引言

EMI/EMC 法規(guī)幫助保證電氣和電子設(shè)備用戶能夠可靠操作，同時確保用戶的人身安全。這些法規(guī)限定了允許的放射輻射，為了使產(chǎn)品保持在這些限制范圍內(nèi)，設(shè)計人員投入了大量的時間和工作。本應(yīng)用指南描述了可以用來確定不想要的輻射源的多種技術(shù)，特別是在通過成形測試或預(yù)一致性測試確定超限條件后。

許多公司采用專門的測試機構(gòu)服務(wù)，來執(zhí)行EMI/EMC 認證要求的實際一致性測試。測試機構(gòu)可能屬于一家外部公司 (“測試機構(gòu)”) 或內(nèi)部 EMC 部門。大多數(shù)工程師采用優(yōu)秀的設(shè)計慣例，最大限度地減少發(fā)生 EMI/EMC 問題的可能。即使有了準(zhǔn)確的 EMI/EMC 仿真包，當(dāng)前通常仍在設(shè)計和原型階段執(zhí)行“預(yù)一致性測試”測量，也就是在產(chǎn)品發(fā)出進行一致性前，以識別和解決潛在的 EMI/EMC 問題。這些技術(shù)減少了產(chǎn)品在測試機構(gòu)不能通過最終全面一致性測試的風(fēng)險。

市場上有各種測試儀器調(diào)試技術(shù)，可以有效地找出影響一致性測試結(jié)果的輻射來源。在許多情況下，擁有時間相關(guān)RF測量功能的示波器，比 如 泰 克 4、5 或 6 系 列 MSO 及 SpectrumView 或 MDO4000 及其集成頻譜分析儀，可以大大加快調(diào)試速度。在其他情況下，實時頻譜分析儀如泰克 RSA306B，可以縮短找到根本原因的道路。本應(yīng)用指南將考察其中部分調(diào)試方法。

如果產(chǎn)品未能通過一致性測試會怎么樣？

即使在采用了良好設(shè)計，選擇了優(yōu)質(zhì)元件，花時間認真表征產(chǎn)品之后，仍可能會出現(xiàn) EMI 問題！圖 1 表明有一個峰值超出了這一特定標(biāo)準(zhǔn)的極限。正常情況下，我們在報告中還將獲得表格方式的信息 ( 圖 2)。

圖 1. 這份 EMI 測試報告顯示在 50 MHz 周圍發(fā)生問題。

圖 2. 這些數(shù)據(jù)顯示了圖 1 中在 49.9724 MHz 處發(fā)生問題，但這些數(shù)字無法令人相信其是精確的來源頻率。

理解 EMI 報告

乍一看，下面這樣的 EMI 報告似乎提供了與某個頻率上的問題有關(guān)的簡明信息。確定設(shè)計的哪個部分在該源頻率上運行，然后應(yīng)用一些衰減以通過測試，這應(yīng)該是一件簡單的事。在篩選設(shè)計，努力確定問題來源之前，必須了解測試機構(gòu)怎樣生成這份報告。

圖 1 和圖 2 中的報告顯示了測試頻率、測得幅度、校準(zhǔn)后的校正系數(shù)及調(diào)節(jié)后的場強。調(diào)節(jié)后的場強與規(guī)范進行對比，確定裕量或超出量。盡管報告中明確給出許多測試條件，但要考慮的某些重要事項可能還不是太明顯。

頻率范圍和測試點數(shù)：測試報告中給出的頻率根本不可能恰好就是 EMI 源的頻率。頻率范圍和測試點數(shù)可以幫助確定一致性測試頻率可能是 EMI 源實際頻率的接近程度。據(jù)國際無線電干擾特別委員會 (CISPR)，在執(zhí)行放射輻射測試時，必須根據(jù)頻率范圍，使用不同的測試方法。每個范圍都要求具體的解析帶寬濾波器和檢測器類型，如表 1 所示。

頻率范圍決定著濾波器帶寬，進而決定著解析關(guān)心的具體頻率的能力。

表 1. CISPR 測試要求隨頻率范圍變化，影響著頻率分辨率

檢測器類型：一般來說，測試機構(gòu)要先完成峰值檢測，因為完成這項測試所需的時間最少。由于檢測器的特點 ( 參見側(cè)欄“常見的峰值檢測類型”)，完成準(zhǔn)峰值(QP) 掃描所需的時間要多得多。準(zhǔn)峰值檢測采用測量加權(quán)，把更多的重點放在從廣義角度被理解為更“討厭”的信號上，因此檢測器類型可能會掩蓋輻射信號的絕對幅度。

方位角 / 距離：在執(zhí)行掃描時，被測器件 (UUT) 可以放在轉(zhuǎn)桌上，從而可以從多個角度收集信息。這個方位角信息相當(dāng)有用，因為它表明問題來自 UUT 的哪個區(qū)域。

EMI/EMC測試機構(gòu)將在經(jīng)過校準(zhǔn)的RF艙中進行測量，作為場強指標(biāo)報告測量結(jié)果，這使情況進一步復(fù)雜化。幸運的是，您不需要一模一樣地復(fù)制測試機構(gòu)的情況，就能調(diào)試 EMI 測試失敗。在調(diào)試時，并不用使用高度受控的 EMI 測試機構(gòu)中執(zhí)行的絕對測量，而是可以使用測試報告中的信息，很好地了解生成報告使用的測量技術(shù)，在 UUT 周圍進行相對觀察，隔離輻射源，衡量補救效果。

常見的峰值檢測類型

可以使用簡單的峰值檢測器進行 EMI 測量。但 EMI部門或外部測試機構(gòu)會根據(jù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，來使用準(zhǔn)峰值 (QP) 檢測器，因此您可能會想是否也需要準(zhǔn)峰值檢測器。

EMI 部門或外部實驗室在開始測試時，一般先使用簡單的峰值檢測器執(zhí)行掃描，找到超過或接近規(guī)定極限的問題區(qū)域。對接近或超過極限的信號，他們會執(zhí)行準(zhǔn)峰值測量。準(zhǔn)峰值檢測器是 EMI 測量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一種專用檢測方法。它檢測信號包絡(luò)的加權(quán)峰值 ( 準(zhǔn)峰值 )。它根據(jù)信號峰值電平、持續(xù)時間和重復(fù)速率，來確定信號權(quán)重。信號發(fā)生頻率越高，與發(fā)生頻次低的脈沖相比，準(zhǔn)峰值測量權(quán)重越高。使用準(zhǔn)峰值檢測器的缺點在于，它要求外部駐留時間，因此要求的時間明顯要高于峰值檢測器。正因如此，設(shè)計人員最經(jīng)常的重點是準(zhǔn)峰值檢測器，以找到潛在問題或關(guān)心的頻率。

圖 3 顯示了來自 RF 信號發(fā)生器的一個恒定幅度的連續(xù)波 (CW) 信號。由于信號是連續(xù)的，持續(xù)時間和重復(fù)速率或信號不相關(guān)，但結(jié)果相同。在實踐中，峰值掃描可以顯示極限附近一個點，但準(zhǔn)峰值掃描可能會由于持續(xù)時間短或信號稀少而產(chǎn)生低于極限的結(jié)果。

圖 3. 連續(xù)波 (CW) 信號峰值檢測和準(zhǔn)峰值檢測對比，包括圖形格式和表格格式。圖形使用 EMCVu 預(yù)一致性測試軟件和泰克 RSA306B 頻譜分析儀生成。

準(zhǔn)峰值結(jié)果一直小于等于峰值檢測，而永遠不會大于峰值檢測。因此為了節(jié)省時間，EMI 調(diào)試和診斷中可以使用峰值檢測。您不必準(zhǔn)確到 EMI 部門或?qū)嶒炇覓呙璧乃剑驗橐磺卸际窍鄬Φ?。如果實驗室報告顯示設(shè)計高出 3 dB，峰值檢測高出 6 dB，那么就應(yīng)該進行修復(fù)，把信號降低 3 dB 或以上。

本應(yīng)用指南中描述的示波器推薦用于針對性調(diào)試，其中采用了峰值檢測器。對預(yù)一致性測試掃描，RSA306B、RSA500、RSA600 和 RSA5000 實時頻譜分析儀及 EMCVu EMC 預(yù)一致性測試軟件支持使用準(zhǔn)峰值檢測器進行 CISPR 或 FCC 放射輻射和傳導(dǎo)輻射掃描，同時也支持峰值檢測器。如需進一步信息，請參閱電磁干擾 (EMI) 和電磁兼容性 (EMC)。

我從哪里入手？

我們從 EMI 角度考察任何產(chǎn)品時，整個設(shè)計都可以視為一個能量來源和天線的集合。為識別EMI問題來源，我們必須先確定能量來源，然后找出這個能量是怎樣被放射的。EMI 問題的常見來源 * 包括：

●?電源濾波器

●?地面阻抗

●?信號回路不足

●?LCD 輻射

●?元器件寄生信號

●?電纜屏蔽不良

●?開關(guān)電源 (DC/DC 轉(zhuǎn)換器 )

●?內(nèi)部耦合問題

●?金屬化箱體中的 ESD

雖然上面這個清單列出了 EMI 的部分常見來源，但肯定是不全的。為確定某塊電路板上的能量來源，工程師通常會使用近場探頭。在使用這類探頭時，我們必須記住信號傳播的基礎(chǔ)知識。

為確定特定來源及特定 EMI 問題核心的放射結(jié)構(gòu)，我們可以考察被觀察信號的周期性和一致性。

周期性：

●?信號的 RF 頻率是多少 ?

●?是脈沖式的還是連續(xù)的 ?

可以使用基礎(chǔ)頻譜分析儀監(jiān)測這些信號特點。

一致性：

●?UUT 上哪個信號與 EMI 事件一致 ?

業(yè)內(nèi)通常使用示波器探測 UUT 上的電信號。

考察 EMI 問題與電氣事件的一致性，無疑是 EMI 診斷中耗時最長的流程。過去，一直很難以有意義的方式，把來自頻譜分析儀的信息與來自示波器的信息關(guān)聯(lián)起來。4、5 和 6 系列 MSO 示波器上的 Spectrum View功能 ( 參見側(cè)欄：“Spectrum View”) 不再需要同步多臺儀器來進行 EMI 調(diào)試。

近場測量與遠場測量

圖 4 顯示了近場和遠場的行為，以及兩者之間的過渡區(qū)。我們可以看到，在近場區(qū)域，場可以從以磁場為主變成以電場為主。近場測量用于調(diào)試，因為它們允許設(shè)計人員確定能量來源，無需專門的測試站就可以執(zhí)行。在遠場測量中，磁場與電場之比基本上是恒定不變的。

圖 4. 距信號源的距離，其中近場到遠場的區(qū)域變化與信號波長成正比 ( 與頻率成反比 )。

圖 5. 遠場測量不僅依賴近場中能夠觀察到的活動，還依賴其他因素，如信號源、天線增益和測試條件。

但是，一致性測試是在遠場中執(zhí)行的，從近場測量中預(yù)測遠場能量水平可能會很復(fù)雜。這是因為遠場信號的強度不僅取決于信號源的強度，還取決于放射機制及可能采用的任何屏蔽或濾波。根據(jù)經(jīng)驗，我們要記住，如果我們能在遠場中觀察到一個信號，那么我們應(yīng)該能夠在近場中看到相同的信號。然而，我們可能會在近場中觀察到一個信號，但在遠場中卻看不到這個信號。

圖 6. 構(gòu)成信號的變化的電壓和電流產(chǎn)生電場和磁場。

近場探測

盡管一致性測試程序旨在生成絕對的經(jīng)過校準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)，但調(diào)試大部分是可以使用相對測量來執(zhí)行的。

近場探頭本質(zhì)上是天線，旨在撿拾磁場 (H Field) 或電場 (E Field) 變化。一般來說，近場探頭不會帶有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，因為其響應(yīng)與探頭到 UUT 和信號源的距離和方向高度相關(guān)，所以其本意是進行相對測量。

磁場探頭

磁場探頭采用不同的環(huán)路設(shè)計，環(huán)路平面應(yīng)與電流流動方向成一直線，這樣環(huán)路就會與通量的磁場線相交。這樣，在搜索輻射時，探頭的位置通常令環(huán)路平面與電路板表面平行。環(huán)路尺寸決定著靈敏度以及測量區(qū)域，因此在使用這些探頭類型隔離能量來源時必須注意。近場探頭套件通常包括各種不同的尺寸，因此可以使用慢慢縮小的環(huán)路，來縮窄測量區(qū)域。磁場探頭都非常擅長識別電流相對較高的來源，如：

●?低阻抗節(jié)點和電路

●?傳輸線

●?電源

●?端接的導(dǎo)線和電纜

圖 7. 使磁場探頭與電流流動方向成一直線，令磁場線穿過環(huán)路。

電場探頭

電場探頭作為小型單極天線，對電場或電壓變化作出響應(yīng)。在使用這類探頭時，必需讓探頭與測量平面保持垂直。在實踐中，電場探頭特別適合集中在特別小的區(qū)域，確定電壓相對較高的來源及沒有端接的來源，如：

●?高阻抗節(jié)點和電路

●?未端接的 PCB 軌跡

●?電纜

圖 8. 實際應(yīng)用中的磁場探頭，說明了調(diào)試使用的方向。

圖 9. 令電場探頭與導(dǎo)體垂直，以觀察電場。

在低頻率上，系統(tǒng)中的電路節(jié)點阻抗可能變化很大，因此要求了解電路或?qū)嶒?，確定磁場探頭或電場探頭是否會提供最高的靈敏度。在較高頻率上，這些差異會很大。不管是哪種情況，進行重復(fù)的相對測量都具有重要意義，這樣您才能相信準(zhǔn)確表示了實施的任何變化導(dǎo)致的近場輻射結(jié)果。最重要的考慮因素是，對于每項實驗變化，近場探頭的位置和方向要一致。

Spectrum View：全新的頻域分析方法

4、5 和 6 系列 MSO 能夠查看模擬信號特點、數(shù)字定時、總線事務(wù)和同步的頻率頻譜。

Spectrum View 采用下一代 ASIC 技術(shù)，較傳統(tǒng) FFT方法更好地解決了 RF 測量挑戰(zhàn)，包括：

● ?可以使用用戶熟悉的頻譜分析控制功能 ( 中心頻率、頻寬和 RBW)

● ?可以獨立優(yōu)化時域顯示畫面和頻域顯示畫面

● ?改善頻譜顯示畫面的更新速率

● ?明顯改善頻域中可以實現(xiàn)的頻率分辨率

● ?可以在波形視圖和頻譜視圖中同時查看信號，而不用分開信號路徑

●? 可以簡便地考察頻域視圖怎樣隨時間變化及在整個采集中變化

● ?可以使用 RF 相對于時間觸發(fā)功能，簡便準(zhǔn)確地關(guān)聯(lián)時域事件與頻域事件

泰克 MDO4000 系列提供了類似的功能，但由于有一個專用頻譜分析儀輸入，所以增加了頻率范圍和動態(tài)范圍。然而，與 4/5/6 系列 MSO 相比，頻譜分析儀輸入只能用于 RF 分析。3 系列 MDO 還提供了一個內(nèi)置頻譜分析儀，可以用于 RF 分析，但不能同時采集或查看頻率頻譜和時域波形。

圖 10. Spectrum View 可以在同一個屏幕上查看時間、頻率和幅度，并為每個域提供唯一的測量數(shù)據(jù)。

圖 11. 數(shù)字下變頻器采用定制 ASIC，通過泰克 4、5 和 6系列 MSO 中的獨立控制功能，同時查看波形和頻譜

案例分析：確定信號特點和一致性，確定輻射源

本案例分析將演示收集證據(jù)隔離 EMI 來源的過程。在對一種小型微控制器進行 EMI 掃描時，我們發(fā)現(xiàn)超限問題，140 MHz 中心周圍似乎有一個寬帶信號。我們使用 6 系列 MSO 上的 Spectrum View( 圖 12)，把一只磁場探頭連接到 RF 輸入上，從而可以確定能量來源的范圍。

圖 12. 測試設(shè)置在混合信號示波器上把模擬電壓相對于時間關(guān)系波形與獨立可調(diào)節(jié)的頻譜分析軌跡結(jié)合在一起。

確定磁場探頭的方向很重要，環(huán)路平面要與被評估的導(dǎo)體成一直線，這樣環(huán)路的位置可令通量的磁場線穿過通量。圍著 PCB 移動磁場探頭，可以確定能量來源的范圍。選擇一個孔徑更窄的探頭，就可以把搜索重點縮小到更小的區(qū)域內(nèi)。

一旦確定潛在能量來源位置，就可以使用 RF 幅度相對于時間軌跡 ( 圖 13) 收集更多的信息。這條軌跡顯示頻寬中所有信號的積分功率相對于時間關(guān)系。在圖13 中，可以清楚地看到一個大的重復(fù)脈沖。在采集的記錄長度中移動頻譜時間，現(xiàn)在可以看到EMI事件(即以 140 MHz 為中心的寬帶信號 ) 與大脈沖直接對應(yīng)。為測量脈沖重復(fù)周期，可以啟用測量標(biāo)記，直接確定周期。這時，通過 Spectrum View，可以簡便地觀察瞬態(tài)輻射的持續(xù)時間和重復(fù)間隔。這些信息可能已經(jīng)足以幫助設(shè)計人員確定原因，但我們還可以把這項調(diào)試工作再推進一步。

圖 13. 中心軌跡是來自磁場探頭的時域波形。頻譜視圖 ( 頂部 ) 提供了與波形 ( 橙色圈中 ) 下面藍色塊指明的頻譜時間對應(yīng)的頻率成分。RF 幅度相對于時間關(guān)系軌跡 ( 底部 ) 顯示了一個重復(fù)的 RF 突發(fā)。

為積極識別 EMI 來源，現(xiàn)在要使用 6 系列 MSO 示波器上的另一條通道。保持相同的設(shè)置，現(xiàn)在可以啟用示波器的通道 1，瀏覽 PCB，查找與 EMI 事件一致的信號源。

在使用示波器探頭瀏覽信號一會兒后，我們找出了圖 14中的信號。在示波器顯示屏上，可以清楚地看到，我們連接到示波器通道 1 的信號可以與 EMI 事件直接關(guān)聯(lián)。這時，通過使用 4/5/6 系列 MSO 中的 RF 相對于時間觸發(fā)功能，在確認存在一致的通道 1 信號行為后在 RF 相對于幅度通道上建立觸發(fā)，可以在更長的時間周期內(nèi)在實時采集中迅速確認輻射源特點。( 圖 15)

圖 14. 使用無源探頭在通道 1(yellow) 上探測信號，發(fā)現(xiàn)一個與 RF ( 青色 ) 相關(guān)的信號。

圖 15. 在輻射 RF 能量上觸發(fā) RF 幅度相對于時間關(guān)系，觀察一致的電氣事件。

總結(jié)

未能通過 EMI 一致性測試可能會使產(chǎn)品開發(fā)時間表陷入險境。然而，本文列出的調(diào)試技術(shù)可以幫助您隔離能量來源，從而可以制訂補救計劃。高效調(diào)試要求了解一致性測試報告及一致性測試和調(diào)試怎樣采用不同的測量技術(shù)。一般來說，它需要查找相對較高的電磁場，確定其特點，把場行為與電路行為關(guān)聯(lián)起來，確定輻射來源。

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