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試或預(yù)致性測試確定超限條件后。
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)一致性測試”測量，也就是在產(chǎn)品發(fā)出進(jìn)行一致性前，以識別和解決潛在的 EMI/EMC 問題。這些技術(shù)減少了產(chǎn)品在測試機(jī)構(gòu)不能通過最終全面一致性測試的風(fēng)險(xiǎn)。
市場上有各種測試儀器調(diào)試技術(shù)，可以有效地找出影響一致性測試結(jié)果的輻射來源。在許多情況下，擁有時(shí)間相關(guān)RF測量功能的示波器，比 如泰 克 4、5 或 6 系 列 MSO 及 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。下面介紹考察其中部分調(diào)試方法。
如果產(chǎn)品未能通過一致性測試會怎么樣?
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，我們在報(bào)告中還將獲得表格方式的信息 ( 圖 2)。
圖 1. 這份 EMI 測試報(bào)告顯示在 50 MHz 周圍發(fā)生問題。
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試，這應(yīng)該是一件簡單的事。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)告顯示了測試頻率、測得幅度、校準(zhǔn)后的校正系數(shù)及調(diào)節(jié)后的場強(qiáng)。調(diào)節(jié)后的場強(qiáng)與規(guī)范進(jìn)行對比，確定裕量或超出量。
盡管報(bào)告中明確給出許多測試條件，但要考慮的某些重要事項(xiàng)可能還不是太明顯。
頻率范圍和測試點(diǎn)數(shù)：測試報(bào)告中給出的頻率根本不可能恰好就是 EMI 源的頻率。頻率范圍和測試點(diǎn)數(shù)可以幫助確定一致性測試頻率可能是
EMI 源實(shí)際頻率的接近程度。據(jù)國際無線電干擾特別委員會 (CISPR)，在執(zhí)行放射輻射測試時(shí)，必須根據(jù)頻率范圍，使用不同的測試方法。每
個(gè)范圍都要求具體的解析帶寬濾波器和檢測器類型，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。
表 1. CISPR 測試要求隨頻率范圍變化，影響著頻率分辨率
檢測器類型：一般來說，測試機(jī)構(gòu)要先完成峰值檢測，因?yàn)橥瓿蛇@項(xiàng)測試所需的時(shí)間最少。由于檢測器的特點(diǎn) ( 參見側(cè)欄“常見的峰值檢測類型”)，完成準(zhǔn)峰值(QP) 掃描所需的時(shí)間要多得多。準(zhǔn)峰值檢測采用測量加權(quán)，把更多的重點(diǎn)放在從廣義角度被理解為更“討厭”的信號上，因此檢測器類型可能會掩蓋輻射信號的絕對幅度。
方位角 / 距離：在執(zhí)行掃描時(shí)，被測器件 (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測試機(jī)構(gòu)將在經(jīng)過校準(zhǔn)的RF艙中進(jìn)行測量，作為場強(qiáng)指標(biāo)報(bào)告測量結(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)制測試機(jī)構(gòu)的情況，就能調(diào)試 EMI 測試失敗。在調(diào)試時(shí)，并不用使用高度受控的 EMI 測試機(jī)構(gòu)中執(zhí)行的絕對測量，而是可以使用測試報(bào)告中的信息，很好地了解生成報(bào)告使用的測量技術(shù)，在 UUT 周圍進(jìn)行相對觀察，隔離輻射源，衡量補(bǔ)救效果。
常見的峰值檢測類型
可以使用簡單的峰值檢測器進(jìn)行 EMI 測量。但 EMI部門或外部測試機(jī)構(gòu)會根據(jù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，來使用準(zhǔn)峰值 (QP) 檢測器，因此您可能會想是否也需要準(zhǔn)峰值檢測器。
EMI 部門或外部實(shí)驗(yàn)室在開始測試時(shí)，一般先使用簡單的峰值檢測器執(zhí)行掃描，找到超過或接近規(guī)定極限的問題區(qū)域。對接近或超過極限的信號，他們會執(zhí)行準(zhǔn)峰值測量。準(zhǔn)峰值檢測器是 EMI 測量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一種專用檢測方法。它檢測信號包絡(luò)的加權(quán)峰值 ( 準(zhǔn)峰值 )。它根據(jù)信號峰值電平、持續(xù)時(shí)間和重復(fù)速率，來確定信號權(quán)重。信號發(fā)生頻率越高，與發(fā)生頻次低的脈沖相比，準(zhǔn)峰值測量權(quán)重越高。使用準(zhǔn)峰值檢測器
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 信號發(fā)生器的一個(gè)恒定幅度的連續(xù)波 (CW) 信號。由于信號是連續(xù)的，持續(xù)時(shí)間和重復(fù)速率或信號不相關(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)峰值掃描可能會由于持續(xù)時(shí)間短或信號稀少而產(chǎn)生低于極限的結(jié)果。
圖 3. 連續(xù)波 (CW) 信號峰值檢測和準(zhǔn)峰值檢測對比，包括圖形格式和表格格式。圖形使用 EMCVu 預(yù)一致性測試軟件和泰克 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，而永遠(yuǎn)不會大于峰值檢測。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。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Φ摹Ｈ绻麑?shí)驗(yàn)室報(bào)告顯示設(shè)計(jì)高出 3 dB，峰值檢測高出 6 dB，那么就應(yīng)該進(jìn)行修復(fù)，把信號降低 3 dB 或以上。
本應(yīng)用指南中描述的示波器推薦用于針對性調(diào)試，其中采用了峰值檢測器。對預(yù)一致性測試掃描，RSA306B、RSA500、RSA600 和 RSA5000 實(shí)時(shí)頻譜分析儀及 EMCVu EMC 預(yù)一致性測試軟件支持使用準(zhǔn)峰值檢測器進(jìn)行 CISPR 或 FCC 放射輻射和傳導(dǎo)輻射掃描，同時(shí)也支持峰值檢測器。
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
● 信號回路不足
● LCD 輻射
● 元器件寄生信號
● 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，工程師通常會使用近場探頭。在使用這類
探頭時(shí)，我們必須記住信號傳播的基礎(chǔ)知識。
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的周期性和一致性。
周期性：
● 信號的 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)測這些信號特點(diǎn)。
一致性：
● UUT 上哪個(gè)信號與 EMI 事件一致 ?
業(yè)內(nèi)通常使用示波器探測 UUT 上的電信號。
考察 EMI 問題與電氣事件的一致性，無疑是 EMI 診斷中耗時(shí)最長的流程。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，不再需要同步多臺儀器來進(jìn)行 EMI 調(diào)試。
近場測量與遠(yuǎn)場測量
圖 4 顯示了近場和遠(yuǎn)場的行為，以及兩者之間的過渡區(qū)。我們可以看到，在近場區(qū)域，場可以從以磁場為主變成以電場為主。近場測量用于調(diào)試，因?yàn)樗鼈冊试S設(shè)計(jì)人員確定能量來源，無需專門的測試站就可以執(zhí)行。在遠(yuǎn)場測量中，磁場與電場之比基本上是恒定不變的。
圖 4. 距信號源的距離，其中近場到遠(yuǎn)場的區(qū)域變化與信號波長成正比 ( 與頻率成反比 )。
圖 5. 遠(yuǎn)場測量不僅依賴近場中能夠觀察到的活動，還依賴其他因素，如信號源、天線增益和測試條件。
但是，一致性測試是在遠(yuǎn)場中執(zhí)行的，從近場測量中預(yù)測遠(yuǎn)場能量水平可能會很復(fù)雜。這是因?yàn)檫h(yuǎn)場信號的強(qiáng)度不僅取決于信號源的強(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)場中觀察到一個(gè)信號，那么我們應(yīng)該能夠在近場中看到相同的信號。然而，我們可能會在近場中觀察到一個(gè)信號，但在遠(yuǎn)場中卻看不到這個(gè)信號。
圖 6. 構(gòu)成信號的變化的電壓和電流產(chǎn)生電場和磁場。
近場探測
盡管一致性測試程序旨在生成絕對的經(jīng)過校準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)，但調(diào)試大部分是可以使用相對測量來執(zhí)行的。
近場探頭本質(zhì)上是天線，旨在撿拾磁場 (H Field) 或電場 (E Field) 變化。一般來說，近場探頭不會帶有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，因?yàn)槠漤憫?yīng)與探頭到UUT 和信號源的距離和方向高度相關(guān)，所以其本意是進(jìn)行相對測量。
磁場探頭
磁場探頭采用不同的環(huán)路設(shè)計(jì)，環(huán)路平面應(yīng)與電流流動方向成一直線，這樣環(huán)路就會與通量的磁場線相交。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，來縮窄測量區(qū)域。磁場探頭都非常擅長識別電流相對較高的來源，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. 使磁場探頭與電流流動方向成一直線，令磁場線穿過環(huán)路。
電場探頭
電場探頭作為小型單極天線，對電場或電壓變化作出響應(yīng)。在使用這類探頭時(shí)，必需讓探頭與測量平面保持垂直。在實(shí)踐中，電場探頭特別適
合集中在特別小的區(qū)域，確定電壓相對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 8. 實(shí)際應(yīng)用中的磁場探頭，說明了調(diào)試使用的方向。
圖 9. 令電場探頭與導(dǎo)體垂直，以觀察電場。
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)，確定磁場探頭或電場探頭是否會提供最高的靈敏度。在較高頻率上，這些差異會很大。不管是哪種情況，進(jìn)行重復(fù)的相對測量都具有重要意義，這樣您才能相信準(zhǔn)確表示了實(shí)施的任何變化導(dǎo)致的近場輻射結(jié)果。最重要的考慮因素是，對于每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)變化，近場探頭的位置和方向要一致。
全新的頻域分析方法
4、5 和 6 系列 MSO 能夠查看模擬信號特點(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 測量挑戰(zhàn)，包括：
● 可以使用用戶熟悉的頻譜分析控制功能 ( 中心頻率、頻寬和 RBW)
● 可以獨(dú)立優(yōu)化時(shí)域顯示畫面和頻域顯示畫面
● 改善頻譜顯示畫面的更新速率
● 明顯改善頻域中可以實(shí)現(xiàn)的頻率分辨率
● 可以在波形視圖和頻譜視圖中同時(shí)查看信號，而不用分開信號路徑
● 可以簡便地考察頻域視圖怎樣隨時(shí)間變化及在整個(gè)采集中變化
● 可以使用 RF 相對于時(shí)間觸發(fā)功能，簡便準(zhǔn)確地關(guān)聯(lián)時(shí)域事件與頻域事件
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 10. Spectrum View 可以在同一個(gè)屏幕上查看時(shí)間、頻率和幅度，并為每個(gè)域提供唯一的測量數(shù)據(jù)。
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。我們使用 6 系列 MSO 上的 Spectrum View( 圖 12)，把一只磁場探頭連接到 RF 輸入上，從而可以確定能量來源的范圍。
圖 12. 測試設(shè)置在混合信號示波器上把模擬電壓相對于時(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。
確定磁場探頭的方向很重要，環(huán)路平面要與被評估的導(dǎo)體成一直線，這樣環(huán)路的位置可令通量的磁場線穿過通量。圍著 PCB 移動磁場探頭，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的積分功率相對于時(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。在采集的記錄長度中移動頻譜時(shí)間，現(xiàn)在可以看到EMI事件(即以 140 MHz 為中心的寬帶信號 ) 與大脈沖直接對應(yīng)。為測量脈沖重復(fù)周期，可以啟用測量標(biāo)記，直接確定周期。這時(shí)，通過 Spectrum View，可以簡便地觀察瞬態(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)間對應(yīng)的頻率成分。
RF 幅度相對于時(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 事件一致的信號源。
在使用示波器探頭瀏覽信號一會兒后，我們找出了圖 14中的信號。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 相對于時(shí)間觸發(fā)功能，在確認(rèn)存在一致的通道 1 信號行為后在 RF 相對于幅度通道上建立觸發(fā)，可以在更長的時(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)
圖 14. 使用無源探頭在通道 1(yellow) 上探測信號，發(fā)現(xiàn)一個(gè)與 RF ( 青色 ) 相關(guān)的信號。
圖 15. 在輻射 RF 能量上觸發(fā) RF 幅度相對于時(shí)間關(guān)系，觀察一致的電氣事件。
未能通過 EMI 一致性測試可能會使產(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試報(bào)告及一致性測試和調(diào)試怎樣采用不同的測量技術(shù)。一般來說，它需要查找相對較高的電磁場，確定其特點(diǎn)，把場行為與電路行為關(guān)聯(lián)起來，確定輻射來源。
