電磁幹擾與電磁兼容的測量儀器

當你的産品由于電磁幹擾發(fā)射強度超過(guò)電磁兼容标準規定而不能(néng)出廠時，或當由于電路模塊之間的電磁幹擾，系統不能(néng)正常工作時，我們就(jiù)要解決電磁幹擾的問題。要解決電磁幹擾問題，首先要能(néng)夠“看”到電磁幹擾，了解電磁幹擾的幅度和發(fā)生源。本文要介紹有關電磁幹擾測量和判斷幹擾發(fā)生源的的方法。

１．測量儀器

談到測量電信号，電氣工程師首先想到的可能(néng)就(jiù)是示波器。示波器是一種(zhǒng)將(jiāng)電壓幅度随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(néng)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态。但是示波器并不是電磁幹擾測量與診斷的理想工具。這(zhè)是因爲：

A. 所有電磁兼容标準中的電磁幹擾極限值都(dōu)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标準比較。爲了將(jiāng)測試結果與标準相比較，必須將(jiāng)時域波形變換爲頻域頻譜。

B.　電磁幹擾相對(duì)于電路的工作信号往往都(dōu)是較小的，并且電磁幹擾的頻率往往比信号高，而當一些幅度較低的高頻信号疊加在一個幅度較大的低頻信号時，用示波器是無法進(jìn)行測量。

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

測量電磁幹擾更合适的儀器是頻譜分析儀。頻譜分析儀是一種(zhǒng)將(jiāng)電壓幅度随頻率變化的規律顯示出來的儀器，它顯示的波形稱爲頻譜。頻譜分析儀克服了示波器在測量電磁幹擾中的缺點，它能(néng)夠測量各個頻率上的幹擾強度。

對(duì)于電磁幹擾問題的分析而言，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号的各個頻譜分量。

1.1 頻譜分析儀的原理

頻譜分析儀是一台在頻率範圍内掃描接收的接收機。

頻譜分析儀采用頻率掃描超外差的工作方式。混頻器將(jiāng)天線上接收到的信号與本振産生的信号混頻，當混頻的頻率等于中頻時，AZ這(zhè)個信号可以通過(guò)中頻放大器，被(bèi)放大後(hòu)，進(jìn)行峰值檢波。檢波後(hòu)的信号被(bèi)視頻放大器進(jìn)行放大，然後(hòu)顯示出來。由于本振電路的振蕩頻率随著(zhe)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随著(zhe)時間進(jìn)行掃描時，屏幕上就(jiù)顯示出了被(bèi)測信号在不同頻率上的幅度，將(jiāng)不同頻率上信号的幅度記錄下來，就(jiù)得到了被(bèi)測信号的頻譜。

根據這(zhè)個頻譜，就(jiù)能(néng)夠知道(dào)被(bèi)測設備是否有超過(guò)标準規定的幹擾發(fā)射，或産生幹擾的信号頻率是多少。

1.2 頻譜分析儀的使用方法

要獲得正确的測量結果，必須正确地操作頻譜分析儀。本節簡單介紹頻譜分析儀的使用方法。正确使用頻譜分析儀的關鍵是正确設置頻譜分析儀的各個參數。下面(miàn)解釋頻譜分析儀中主要參數的意義和設置方法。

頻率掃描範圍：

規定了頻譜分析儀掃描頻率的上限和下限。通過(guò)調整掃描頻率範圍，可以對(duì)感興趣的頻率進(jìn)行細緻的觀察。掃描頻率範圍越寬，則掃描一遍所需要時間越長(cháng)，頻譜上各點的測量精度越低，因此，在可能(néng)的情況下，盡量使用較小的頻率範圍。在設置這(zhè)個參數時，可以通過(guò)設置掃描開(kāi)始頻率和終止頻率來确定，例如：start frequency = 1MHz, stop frequency = 11MHz。也可以通過(guò)設置掃描中心頻率和頻率範圍來确定，例如：center frequency = 6MHz, span = 10MHz。這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)設置的結果是一樣(yàng)的。

中頻分辨帶寬：

規定了頻譜分析儀的中頻帶寬，這(zhè)項指标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(liǎng)個目的，一個是提高儀器的選擇性，以便對(duì)頻率相距很近的兩(liǎng)個信号進(jìn)行區别。另一個目的是提高儀器的靈敏度。因爲任何電路都(dōu)有熱噪聲，這(zhè)些噪聲會(huì)將(jiāng)微弱信号淹沒(méi)，而使儀器無法觀察微弱信号。噪聲的幅度與儀器的通頻帶寬成(chéng)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(duì)微弱信号的檢測能(néng)力。
分辨帶寬一般以3dB帶寬來表示。當分辨帶寬變化時，屏幕上顯示的信号幅度可能(néng)會(huì)發(fā)變化。若測量信号的帶寬大于通頻帶帶寬，則當帶寬增加時，由于通過(guò)中頻放大器的信号總能(néng)量增加，顯示幅度會(huì)有所增加。若測量信号的帶寬小于通頻帶寬，如對(duì)于單根譜線的信号，則不管分辨帶寬怎樣(yàng)變化，顯示信号的幅度都(dōu)不會(huì)發(fā)生變化。信号帶寬超過(guò)中頻帶寬的信号稱爲寬帶信号，信号帶寬小于中頻帶寬的信号稱爲窄帶信号。根據信号是寬帶信号還(hái)是窄帶信号能(néng)夠有效地定位幹擾源。

掃描時間：

儀器接收的信号從掃描頻率範圍的zui低端掃描到zui所使用的時間叫(jiào)做掃描時間。掃描時間與掃描頻率範圍是相匹配的。如果掃描時間過(guò)短，測量到的信号幅度比實際的信号幅度要小。

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内噪聲，從而提高儀器對(duì)微弱信号的檢測能(néng)力。

2．用頻譜分析儀分析幹擾的來源

2.1 根據幹擾信号的頻率确定幹擾源

在解決電磁幹擾問題時，zui重要的一個問題是判斷幹擾的來源，隻有準确將(jiāng)幹擾源定位後(hòu)，才能(néng)夠提出解決幹擾的措施。根據信号的頻率來确定幹擾源是zui簡單的方法，因爲在信号的所有特征中，頻率特征是zui穩定的，并且電路設計人員往往對(duì)電路中各個部位的信号頻率都(dōu)十分清楚。因此，隻要知道(dào)了幹擾信号的頻率，就(jiù)能(néng)夠推測出幹擾是哪個部位産生的。

對(duì)于電磁幹擾信号，由于其幅度往往遠小于正常工作信号，因此用示波器很難測量到幹擾信号的頻率。特别是當較小的幹擾信号疊加在較大的工作信号上時，示波器無法與幹擾信号同步，因此不可能(néng)得到準确的幹擾信号頻率。

而用頻譜分析儀做這(zhè)種(zhǒng)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(néng)夠將(jiāng)與幹擾信号頻率不同的信号濾除掉，地測量出幹擾信号頻率，從而判斷産生幹擾信号的電路。

2.2 根據幹擾信号的帶寬确定幹擾源

判斷幹擾信号的帶寬也是判斷幹擾源的有效方法。例如，在一個寬帶源的發(fā)射中可能(néng)存在一個單個信号，VPS如果能(néng)夠判斷這(zhè)個信号是窄帶信号，則它不可能(néng)是從寬帶發(fā)射源産生的。幹擾源可能(néng)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隻有一根譜線時，就(jiù)可以斷定這(zhè)個信号是窄帶信号。

根據傅立葉變換，單根的譜線所對(duì)應的信号是周期信号。因此，當遇到單根譜線時，就(jiù)要將(jiāng)注意力集中到電路中的周期信号電路上。

3．用近場測試方法确定輻射源

除了上述的根據信号特征判斷幹擾源的方法以外，在近場區查找輻射源可以直接發(fā)現幹擾源。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(fā)射源要使用電流卡鉗，檢查機箱縫隙的洩漏要使用近場探頭。

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(néng)夠檢測導線上電流的傳感器。當電流探頭卡在被(bèi)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。導線上的信号電流在電流探頭的線圈上感應出電流，在儀器的輸入端産生電壓。于是頻譜分析儀的屏幕上就(jiù)可以看到幹擾信号的頻譜。儀器上讀到的電壓值與導線中的電流值通過(guò)傳輸阻抗換算。傳輸阻抗定義爲：儀器50? 輸入阻抗上感應的電壓與導線中的電流之比。對(duì)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(dōu)用dB表示，則直接相減。

對(duì)于機箱的洩漏，要用近場探頭進(jìn)行探測。近場探頭可以看成(chéng)是很小的環形天線。由于它很小，因此靈敏度很低，僅能(néng)對(duì)近場的輻射源進(jìn)行探測。這(zhè)樣(yàng)有利于對(duì)輻射源進(jìn)行定位。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

設備産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标發(fā)射時，首先應該懷疑的就(jiù)是設備上外拖的各種(zhǒng)電纜。這(zhè)些電纜包括電源線電纜和設備之間的互連電纜。
將(jiāng)電流探頭卡在電纜上，這(zhè)時由于探頭同時卡住了信号線和回流線，因此差模電流不會(huì)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，zui好(hǎo)在屏蔽室中進(jìn)行。如果不在屏蔽室中，周圍環境中的電磁場會(huì)在電纜上感應出電流，造成(chéng)誤判斷。因此應首先將(jiāng)設備的電源斷開(kāi)，在設備沒(méi)有加電的狀态下測量電纜上的背景電流，并記錄下來，以便與設備加電後(hòu)測量的結果進(jìn)行比較，排除背景的影響。

如果在用天線進(jìn)行測量時將(jiāng)頻譜分析儀的掃描頻率局限感興趣的頻率周圍很小的範圍内，則可以排除環境中的幹擾。

3.3 用近場探頭檢測機箱的洩漏

如果設備上外拖電纜上沒(méi)有較強的共模電流，就(jiù)要檢查設備機箱上是否有電磁洩漏。檢查機箱洩漏的工具是近場探頭。將(jiāng)近場探頭靠近機箱上的接縫和開(kāi)口處，觀察頻譜分析儀上是否有感興趣的信号出現。一般由于探頭的靈敏度較低，即使用了放大器，很弱的信号在探頭中感應的電壓也很低，因此在測量時要將(jiāng)頻譜分析儀的靈敏度調得盡量高。根據前面(miàn)的讨論，減小頻譜分析儀的分辨帶寬能(néng)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(huì)變得很長(cháng)。爲了縮短掃描時間，提高檢測效率，應該使頻譜分析儀的掃描頻率範圍盡量小。因此一般在用近場探頭檢測機箱洩漏時，都(dōu)是首先用天線測出洩漏信号的頻率，然後(hòu)使儀器用盡量小的掃描頻率範圍覆蓋住這(zhè)個幹擾頻率。這(zhè)樣(yàng)做的另一個好(hǎo)處是不會(huì)將(jiāng)背景幹擾誤判爲洩漏信号。
對(duì)于機箱而言，靠近濾波器安裝位置的縫隙是zui容易産生電磁洩漏的。因爲濾波器將(jiāng)信号線上的幹擾信号旁路到機箱上，在機箱上形成(chéng)較強的幹擾電流，這(zhè)些電流流過(guò)縫隙時，就(jiù)會(huì)在縫隙處産生電磁洩漏。

4．容易犯的錯誤

當設備不能(néng)滿足有關的電磁兼容标準時，就(jiù)要對(duì)設備産生超标發(fā)射的原因進(jìn)行調查，然後(hòu)進(jìn)行排除。在這(zhè)個過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現許多人經(jīng)過(guò)長(cháng)時間的努力，仍然沒(méi)有排除故障。造成(chéng)這(zhè)種(zhǒng)情況的原因是診斷工作陷入了“死循環”。這(zhè)種(zhǒng)情況可以用下面(miàn)的例子說明。

假設一個系統在測試時出現了超标發(fā)射，使系統不能(néng)滿足電磁兼容标準中對(duì)電磁輻射的限制。經(jīng)過(guò)初步調查，原因可能(néng)有4個，它們分别是：

主機與鍵盤之間的互連電纜（電纜1）上的共模電流産生的輻射
主機與打印機之間的互連電纜（電纜2）上的共模電流産生的輻射
機箱面(miàn)闆與機箱基體之間的縫隙（開(kāi)口1）産生的洩漏
某顯示窗口（開(kāi)口2）産生洩漏

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(fā)現頻譜儀屏幕上顯示的信号并沒(méi)有明顯減小。于是試驗人員認爲電纜1不是一個主要的洩漏源，將(jiāng)鐵氧體磁環取下，套在電纜2上，結果發(fā)現頻譜儀屏幕上顯示的信号還(hái)沒(méi)有明顯減小。結果試驗人員得出結論，電纜不是洩漏源。

于是再對(duì)機箱上的洩漏進(jìn)行檢查。用屏蔽膠帶將(jiāng)開(kāi)口1堵上，發(fā)現頻譜儀屏幕上顯示的信号沒(méi)有明顯減小。試驗人員認爲開(kāi)口1不是主要洩漏源，將(jiāng)屏蔽膠帶取下，堵到開(kāi)口2上。結果頻譜儀上的顯示信号還(hái)沒(méi)有減小。試驗人員一籌莫展。之所以會(huì)發(fā)生這(zhè)個問題，是因爲試驗人員忽視了頻譜分析儀上顯示的信号幅度是以dB爲單位顯示的。下面(miàn)我們看一下爲什麼(me)會(huì)有這(zhè)種(zhǒng)現象。

假設這(zhè)4個洩漏源所占的成(chéng)分各占1/4，并且在每個輻射源上采取的措施能(néng)夠將(jiāng)這(zhè)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，頻譜儀上顯示信号降低的幅度ΔA爲：

ΔA = 20 lg ( 4 / 3 ) = 2.5 dB

幅度減小這(zhè)麼(me)少，顯然是微不足道(dào)的。但這(zhè)卻已經(jīng)將(jiāng)洩漏減少了25%。

正确的方法是，當對(duì)一個可能(néng)的洩漏源采取了抑制措施後(hòu)，即使沒(méi)有明顯的改善，也不要將(jiāng)這(zhè)個措施去掉，繼續對(duì)可能(néng)的洩漏源采取措施。當采取到某個措施時，如果幹擾幅度降低很多，并不說明這(zhè)個洩漏源是主要的，而僅說明這(zhè)個幹擾源是zui後(hòu)一個。按照這(zhè)個步驟對(duì)4個洩漏源逐個處理的結果如圖1所示。

在前面(miàn)的叙述中，我們假定對(duì)某個洩漏源采取措施後(hòu)，這(zhè)個洩漏源被(bèi)100 %消除掉，如果這(zhè)樣(yàng)，當zui後(hòu)一個洩漏源去掉後(hòu)，電磁幹擾的減小應爲無限大。實際這(zhè)是不可能(néng)的。我們在采取任何一個措施時，都(dōu)不可能(néng)將(jiāng)幹擾源100 %消除。洩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(néng)是全部！所以當zui後(hòu)一個洩漏源去掉後(hòu)，盡管改善很大，但仍是有限值。

當設備完全符合有關的規定後(hòu)，如果爲了降低産品成(chéng)本，減少不必要的器件，可以將(jiāng)采取的措施逐個去掉。首先應該考慮去掉的是成(chéng)本較高器件/材料，或在正式産品上難于實現的措施。如果去掉後(hòu)，産品的電磁發(fā)射并沒(méi)有超标，就(jiù)可以去掉這(zhè)個措施。通過(guò)試驗，使産品成(chéng)本降到zui低。

５．産品電磁兼容測試診斷步驟

電磁兼容測試一般首先測量幹擾發(fā)射，因爲幹擾發(fā)射的試驗費用一般比敏感度試驗費用低。另外當設備的幹擾發(fā)射能(néng)夠滿足要求時，往往敏感度也不會(huì)有大的問題。因爲幾乎所有的解決幹擾發(fā)射的措施同樣(yàng)對(duì)改善敏感度有效。

測量幹擾發(fā)射時要先測量傳導發(fā)射，不僅要在标準規定的頻率範圍内測量，還(hái)要對(duì)更高的頻率進(jìn)行摸底測量。當電源線上有較強的幹擾電流時，要先解決這(zhè)個問題。因爲這(zhè)些傳導幹擾電流會(huì)借助導線的天線作用産生輻射，導緻輻射發(fā)射不合格。

當傳導發(fā)射完全合格後(hòu)，再進(jìn)行輻射發(fā)射測試。對(duì)于輻射發(fā)射不合格的頻率，要記錄下頻率，便于在用近場探頭查找問題時，將(jiāng)頻譜分析儀的掃描範圍設置在幹擾頻率附近。