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為什么說產品質量的保證離不開EMC的預測試技術?

-2019-01-29-

1 引言

電磁兼容性(E1eCTRomagneTIC CompaTIbility, EMC)是指電子、電氣設備共處一個環境中能互不干擾、兼容工作的能力。對于一個設備,既要求它不產生過大的干擾使其它設備工作失常,也要求它具有一定的抗干擾能力,以保證在其它設備發出的干擾環境下能正常工作。

為了獲得一個產品(設備、系統)優良的EMC,其中之一是預測產品可能存在的EMC問題。它包括了以下二個方面:⑴電磁干擾(ElectromagneTIc Interference, EMI)特性、干擾耦合路徑特性、受試設備的電磁敏感度(ElectromagneTIc Susceptibility, EMS)特性的物理模擬預測與數學模擬預測;⑵研究科學可行的EMC測試與試驗技術,即包括測試方法與測試設備。值此,本文將對EMC預測試技術特征與新型測試設備及其測試應用實例作分析說明。

2 EMC預測試必不可少

一個產品EMC的評價最終歸結為是否符合相應的EMC標準,實施這種評價稱為EMC鑒定測試(CompliaHce Measurement)。它是在一個產品投放市場前的最后階段完成的。其實,按照一個產品研發、生產全過程中所需要的EMC測試量而言。鑒定測試只占了不到10%,90%的測試工作量是在此前完成的,包括準電路的板卡、原理樣機、初樣到正樣研制的過程中,通過不斷的EMC測試逐步實現產品良好的電磁兼容性。將這90%的測試工作總稱為EMC預測試。預測試可以比鑒定測試精確度低些、粗略一些,以便迅速找出問題并不使測試設施費用過高。

預測試儀表在保證必需的精度的同時,縮短測量時間是一個不可忽視的因素。如采用頻譜分析儀既可以保證與EMI接收機有相似的精度,又可顯著提高測量速度,而且價格不足EMI接收機的一半。因此,預測試常采用頻譜分析儀代替EMI接收機,如圖2(b)所示。也就是說,預測試系統可以使單位具有全程的EMC檢測手段,可以全面提高產品的EMC特性。

3 如何建立EMC預測試系統

所謂預測試系統,實際上也是嚴格按照國家各種EMC標準進行的,包括設備、方法等等。但是,預測試系統具有區別于鑒定測試的特點主要如下:其一是對環境要求較低,EMC標準對于環境的要求比較嚴格,一般必須在屏蔽室或暗室中進行,但預測試的主要目的在于初步摸底,只要找到問題所在即可,所以對環境要求可以低一些,屏蔽室和暗室的尺寸、指標可以低于認證測試;其二是核心測量儀器利用高性能頻譜分析儀,高性能的頻譜分析儀完全具備了EMC檢測的能力,可以取代傳統的EMI接收機,目前有一個共識,頻譜分析儀是建立預測試系統的最佳選擇;其三是專用的中文軟件;其四是EMC預測試系統的靈魂是測試軟件與測試附件(傳感器/天線、LISN、衰減器等)。

3.1 EMI預測試系統的基本組成。

EMI測試系統的總體結構如圖1所示。

圖1 EMI測試系統的總體結構示意圖

系統主要按照GJBl51A的CEl01、CEi02、REi01和REl02對電子、電氣或機電產品的EMI性能進行測試,檢查受試設備的相關EMI性能是否合格。如果不合格必須指出頻率點及其對應的幅度值,以備產品設計人員有針對性地提出解決辦法,將問題較早地消除,為產品進入市場前能通過EMI標準測試奠定堅實的基礎。

系統所采取的測試方法按照前述GJBl52A中有關部分所規定的程序進行,包括標準的檢查配置、正式測試配置、校準步驟、測試步驟和測試完畢所應提交的數據。

基本的系統測量指標:頻率范圍3Hz-26.5GHz;距離容差±5%;頻率容差±2%;,測量接收機幅度容差±2dB;測量系統(包括測量接收機、傳感器、電纜等)容差±3dB;時間(波形)容差±5%。

3.2 系統主要分為硬件和軟件兩部分

⑴ 硬件部分

包括三個分系統:前端子系統(主要包括傳感器,如電流探頭、環形天線、桿天線、雙錐天線、雙脊喇叭天線;電源阻抗穩定網絡;衰減器等)、接收機子系統(主要包括頻譜儀、射頻預選器和EMI分辨帶寬選件等)和主控計算機子系統(主要包括IBM兼容機、PC-GPIB卡、GPIB線纜)。

① 接收機子系統功能與指標

接收機子系統是采用新型的E4440A型EMI測量接收機(安捷倫公司產)。功能與指標如下。

E4440APSA系列頻譜分析儀與全新N9039A射頻預選器雙劍合璧且精確、快速、頻率高達50GHz的EMI測量接收機。這款新型接收機能夠進行精確和可重復的測量。測量系統可在整個測量帶寬上提供最佳的幅度和頻率精度。該系統每次掃描8192個數據點,可以分析超寬掃寬,同時擁有CISPR所要求的分辨率。另外,全新的射頻預選器使系統完全符合CISPR標準。可以從旁路快速切換到預選模式,以進行兼容性測量。EMI測量系統可提供需要的幅度性能和系統精度,以實現低投入高產出。

② EMI測量系統描述和元件

包含帶有EMI專用軟件的頻譜分析儀E4440A PSA系列、射頻預選器N9039A與N5181A系統調整信號發生器。

③ 進行發射分析所需的所有特性

9kHz至1GHz射頻預選;ClSPR帶寬(200Hz、9kHz、120kHz和1MHz);檢波器(平均值、準峰值和峰值);限制線和限制范圍;天線、線纜、放大器和其他設備的校正因數;利用外部信號源進行的預選濾波器校準;執行發射保護的內置限制器;極其靈敏的前置放大器;可從101個變到8192個的數據點。

④ 測量精度和可重復性

1GHz頻率內的輻射發射頻段靈敏度為152dBm;絕對幅度精度為±1.0dB,9kHz至1GHz;輸入VSWR為1.2:1;預選TOI為+5dBm;100MHz掃寬時的掃寬精度:20kHz典型值。

⑵ 軟件部分

從功能上可以將該軟件系統劃分為五個模塊:系統管理模塊、系統檢測模塊、掃描模塊、數據處理模塊和測試結果輸出模塊。

4 實用新型的電磁兼容性(EMC)測試設備

4.1 EMSCAN電磁干擾掃描系統

采用陣列探頭和電子掃描技術的近場測量系統,能獲取被測物完整電磁場信息的測量系統,集EMC診斷和EMI測試為一體的電磁兼容綜合測量系統。

⑴ 獨特的EMC診斷系統

由1218個探頭組成的陣列掃描器,實時看清電磁場,精確定位窄帶和寬帶電磁干擾源[見圖2(a)所示],解決各類EMI問題;能實時顯示EMS測試對被測物內部電路的影響,快速解決EMS問題;快速準確評估機箱的屏蔽性能,能幫助工程師迅速積累正確的解決EMI/EMS問題的經驗。

圖2 (a) 獨特的EMC診斷系統示意圖

(b)為EMI預兼容測試系統示意圖

⑵ 主要特征

最寬頻率范圍的近場測試工具:50kHz-4GHz,具有頻譜掃描、空間掃描、頻譜/空間掃描,天線掃描等功能;具有單次掃描、連續掃描、同步掃描等方式,具有峰值保持功能;

高速掃描,利用連續掃描和峰值保持功能,能捕捉到一般手段所無法測量到的瞬態電磁干擾;頻譜/空間掃描能一次測量獲取被測物完整電磁場信息,能迅速準確定位電磁干擾源;全方位測量任意體積和重量的被測物,包括PCB、電纜、機箱、機架等;呈人字形交叉排列的專利電磁場陣列掃描器,能測量各個方向的電磁場;功能強大的后臺分析和處理能力,可以把測量結果和PCB的光繪文件疊加在一起顯示。

⑶ EMI預兼容測試功能

圖2(b)為EMI預兼容測試系統示意圖。配套LISN(線路阻抗穩定網絡)/電流探頭/吸收鉗/天線等附件后,EMSCAN能進行準確、高效的EMI預兼容測試,具有背景信號自動識別功能,特別適合企業在普通實驗室進行精確的EMI預兼容測試。

EMSCAN控制軟件的ASM(天線掃描模塊),用于電磁預兼容測試。能依據CISPR 11/14/15/22/25/GJB152A-CEl02進行傳導發射測試。依據CISPR 11/14/22/25/GJB1 52A-REl02進行功率或者輻射發射測試。

4.2 Langer近場探頭。

這是電磁兼容工程師必備的基本工具,多達19個各種形狀的探頭,可以完成幾乎所有的電磁場測試任務:具有多種分辨率的探頭,實現從粗略定位到精細定位;低成本高性能;頻率范圍覆蓋100kHz-3GHz;適用于檢查機箱泄漏、PCB內部電磁場分布、電纜上的電磁場分布等;使用簡單,攜帶方便。

近場探頭的用途:主要應用于查找干擾源,判定干擾產生的原因;可以檢測器件或者是表面的磁場方向及強度;可以檢測磁場耦合的通道,從而調整連接器或者元器件的位置;可以檢測PCB附近的磁場環境。

為了降低干擾,尋找到真正的干擾源或者是其傳播的途徑是非常有必要的。通過近場測量可以很方便的實現定位的功能,甚至可以精確到IC引腳以及具體的走線。圖3(a)所示為環形探頭,分辨率從1mm到25mm,適合檢測機箱泄漏、電流方向等,檢測電纜及元器件連接處等產生的磁場。圖3(b)所示為檢測IC引腳的磁場分布,檢測IC下面或寬導體的圓形磁場。

圖3(a)環形探頭 ; (b)為檢測IC引腳的磁場分布示意

4.3 虛擬暗室EMC測量系統(無需暗室/屏蔽室)

如果想在普通環境下測量被測設備(EUT)的電磁輻射,就必須設法“消除”背景噪聲的影響。當今己開發出多種虛擬暗室EMC測量系統,值此以CASSPER虛擬暗室系統為例作新概念說明。

當今的虛擬暗室系統,是最新的EMI測試系統。它具有獨一無二的頻率同步及相位鎖定功能,是一個雙通道、多端口EMI接收機,符合CISPR-16標準要求。

其虛擬暗室系統接收機使用兩套時間與頻率都同步的通道同時去接收一個復雜系統中的信號,用來進行電磁發射的測量和電磁干擾源的定位。虛擬暗室系統把先進的數字信號處理技術(DSP)引入到了EMI測量中,能通過算法準確濾除背景噪聲,得到被測設備(EUT)實際的準確的電磁輻射情況。CASSPER不僅能濾除一般的背景噪聲,還能精確提取與背景噪聲相同頻率的EUT信號。即使背景噪聲的幅度或者頻率被調制了,其背景噪聲濾除性能也不會下降。虛擬暗室系統也能濾除來自多個地方的背景噪聲。能在市內區域精確測量電子設備的電磁發射。

⑴ 系統組成

系統由雙通道EMI接收機、高性能計算機、雙通道高速DSP卡(內置于計算機)、天線、近場探頭以及測量軟件等組成,見圖4(a)所示。

從圖4(a)可見該系統的接收機有A/B兩個通道,每個通道都在接收機的前面板上設有2至4個端口,不同頻段的天線可以接到不同的端口上,系統可以對不同頻段的天線進行自動切換。接收機把收到的信號經過中頻處理后,由AD變換器轉換為數字信號,再由計算機內部的高速雙通道DSP卡對兩個通道的數據按照有專利技術的算法進行數據處理,最終由計算機進行分析、存儲、顯示、打印等處理。


圖4 (a) 虛擬暗室EMC測量系統;


(b) “時間/頻率/相位”同步識別技術應用示意圖

⑵ 普通環境下的電磁預兼容測試

在被測設備(EUT)的前方一定距離(d)處放置一天線并連接到通道A,負責接收來自EUT以及背景共同作用的信號。另外一個天線則放置在離EUT較遠的地方,其距離至少是d的十倍,并連接到通道B,負責測量來自整個背景的噪聲情況。

同步的雙通道EMI接收機,可以保證背景信號能同時被接收機的兩個通道分別收到。從而可以將收到的共同具有的背景噪聲記錄下來并濾除掉,這就創建了一個虛擬的第三個測量通道,這種測量方法可以很真實地反映被測設備的電磁輻射情況。

系統在“消除”背景噪聲方面.采用了“時間/頻率/相位”同步識別技術,通過相位識別,把背景噪聲用傅立葉計算方法剔除掉,并能提取被調制的EUT的信號,也能提取與背景噪聲頻率一致的EUT信號,見圖4(b)所示。

這種測試方法允許背景噪聲是不穩定的,如果背景噪聲在測試場地是“均勻”的,則測試結果能與標準EMC場地的測試結果保持基本一致。而在實際測試中,“背景噪聲均勻”的環境是很容易找到的。

⑶ 定位輻射源的測試

相同頻率的兩個信號,未必來自同一信號源。在定位輻射源的測試中,通道A接到一個放在EUT附近的遠場天線或者電流卡鉗,探測EUT產生的電磁干擾,通道B連接一個近場探頭。移動通道B的探頭,通過兩個信號的相關性來確定輻射源的位置。這就意味著即使不同的幾個發射器發出同樣頻率和幅度的信號,系統也可以加以區分,從而準確定位干擾源。

該系統由于能通過“時間/頻率/相位”來識別兩個天線接收到信號的相關性,所以在EMI定位方面,它能找到真正使遠場測試不合格的干擾源位置。找干擾源的時候,一個顯示窗口上同時顯示遠場數據(天線收到的信號)和近場數據(探頭收到的信號),能在產生相同頻率的多個位置中找出與遠場信號相關聯的位置,可以節約大量的時間,能應用于從板級設計一直到系統級設計。

5 EMC診斷實施舉例

5.1 借助一些診斷工具進一步定位EMC問題

在通過EMC預測量發現設備(或分系統)的EMC問題后,可以借助一些診斷工具進一步定位EMC問題。這有助于測試(設計)工程師有針對性的提出EMC對策,順利解決已經發現的EMC問題。以下介紹當前使用比較普遍的84105EM診斷系統。

其系統功能為用于表面電流、插槽、電纜和集成電路的磁場輻射測量。其系統組成是由三EMC分析儀、近場探頭和前置預放三部分組成。系統特點:對環境沒有特別要求(不需要屏蔽室或暗室),可測頻段寬,測量精度高,只配置了磁場探頭,操作簡單、價格較低。

5.2 簡述電磁故障診斷84105EM故障診斷系統診斷內容與測量配置。

⑴ 診斷目的

針對已經檢測出的EMI不合格頻率點,采用近場檢測的方法進一步定位干擾發生點;針對已經檢測出的EMS不合格頻率點,進一步定位敏感度薄弱部位。

⑵ 診斷工具

采用安捷倫84105EM電磁兼容診斷系統,該系統由EMC分析儀E7401A(含選件跟蹤發生器前置放大器11909A)和近場探頭套(含11941A和11940A近場探頭)組成,參見圖5(a)。


圖5 (a) 電磁故障診斷系統測量配置示意圖;

(b)為診斷屏蔽殼體上不應有的孔隙部位測量示意

近場探頭套所包含的探頭11941A的測量頻段為9kHz-30MHz,11940A的測量頻段為30MHz~1MHz,它們都采用雙環設計。探頭的兩個環天線在平衡/不平衡變換器(簡稱“巴侖”)合并變為不平衡輸出(同軸線采用雙環可使它們的電場感應電壓分量反相,相互抵消,只保留磁場感應電壓分量)。理論分析明在近場探測情況下,電場探頭(如單極或偶極振子)不可避免或容性耦合周圍的雜散信號,難實現可重復的測量,而環天線的磁場探頭有很好的測量可重復性,并可抑制感應的電場,所以本系統采用這種雙環結構的磁場探頭。

為了進行敏感度測量,可采用E7402A分析儀配置的選件跟蹤發生器(1DS),內置在EHC分析儀中。由于跟蹤發生器與測量接收機做成一體,兩者的頻率保持同步,這比采用單獨的掃捅要方便得多,尤其在濾波器傳輸特性的測量中可大大縮短測量時間。

每個近場探頭均用網絡分析儀校準,每個探頭在其頻段的5個頻率點測校正系數(dB(uA/m)/uV),將接收機讀數(dB uv)加上此校正系數就得出所測的磁磁場強度(dB(uA/m))。兩個近場探頭的校正系數已存儲在EMC分析儀的ROM中。

⑶ 診斷內容

尋找PCB板的“熱點”(即電磁輻射過強的部位),記錄其頻率及幅值;尋找PCB的“敏感度空洞”(即電磁敏感度薄弱部位),記錄其頻率及幅值;尋找屏蔽殼體上不應有的孔隙部位。圖5(b)為診斷屏蔽殼體上不應有的孔隙部位的測量配置示意圖。


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