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電磁干擾與電磁兼容的測量和判斷方法

-2019-09-27-

當你的產品由于電磁干擾發射強度超過電磁兼容標準規定而不能出廠時,或當由于電路模塊之間的電磁干擾,系統不能正常工作時,我們就要解決電磁干擾的問題。要解決電磁干擾問題,首先要能夠“看”到電磁干擾,了解電磁干擾的幅度和發生源。本文要介紹有關電磁干擾測量和判斷干擾發生源的的方法。

1.測量儀器

談到測量電信號,電氣工程師首先想到的可能就是示波器。示波器是一種將電壓幅度隨時間變化的規律顯示出來的儀器,它相當于電氣工程師的眼睛,使你能夠看到線路中電流和電壓的變化規律,從而掌握電路的工作狀態。但是示波器并不是電磁干擾測量與診斷的理想工具。這是因為

A. 所有電磁兼容標準中的電磁干擾極限值都是在頻域中定義的,而示波器顯示出的時域波形。因此測試得到的結果無法直接與標準比較。為了將測試結果與標準相比較,必須將時域波形變換為頻域頻譜。

B. 電磁干擾相對于電路的工作信號往往都是較小的,并且電磁干擾的頻率往往比信號高,而當一些幅度較低的高頻信號疊加在一個幅度較大的低頻信號時,用示波器是無法進行測量 :。

C. 示波器的靈敏度在mV級,而由天線接收到的電磁干擾的幅度通常為V級,因此示波器不能滿足靈敏度的要求。

測量電磁干擾更合適的儀器是頻譜分析儀。頻譜分析儀是一種將電壓幅度隨頻率變化的規律顯示出來的儀器,它顯示的波形稱為頻譜。頻譜分析儀克服了示波器在測量電磁干擾中的缺點,它能夠精確測量各個頻率上的干擾強度。

對于電磁干擾問題的分析而言,頻譜分析儀是比示波器更有用的儀器。而用頻譜分析儀可以直接顯示出信號的各個頻譜分量。

1.1 頻譜分析儀的原理

頻譜分析儀是一臺在一定頻率范圍內掃描接收的接收機。

頻譜分析儀采用頻率掃描超外差的工作方式。混頻器將天線上接收到的信號與本振產生的信號混頻,當混頻的頻率等于中頻時,AZ這個信號可以通過中頻放大器,被放大后,進行峰值檢波。檢波后的信號被視頻放大器進行放大,然后顯示出來。由于本振電路的振蕩頻率隨著時間變化,因此頻譜分析儀在不同的時間接收的頻率是不同的。當本振振蕩器的頻率隨著時間進行掃描時,屏幕上就顯示出了被測信號在不同頻率上的幅度,將不同頻率上信號的幅度記錄下來,就得到了被測信號的頻譜。

根據這個頻譜,就能夠知道被測設備是否有超過標準規定的干擾發射,或產生干擾的信號頻率是多少。

1.2  頻譜分析儀的使用方法

要獲得正確的測量結果,必須正確地操作頻譜分析儀。本節簡單介紹頻譜分析儀的使用方法。正確使用頻譜分析儀的關鍵是正確設置頻譜分析儀的各個參數。下面解釋頻譜分析儀中主要參數的意義和設置方法。

頻率掃描范圍:

規定了頻譜分析儀掃描頻率的上限和下限。通過調整掃描頻率范圍,可以對感興趣的頻率進行細致的觀察。掃描頻率范圍越寬,則掃描一遍所需要時間越長,頻譜上各點的測量精度越低,因此,在可能的情況下,盡量使用較小的頻率范圍。在設置這個參數時,可以通過設置掃描開始頻率和終止頻率來確定,例如:start frequency = 1MHz, stop frequency = 11MHz。也可以通過設置掃描中心頻率和頻率范圍來確定,例如:center frequency = 6MHz, span = 10MHz。這兩種設置的結果是一樣的。

中頻分辨帶寬:

規定了頻譜分析儀的中頻帶寬,這項指標決定了儀器的選擇性和掃描時間。調整分辨帶寬可以達到兩個目的,一個是提高儀器的選擇性,以便對頻率相距很近的兩個信號進行區別。另一個目的是提高儀器的靈敏度。因為任何電路都有熱噪聲,這些噪聲會將微弱信號淹沒,而使儀器無法觀察微弱信號。噪聲的幅度與儀器的通頻帶寬成正比,帶寬越寬,則噪聲越大。因此減小儀器的分辨帶寬可以減小儀器本身的噪聲,從而增強對微弱信號的檢測能力。
分辨帶寬一般以3dB帶寬來表示。當分辨帶寬變化時,屏幕上顯示的信號幅度可能會發變化。若測量信號的帶寬大于通頻帶帶寬,則當帶寬增加時,由于通過中頻放大器的信號總能量增加,顯示幅度會有所增加。若測量信號的帶寬小于通頻帶寬,如對于單根譜線的信號,則不管分辨帶寬怎樣變化,顯示信號的幅度都不會發生變化。信號帶寬超過中頻帶寬的信號稱為寬帶信號,信號帶寬小于中頻帶寬的信號稱為窄帶信號。根據信號是寬帶信號還是窄帶信號能夠有效地定位干擾源。

掃描時間:

儀器接收的信號從掃描頻率范圍的低端掃描到高端所使用的時間叫做掃描時間。掃描時間與掃描頻率范圍是相匹配的。如果掃描時間過短,測量到的信號幅度比實際的信號幅度要小。

視頻帶寬:

視頻帶寬的作用與中頻帶寬相同,可以減小儀器本身的帶內噪聲,從而提高儀器對微弱信號的檢測能力。

2.用頻譜分析儀分析干擾的來源

2.1  根據干擾信號的頻率確定干擾源

在解決電磁干擾問題時,重要的一個問題是判斷干擾的來源,只有準確將干擾源定位后,才能夠提出解決干擾的措施。根據信號的頻率來確定干擾源是簡單的方法,因為在信號的所有特征中,頻率特征是穩定的,并且電路設計人員往往對電路中各個部位的信號頻率都十分清楚。因此,只要知道了干擾信號的頻率,就能夠推測出干擾是哪個部位產生的。

對于電磁干擾信號,由于其幅度往往遠小于正常工作信號,因此用示波器很難測量到干擾信號的頻率。特別是當較小的干擾信號疊加在較大的工作信號上時,示波器無法與干擾信號同步,因此不可能得到準確的干擾信號頻率。

而用頻譜分析儀做這種測量是十分簡單的。由于頻譜分析儀的中頻帶寬較窄,因此能夠將與干擾信號頻率不同的信號濾除掉,精確地測量出干擾信號頻率,從而判斷產生干擾信號的電路。

2.2  根據干擾信號的帶寬確定干擾源

判斷干擾信號的帶寬也是判斷干擾源的有效方法。例如,在一個寬帶源的發射中可能存在一個單個高強度信號,VPS如果能夠判斷這個高強度信號是窄帶信號,則它不可能是從寬帶發射源產生的。干擾源可能是電源中的振蕩器,或工作不穩定的電路,或諧振電路。當在儀器的通頻帶中只有一根譜線時,就可以斷定這個信號是窄帶信號。

根據傅立葉變換,單根的譜線所對應的信號是周期信號。因此,當遇到單根譜線時,就要將注意力集中到電路中的周期信號電路上。

3.用近場測試方法確定輻射源

除了上述的根據信號特征判斷干擾源的方法以外,在近場區查找輻射源可以直接發現干擾源。在近場區查找輻射源的工具有近場探頭和電流卡鉗。檢查電纜上的發射源要使用電流卡鉗,檢查機箱縫隙的泄漏要使用近場探頭。

3.1 電流卡鉗與近場探頭

電流探頭是利用變壓器原理制造的能夠檢測導線上電流的傳感器。當電流探頭卡在被測導線上時,導線相當于變壓器的初級,探頭中的線圈相當于變壓器的次級。導線上的信號電流在電流探頭的線圈上感應出電流,在儀器的輸入端產生電壓。于是頻譜分析儀的屏幕上就可以看到干擾信號的頻譜。儀器上讀到的電壓值與導線中的電流值通過傳輸阻抗換算。傳輸阻抗定義為:儀器50? 輸入阻抗上感應的電壓與導線中的電流之比。對于一個具體的探頭,可以從廠家提供的探頭說明書中查到它的轉移阻抗ZT。因此,導線中的電流等于:

I = V / ZT

如果公式中的所有物理量都用dB表示,則直接相減。

對于機箱的泄漏,要用近場探頭進行探測。近場探頭可以看成是很小的環形天線。由于它很小,因此靈敏度很低,僅能對近場的輻射源進行探測。這樣有利于對輻射源進行精確定位。由于近場探頭的靈敏度較低,因此在使用時要與前置放大器配套使用。

3.2  用電流卡鉗檢測共模電流

設備產生輻射的主要原因之一是電纜上有共模電流。KEY因此當設備或系統有超標發射時,首先應該懷疑的就是設備上外拖的各種電纜。這些電纜包括電源線電纜和設備之間的互連電纜。
將電流探頭卡在電纜上,這時由于探頭同時卡住了信號線和回流線,因此差模電流不會感應出電壓,儀器上讀出的電壓僅代表共模電流。

測量共模電流時,在屏蔽室中進行。如果不在屏蔽室中,周圍環境中的電磁場會在電纜上感應出電流,造成誤判斷。因此應首先將設備的電源斷開,在設備沒有加電的狀態下測量電纜上的背景電流,并記錄下來,以便與設備加電后測量的結果進行比較,排除背景的影響。

如果在用天線進行測量時將頻譜分析儀的掃描頻率局限感興趣的頻率周圍很小的范圍內,則可以排除環境中的干擾。

3.3  用近場探頭檢測機箱的泄漏

如果設備上外拖電纜上沒有較強的共模電流,就要檢查設備機箱上是否有電磁泄漏。檢查機箱泄漏的工具是近場探頭。將近場探頭靠近機箱上的接縫和開口處,觀察頻譜分析儀上是否有感興趣的信號出現。一般由于探頭的靈敏度較低,即使用了放大器,很弱的信號在探頭中感應的電壓也很低,因此在測量時要將頻譜分析儀的靈敏度調得盡量高。根據前面的討論,減小頻譜分析儀的分辨帶寬能夠提高儀器的靈敏度。但是要注意的是,當分辨帶寬很窄時,掃描時間會變得很長。為了縮短掃描時間,提高檢測效率,應該使頻譜分析儀的掃描頻率范圍盡量小。因此一般在用近場探頭檢測機箱泄漏時,都是首先用天線測出泄漏信號的精確頻率,然后使儀器用盡量小的掃描頻率范圍覆蓋住這個干擾頻率。這樣做的另一個好處是不會將背景干擾誤判為泄漏信號。
對于機箱而言,靠近濾波器安裝位置的縫隙是容易產生電磁泄漏的。因為濾波器將信號線上的干擾信號旁路到機箱上,在機箱上形成較強的干擾電流,這些電流流過縫隙時,就會在縫隙處產生電磁泄漏。

4.容易犯的錯誤

當設備不能滿足有關的電磁兼容標準時,就要對設備產生超標發射的原因進行調查,然后進行排除。在這個過程中,經常發現許多人經過長時間的努力,仍然沒有排除故障。造成這種情況的原因是診斷工作陷入了“死循環”。這種情況可以用下面的例子說明。

假設一個系統在測試時出現了超標發射,使系統不能滿足電磁兼容標準中對電磁輻射的限制。經過初步調查,原因可能有4個,它們分別是:

主機與鍵盤之間的互連電纜(電纜1)上的共模電流產生的輻射
主機與打印機之間的互連電纜(電纜2)上的共模電流產生的輻射
機箱面板與機箱基體之間的縫隙(開口1)產生的泄漏
某顯示窗口(開口2)產生泄漏

在診斷時,首先在電纜1上套一個鐵氧體磁環,以減小共模輻射,結果發現頻譜儀屏幕上顯示的信號并沒有明顯減小。于是試驗人員認為電纜1不是一個主要的泄漏源,將鐵氧體磁環取下,套在電纜2上,結果發現頻譜儀屏幕上顯示的信號還沒有明顯減小。結果試驗人員得出結論,電纜不是泄漏源。

于是再對機箱上的泄漏進行檢查。用屏蔽膠帶將開口1堵上,發現頻譜儀屏幕上顯示的信號沒有明顯減小。試驗人員認為開口1不是主要泄漏源,將屏蔽膠帶取下,堵到開口2上。結果頻譜儀上的顯示信號還沒有減小。試驗人員一籌莫展。之所以會發生這個問題,是因為試驗人員忽視了頻譜分析儀上顯示的信號幅度是以dB為單位顯示的。下面我們看一下為什么會有這種現象。

假設這4個泄漏源所占的成分各占1/4,并且在每個輻射源上采取的措施能夠將這個輻射源完全抑制掉。則我們采取以上4個措施中的一個時,頻譜儀上顯示信號降低的幅度ΔA為:

ΔA = 20 lg ( 4 / 3 ) = 2.5 dB

幅度減小這么少,顯然是微不足道的。但這卻已經將泄漏減少了25%。

正確的方法是,當對一個可能的泄漏源采取了抑制措施后,即使沒有明顯的改善,也不要將這個措施去掉,繼續對可能的泄漏源采取措施。當采取到某個措施時,如果干擾幅度降低很多,并不一定說明這個泄漏源是主要的,而僅說明這個干擾源是一個。按照這個步驟對4個泄漏源逐個處理的結果如圖1所示。

在前面的敘述中,我們假定對某個泄漏源采取措施后,這個泄漏源被消除掉,如果這樣,當一個泄漏源去掉后,電磁干擾的減小應為無限大。實際這是不可能的。我們在采取任何一個措施時,都不可能將干擾源消除。泄漏源去掉的程度可以是99% ,或99.9% ,甚至99.99以上,而決不可能是完全 !所以當一個泄漏源去掉后,盡管改善很大,但仍是有限值。

當設備完全符合有關的規定后,如果為了降低產品成本,減少不必要的器件,可以將采取的措施逐個去掉。首先應該考慮去掉的是成本較高器件/材料,或在正式產品上難于實現的措施。如果去掉后,產品的電磁發射并沒有超標,就可以去掉這個措施。通過試驗,使產品成本降到低。

5.產品電磁兼容測試診斷步驟

電磁兼容測試一般首先測量干擾發射,因為干擾發射的試驗費用一般比敏感度試驗費用低。另外當設備的干擾發射能夠滿足要求時,往往敏感度也不會有大的問題。因為幾乎所有的解決干擾發射的措施同樣對改善敏感度有效。

測量干擾發射時要先測量傳導發射,不僅要在標準規定的頻率范圍內測量,還要對更高的頻率進行摸底測量。當電源線上有較強的干擾電流時,要先解決這個問題。因為這些傳導干擾電流會借助導線的天線作用產生輻射,導致輻射發射不合格。

當傳導發射完全合格后,再進行輻射發射測試。對于輻射發射不合格的頻率,要記錄下精確頻率,便于在用近場探頭查找問題時,將頻譜分析儀的掃描范圍設置在干擾頻率附近。

 


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