一種新的基于時(shí)域方法的EMC測(cè)試技術(shù)

自動(dòng)化TDEMI測(cè)量算法

在時(shí)域測(cè)量中，要捕捉數(shù)據(jù)，首先需要進(jìn)行ADC采樣。采樣后，利用數(shù)字方法FFT計(jì)算出信號(hào)的頻譜。之后的信號(hào)處理過程就能夠糾正由天線頻率特性、傳輸線特性、放大器和抗混迭失真濾波器造成的誤差。然后分析EMI信號(hào)的峰值、RMS值和均值。利用附加的噪聲門限調(diào)整功能還能將該結(jié)果與傳統(tǒng)EMI接收機(jī)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較。

圖2給出了利用TDEMI系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)時(shí)域EMI測(cè)量的基本算法流程圖。其中，M和N按下式計(jì)算：

式中，△TM表示觀測(cè)時(shí)間，△f表示頻率分辨率，fs表示采樣頻率。程序中有一個(gè)M次的循環(huán)，每次運(yùn)行該循環(huán)，系統(tǒng)就會(huì)讀入一個(gè)長(zhǎng)為N的時(shí)域數(shù)據(jù)向量，然后將該向量轉(zhuǎn)換到頻率域，并送給檢測(cè)器模型。在M次循環(huán)結(jié)束之后，檢測(cè)器模型得到的幅度譜被送入對(duì)數(shù)處理程序中。最后，系統(tǒng)再糾正由TDEMI系統(tǒng)的頻率特性導(dǎo)致的誤差。文獻(xiàn)[6]中詳細(xì)描述了時(shí)域電磁干擾測(cè)量(TDEMI)系統(tǒng)中所用到的譜估計(jì)算法和檢測(cè)器模型。

EMC測(cè)試方案

1. 平穩(wěn)EMI信號(hào)的測(cè)量

EMI測(cè)量時(shí)遇到的信號(hào)通常都具有隨機(jī)性[7]。這些信號(hào)中除了有諧波成分和(偽)噪聲以外，還可能包含瞬態(tài)成分和突發(fā)成分。盡管如此，仍可認(rèn)為，只要觀測(cè)時(shí)間△TM足夠長(zhǎng)，一個(gè)隨機(jī)EMI信號(hào)的樣本x(t)(t0 t t0 +△TM)中可以包含該信號(hào)的所有信息。這時(shí)，x(t)的特性就與任意選擇的起始觀測(cè)時(shí)間t0無(wú)關(guān)，可以認(rèn)為該信號(hào)是類平穩(wěn)的[8]。文獻(xiàn)[9]中詳細(xì)描述了這類信號(hào)的測(cè)量過程。我們利用TDEMI系統(tǒng)和傳統(tǒng)EMI接收機(jī)測(cè)量了商用膝上電腦的EMI輻射，并對(duì)二者的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。圖3所示就是利用這樣的測(cè)試裝置測(cè)得的一個(gè)典型時(shí)域數(shù)據(jù)向量。除了噪聲之外，其中還包含很大一部分由被測(cè)電路中所使用的各種時(shí)鐘信號(hào)輻射出來的平穩(wěn)諧波成分。

圖4給出了由TDEMI系統(tǒng)和傳統(tǒng)EMI接收機(jī)測(cè)得的譜結(jié)果，兩種測(cè)量方式均采用了均值檢測(cè)模式，觀測(cè)時(shí)間均為△TM = 5 ms。接收機(jī)頻率步進(jìn)值為50 kHz，采用了一個(gè)帶寬為120 kHz的IF濾波器。從圖4中可以看出，TDEMI系統(tǒng)和傳統(tǒng)EMI接收機(jī)所測(cè)得的窄帶諧波信號(hào)的幅度譜基本匹配，二者的平均偏差還不到0.5 dB。它們只在噪聲門限上有較小的差別，這是由于TDEMI系統(tǒng)和傳統(tǒng)噪聲接收機(jī)的噪聲性能不同造成的。

2. 瞬態(tài)EMI信號(hào)的測(cè)量

當(dāng)信號(hào)中主要包含尖峰信號(hào)、突發(fā)信號(hào)和其他瞬態(tài)現(xiàn)象時(shí)，TDEMI系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)EMI接收機(jī)而言，就具有重大優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵?TDEMI系統(tǒng)中用作ADC的示波器能夠設(shè)置為只在捕捉到瞬態(tài)信號(hào)發(fā)生時(shí)觸發(fā)。圖5給出了瞬態(tài)信號(hào)的觸發(fā)數(shù)據(jù)捕獲原理。對(duì)汽車發(fā)光裝置的測(cè)量就是一個(gè)實(shí)際例子。汽車發(fā)光裝置包括照明單元、電纜和一塊鉛酸電池。我們?cè)?米左右的距離外，用一種類似于前面講過的方式，通過一個(gè)寬帶天線來接收該裝置輻射出的 EMI信號(hào)。在裝置斷電過程中，系統(tǒng)輻射出一系列脈沖，見圖6，之后，很長(zhǎng)一段時(shí)間沒有任何輻射。我們將示波器設(shè)置為在這一系列脈沖邊沿觸發(fā)。第一次測(cè)量時(shí)，TDEMI系統(tǒng)測(cè)量了2500個(gè)頻段，每頻段內(nèi)以5 GS/s的速度采100 000個(gè)點(diǎn)。EMI接收機(jī)則將步進(jìn)值設(shè)置為50 kHz，IF濾波器帶寬120 kHz，每點(diǎn)的停留時(shí)間為50毫秒。圖7給出了峰值檢測(cè)評(píng)估得到的幅度譜。在第二次實(shí)驗(yàn)中，我們將停留時(shí)間增大到1秒。由于受時(shí)間約束，這次測(cè)量最高只能做到170 MHz，測(cè)量結(jié)果見圖8。比較兩次測(cè)量得到的結(jié)果，我們可以看出，在兩次測(cè)量中，TDEMI系統(tǒng)測(cè)量得到的幅度譜幾乎均和傳統(tǒng)EMI接收機(jī)測(cè)量的幅度譜上邊界吻合。在TDEMI系統(tǒng)測(cè)得的譜中，隨著測(cè)量時(shí)間的延長(zhǎng)，只有測(cè)量的變化性稍為減緩，而EMI接收機(jī)測(cè)得的結(jié)果則很明顯嚴(yán)重依賴于停留時(shí)間。這是由目標(biāo)信號(hào)的特性造成的。EMI接收機(jī)需要較長(zhǎng)的停留時(shí)間才能保證在每個(gè)頻點(diǎn)上的每次測(cè)量均能夠恰好觀測(cè)到一個(gè)瞬態(tài)信號(hào)。而TDEMI系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)前面談到的觸發(fā)條件自動(dòng)對(duì)瞬態(tài)信號(hào)作出反應(yīng)，并且在被測(cè)目標(biāo)沒有EMI輻射的時(shí)候停止捕捉數(shù)據(jù)。這樣，TDEMI系統(tǒng)就有可能在很短的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)完成精確的測(cè)量。

本文小結(jié)

本文介紹了寬帶時(shí)域測(cè)量技術(shù)用于解決電磁干擾問題的優(yōu)勢(shì)。利用TDEMI測(cè)量系統(tǒng)能夠仿效傳統(tǒng)的模擬EMI測(cè)量系統(tǒng)的各種工作模式，例如峰值模式、平均值模式、RMS模式和類峰值監(jiān)測(cè)模式。本文還介紹了信號(hào)處理算法以及利用時(shí)域電磁干擾(TDEMI)系統(tǒng)得到的測(cè)量結(jié)果。與傳統(tǒng)模擬EMI測(cè)量設(shè)備相比，TDEMI系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

參考文獻(xiàn)：

[1] CISPR16-1, Speciˉcation for radio disturbance and immunity measuring apparatus and meth-ods Part 1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus, International Electrotech-nical Commission, 1999.

[2] CISPR16-2, Speciˉcation for radio disturbance and immunity measuring apparatus and meth-ods Part 2: Methods of measurement of disturbances and immunity, International Electrotech-nical Commission, 1999.

[3] F. Krug and P. Russer, Ultra-fast broadband EMI measurement in time domain using FFT and Periodogram, in 2002 IEEE International Symposium On Electromagnetic Compatibility Digest, August 19{23, Minneapolis, USA, 2002, pp. 577{582.

[4] A. Papoulis, The Fourier Integral and Its Applications, ISBN 0-0704-8447-3. McGraw-Hill,1962.

[5] S.L. Marple Jr., Digital Spectral Analysis with Applications, ISBN 0-8493-7892-3. Prentice-Hall, 1987.

[6] F. Krug and P. Russer, Ultra-fast broadband EMI measurement in time domain using classical spectral estimation, in 2002 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, June2{6, Seattle, USA, 2002, pp. 2237{2240.