使用最新一代示波器進(jìn)行EMI調(diào)試應(yīng)用指南
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(shí)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(jì)人員投入了大量的時(shí)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(cè)試或預(yù)一致性測(cè)試確定超限條件后。
許多公司采用專門的測(cè)試機(jī)構(gòu)服務(wù)，來執(zhí)行EMI/EMC 認(rèn)證要求的實(shí)際一致性測(cè)試。測(cè)試機(jī)構(gòu)可能屬于一家外部公司 (“測(cè)試機(jī)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(jì)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(jì)和原型階段執(zhí)行“預(yù)一致性測(cè)試”測(cè)量，也就是在產(chǎn)品發(fā)出進(jìn)行一致性前，以識(shí)別和解決潛在的 EMI/EMC 問題。這些技術(shù)減少了產(chǎn)品在測(cè)試機(jī)構(gòu)不能通過最終全面一致性測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)。
市場(chǎng)上有各種測(cè)試儀器調(diào)試技術(shù)，可以有效地找出影響一致性測(cè)試結(jié)果的輻射來源。在許多情況下，擁有時(shí)間相關(guān)RF測(cè)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(shí)時(shí)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(cè)試會(huì)怎么樣？
即使在采用了良好設(shè)計(jì)，選擇了優(yōu)質(zhì)元件，花時(shí)間認(rèn)真表征產(chǎn)品之后，仍可能會(huì)出現(xiàn) EMI 問題！圖 1 表明有一個(gè)峰值超出了這一特定標(biāo)準(zhǔn)的極限。正常情況下，我們?cè)趫?bào)告中還將獲得表格方式的信息 ( 圖 2)。
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(wú)法令人相信其是精確的來源頻率。
理解 EMI 報(bào)告
乍一看，下面這樣的 EMI 報(bào)告似乎提供了與某個(gè)頻率上的問題有關(guān)的簡(jiǎn)明信息。確定設(shè)計(jì)的哪個(gè)部分在該源頻率上運(yùn)行，然后應(yīng)用一些衰減以通過測(cè)試，這應(yīng)該是一件簡(jiǎn)單的事。在篩選設(shè)計(jì)，努力確定問題來源之前，必須了解測(cè)試機(jī)構(gòu)怎樣生成這份報(bào)告。
圖 1 和圖 2 中的報(bào)告顯示了測(cè)試頻率、測(cè)得幅度、校準(zhǔn)后的校正系數(shù)及調(diào)節(jié)后的場(chǎng)強(qiáng)。調(diào)節(jié)后的場(chǎng)強(qiáng)與規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，確定裕量或超出量。盡管報(bào)告中明確給出許多測(cè)試條件，但要考慮的某些重要事項(xiàng)可能還不是太明顯。
頻率范圍和測(cè)試點(diǎn)數(shù)：測(cè)試報(bào)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(cè)試點(diǎn)數(shù)可以幫助確定一致性測(cè)試頻率可能是 EMI 源實(shí)際頻率的接近程度。據(jù)國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì) (CISPR)，在執(zhí)行放射輻射測(cè)試時(shí)，必須根據(jù)頻率范圍，使用不同的測(cè)試方法。每個(gè)范圍都要求具體的解析帶寬濾波器和檢測(cè)器類型，如表 1 所示。
頻率范圍決定著濾波器帶寬，進(jìn)而決定著解析關(guān)心的具體頻率的能力。
檢測(cè)器類型：一般來說，測(cè)試機(jī)構(gòu)要先完成峰值檢測(cè)，因?yàn)橥瓿蛇@項(xiàng)測(cè)試所需的時(shí)間最少。由于檢測(cè)器的特點(diǎn) ( 參見側(cè)欄“常見的峰值檢測(cè)類型”)，完成準(zhǔn)峰值(QP) 掃描所需的時(shí)間要多得多。準(zhǔn)峰值檢測(cè)采用測(cè)量加權(quán)，把更多的重點(diǎn)放在從廣義角度被理解為更“討厭”的信號(hào)上，因此檢測(cè)器類型可能會(huì)掩蓋輻射信號(hào)的絕對(duì)幅度。
方位角 / 距離：在執(zhí)行掃描時(shí)，被測(cè)器件 (UUT) 可以放在轉(zhuǎn)桌上，從而可以從多個(gè)角度收集信息。這個(gè)方位角信息相當(dāng)有用，因?yàn)樗砻鲉栴}來自 UUT 的哪個(gè)區(qū)域。
EMI/EMC測(cè)試機(jī)構(gòu)將在經(jīng)過校準(zhǔn)的RF艙中進(jìn)行測(cè)量，作為場(chǎng)強(qiáng)指標(biāo)報(bào)告測(cè)量結(jié)果，這使情況進(jìn)一步復(fù)雜化。幸運(yùn)的是，您不需要一模一樣地復(fù)制測(cè)試機(jī)構(gòu)的情況，就能調(diào)試 EMI 測(cè)試失敗。在調(diào)試時(shí)，并不用使用高度受控的 EMI 測(cè)試機(jī)構(gòu)中執(zhí)行的絕對(duì)測(cè)量，而是可以使用測(cè)試報(bào)告中的信息，很好地了解生成報(bào)告使用的測(cè)量技術(shù)，在 UUT 周圍進(jìn)行相對(duì)觀察，隔離輻射源，衡量補(bǔ)救效果。
常見的峰值檢測(cè)類型
可以使用簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)器進(jìn)行 EMI 測(cè)量。但 EMI部門或外部測(cè)試機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，來使用準(zhǔn)峰值 (QP) 檢測(cè)器，因此您可能會(huì)想是否也需要準(zhǔn)峰值檢測(cè)器。
EMI 部門或外部實(shí)驗(yàn)室在開始測(cè)試時(shí)，一般先使用簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)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(duì)接近或超過極限的信號(hào)，他們會(huì)執(zhí)行準(zhǔn)峰值測(cè)量。準(zhǔn)峰值檢測(cè)器是 EMI 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一種專用檢測(cè)方法。它檢測(cè)信號(hào)包絡(luò)的加權(quán)峰值 ( 準(zhǔn)峰值 )。它根據(jù)信號(hào)峰值電平、持續(xù)時(shí)間和重復(fù)速率，來確定信號(hào)權(quán)重。信號(hào)發(fā)生頻率越高，與發(fā)生頻次低的脈沖相比，準(zhǔn)峰值測(cè)量權(quán)重越高。使用準(zhǔn)峰值檢測(cè)器的缺點(diǎn)在于，它要求外部駐留時(shí)間，因此要求的時(shí)間明顯要高于峰值檢測(cè)器。正因如此，設(shè)計(jì)人員最經(jīng)常的重點(diǎn)是準(zhǔn)峰值檢測(cè)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(hào)發(fā)生器的一個(gè)恒定幅度的連續(xù)波 (CW) 信號(hào)。由于信號(hào)是連續(xù)的，持續(xù)時(shí)間和重復(fù)速率或信號(hào)不相關(guān)，但結(jié)果相同。在實(shí)踐中，峰值掃描可以顯示極限附近一個(gè)點(diǎn)，但準(zhǔn)峰值掃描可能會(huì)由于持續(xù)時(shí)間短或信號(hào)稀少而產(chǎn)生低于極限的結(jié)果。
圖 3. 連續(xù)波 (CW) 信號(hào)峰值檢測(cè)和準(zhǔn)峰值檢測(cè)對(duì)比，包括圖形格式和表格格式。圖形使用 EMCVu 預(yù)一致性測(cè)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(cè)，而永遠(yuǎn)不會(huì)大于峰值檢測(cè)。因此為了節(jié)省時(shí)間，EMI 調(diào)試和診斷中可以使用峰值檢測(cè)。您不必準(zhǔn)確到 EMI 部門或?qū)嶒?yàn)室掃描的水平，因?yàn)橐磺卸际窍鄬?duì)的。如果實(shí)驗(yàn)室報(bào)告顯示設(shè)計(jì)高出 3 dB，峰值檢測(cè)高出 6 dB，那么就應(yīng)該進(jìn)行修復(fù)，把信號(hào)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(duì)性調(diào)試，其中采用了峰值檢測(cè)器。對(duì)預(yù)一致性測(cè)試掃描，RSA306B、RSA500、RSA600 和 RSA5000 實(shí)時(shí)頻譜分析儀及 EMCVu EMC 預(yù)一致性測(cè)試軟件支持使用準(zhǔn)峰值檢測(cè)器進(jìn)行 CISPR 或 FCC 放射輻射和傳導(dǎo)輻射掃描，同時(shí)也支持峰值檢測(cè)器。如需進(jìn)一步信息，請(qǐng)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(shí)，整個(gè)設(shè)計(jì)都可以視為一個(gè)能量來源和天線的集合。為識(shí)別EMI問題來源，我們必須先確定能量來源，然后找出這個(gè)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(hào)回路不足
●?LCD 輻射
●?元器件寄生信號(hào)
●?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(gè)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(huì)使用近場(chǎng)探頭。在使用這類探頭時(shí)，我們必須記住信號(hào)傳播的基礎(chǔ)知識(shí)。
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(hào)的周期性和一致性。
周期性：
●?信號(hào)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(cè)這些信號(hào)特點(diǎn)。
一致性：
●?UUT 上哪個(gè)信號(hào)與 EMI 事件一致 ?
業(yè)內(nèi)通常使用示波器探測(cè) UUT 上的電信號(hào)。
考察 EMI 問題與電氣事件的一致性，無(wú)疑是 EMI 診斷中耗時(shí)最長(zhǎng)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(tái)儀器來進(jìn)行 EMI 調(diào)試。
近場(chǎng)測(cè)量與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量
圖 4 顯示了近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的行為，以及兩者之間的過渡區(qū)。我們可以看到，在近場(chǎng)區(qū)域，場(chǎng)可以從以磁場(chǎng)為主變成以電場(chǎng)為主。近場(chǎng)測(cè)量用于調(diào)試，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S設(shè)計(jì)人員確定能量來源，無(wú)需專門的測(cè)試站就可以執(zhí)行。在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量中，磁場(chǎng)與電場(chǎng)之比基本上是恒定不變的。
圖 4. 距信號(hào)源的距離，其中近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)的區(qū)域變化與信號(hào)波長(zhǎng)成正比 ( 與頻率成反比 )。
圖 5. 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量不僅依賴近場(chǎng)中能夠觀察到的活動(dòng)，還依賴其他因素，如信號(hào)源、天線增益和測(cè)試條件。
但是，一致性測(cè)試是在遠(yuǎn)場(chǎng)中執(zhí)行的，從近場(chǎng)測(cè)量中預(yù)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)能量水平可能會(huì)很復(fù)雜。這是因?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度不僅取決于信號(hào)源的強(qiáng)度，還取決于放射機(jī)制及可能采用的任何屏蔽或?yàn)V波。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們要記住，如果我們能在遠(yuǎn)場(chǎng)中觀察到一個(gè)信號(hào)，那么我們應(yīng)該能夠在近場(chǎng)中看到相同的信號(hào)。然而，我們可能會(huì)在近場(chǎng)中觀察到一個(gè)信號(hào)，但在遠(yuǎn)場(chǎng)中卻看不到這個(gè)信號(hào)。
近場(chǎng)探測(cè)
盡管一致性測(cè)試程序旨在生成絕對(duì)的經(jīng)過校準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，但調(diào)試大部分是可以使用相對(duì)測(cè)量來執(zhí)行的。
近場(chǎng)探頭本質(zhì)上是天線，旨在撿拾磁場(chǎng) (H Field) 或電場(chǎng) (E Field) 變化。一般來說，近場(chǎng)探頭不會(huì)帶有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，因?yàn)槠漤憫?yīng)與探頭到 UUT 和信號(hào)源的距離和方向高度相關(guān)，所以其本意是進(jìn)行相對(duì)測(cè)量。
磁場(chǎng)探頭
磁場(chǎng)探頭采用不同的環(huán)路設(shè)計(jì)，環(huán)路平面應(yīng)與電流流動(dòng)方向成一直線，這樣環(huán)路就會(huì)與通量的磁場(chǎng)線相交。這樣，在搜索輻射時(shí)，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(cè)量區(qū)域，因此在使用這些探頭類型隔離能量來源時(shí)必須注意。近場(chǎng)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(cè)量區(qū)域。磁場(chǎng)探頭都非常擅長(zhǎng)識(shí)別電流相對(duì)較高的來源，如：
●?低阻抗節(jié)點(diǎn)和電路
●?傳輸線
●?電源
●?端接的導(dǎo)線和電纜
圖 7. 使磁場(chǎng)探頭與電流流動(dòng)方向成一直線，令磁場(chǎng)線穿過環(huán)路。
電場(chǎng)探頭
電場(chǎng)探頭作為小型單極天線，對(duì)電場(chǎng)或電壓變化作出響應(yīng)。在使用這類探頭時(shí)，必需讓探頭與測(cè)量平面保持垂直。在實(shí)踐中，電場(chǎng)探頭特別適合集中在特別小的區(qū)域，確定電壓相對(duì)較高的來源及沒有端接的來源，如：
●?高阻抗節(jié)點(diǎn)和電路
●?未端接的 PCB 軌跡
●?電纜
圖 9. 令電場(chǎng)探頭與導(dǎo)體垂直，以觀察電場(chǎng)。
在低頻率上，系統(tǒng)中的電路節(jié)點(diǎn)阻抗可能變化很大，因此要求了解電路或?qū)嶒?yàn)，確定磁場(chǎng)探頭或電場(chǎng)探頭是否會(huì)提供最高的靈敏度。在較高頻率上，這些差異會(huì)很大。不管是哪種情況，進(jìn)行重復(fù)的相對(duì)測(cè)量都具有重要意義，這樣您才能相信準(zhǔn)確表示了實(shí)施的任何變化導(dǎo)致的近場(chǎng)輻射結(jié)果。最重要的考慮因素是，對(duì)于每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)變化，近場(chǎng)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(hào)特點(diǎn)、數(shù)字定時(shí)、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(cè)量挑戰(zhàn)，包括：
泰克 MDO4000 系列提供了類似的功能，但由于有一個(gè)專用頻譜分析儀輸入，所以增加了頻率范圍和動(dòng)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(gè)內(nèi)置頻譜分析儀，可以用于 RF 分析，但不能同時(shí)采集或查看頻率頻譜和時(shí)域波形。
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(dú)立控制功能，同時(shí)查看波形和頻譜
案例分析：確定信號(hào)特點(diǎn)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(duì)一種小型微控制器進(jìn)行 EMI 掃描時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)超限問題，140 MHz 中心周圍似乎有一個(gè)寬帶信號(hào)。我們使用 6 系列 MSO 上的 Spectrum View( 圖 12)，把一只磁場(chǎng)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(cè)試設(shè)置在混合信號(hào)示波器上把模擬電壓相對(duì)于時(shí)間關(guān)系波形與獨(dú)立可調(diào)節(jié)的頻譜分析軌跡結(jié)合在一起。
確定磁場(chǎng)探頭的方向很重要，環(huán)路平面要與被評(píng)估的導(dǎo)體成一直線，這樣環(huán)路的位置可令通量的磁場(chǎng)線穿過通量。圍著 PCB 移動(dòng)磁場(chǎng)探頭，可以確定能量來源的范圍。選擇一個(gè)孔徑更窄的探頭，就可以把搜索重點(diǎn)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(duì)于時(shí)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(hào)的積分功率相對(duì)于時(shí)間關(guān)系。在圖13 中，可以清楚地看到一個(gè)大的重復(fù)脈沖。在采集的記錄長(zhǎng)度中移動(dòng)頻譜時(shí)間，現(xiàn)在可以看到EMI事件(即以 140 MHz 為中心的寬帶信號(hào) ) 與大脈沖直接對(duì)應(yīng)。為測(cè)量脈沖重復(fù)周期，可以啟用測(cè)量標(biāo)記，直接確定周期。這時(shí)，通過 Spectrum View，可以簡(jiǎn)便地觀察瞬態(tài)輻射的持續(xù)時(shí)間和重復(fù)間隔。這些信息可能已經(jīng)足以幫助設(shè)計(jì)人員確定原因，但我們還可以把這項(xiàng)調(diào)試工作再推進(jìn)一步。
圖 13. 中心軌跡是來自磁場(chǎng)探頭的時(shí)域波形。頻譜視圖 ( 頂部 ) 提供了與波形 ( 橙色圈中 ) 下面藍(lán)色塊指明的頻譜時(shí)間對(duì)應(yīng)的頻率成分。RF 幅度相對(duì)于時(shí)間關(guān)系軌跡 ( 底部 ) 顯示了一個(gè)重復(fù)的 RF 突發(fā)。
為積極識(shí)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(hào)源。
在使用示波器探頭瀏覽信號(hào)一會(huì)兒后，我們找出了圖 14中的信號(hào)。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(hào)可以與 EMI 事件直接關(guān)聯(lián)。這時(shí)，通過使用 4/5/6 系列 MSO 中的 RF 相對(duì)于時(shí)間觸發(fā)功能，在確認(rèn)存在一致的通道 1 信號(hào)行為后在 RF 相對(duì)于幅度通道上建立觸發(fā)，可以在更長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)在實(shí)時(shí)采集中迅速確認(rèn)輻射源特點(diǎn)。( 圖 15)
總結(jié)
未能通過 EMI 一致性測(cè)試可能會(huì)使產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間表陷入險(xiǎn)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(bǔ)救計(jì)劃。高效調(diào)試要求了解一致性測(cè)試報(bào)告及一致性測(cè)試和調(diào)試怎樣采用不同的測(cè)量技術(shù)。一般來說，它需要查找相對(duì)較高的電磁場(chǎng)，確定其特點(diǎn)，把場(chǎng)行為與電路行為關(guān)聯(lián)起來，確定輻射來源。
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