電磁干擾的測(cè)量與診斷

當(dāng)你的產(chǎn)品由于電磁干擾發(fā)射強(qiáng)度超過(guò)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定而不能出廠時(shí)，或當(dāng)由于電路模塊之間的電磁干擾，系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，我們就要解決電磁干擾的問(wèn)題。要解決電磁干擾問(wèn)題，首先要能夠“看”到電磁干擾，了解電磁干擾的幅度和發(fā)生源。本文要介紹有關(guān)電磁干擾測(cè)量和判斷干擾發(fā)生源的的方法。

1.測(cè)量?jī)x器

談到測(cè)量電信號(hào)，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(shí)間變化的規(guī)律顯示出來(lái)的儀器，它相當(dāng)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(guī)律，從而掌握電路的工作狀態(tài)。但是示波器并不是電磁干擾測(cè)量與診斷的理想工具。這是因?yàn)椋?/p>

A.　 所有電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)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(shí)域波形。因此測(cè)試得到的結(jié)果無(wú)法直接與標(biāo)準(zhǔn)比較。為了將測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)相比較，必須將時(shí)域波形變換為頻域頻譜。

B.　電磁干擾相對(duì)于電路的工作信號(hào)往往都是較小的，并且電磁干擾的頻率往往比信號(hào)高，而當(dāng)一些幅度較低的高頻信號(hào)疊加在一個(gè)幅度較大的低頻信號(hào)時(shí)，用示波器是無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。

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

測(cè)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(guī)律顯示出來(lái)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(cè)量電磁干擾中的缺點(diǎn)，它能夠精確測(cè)量各個(gè)頻率上的干擾強(qiáng)度。

對(duì)于電磁干擾問(wèn)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(hào)的各個(gè)頻譜分量。

1.1　頻譜分析儀的原理

頻譜分析儀是一臺(tái)在一定頻率范圍內(nèi)掃描接收的接收機(jī)。

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(hào)與本振產(chǎn)生的信號(hào)混頻，當(dāng)混頻的頻率等于中頻時(shí)，這個(gè)信號(hào)可以通過(guò)中頻放大器，被放大后，進(jìn)行峰值檢波。檢波后的信號(hào)被視頻放大器進(jìn)行放大，然后顯示出來(lái)。由于本振電路的振蕩頻率隨著時(shí)間變化，因此頻譜分析儀在不同的時(shí)間接收的頻率是不同的。當(dāng)本振振蕩器的頻率隨著時(shí)間進(jìn)行掃描時(shí)，屏幕上就顯示出了被測(cè)信號(hào)在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號(hào)的幅度記錄下來(lái)，就得到了被測(cè)信號(hào)的頻譜。

根據(jù)這個(gè)頻譜，就能夠知道被測(cè)設(shè)備是否有超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的干擾發(fā)射，或產(chǎn)生干擾的信號(hào)頻率是多少。

1.2 　頻譜分析儀的使用方法

要獲得正確的測(cè)量結(jié)果，必須正確地操作頻譜分析儀。本節(jié)簡(jiǎn)單介紹頻譜分析儀的使用方法。正確使用頻譜分析儀的關(guān)鍵是正確設(shè)置頻譜分析儀的各個(gè)參數(shù)。下面解釋頻譜分析儀中主要參數(shù)的意義和設(shè)置方法。

頻率掃描范圍：

規(guī)定了頻譜分析儀掃描頻率的上限和下限。通過(guò)調(diào)整掃描頻率范圍，可以對(duì)感興趣的頻率進(jìn)行細(xì)致的觀察。掃描頻率范圍越寬，則掃描一遍所需要時(shí)間越長(zhǎng)，頻譜上各點(diǎn)的測(cè)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(shè)置這個(gè)參數(shù)時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置掃描開(kāi)始頻率和終止頻率來(lái)確定，例如：start frequency = 1MHz， stop frequency = 11MHz。也可以通過(guò)設(shè)置掃描中心頻率和頻率范圍來(lái)確定，例如：center frequency = 6MHz， span = 10MHz。這兩種設(shè)置的結(jié)果是一樣的。

中頻分辨帶寬：

規(guī)定了頻譜分析儀的中頻帶寬，這項(xiàng)指標(biāo)決定了儀器的選擇性和掃描時(shí)間。調(diào)整分辨帶寬可以達(dá)到兩個(gè)目的，一個(gè)是提高儀器的選擇性，以便對(duì)頻率相距很近的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行區(qū)別。另一個(gè)目的是提高儀器的靈敏度。因?yàn)槿魏坞娐范加袩嵩肼?，這些噪聲會(huì)將微弱信號(hào)淹沒(méi)，而使儀器無(wú)法觀察微弱信號(hào)。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(qiáng)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力。

分辨帶寬一般以3dB帶寬來(lái)表示。當(dāng)分辨帶寬變化時(shí)，屏幕上顯示的信號(hào)幅度可能會(huì)發(fā)變化。若測(cè)量信號(hào)的帶寬大于通頻帶帶寬，則當(dāng)帶寬增加時(shí)，由于通過(guò)中頻放大器的信號(hào)總能量增加，顯示幅度會(huì)有所增加。若測(cè)量信號(hào)的帶寬小于通頻帶寬，如對(duì)于單根譜線的信號(hào)，則不管分辨帶寬怎樣變化，顯示信號(hào)的幅度都不會(huì)發(fā)生變化。 信號(hào)帶寬超過(guò)中頻帶寬的信號(hào)稱為寬帶信號(hào)，信號(hào)帶寬小于中頻帶寬的信號(hào)稱為窄帶信號(hào)。根據(jù)信號(hào)是寬帶信號(hào)還是窄帶信號(hào)能夠有效地定位干擾源。

掃描時(shí)間：

儀器接收的信號(hào)從掃描頻率范圍的最低端掃描到最高端所使用的時(shí)間叫做掃描時(shí)間。掃描時(shí)間與掃描頻率范圍是相匹配的。如果掃描時(shí)間過(guò)短，測(cè)量到的信號(hào)幅度比實(shí)際的信號(hào)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(nèi)噪聲，從而提高儀器對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力。

2.用頻譜分析儀分析干擾的來(lái)源

2.1 　根據(jù)干擾信號(hào)的頻率確定干擾源

在解決電磁干擾問(wèn)題時(shí)，最重要的一個(gè)問(wèn)題是判斷干擾的來(lái)源，只有準(zhǔn)確將干擾源定位后，才能夠提出解決干擾的措施。根據(jù)信號(hào)的頻率來(lái)確定干擾源是最簡(jiǎn)單的方法，因?yàn)樵谛盘?hào)的所有特征中，頻率特征是最穩(wěn)定的，并且電路設(shè)計(jì)人員往往對(duì)電路中各個(gè)部位的信號(hào)頻率都十分清楚。因此，只要知道了干擾信號(hào)的頻率，就能夠推測(cè)出干擾是哪個(gè)部位產(chǎn)生的。

對(duì)于電磁干擾信號(hào)，由于其幅度往往遠(yuǎn)小于正常工作信號(hào)，因此用示波器很難測(cè)量到干擾信號(hào)的頻率。特別是當(dāng)較小的干擾信號(hào)疊加在較大的工作信號(hào)上時(shí)，示波器無(wú)法與干擾信號(hào)同步，因此不可能得到準(zhǔn)確的干擾信號(hào)頻率。

而用頻譜分析儀做這種測(cè)量是十分簡(jiǎn)單的。由于頻譜分析儀的中頻帶寬較窄，因此能夠?qū)⑴c干擾信號(hào)頻率不同的信號(hào)濾除掉，精確地測(cè)量出干擾信號(hào)頻率，從而判斷產(chǎn)生干擾信號(hào)的電路。

2.2 　根據(jù)干擾信號(hào)的帶寬確定干擾源

判斷干擾信號(hào)的帶寬也是判斷干擾源的有效方法。例如，在一個(gè)寬帶源的發(fā)射中可能存在一個(gè)單個(gè)高強(qiáng)度信號(hào)，如果能夠判斷這個(gè)高強(qiáng)度信號(hào)是窄帶信號(hào)，則它不可能是從寬帶發(fā)射源產(chǎn)生的。干擾源可能是電源中的振蕩器，或工作不穩(wěn)定的電路，或諧振電路。當(dāng)在儀器的通頻帶中只有一根譜線時(shí)，就可以斷定這個(gè)信號(hào)是窄帶信號(hào)。

根據(jù)傅立葉變換，單根的譜線所對(duì)應(yīng)的信號(hào)是周期信號(hào)。因此，當(dāng)遇到單根譜線時(shí)，就要將注意力集中到電路中的周期信號(hào)電路上。

3.用近場(chǎng)測(cè)試方法確定輻射源

除了上述的根據(jù)信號(hào)特征判斷干擾源的方法以外，在近場(chǎng)區(qū)查找輻射源可以直接發(fā)現(xiàn)干擾源。在近場(chǎng)區(qū)查找輻射源的工具有近場(chǎng)探頭和電流卡鉗。檢查電纜上的發(fā)射源要使用電流卡鉗，檢查機(jī)箱縫隙的泄漏要使用近場(chǎng)探頭。

3.1 電流卡鉗與近場(chǎng)探頭

電流探頭是利用變壓器原理制造的能夠檢測(cè)導(dǎo)線上電流的傳感器。當(dāng)電流探頭卡在被測(cè)導(dǎo)線上時(shí)，導(dǎo)線相當(dāng)于變壓器的初級(jí)，探頭中的線圈相當(dāng)于變壓器的次級(jí)。導(dǎo)線上的信號(hào)電流在電流探頭的線圈上感應(yīng)出電流，在儀器的輸入端產(chǎn)生電壓。于是頻譜分析儀的屏幕上就可以看到干擾信號(hào)的頻譜。儀器上讀到的電壓值與導(dǎo)線中的電流值通過(guò)傳輸阻抗換算。傳輸阻抗定義為：儀器50？ 輸入阻抗上感應(yīng)的電壓與導(dǎo)線中的電流之比。對(duì)于一個(gè)具體的探頭，可以從廠家提供的探頭說(shuō)明書(shū)中查到它的轉(zhuǎn)移阻抗ZT。因此，導(dǎo)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(duì)于機(jī)箱的泄漏，要用近場(chǎng)探頭進(jìn)行探測(cè)。近場(chǎng)探頭可以看成是很小的環(huán)形天線。由于它很小，因此靈敏度很低，僅能對(duì)近場(chǎng)的輻射源進(jìn)行探測(cè)。這樣有利于對(duì)輻射源進(jìn)行精確定位。由于近場(chǎng)探頭的靈敏度較低，因此在使用時(shí)要與前置放大器配套使用。

3.2 　用電流卡鉗檢測(cè)共模電流

設(shè)備產(chǎn)生輻射的主要原因之一是電纜上有共模電流。因此當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)有超標(biāo)發(fā)射時(shí)，首先應(yīng)該懷疑的就是設(shè)備上外拖的各種電纜。這些電纜包括電源線電纜和設(shè)備之間的互連電纜。

將電流探頭卡在電纜上，這時(shí)由于探頭同時(shí)卡住了信號(hào)線和回流線，因此差模電流不會(huì)感應(yīng)出電壓，儀器上讀出的電壓僅代表共模電流。

測(cè)量共模電流時(shí)，最好在屏蔽室中進(jìn)行。如果不在屏蔽室中，周?chē)h(huán)境中的電磁場(chǎng)會(huì)在電纜上感應(yīng)出電流，造成誤判斷。因此應(yīng)首先將設(shè)備的電源斷開(kāi)，在設(shè)備沒(méi)有加電的狀態(tài)下測(cè)量電纜上的背景電流，并記錄下來(lái)，以便與設(shè)備加電后測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較，排除背景的影響。

如果在用天線進(jìn)行測(cè)量時(shí)將頻譜分析儀的掃描頻率局限感興趣的頻率周?chē)苄〉姆秶鷥?nèi)，則可以排除環(huán)境中的干擾。

3.3 　用近場(chǎng)探頭檢測(cè)機(jī)箱的泄漏

如果設(shè)備上外拖電纜上沒(méi)有較強(qiáng)的共模電流，就要檢查設(shè)備機(jī)箱上是否有電磁泄漏。檢查機(jī)箱泄漏的工具是近場(chǎng)探頭。將近場(chǎng)探頭靠近機(jī)箱上的接縫和開(kāi)口處，觀察頻譜分析儀上是否有感興趣的信號(hào)出現(xiàn)。一般由于探頭的靈敏度較低，即使用了放大器，很弱的信號(hào)在探頭中感應(yīng)的電壓也很低，因此在測(cè)量時(shí)要將頻譜分析儀的靈敏度調(diào)得盡量高。根據(jù)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(dāng)分辨帶寬很窄時(shí)，掃描時(shí)間會(huì)變得很長(zhǎng)。為了縮短掃描時(shí)間，提高檢測(cè)效率，應(yīng)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(chǎng)探頭檢測(cè)機(jī)箱泄漏時(shí)，都是首先用天線測(cè)出泄漏信號(hào)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(gè)干擾頻率。這樣做的另一個(gè)好處是不會(huì)將背景干擾誤判為泄漏信號(hào)。

對(duì)于機(jī)箱而言，靠近濾波器安裝位置的縫隙是最容易產(chǎn)生電磁泄漏的。因?yàn)闉V波器將信號(hào)線上的干擾信號(hào)旁路到機(jī)箱上，在機(jī)箱上形成較強(qiáng)的干擾電流，這些電流流過(guò)縫隙時(shí)，就會(huì)在縫隙處產(chǎn)生電磁泄漏。

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