電磁干擾與電磁兼容的測量和判斷方法

當(dāng)你的產(chǎn)品由于電磁干擾發(fā)射強(qiáng)度超過電磁兼容標(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題。要解決電磁干擾問題，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)電磁干擾測量和判斷干擾發(fā)生源的的方法。

１．測量儀器

談到測量電信號，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量與診斷的理想工具。這是因?yàn)?/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。因此測試得到的結(jié)果無法直接與標(biāo)準(zhǔn)比較。為了將測試結(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.　電磁干擾相對于電路的工作信號往往都是較小的，并且電磁干擾的頻率往往比信號高，而當(dāng)一些幅度較低的高頻信號疊加在一個(gè)幅度較大的低頻信號時(shí)，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干擾的幅度通常為V級，因此示波器不能滿足靈敏度的要求。

測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量電磁干擾中的缺點(diǎn)，它能夠精確測量各個(gè)頻率上的干擾強(qiáng)度。

對于電磁干擾問題的分析而言，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號的各個(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?；祛l器將天線上接收到的信號與本振產(chǎn)生的信號混頻，當(dāng)混頻的頻率等于中頻時(shí)，AZ這個(gè)信號可以通過中頻放大器，被放大后，進(jìn)行峰值檢波。檢波后的信號被視頻放大器進(jìn)行放大，然后顯示出來。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信號在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號的幅度記錄下來，就得到了被測信號的頻譜。

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

1.2 　頻譜分析儀的使用方法

要獲得正確的測量結(jié)果，必須正確地操作頻譜分析儀。本節(jié)簡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。通過調(diào)整掃描頻率范圍，可以對感興趣的頻率進(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，頻譜上各點(diǎn)的測量精度越低，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)，可以通過設(shè)置掃描開始頻率和終止頻率來確定，例如：start frequency = 1MHz, stop frequency = 11MHz。也可以通過設(shè)置掃描中心頻率和頻率范圍來確定，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，以便對頻率相距很近的兩個(gè)信號進(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暎@些噪聲會(huì)將微弱信號淹沒，而使儀器無法觀察微弱信號。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)對微弱信號的檢測能力。
分辨帶寬一般以3dB帶寬來表示。當(dāng)分辨帶寬變化時(shí)，屏幕上顯示的信號幅度可能會(huì)發(fā)變化。若測量信號的帶寬大于通頻帶帶寬，則當(dāng)帶寬增加時(shí)，由于通過中頻放大器的信號總能量增加，顯示幅度會(huì)有所增加。若測量信號的帶寬小于通頻帶寬，如對于單根譜線的信號，則不管分辨帶寬怎樣變化，顯示信號的幅度都不會(huì)發(fā)生變化。信號帶寬超過中頻帶寬的信號稱為寬帶信號，信號帶寬小于中頻帶寬的信號稱為窄帶信號。根據(jù)信號是寬帶信號還是窄帶信號能夠有效地定位干擾源。

掃描時(shí)間：

儀器接收的信號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)間過短，測量到的信號幅度比實(shí)際的信號幅度要小。

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，從而提高儀器對微弱信號的檢測能力。

2．用頻譜分析儀分析干擾的來源

2.1 　根據(jù)干擾信號的頻率確定干擾源

在解決電磁干擾問題時(shí)，最重要的一個(gè)問題是判斷干擾的來源，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)信號的頻率來確定干擾源是最簡單的方法，因?yàn)樵谛盘柕乃刑卣髦?，頻率特征是最穩(wěn)定的，并且電路設(shè)計(jì)人員往往對電路中各個(gè)部位的信號頻率都十分清楚。因此，只要知道了干擾信號的頻率，就能夠推測出干擾是哪個(gè)部位產(chǎn)生的。

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

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

2.2 　根據(jù)干擾信號的帶寬確定干擾源

判斷干擾信號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，VPS如果能夠判斷這個(gè)高強(qiáng)度信號是窄帶信號，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)信號是窄帶信號。

根據(jù)傅立葉變換，單根的譜線所對應(yīng)的信號是周期信號。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電路上。

3．用近場測試方法確定輻射源

除了上述的根據(jù)信號特征判斷干擾源的方法以外，在近場區(qū)查找輻射源可以直接發(fā)現(xiàn)干擾源。在近場區(qū)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(jī)箱縫隙的泄漏要使用近場探頭。

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夠檢測導(dǎo)線上電流的傳感器。當(dāng)電流探頭卡在被測導(dǎo)線上時(shí)，導(dǎo)線相當(dāng)于變壓器的初級，探頭中的線圈相當(dāng)于變壓器的次級。導(dǎo)線上的信號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的頻譜。儀器上讀到的電壓值與導(dǎo)線中的電流值通過傳輸阻抗換算。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。對于一個(gè)具體的探頭，可以從廠家提供的探頭說明書中查到它的轉(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。

對于機(jī)箱的泄漏，要用近場探頭進(jìn)行探測。近場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，僅能對近場的輻射源進(jìn)行探測。這樣有利于對輻射源進(jìn)行精確定位。由于近場探頭的靈敏度較低，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。KEY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，周圍環(huán)境中的電磁場會(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，在設(shè)備沒有加電的狀態(tài)下測量電纜上的背景電流，并記錄下來，以便與設(shè)備加電后測量的結(jié)果進(jìn)行比較，排除背景的影響。

如果在用天線進(jìn)行測量時(shí)將頻譜分析儀的掃描頻率局限感興趣的頻率周圍很小的范圍內(nèi)，則可以排除環(huán)境中的干擾。

3.3 　用近場探頭檢測機(jī)箱的泄漏

如果設(shè)備上外拖電纜上沒有較強(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探頭。將近場探頭靠近機(jī)箱上的接縫和開口處，觀察頻譜分析儀上是否有感興趣的信號出現(xiàn)。一般由于探頭的靈敏度較低，即使用了放大器，很弱的信號在探頭中感應(yīng)的電壓也很低，因此在測量時(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。為了縮短掃描時(shí)間，提高檢測效率，應(yīng)該使頻譜分析儀的掃描頻率范圍盡量小。因此一般在用近場探頭檢測機(jī)箱泄漏時(shí)，都是首先用天線測出泄漏信號的精確頻率，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。
對于機(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波器將信號線上的干擾信號旁路到機(jī)箱上，在機(jī)箱上形成較強(qiáng)的干擾電流，這些電流流過縫隙時(shí)，就會(huì)在縫隙處產(chǎn)生電磁泄漏。

4．容易犯的錯(cuò)誤

當(dāng)設(shè)備不能滿足有關(guān)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就要對設(shè)備產(chǎn)生超標(biāo)發(fā)射的原因進(jìn)行調(diào)查，然后進(jìn)行排除。在這個(gè)過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)許多人經(jīng)過長時(shí)間的努力，仍然沒有排除故障。造成這種情況的原因是診斷工作陷入了“死循環(huán)”。這種情況可以用下面的例子說明。

假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)在測試時(shí)出現(xiàn)了超標(biāo)發(fā)射，使系統(tǒng)不能滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中對電磁輻射的限制。經(jīng)過初步調(diào)查，原因可能有4個(gè)，它們分別是：

主機(jī)與鍵盤之間的互連電纜（電纜1）上的共模電流產(chǎn)生的輻射
主機(jī)與打印機(jī)之間的互連電纜（電纜2）上的共模電流產(chǎn)生的輻射
機(jī)箱面板與機(jī)箱基體之間的縫隙（開口1）產(chǎn)生的泄漏
某顯示窗口（開口2）產(chǎn)生泄漏

在診斷時(shí)，首先在電纜1上套一個(gè)鐵氧體磁環(huán)，以減小共模輻射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)頻譜儀屏幕上顯示的信號并沒有明顯減小。于是試驗(yàn)人員認(rèn)為電纜1不是一個(gè)主要的泄漏源，將鐵氧體磁環(huán)取下，套在電纜2上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)頻譜儀屏幕上顯示的信號還沒有明顯減小。結(jié)果試驗(yàn)人員得出結(jié)論，電纜不是泄漏源。

于是再對機(jī)箱上的泄漏進(jìn)行檢查。用屏蔽膠帶將開口1堵上，發(fā)現(xiàn)頻譜儀屏幕上顯示的信號沒有明顯減小。試驗(yàn)人員認(rèn)為開口1不是主要泄漏源，將屏蔽膠帶取下，堵到開口2上。結(jié)果頻譜儀上的顯示信號還沒有減小。試驗(yàn)人員一籌莫展。之所以會(huì)發(fā)生這個(gè)問題，是因?yàn)樵囼?yàn)人員忽視了頻譜分析儀上顯示的信號幅度是以dB為單位顯示的。下面我們看一下為什么會(huì)有這種現(xiàn)象。

假設(shè)這4個(gè)泄漏源所占的成分各占1/4，并且在每個(gè)輻射源上采取的措施能夠?qū)⑦@個(gè)輻射源完全抑制掉。則我們采取以上4個(gè)措施中的一個(gè)時(shí)，頻譜儀上顯示信號降低的幅度ΔA為：

ΔA = 20 lg ( 4 / 3 ) = 2.5 dB

幅度減小這么少，顯然是微不足道的。但這卻已經(jīng)將泄漏減少了25%。

正確的方法是，當(dāng)對一個(gè)可能的泄漏源采取了抑制措施后，即使沒有明顯的改善，也不要將這個(gè)措施去掉，繼續(xù)對可能的泄漏源采取措施。當(dāng)采取到某個(gè)措施時(shí)，如果干擾幅度降低很多，并不一定說明這個(gè)泄漏源是主要的，而僅說明這個(gè)干擾源是最后一個(gè)。按照這個(gè)步驟對4個(gè)泄漏源逐個(gè)處理的結(jié)果如圖1所示。

在前面的敘述中，我們假定對某個(gè)泄漏源采取措施后，這個(gè)泄漏源被100%消除掉，如果這樣，當(dāng)最后一個(gè)泄漏源去掉后，電磁干擾的減小應(yīng)為無限大。實(shí)際這是不可能的。我們在采取任何一個(gè)措施時(shí)，都不可能將干擾源100%消除。泄漏源去掉的程度可以是99% ，或99.9% ，甚至99.99以上，而決不可能是100% ！所以當(dāng)最后一個(gè)泄漏源去掉后，盡管改善很大，但仍是有限值。

當(dāng)設(shè)備完全符合有關(guān)的規(guī)定后，如果為了降低產(chǎn)品成本，減少不必要的器件，可以將采取的措施逐個(gè)去掉。首先應(yīng)該考慮去掉的是成本較高器件/材料，或在正式產(chǎn)品上難于實(shí)現(xiàn)的措施。如果去掉后，產(chǎn)品的電磁發(fā)射并沒有超標(biāo)，就可以去掉這個(gè)措施。通過試驗(yàn)，使產(chǎn)品成本降到最低。

５．產(chǎn)品電磁兼容測試診斷步驟

電磁兼容測試一般首先測量干擾發(fā)射，因?yàn)楦蓴_發(fā)射的試驗(yàn)費(fèi)用一般比敏感度試驗(yàn)費(fèi)用低。另外當(dāng)設(shè)備的干擾發(fā)射能夠滿足要求時(shí)，往往敏感度也不會(huì)有大的問題。因?yàn)閹缀跛械慕鉀Q干擾發(fā)射的措施同樣對改善敏感度有效。

測量干擾發(fā)射時(shí)要先測量傳導(dǎo)發(fā)射，不僅要在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率范圍內(nèi)測量，還要對更高的頻率進(jìn)行摸底測量。當(dāng)電源線上有較強(qiáng)的干擾電流時(shí)，要先解決這個(gè)問題。因?yàn)檫@些傳導(dǎo)干擾電流會(huì)借助導(dǎo)線的天線作用產(chǎn)生輻射，導(dǎo)致輻射發(fā)射不合格。

當(dāng)傳導(dǎo)發(fā)射完全合格后，再進(jìn)行輻射發(fā)射測試。對于輻射發(fā)射不合格的頻率，要記錄下精確頻率，便于在用近場探頭查找問題時(shí)，將頻譜分析儀的掃描范圍設(shè)置在干擾頻率附近。