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EMI测量接收机与频谱分析仪

一、EMC测量接收机:

测量接收机是电磁干扰测量最基本的设备,其频率可从20Hz到40GHz。除谐波电流和电压波动之外,其他的电磁骚扰测试项目都需要使用它。测量接收机是一台具有符合EMC测量特殊要求的频谱分析仪,适用于测量微弱的连续波信号和幅值很强的脉冲信号。基本要求有:噪声小、灵敏度高、动态范围大、过载能力强,在整个测量频段内测量精度能满足±2dB

1.1、EMC测量接收机的工作原理:

EMC测量接收机测量信号时,先将仪器调谐于某个测量频率 ƒi,该频率经高频衰减和高频放大器后进入混频器,与本地振荡器的频率ƒ1混频,产生很多混频信号。经过中频滤波器后中频ƒo=ƒ1-ƒi中频信号经中频衰减器、中频放大器后由包络检波器进行检波,滤去中频得到低频A(t)。对A(t)加权检波,根据需要选择检波器,得到A(t)的峰值、准峰值、有效值、平均值。这些值经放大后在显示屏上显示。

EMC接收机测量的是输入到其端口的信号电压,为测场强或干扰电流需要借助一个换能器,在其转换系数的帮助下,将其测量到的端口电压变换为场强(单位µ V/m、dB V/m)、电流(单位A、dB µA)或功率(单位W、dB µW)。换能器依测量对象不同可以是天线、电流探头、功率吸收钳或电源阻抗稳定网络(ISN&LISN)等。

1.2、EMC测量接收机的原理框图:    

输入衰减器:

可将外部进来的过大信号或干扰电平衰减,调节衰减量大小,保证输入电平在测量可测范围之内,同时也避免过电压或过电流造成测量接收机的损坏。电磁干扰接量接收仪无自动增益控制功能,用宽带衰减器改变量程,它的目的是客观测定和反映其输入信号大小。

预选器:

接收机采用的预选器为带通滤波器,以抑制镜像干扰和互调干扰,改善接收机的信噪比,提高总机灵敏度。

标准信号发生器:

测量接收机本身提供的内部标准信号发生器,它提供一种具有特殊形状的窄脉冲,能保证在干扰仪工作频段内具有均匀的频谱密度。它可随时对接收机的增益进行自校,以保证测量值的精确。

高频放大器:

利用选频放大原理,仅选择需要测量的信号进入下一级电路,而外来的各种杂散信号(镜像频率信号、中频信号、交调谐波信号)均排除在外。

混频器:    

将来自高频放大器的高频信号,和来自本地振荡器的信号合成产生一个差频信号输入给中频放大器,由于差频信号的频率远低于高频信号频率,使中频放大器的增益得以提高。

²中频处理电路(中频滤波器、中频衰减器、中频放大器):

由于中频放大器的调谐电路可提供严格的频带宽度,有能获得较高的增益,因此可以保证接收机的总选择性和总机灵敏度。

检波器:

EMC接收机的检波方式与普通接收机有很大差异,EMC接收机除可接收正弦波信号,更常用于接收脉冲干扰信号。因此EMC接收机除有平均值检波功能外,还增加了峰值检波和准峰值检波。

1.3、EMC测量接收机的检波方式介绍:

平均值检波:

其最大特点是检波器的充放电时间常数相同,特别适用于对连续波的测量。积分时间常数很长,可以达到秒级。

峰值检波:

它的充电时间常数很小(100ns),即使是很窄的脉冲也能很快充电到稳定值。当中频信号消失后,由于电路的放电时间常数很大(100s),检波的输出电压可以在很长一段时间内保持在峰值上。

峰值检波的特点首先在军用设备的骚扰发射实验中被优先采用,因为很多军用设备只要单脉冲激励就可以造成爆炸或数字设备误动作,而无象民用设备那样讲究时间的积累。

准峰值检波:

这种检波器的充电时间常数介于平均值检波器和峰值检波器之间(充电时间常数1ms,放电时间常数160ms),在测量周期内的检波输出即与脉冲幅度有关,又与脉冲重复频率有关,其输出与干扰对听觉造成的效果一致。因为早期CISPR研究的就是广播系统中的干扰,由于准峰值适用于无线电干扰噪声的特性,所以CISPR推荐准峰值检波器。    

有效值检波:

随机噪声是指某些电子元器件工作时发出的噪声,在信息传输过程中因串扰等引起的噪声。其特点是杂乱无章,有些随机噪声符合正态分布规律,对它们来说峰值是无价值,因此,通常采用有效值与平均值检波器。

EMC测试中,有效值检波器极少使用,通常会使用峰值检波器、平均值检波器,而准峰值检波器由于扫描时间较长,通常会采用峰值检波器预扫。

二、频谱分析仪:

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器,用于信号失真度、调制度、谱纯度、频度稳定度和交调失真等信号参数的测量,可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数,是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析仪、频率特性分析仪或傅立叶分析仪。

频谱分析仪按显示方式分为模拟频谱分析仪和数字频谱分析仪;又分为扫频式和实时分析式。频谱分析仪的主要技术指标有频率范围、分辨率、分析谱宽、分析时间、扫描速度、灵敏度、显示方式和假响应。

2.1、频谱分析仪的工作原理:

工作原理是输入信号经衰减器直接外加到混波器,可调变的本地振荡器经与CRT 同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率,经混波器与输入信号混波降频后的中频信号(IF)再放大、滤波与检波传送到CRT 的垂直方向板,在CRT 的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系,信号流程架构如下图所示:    

频谱分析仪原理框图

2.2、频谱分析仪简易探头制作:

目前实验室较常使用的探头有两种:圆圈状探头金属触点接触探头

圆圈状探头:

75Ω/50Ω CABLE的芯线和屏蔽线之间焊接一根多股线,构成一个磁场探头,灵敏度与圈的面积成正比。

金属触点接触探头:

在75Ω/50Ω CABLE的芯线串接一个47pF电容,电容的另一端作为输出,去接触测试PIN来查找干扰源。    

针式探头使用注意事项:

首先针式探头必须增加隔直电容,否则当直流电平经探头进入频谱分析仪信号输入模块容易烧坏频谱分析仪。另外虽然输入端有增加隔直电容,但当交流输入电压大于24V以上时,会导致频谱分析仪放大模块由于输入幅度过大而烧坏。

2.3、频谱分析仪近场与天线远场的区别与联系:

在近场区干扰源主要以电场与磁场的方式向外辐射,而在远场区干扰源主要以电磁场的方式向外辐射。利用频谱分析仪+探头的(近场)的测试结果只供参考,整改前后的强度可以做参考,不做绝对值的判断远场(3m EMI接收机)测试出来的不合格频点,用频谱分析仪+探头一定能够完全找到

2.4、借助频谱分析仪定位问题:

对于辐射测试超标频点,借助手和磁环的方式无法有效定位问题的源头,频谱分析仪便可派上用场了,频谱分析仪可以说是EMC工程师整改的利器与法宝。

²使用圆圈状探头定位干扰源区域    

 使用频谱分析仪圆圈探头,扫描被测产品内部电路板,寻找辐射超标频点所在位置区域。尖峰干扰由于辐射能量较集中容易发现,宽带干扰由于辐射能量相对分散,需要反复扫描比较确认。

使用针式探头定位干扰源具体位置

 在圆圈状探头确认的区域位置内,使用频谱分析仪针式探头逐点扫描。有时干扰源能量非常强大,由于走线耦合,主芯片内部耦合导致辐射频点出现在不同的信号布线上,此时需要对干扰源区域范围内,每条信号布线辐射能量测量比较扫,寻找辐射能量最大的一个点或者几个点增加抑制措施,测试辐射频点变化情况。有时还可能出现增加抑制措施无明显变化的情况,需调整不同组滤波参数观察辐射频点变化情况,直至问题解决。

²借频谱分析仪定位流程:

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