
    从功能上可以将该软件系统划分为五个模块:系统管理模块、系统检测模块、扫描模块、数据处理模块和测试结果输出模块。

4   实用新型的电磁兼容性(EMC)测试设备
4.1  EMSCAN电磁干扰扫描系统
    采用阵列探头和电子扫描技术的近场测量系统,能获取被测物完整电磁场信息的测量系统,集EMC诊断和EMI测试为一体的电磁兼容综合测量系统。
    ⑴ 独特的EMC诊断系统
    由1218个探头组成的阵列扫描器,实时看清电磁场,精确定位窄带和宽带电磁干扰源[见图2(a)所示],解决各类EMI问题;能实时显示EMS测试对被测物内部电路的影响,快速解决EMS问题;快速准确评估机箱的屏蔽性能,能帮助工程师迅速积累正确的解决EMI/EMS问题的经验。

 图2  (a) 独特的EMC诊断系统示意图


(b)为EMI预兼容测试系统示意图


 
    ⑵ 主要特征
    最宽频率范围的近场测试工具:50kHz-4GHz,具有频谱扫描、空间扫描、频谱/空间扫描,天线扫描等功能;具有单次扫描、连续扫描、同步扫描等方式,具有峰值保持功能;
高速扫描,利用连续扫描和峰值保持功能,能捕捉到一般手段所无法测量到的瞬态电磁干扰;频谱/空间扫描能一次测量获取被测物完整电磁场信息,能迅速准确定位电磁干扰源;全方位测量任意体积和重量的被测物,包括PCB、电缆、机箱、机架等;呈人字形交叉排列的专利电磁场阵列扫描器,能测量各个方向的电磁场;功能强大的后台分析和处理能力,可以把测量结果和PCB的光绘文件叠加在一起显示。
    ⑶ EMI预兼容测试功能
    图2(b)为EMI预兼容测试系统示意图。配套LISN(线路阻抗稳定网络)/电流探头/吸收钳/天线等附件后,EMSCAN能进行准确、高效的EMI预兼容测试,具有背景信号自动识别功能,特别适合企业在普通实验室进行精确的EMI预兼容测试。
    EMSCAN控制软件的ASM(天线扫描模块),用于电磁预兼容测试。能依据CISPR 11/14/15/22/25/GJB152A-CEl02进行传导发射测试。依据CISPR 11/14/22/25/GJB1 52A-REl02进行功率或者辐射发射测试。

4.2  Langer近场探头.
    这是电磁兼容工程师必备的基本工具,多达19个各种形状的探头,可以完成几乎所有的电磁场测试任务:具有多种分辨率的探头,实现从粗略定位到精细定位;低成本高性能;频率范围覆盖100kHz-3GHz;适用于检查机箱泄漏、PCB内部电磁场分布、电缆上的电磁场分布等;使用简单,携带方便。
    近场探头的用途:主要应用于查找干扰源,判定干扰产生的原因;可以检测器件或者是表面的磁场方向及强度;可以检测磁场耦合的通道,从而调整连接器或者元器件的位置;可以检测PCB附近的磁场环境。
    为了降低干扰,寻找到真正的干扰源或者是其传播的途径是非常有必要的。通过近场测量可以很方便的实现定位的功能,甚至可以精确到IC引脚以及具体的走线。图3(a)所示为环形探头,分辨率从1mm到25mm,适合检测机箱泄漏、电流方向等,检测电缆及元器件连接处等产生的磁场。图3(b)所示为检测IC引脚的磁场分布,检测IC下面或宽导体的圆形磁场。


       图3(a)环形探头 ;    (b)为检测IC引脚的磁场分布示意


 
4.3  虚拟暗室EMC测量系统(无需暗室/屏蔽室)
    如果想在普通环境下测量被测设备(EUT)的电磁辐射,就必须设法“消除”背景噪声的影响。当今己开发出多种虚拟暗室EMC测量系统,值此以CASSPER虚拟暗室系统为例作新概念说明。
    当今的虚拟暗室系统,是最新的EMI测试系统。它具有独一无二的频率同步及相位锁定功能,是一个双通道、多端口EMI接收机,符合CISPR-16标准要求。
    其虚拟暗室系统接收机使用两套时间与频率都同步的通道同时去接收一个复杂系统中的信号,用来进行电磁发射的测量和电磁干扰源的定位。虚拟暗室系统把先进的数字信号处理技术(DSP)引入到了EMI测量中,能通过算法准确滤除背景噪声,得到被测设备(EUT)实际的准确的电磁辐射情况。CASSPER不仅能滤除一般的背景噪声,还能精确提取与背景噪声相同频率的EUT信号。即使背景噪声的幅度或者频率被调制了,其背景噪声滤除性能也不会下降。虚拟暗室系统也能滤除来自多个地方的背景噪声。能在市内区域精确测量电子设备的电磁发射。
    ⑴ 系统组成
    系统由双通道EMI接收机、高性能计算机、双通道高速DSP卡(内置于计算机)、天线、近场探头以及测量软件等组成,见图4(a)所示。
    从图4(a)可见该系统的接收机有A/B两个通道,每个通道都在接收机的前面板上设有2至4个端口,不同频段的天线可以接到不同的端口上,系统可以对不同频段的天线进行自动切换。接收机把收到的信号经过中频处理后,由AD变换器转换为数字信号,再由计算机内部的高速双通道DSP卡对两个通道的数据按照有专利技术的算法进行数据处理,最终由计算机进行分析、存储、显示、打印等处理。

图4   (a) 虚拟暗室EMC测量系统;


(b) “时间/频率/相位”同步识别技术应用示意图


 
    ⑵ 普通环境下的电磁预兼容测试
    在被测设备(EUT)的前方一定距离(d)处放置一天线并连接到通道A,负责接收来自EUT以及背景共同作用的信号。另外一个天线则放置在离EUT较远的地方,其距离至少是d的十倍,并连接到通道B,负责测量来自整个背景的噪声情况。
    同步的双通道EMI接收机,可以保证背景信号能同时被接收机的两个通道分别收到。从而可以将收到的共同具有的背景噪声记录下来并滤除掉,这就创建了一个虚拟的第三个测量通道,这种测量方法可以很真实地反映被测设备的电磁辐射情况。
    系统在“消除”背景噪声方面.采用了“时间/频率/相位”同步识别技术,通过相位识别,把背景噪声用傅立叶计算方法剔除掉,并能提取被调制的EUT的信号,也能提取与背景噪声频率一致的EUT信号,见图4(b)所示。
    这种测试方法允许背景噪声是不稳定的,如果背景噪声在测试场地是“均匀”的,则测试结果能与标准EMC场地的测试结果保持基本一致。而在实际测试中,“背景噪声均匀”的环境是很容易找到的。
    ⑶ 定位辐射源的测试
    相同频率的两个信号,未必来自同一信号源。在定位辐射源的测试中,通道A接到一个放在EUT附近的远场天线或者电流卡钳,探测EUT产生的电磁干扰,通道B连接一个近场探头。移动通道B的探头,通过两个信号的相关性来确定辐射源的位置。这就意味着即使不同的几个发射器发出同样频率和幅度的信号,系统也可以加以区分,从而准确定位干扰源。
    该系统由于能通过“时间/频率/相位”来识别两个天线接收到信号的相关性,所以在EMI定位方面,它能找到真正使远场测试不合格的干扰源位置。找干扰源的时候,一个显示窗口上同时显示远场数据(天线收到的信号)和近场数据(探头收到的信号),能在产生相同频率的多个位置中找出与远场信号相关联的位置,可以节约大量的时间,能应用于从板级设计一直到系统级设计。

5  EMC诊断实施举例
5.1 借助一些诊断工具进一步定位EMC问题
    在通过EMC预测量发现设备(或分系统)的EMC问题后,可以借助一些诊断工具进一步定位EMC问题。这有助于测试(设计)工程师有针对性的提出EMC对策,顺利解决已经发现的EMC问题。以下介绍当前使用比较普遍的84105EM诊断系统。
    其系统功能为用于表面电流、插槽、电缆和集成电路的磁场辐射测量。其系统组成是由三EMC分析仪、近场探头和前置预放三部分组成。系统特点:对环境没有特别要求(不需要屏蔽室或暗室),可测频段宽,测量精度高,只配置了磁场探头,操作简单、价格较低。
  
5.2  简述电磁故障诊断84105EM故障诊断系统诊断内容与测量配置。
    ⑴ 诊断目的
    针对已经检测出的EMI不合格频率点,采用近场检测的方法进一步定位干扰发生点;针对已经检测出的EMS不合格频率点,进一步定位敏感度薄弱部位。
    ⑵ 诊断工具
    采用安捷伦84105EM电磁兼容诊断系统,该系统由EMC分析仪E7401A(含选件跟踪发生器前置放大器11909A)和近场探头套(含11941A和11940A近场探头)组成,参见图5(a)。


 
图5 (a) 电磁故障诊断系统测量配置示意图;


(b)为诊断屏蔽壳体上不应有的孔隙部位测量示意

    近场探头套所包含的探头11941A的测量频段为9kHz-30MHz,11940A的测量频段为30MHz~1MHz,它们都采用双环设计。探头的两个环天线在平衡/不平衡变换器(简称“巴仑”)合并变为不平衡输出(同轴线采用双环可使它们的电场感应电压分量反相,相互抵消,只保留磁场感应电压分量)。理论分析明在近场探测情况下,电场探头(如单极或偶极振子)不可避免或容性耦合周围的杂散信号,难实现可重复的测量,而环天线的磁场探头有很好的测量可重复性,并可抑制感应的电场,所以本系统采用这种双环结构的磁场探头。
    为了进行敏感度测量,可采用E7402A分析仪配置的选件跟踪发生器(1DS),内置在EHC分析仪中。由于跟踪发生器与测量接收机做成一体,两者的频率保持同步,这比采用单独的扫捅要方便得多,尤其在滤波器传输特性的测量中可大大缩短测量时间。
    每个近场探头均用网络分析仪校准,每个探头在其频段的5个频率点测校正系数(dB(uA/m)/uV),将接收机读数(dB uv)加上此校正系数就得出所测的磁磁场强度(dB(uA/m))。两个近场探头的校正系数已存储在EMC分析仪的ROM中。
    ⑶ 诊断内容
    寻找PCB板的“热点”(即电磁辐射过强的部位),记录其频率及幅值;寻找PCB的“敏感度空洞”(即电磁敏感度薄弱部位),记录其频率及幅值;寻找屏蔽壳体上不应有的孔隙部位。图5(b)为诊断屏蔽壳体上不应有的孔隙部位的测量配置示意图。

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