淺析頻譜分析儀和EMI接收機(jī)

隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，帶來(lái)了很大的便利，但同時(shí)也帶來(lái)了不容忽視的電磁干擾(EMI)問(wèn)題，這就要求必須對(duì)EMI特性進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，這對(duì)提高電力電子裝置的電磁兼容性(EMC)具有重要意義。近幾年，在整個(gè)電磁兼容測(cè)量技術(shù)及所屬服務(wù)領(lǐng)域不斷出現(xiàn)許多新的測(cè)試儀器和測(cè)試方法，最基本且有效的測(cè)試設(shè)備還是頻譜分析儀和EMI接收機(jī)。

1 頻譜分析儀
    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?br />    (1)最關(guān)鍵的是動(dòng)態(tài)范圍，干擾頻譜不同分量的差別有5個(gè)量級(jí)以上，需要100 dB以上的動(dòng)態(tài)范圍；而八位的示波器僅有40 dB左右的動(dòng)態(tài)范圍，不能滿(mǎn)足電磁干擾的測(cè)量要求。
    (2)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，而示波器顯示出的是時(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。
    (3)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)，用示波器無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。
    (4)示波器的靈敏度在毫伏級(jí)，而由天線接收到的電磁干擾的幅度通常為微伏級(jí)，因此示波器不能滿(mǎn)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(chēng)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，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)，它的原理圖如圖1所示。

 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輸入信號(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)間輸出的頻率是不同的。當(dāng)本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。
    (1)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。在頻率分辨率一定的情況下，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：startfrequency=l MHz，stop frequency=ll MHz。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=6 MHz，span=10 MHz。這兩種設(shè)置的結(jié)果是一樣的。
    (2)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3 dB(或者6 dB)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)生變化。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(chēng)為寬帶信號(hào)，信號(hào)帶寬小于中頻帶寬的信號(hào)稱(chēng)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)能夠有效地鑒別干擾源。
    (3)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，頻譜儀的中頻濾波器不能夠充分響應(yīng)，結(jié)果幅度和頻率的顯示值變?yōu)椴徽_。
    (4)視頻帶寬
    視頻帶寬至少與分辨帶寬相同，最好為分辨帶寬的3至5倍。視頻帶寬反映的是測(cè)量接收機(jī)中位于包絡(luò)檢波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的視頻放大器的帶寬。改變視頻帶寬的設(shè)置，可以減小噪聲峰一峰值的變化量，提高較低信噪比信號(hào)測(cè)量的分辨率和復(fù)現(xiàn)率，易于發(fā)現(xiàn)隱藏在噪聲中的小信號(hào)。
1．3 頻譜儀的種類(lèi)
    頻譜儀通常可以分為常規(guī)掃頻分析儀和實(shí)時(shí)頻譜分析儀，通過(guò)比較可以知道實(shí)時(shí)頻譜分析儀適用性更強(qiáng)。
    (1)常規(guī)掃頻分析儀
    圖2是常規(guī)掃頻分析儀的框圖。此例涉及兩個(gè)RF輸入信號(hào)。RF信號(hào)通過(guò)掃描定位振蕩器被轉(zhuǎn)化為IF(中間頻率)。IF輸出通過(guò)帶通濾波器，此處頻譜分析儀分辨率被定義。

濾波器由Fstart掃至Fstop，見(jiàn)圖3。此時(shí)僅觀察到濾波器帶寬內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)的信號(hào)。信號(hào)A首先被探測(cè)和顯示，然后是信號(hào)B(間歇信號(hào)，如突發(fā)現(xiàn)象一般不會(huì)被探測(cè)到，除非在濾波器掃過(guò)時(shí)，在某一準(zhǔn)確時(shí)間出現(xiàn))。

 (2)實(shí)時(shí)頻譜分析儀
    實(shí)時(shí)頻譜分析儀是由一系列帶通濾波器組成，如下圖4所示。信號(hào)通過(guò)這些濾波器觀察和連續(xù)紀(jì)錄。信號(hào)A和B同時(shí)采集和顯示，如圖5。

2 EMI接收機(jī)
    由電力電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁發(fā)射通常是寬帶、連續(xù)的，其頻率范圍從工頻到幾十兆赫。通常傳導(dǎo)EMI應(yīng)在這一頻率范圍被測(cè)量。由于許多國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)只在O．15 MHz～30 MHz的頻率范圍內(nèi)確定傳導(dǎo)發(fā)射，傳導(dǎo)EMI的測(cè)量也僅僅在這一范圍內(nèi)討論信號(hào)的測(cè)量方法。
    在O．15 MHz～30 MHz頻率乃至低至10 kHz范圍內(nèi)的EMI分量，由EMI接受裝置測(cè)量。EMI接收機(jī)測(cè)得的是一個(gè)被測(cè)設(shè)備的輸出電壓。實(shí)質(zhì)上EMI接收機(jī)是可調(diào)諧的、有頻率選擇的、具有精密的振幅響應(yīng)的電壓計(jì)，如圖6所示。

各部分功能如下：
    (1)傳感器。可由電壓探頭、電流探頭、各類(lèi)天線等部件組成。根據(jù)測(cè)量的目的，選用不同部件來(lái)提取信號(hào)。
    (2)輸入衰減器?？蓪⑼獠窟M(jìn)來(lái)的過(guò)大信號(hào)或干擾電平給予衰減，調(diào)節(jié)衰減量高低，保證測(cè)量接收機(jī)輸入的電平在測(cè)量接收機(jī)可測(cè)范圍之內(nèi)，同時(shí)也可避免過(guò)電壓或過(guò)電流造成測(cè)量接收機(jī)損壞。
    (3)校準(zhǔn)信號(hào)源。與普通接收機(jī)相區(qū)別，測(cè)量接收機(jī)本身提供內(nèi)部校準(zhǔn)信號(hào)源，可隨時(shí)對(duì)測(cè)量接收機(jī)的增益加以自我校準(zhǔn)，以保證測(cè)量值的準(zhǔn)確。
    (4)射頻放大器。利用選頻放大原理，僅選擇所需的測(cè)量信號(hào)進(jìn)入下級(jí)電路，而外來(lái)的各種雜散信號(hào)(包括鏡像頻率信號(hào)、中頻率信號(hào)、交調(diào)諧波信號(hào)等)均排除在外。
    (5)混頻器。將來(lái)自射頻放大器的射頻信號(hào)和來(lái)自本機(jī)振蕩器的信號(hào)合成產(chǎn)生一個(gè)差頻信號(hào)輸入到中頻放大級(jí)，由于差頻信號(hào)的頻率遠(yuǎn)低于射頻信號(hào)頻率，使得中頻放大級(jí)增益得以提高。
    (6)本機(jī)振蕩器。提供一個(gè)頻率穩(wěn)定的高頻振蕩信號(hào)。
    (7)中頻放大器。由于中頻放大器的調(diào)諧電路可提供嚴(yán)格的頻率帶寬，又能獲得較高的增益，因此保證接收機(jī)的總選擇性和整機(jī)靈敏度。
    (8)檢波器。測(cè)量接收機(jī)的檢波方式與普通接收機(jī)的檢波方式有著重大差異。測(cè)量接收機(jī)除可接收正弦波信號(hào)外，更常用于測(cè)量脈沖騷擾電平，因此測(cè)量接收機(jī)除了通常具有的平均值檢波功能外還增加了峰值檢波和準(zhǔn)峰值檢波功能。

3 頻譜儀和接收機(jī)原理差異
    頻譜分析儀是當(dāng)前頻譜分析的主要工具，尤其是掃頻外差式頻譜分析儀是當(dāng)今頻譜儀的主流，應(yīng)用掃頻測(cè)量技術(shù)，通過(guò)掃頻信號(hào)源得到外差信號(hào)進(jìn)行頻域動(dòng)態(tài)分析。接收機(jī)是進(jìn)行EMC測(cè)試的主要工具，以點(diǎn)頻法為基礎(chǔ)，應(yīng)用本振調(diào)諧的原理測(cè)試相應(yīng)頻點(diǎn)的電平值。接收機(jī)的掃描模式應(yīng)當(dāng)是以步進(jìn)點(diǎn)頻調(diào)諧的方式得到的。
3．1 基本原理圖
    根據(jù)工作原理，頻譜分析儀和接收機(jī)可分為模擬式和數(shù)，字式兩大類(lèi)。外差式分析是當(dāng)前使用最為廣泛的接收和分析方法。下面就外差式頻譜分析儀與接收機(jī)之間的主要差別作一分析。
    原理圖如7所示，頻譜儀與接收機(jī)類(lèi)似，但是頻譜儀與接收機(jī)在以下幾方面差別較大：前端預(yù)選器、本振信號(hào)掃描、中頻濾波器、測(cè)量精度。

3．2 輸入RF信號(hào)的前端處理
    接收機(jī)與頻譜儀在輸入端對(duì)信號(hào)進(jìn)行的處理是不同的。頻譜儀的信號(hào)輸入端通常是較為簡(jiǎn)單的低通濾波器，而接收機(jī)要采用對(duì)寬帶信號(hào)有較強(qiáng)的抗擾能力的預(yù)選器。通常包括一組固定帶通濾波器和一組跟蹤濾波器，完成對(duì)信號(hào)的預(yù)選。由于RF信號(hào)的諧波、交調(diào)和其它雜散信號(hào)的影響，造成頻譜儀和接收機(jī)測(cè)試誤差。相對(duì)于頻譜儀而言，接收機(jī)需要更高的精度，故在接收機(jī)的前端比普通頻譜儀多出一個(gè)預(yù)選器，提高選擇性。接收機(jī)的選擇性在GB／T6113(CISPRl6)中有明確規(guī)定。
3．3 本振信號(hào)的調(diào)節(jié)
    現(xiàn)在的EMC測(cè)量，人們不止要求能手動(dòng)調(diào)諧搜索頻率點(diǎn)，也需要快速直觀觀察EUT(Equipment under test一被測(cè)設(shè)備)的頻率電平特性。這就是要求本振信號(hào)既能測(cè)試規(guī)定的頻率點(diǎn)，也能夠在一定頻率范圍掃描。
    頻譜儀是通過(guò)掃頻信號(hào)源實(shí)現(xiàn)掃頻測(cè)量的。通常通過(guò)斜波或鋸齒波信號(hào)控制掃頻信號(hào)源，在預(yù)設(shè)的頻率跨度內(nèi)掃描，獲得期望的混頻輸出信號(hào)。接收機(jī)的頻率掃描是步進(jìn)的，離散的，是離散的點(diǎn)頻測(cè)試。接收機(jī)按照操作者預(yù)先設(shè)定的頻率間隔，通過(guò)處理器的控制，在每一個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行電平測(cè)量，顯示的測(cè)試結(jié)果曲線實(shí)際是單個(gè)點(diǎn)頻測(cè)試的結(jié)果。
3．4 中頻濾波器
    頻譜儀和接收機(jī)的中頻濾波器的帶寬是不同的。通常定義頻譜儀分辨率帶寬是幅頻特性的3 dB帶寬，而接收機(jī)的中頻帶寬是幅頻特性的6 dB帶寬。當(dāng)頻譜儀與接收機(jī)設(shè)定相同級(jí)別的帶寬時(shí)，它們對(duì)信號(hào)的實(shí)際測(cè)試值是不同的。具體的表示如圖8和圖9所示。

從頻譜儀和接收機(jī)中頻濾波器的幅頻特性可以看出，當(dāng)頻譜儀3 dB帶寬BW與接收機(jī)6 dB帶寬BW值設(shè)為一樣時(shí)，實(shí)際通過(guò)兩種濾波器的信號(hào)幅頻特性是不一樣的。依據(jù)EMC標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論是民用還是軍用標(biāo)準(zhǔn)，帶寬均應(yīng)為6 dB。
3．5 檢波器
    依據(jù)EMC標(biāo)準(zhǔn)，要求測(cè)試接收機(jī)帶有峰值、準(zhǔn)峰值和平均值檢波器，通用頻譜分析儀一般帶有峰值和平均值檢波器，沒(méi)有準(zhǔn)峰值檢波器。
3．6 精度
    從接收機(jī)對(duì)信號(hào)的處理方式以及EMC測(cè)試要求看，接收機(jī)要比頻譜儀有更高的精度，更低的亂真響應(yīng)。