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xx电子设备EMC的测量与诊断

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摘要8 {  \5 x6 h3 ^
根据xx电子设备的电磁兼容实际应川测试，重点阐述了有关电磁干扰测量和判断干扰发生源的方法3 U1 A. y5 y/ ^1 I) t! S
以及故障诊断。9 @# _4 m9 Z( p& A
关键词电磁兼容(EMC)频谱分析仪电磁干扰随着电子、电气、计算机、控制技术的迅速发展，电子电气设备应用的日益广泛，电子设备产生的电磁噪声也越来越严重。因此，xx装备在定型生产前必须通过电磁兼容性检测。解决电磁干扰必须了解电磁干扰的幅度、频率及发生源，本文主要介绍有关电磁干
扰测量和判断干扰发生源的方法。" N5 W. z4 p/ |  B9 l. T) R" ?( D3 x
1测量仪器$ R2 ]  Y" |# Z$ M* e, h3 \
示波器是一种将电压幅度随时间变化的规律显示出来的仪器，它相当于电气工程师的眼睛。但是示波器并不是电磁干扰测量与诊断的理想工具。测量电磁干扰更合适的仪器是频谱分析仪。频谱分析仪是一种将电压幅度随频率变化的规律显示出来的仪器，它显示的波形称为频谱。频谱分析仪克服了示波器在测量电磁干扰中的缺点，它能够xx测量各个频率上的干扰强度。对于电磁干扰问题的分析而言，频谱分析仪是比又扛器更有用的仪器。而用频谱分析仪可以有接显示

频谱分析仪采用频率扫描超外差的工作方式。混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不  O* f% }9 a! O4 ^5 s
同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被侧信号的频谱。根据这个频谱，就能够知道被侧设备是否有超过标准规定的干扰发射，或发生干扰的信号频率是多少。& }* \: d0 M  V$ [
1.2绷诺分析仪的使用方法
频率扫描范围:1 X  ^6 E6 [1 i# {) ]' Z# s; ~
规定了频谱分析仪扫描频率的上限和下限。通过调整扫描频率范围，可以对感兴趣的频率进行细致的观察。扫描频率范围越宽，则扫描一遍所需要时间越长，频谱上各点的测盘精度越低，因此，在可能的情况下，尽t使用较小的频率范围。
中频带宽(分辨率带宽)( resolutionbandwidth):; C' j( q, }" j  l5 ^7 Q
规定了频谱分析仪的中频带宽，这项指标决定了仪器的选择性和扫描时间。调整分辨带宽可以达到两个目的，一个是提高仪器的选择性，以便对频率相距很近的两个信号进行区别。另一个目的是提高仪器的灵敏度。因为任何电路都有热噪声，这些噪声会将微弱信号淹没，而使仪器无法观察微弱信号。噪声的幅度与仪器的通频带宽成正比，带宽越宽，则噪声越大。因此减小仪器的分辨带宽可以减小仪器本身的噪声，从而增强对微弱信号的检测能力。. [" S; _7 H! v& T- B
对于xx的电磁发射测量，根据国家xx标准GJB151A/152A《xx设备和分系统电磁发射和敏感度要求》/(xx设备和分系统电磁发射和敏感度测量》，其发射的测量的带宽采用下表中列出的6d6带宽。. n3 w$ u4 y  N6 ?. v7 N

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扫描时间:(sweeptime )
仪器接收的信号从扫描频率范围的{zd1}端扫描到{zg}端所使用的时间叫做扫描时间。扫描时间与扫描频率范围是相匹配的。如果扫描时间过短，测量到的信号幅度比实际的信号幅度要小。& _! V3 P, q% A& z7 L/ R
视频带宽:(video bandwidth)6 p( z# n$ H& f7 z- w
视频带宽的作用与中频带宽相同，可以减小仪器本身的带内噪声，从而提高仪器对徽弱信号的检测能力。
各相关参数的关系:
性能较好的频谱分析仪带宽的设计，目前采用数字式分辨滤波器，且分辨率带宽、视频带宽、扫频带宽、扫描时间等在设计时，都设计成自动连锁(AUTO COUPLE)关.系，改变某一参数，其他相关参数也随之改变。# J$ m: K1 {, U& Z' e9 E
天线的选择:选择天线可能是每个EMC工程师必须面对的较为艰巨的任务，一个很重要的问题是频率范围，在大多数的EMC测量中，所要求的频率范围远大于某一单个天线的频率范围，实际上，由于带宽和天线尺寸的限制，在一次测试中使用5副天线来覆盖整个测试频段也并不少见。8 \' a- e. u9 s: b# C7 r
在很多情况下，频率低端足以低到需要的两副天线，一副用来测量电场分量，另一副用来测量磁场分量，这种用法可以这样来解释，当测量距离采用{jd1}单位并且由测量标准规定了的时候，电磁场的分布就是源阻抗(可能未知)和以波长来表示的距离的函数，在“远场”区电磁场可认为具有平面波的特性，E场分量和H场分量可由自由空间的波阻抗377SZ联系起来。由此，可由场功率，E场和H场三个变量中已知任两个求得第三个变量，在“近场”区中就没有这种固定关系存在，近场区中任一点的波阻抗介于未知的源阻抗和已知的自由空间波阻抗之间，由于波阻抗未知，因此就需要分别测量E场和H场，然后计算功率，还可能计算出这一点的波阻抗并推出源阻抗，这种计算对诊断出有害辐射的实际源很有用处。5 a+ R) k D7 F% a
除了标准规定的调谐偶极子以外，大多数100MHz以下的天线是非谐振的，并且表现出负增益(损耗)，在这个频率范围内常用的天线是拉杆天线，用于低频E场测量，在敏感度试验中也使用E场发生器，在这么低的频段，采用屏蔽环天线来测量H场，利用环天线来产生H场，在20 - 30MHz以上时，
最常用的天线是非谐振偶极子天线，常常用双锥结构的，采用这类天线是因为随着频率的降低，宽带谐振天线的尺寸要变大，而且会很快大得让人无法接受，增益为负是由于这类天线的尺寸与所测信号的波长相比较小，只有在测试时间允许的情况下，才使用需要在每个频点都进行调谐天线。1 c( s6 v* \* U, K
目前一般有三种不同型式的天线，供做幅射干扰测量，分别是Biconical(双锥)天线，其操作频率从30MHz到300MHz; Log Peri-odic(对数周期)天线，其操作频率从200MHz到1 GHz;第三种为Broadband(宽带)天线，其操作频率从30MHz到1 GHz。在讨论到天线，就必须提及天线因子(antenna factor) ,
天线因子会因不同支的天线而不同，天线因子是定义为强度与电压的比例，即AF = Ein/Vout o频谱仪(电磁兼容分析仪)在做电磁兼容测量中，所有测量环节中的外接设备，都应有测量因子，如:天线、电缆、放大器、限幅器等，并适时调用，以保证测量的准确性。
2用频谱分析仪分析干扰的来源
2.1根据干扰倍号的频率确定千扰源

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在解决电磁干扰问题时，最重要的一个问题是判断干扰的来源，只有准确将干扰源定位后，才能够提出解决干扰的措施。根据信号的频率来确定干扰源是最简单的方法，因为在信号的所有特征中，频率特征是最稳定的，并且电路设计人员往往对电路中各个部位的信号频率都十分清楚。因此，只要知道了干扰信号的频率，就能够推测出干扰是哪个部位产生的。
对于电磁干扰信号，由于其幅度往往远小于正常工作信号，因此用示波器很难测量到干扰信号的频率。特别是当较小的干扰信号叠加在较大的工作信号上时，示波器无法与干扰信号同步，因此不可能得到准确的干扰信号频率。- a6 {" _# A3 h; P7 V
而用频谱分析仪做这种测量是十分简单的。由于频谱分析仪的中频带宽较窄，因此能够将与干扰信号频率不同的信号滤除掉，xx地测量出干扰信号频率，从而判断产生干扰信号的电路。4 o: _5 {/ n6 b) t) M
2.2根据干扰信号的带宽确定干扰源- t/ I( x* U' Z+ C
判断干扰信号的带宽也是判断干扰源的有效方法。例如，在一个宽带源的发射中可能存在一个单个高强度信号，如果能够判断这个高强度信号是窄带信号，则它不可能是从宽带发射源产生的。干扰源可能是电源中的振荡器，或工作不稳定的电路，或谐振电路。当在仪器的通频带中只有一根谱线时，
就可以断定这个信号是窄带信号。6 {8 w% m% q7 f7 i" B
根据傅立叶变换，单根的谱线所对应的信号是周期信号。因此，当遇到单根谱线时，就要将注意力集中到电路中的周期信号电路上。
3用近场测试方法确定辐射源
除了上述的根据信号特征判断干扰源的方法以外，在近场区查找辐射源可以直接发现干扰源。在近场区，检查电缆上的发射源要使用电流卡钳，检查机箱缝隙的泄漏要使用近场探头。
3.1线性阻抗稳定网络《LISIV )、电流卡钳与近场探头
LISN是一个电路平衡网络，提供给待测装置的主电源，并隔绝来自待测装置的主电源，任何主电源上的杂讯都会有可能藕合到EMC分析仪，并隔绝由待测装置所产生，但是被藕合到主电源的杂讯，过多的杂讯出现在主电源会造成其他共用同一个主电源的装置出现干扰的情况。

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  电流卡钳是利用变压器原理制造的能够检测导线上电流的传感器。当电流探头卡在被测导线上时，导线相当于变压器的初级，探头中的线圈相当于变压器的次级。导线上的信号电流在电流卡钳的线圈上感应出电流，在仪器的输人端产生电压。于是频谱分析仪的屏幕上就可以看到干扰信号的频谱，仪器
上读到的电压值与导线中的电流值通过传输阻抗换算。传输阻抗定义为:仪器50欧输人阻抗上感应的电压与导线中的电流之比。对于一个具体的电流卡钳，可以从厂家提供的探头说明书中查到它的转移阻抗ZT。因此，导线中的电流等于:5 w$ ?9 D1 ~% q+ `$ c

3.2用电流卡钳检测共模电流-: s  i% q$ x5 o. @: M9 M$ P
设备产生辐射的主要原因之一是电缆上有共模电流。因此当设备或系统有超标发射时，首先应该怀疑的就是设备上外拖的各种电现。这些电缆包括电源线电缆和设备之间的互连电缆。
将电流卡钳卡在电缆上，这时由于卡钳同时卡住了信号线和回流线，因此差模电流不会感应出电压，仪器上读出的电压仅代表共模电流。
测量共模电流时，{zh0}在屏蔽室中进行。如果不在屏蔽室中，周围环境中的电磁场会在电缆上感应出电流，造成误判断。因此应首先将设备的电源断开，在设备没有加电的状态下测量电缆上的背景电流，并记录下来，以便与设备加电后测量的结果进行比较，排除背景的影响。! {# f2 L( W$ k3 t* n% B2 M
如果在用天线进行测量时，将频谱分析仪的扫描频率局限感兴趣的频率周f很小的范围内，则可以排除环境中的干扰。
3.3用近场探头检测机箱的泄漏' F9 f6 T- {+ _) q7 Z
如果设备上外拖电缆上没有较强的共模电流，就要检查设备机箱上是否有电磁泄漏。0 j: V( h2 }  e6 d& R8 e( \! S( x
检查机箱泄漏的工具是近场探头。将近场探头靠近机箱上的接缝和开口处，观察频谱分析仪上是否有感兴趣的信号出现。一般由于探头的灵敏度较低，即使用了放大器，很弱的

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信号在探头中感应的电压也很低，因此在测t时要将频谱分析仪的灵敏度调得尽t高。根据前面的讨论，减小频谱分析仪的分辨带宽能够提高仪器的灵敏度。但是要注意的是，当分辨带宽很窄时，扫描时间会变得很长。为了缩短扫描时间，提高检测效率，应该使频谱分析仪的扫描频率范围尽量小。因此一般在用近场探头检测机箱泄漏时，都是首先用天线测出泄漏信号的xx频率，然后使仪器用尽量小的扫描频率范围覆盖住这个干扰频率。这样做的另一个好处是不会将背景干扰误判为泄漏信号。' e/ w) A$ b; O7 \) o' j
对于机箱而言，靠近滤波器安装位置的缝隙是最容易产生电磁泄漏的。因为滤波器将信号线上的干扰信号旁路到机箱上，在机箱上形成较强的干扰电流，这些电流流过缝隙时，就会在缝隙处产生电磁泄漏。

有4个，它们分别是:: x; L9 I( Q. s! s, [; m
·主机与键盘之间的互连电缆(电缆1)上的共模电流产生的辐射;
·主机与显示器之间的互连电缆(电缆2)上的共模电流产生的辐射;: [( H  \% F3 S# f% a, S
·机箱面板与机箱基体之间的缝隙(开口% g. U9 p' X( ~. S% f. l# X9 P' `
1)产生的泄漏;& E) ?+ }  V. z
·某个显示器产生的泄漏。  C# S0 n  J0 ~1 X! l
在诊断时，首先在电缆1上套一个铁氧体磁环，以减小共模辐射，结果发现频谱仪屏幕上显示的信号并没有明显减小。于是试验人员认为电缆1不是一个主要的泄漏源，将铁氧体磁环取下，套在电缆2上，结果发现频谱仪屏幕上显示的信号还没有明显减小。结果试验人员得出结论，电缆不是泄漏源，如图, }# U' y8 V/ B) ]# g( v/ \$ m9 f" ^
4所示。

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但这却已经将泄漏减少了25%
正确的方法是，当对一个可能的泄漏源采取了抑制措施后，即使没有明显的改善，也不要将这个措施去掉，继续对可能的泄漏源采取措施。当采取到某个措施时，如果干扰幅度降低很多，并不一定说明这个泄漏源是主要的，而仅说明这个干扰源是{zh1}一个。按照这个步骤对4个泄漏源逐个处理的结果2 e% ^7 |$ X, C
如图5所示。. g* z( o0 D4 j
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缆2)上套屏蔽磁环;, _. C# r6 {5 j; Z \2 J9 u1 \! k% m
(2)机箱面板与机箱基体之间的缝隙加9 t( p6 c# z, m, Q2 G
垫屏蔽材料;& T; Y8 t# f) A3 `
(3)改善系统的接地;
(4)换加了屏蔽措施的显示器。# Z& y; I& a7 [9 U; P. w* Y
5产品电磁兼容测试诊断步骤, \$ @( W6 F' A4 H. j
图6给出了一个设备或系统的电磁干扰发射与故障分析步骤，按照这个步骤进行，可以提高测试诊断的效率。1 y/ B4 C7 A7 c9 D+ [. f

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