使用示波器測(cè)試EMI輻射干擾

本文討論了使用實(shí)時(shí)示波器進(jìn)行EMI輻射干擾測(cè)試的推薦方法，測(cè)試設(shè)置以及最佳實(shí)踐。

引言

手機(jī)，藍(lán)牙耳機(jī)，衛(wèi)星廣播，AM/FM廣播，無(wú)線(xiàn)因特網(wǎng)，雷達(dá)，以及其它不計(jì)其數(shù)的潛在電磁干擾源發(fā)射出的電磁波混雜在真實(shí)世界中，為了確保汽車(chē)內(nèi)的電子元器件仍舊穩(wěn)健和有效，它們需要在一個(gè)受控環(huán)境中進(jìn)行EMI干擾測(cè)試。

輻射抗擾室是一個(gè)完全密封的傳導(dǎo)空間，是一個(gè)理想的EMI測(cè)試環(huán)境，因?yàn)樗軌蛲耆刂瓶臻g中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的頻率，方向，波長(zhǎng)。而且因?yàn)殡姶艌?chǎng)無(wú)法進(jìn)入密閉的空間，在抗擾室測(cè)試的汽車(chē)部件在測(cè)試過(guò)程中能夠接收精確且高度可控的電磁波。同時(shí)，電磁波也無(wú)法離開(kāi)干擾室，用于測(cè)試的測(cè)量?jī)x器以及在抗擾室外操控的工程師能夠免于受到干擾室內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁波的傷害。

現(xiàn)代汽車(chē)包含成百上千個(gè)電子電路以實(shí)現(xiàn)安全、娛樂(lè)以及舒適相關(guān)的各種各樣的功能。這些汽車(chē)電子部件，也被稱(chēng)為電子控制單元(ECU)，必須滿(mǎn)足嚴(yán)格的EMI干擾標(biāo)準(zhǔn)。

電磁干擾室配置

在電磁干擾室內(nèi)部，典型的器件級(jí)抗干擾測(cè)試設(shè)置包括被測(cè)的電子控制單元(ECU)，電線(xiàn)束，以及包含實(shí)際或者等效電子負(fù)載的仿真器，還有一系列外設(shè)以代表汽車(chē)電子控制單元(ECU)的接口;發(fā)送和接收天線(xiàn)用于產(chǎn)生高場(chǎng)強(qiáng)的電磁波;還有模式調(diào)諧器被放置于干擾室來(lái)改變空間的幾何尺寸，以創(chuàng)造測(cè)試中需要的電磁場(chǎng)效果。汽車(chē)電子控制單元(ECU)在預(yù)設(shè)模式下運(yùn)行并暴露在電磁干擾場(chǎng)中。

在暴露于干擾源的過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)控汽車(chē)電子控制單元(ECU)的響應(yīng)來(lái)驗(yàn)證其是否超出允許的容限。對(duì)于大多數(shù)RF干擾測(cè)試，與計(jì)劃的偏離檢測(cè)需要確定器件抗干擾閾值，該值是通過(guò)逐漸調(diào)整干擾源的幅度直到汽車(chē)電子控制單元(ECU)的功能出現(xiàn)偏離的方法而確定的。

被測(cè)的汽車(chē)電子控制單元(ECU)需要符合嚴(yán)格的ISO(標(biāo)準(zhǔn)化國(guó)際組織)規(guī)則，以及汽車(chē)廠(chǎng)商和汽車(chē)電子控制單元(ECU)部件供應(yīng)商之間達(dá)成的需求。因?yàn)槊總€(gè)電子部件對(duì)于電磁場(chǎng)的抗干擾能力會(huì)有輕微的差異，檢測(cè)與可接收標(biāo)準(zhǔn)間的性能偏離，以及決定這些值什么時(shí)候超出測(cè)試計(jì)劃規(guī)則，是執(zhí)行EMI測(cè)試工程師的任務(wù)和責(zé)任。

在EMI測(cè)試過(guò)程中確定汽車(chē)電子控制單元(ECU)是否仍舊正常工作的方法是讓其通過(guò)ECU的輸出端口如CAN總線(xiàn)輸出它的工作狀態(tài)。其它的ECU輸出也包括模擬傳感器輸出，以及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的脈沖寬度調(diào)制輸出。

場(chǎng)的強(qiáng)度及考慮

ISO/IEC61000-4-21中描述的輻射RF抗干擾測(cè)試中使用的場(chǎng)強(qiáng)和頻率類(lèi)型是一個(gè)典型的示例，它使用了一個(gè)包含機(jī)械模式調(diào)諧器的混響室，當(dāng)在一個(gè)給定的測(cè)試頻率下足夠多的調(diào)諧器位置被獲得時(shí)，混響室可用空間產(chǎn)生一個(gè)測(cè)試頻率范圍在0.4~3GHz、場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)200 V/m(CM和AM)以及600 V/m(雷達(dá)脈沖)的均勻場(chǎng)。

另外一個(gè)示例，ISO 11452-4中描述的傳導(dǎo)RF抗干擾測(cè)試中使用的是一個(gè)嵌位電流注入探頭以誘導(dǎo)RF電流進(jìn)入DUT挽具，頻率范圍在1-400MHz，電平范圍在幾十到幾百mA，從而可以在測(cè)試平臺(tái)附近創(chuàng)造出足夠強(qiáng)的場(chǎng)以影響非屏蔽設(shè)備的運(yùn)作。這樣的測(cè)試環(huán)境避免了測(cè)試儀器到測(cè)試設(shè)置的直接連接。

面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是汽車(chē)電子控制單元(ECU)的輸出數(shù)據(jù)來(lái)自于一個(gè)封閉空間，這個(gè)空間與測(cè)試區(qū)域隔離，測(cè)試儀器和測(cè)試人員位于封閉空間之外，所以必須要有一種辦法來(lái)將封閉空間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳送到封閉空間之外用于分析。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的線(xiàn)纜如BNC或SMA線(xiàn)纜本身是可導(dǎo)電的而且容易受到來(lái)自于干擾室內(nèi)部的電磁波的影響，因此光發(fā)送和接收單元以及光纖需要被用來(lái)將干擾室內(nèi)部的ECU發(fā)出的信號(hào)傳送到位于干擾室外部的測(cè)試設(shè)備。光纖是非導(dǎo)體所以不會(huì)受到干擾室內(nèi)的電磁場(chǎng)的影響。為了將線(xiàn)纜從干擾室內(nèi)部連接到測(cè)試設(shè)備上，在干擾室邊界處波導(dǎo)管被用來(lái)輸出光信號(hào)，從而允許干擾室在將ECU的信號(hào)輸出時(shí)仍舊保持完全的封閉。光纖波導(dǎo)擁有一個(gè)高通截止頻率，該頻率高于在干擾室中測(cè)試的頻率范圍，因此不會(huì)對(duì)干擾室中所創(chuàng)造的環(huán)境產(chǎn)生干擾。

電磁干擾測(cè)試設(shè)備設(shè)置

下圖1是一個(gè)用于抗干擾測(cè)試中偏移探測(cè)的實(shí)際設(shè)置，在密閉干擾室(發(fā)送天線(xiàn)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí))空間中拍攝的圖片。模式調(diào)諧器位于干擾室的右側(cè)，干擾室的左側(cè)有一個(gè)CAN總線(xiàn)光纖發(fā)送器，放置于泡沫平臺(tái)上，該平臺(tái)的相對(duì)介電常數(shù) 1.4且位于混響室的可用空間中。光纖發(fā)送器將ECU的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為光后進(jìn)入免受射頻干擾的光纖并通過(guò)波導(dǎo)從接近地板位置離開(kāi)混響室。用于測(cè)試的ECU，以及發(fā)送和接收天線(xiàn)也位于混響室內(nèi)部，在本圖中沒(méi)有顯示出來(lái)。

圖1、配有模式調(diào)諧器(右)和光纖發(fā)送器(左)的混響室。天線(xiàn)和ECU沒(méi)有在圖中顯示，但也是存在的。

典型的測(cè)試方法是，到達(dá)混響室外的信號(hào)被數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集，并需要用戶(hù)自定義軟件來(lái)確定從ECU輸出的CAN總線(xiàn)信號(hào)，傳感器信號(hào)，或者PWM輸出是否滿(mǎn)足特定的需求。因?yàn)橛泻芏嘈盘?hào)需要測(cè)試，以及有許多測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，所以描述測(cè)試計(jì)劃中所有的測(cè)試需求的軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本將是非常漫長(zhǎng)和昂貴的。將示波器用于EMI測(cè)試領(lǐng)域是一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)未被廣泛探索的方法，該方法可以將一個(gè)陣列的示波器放置于干擾室外，使用多臺(tái)示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。因?yàn)槭静ㄆ饕呀?jīng)標(biāo)配了模板測(cè)試和參數(shù)門(mén)限測(cè)試能力，所以能夠一次性直接執(zhí)行許多測(cè)試需求，而不需要花費(fèi)大量的軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。

圖2 中，銅色的通往EMC干擾室的外部的門(mén)位于測(cè)試平臺(tái)的右側(cè)。在左側(cè)，攜帶功能測(cè)試結(jié)果的橘黃色光纖中的光信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后通過(guò)BNC線(xiàn)纜輸入到示波器通道上。

圖2、在EMC干擾室外用于抗干擾數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析的示波器陣列

示波器中的波形模板用于分析相對(duì)于預(yù)定義的一致性需求的波形形狀。模板的尺寸取決于被測(cè)信號(hào)的功能標(biāo)準(zhǔn)，能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)在測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行自動(dòng)化的調(diào)整。

在下圖3，4，5中，一臺(tái)示波器正用于監(jiān)控仿真ECU的輸出。鑒于保密原因使用仿真數(shù)據(jù)，其能非常接近的觀察典型ECU的輸出。通道1和通道2顯示的是仿真的PWM信號(hào)，用于控制一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器信號(hào)。仿真執(zhí)行器信號(hào)被捕獲在通道3上，CAN分離信號(hào)被捕獲在通道4上。

電磁兼容一致性測(cè)試

下圖3顯示的是關(guān)閉模板后示波器采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)的波形形狀可以被清晰的顯示和觀察。示波器基于通道2的邊沿觸發(fā)，所有4個(gè)波形同時(shí)被捕獲。

圖3、仿真的ECU輸出信號(hào)包括通道1和2的PWM信號(hào)，通道3的執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)，以及通道4的CAN分離信號(hào)

下圖4中，模板測(cè)試被打開(kāi)。模板的形狀可用于驗(yàn)證信號(hào)高電平，信號(hào)低電平，頻率，占空比，以及測(cè)試計(jì)劃中描述的其它規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。模板的厚度顯示了標(biāo)稱(chēng)值附近的指定容限帶。而且模板驗(yàn)證了每一個(gè)采集到的波形是否偏離定義的標(biāo)稱(chēng)值或者偏離該標(biāo)稱(chēng)值的百分比。本例中，每個(gè)波形都滿(mǎn)足所有的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。特別重要的是示波器能夠使用預(yù)先定義好的模板標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)的進(jìn)行邊沿觸發(fā)，持續(xù)的監(jiān)控是否有錯(cuò)誤。示波器觸發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)是出現(xiàn)在通道2的一個(gè)邊沿，示波器可以被設(shè)置好用于識(shí)別和歸檔每次出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

圖4、仿真的ECU輸出信號(hào)，通道1和2顯示的PWM信號(hào)，通道3顯示的執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，通道4顯示的CAN分離信號(hào)均在定義的容限模板內(nèi)，通過(guò)模板測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

圖5中，仿真的ECU受到了干擾室內(nèi)的EMI影響，導(dǎo)致了幅度調(diào)制，降低的幅度，以及占空比和頻率的變化從而使得PWM信號(hào)和執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)的模板測(cè)試失敗。不像其它的三個(gè)信號(hào)，CAN分離信號(hào)沒(méi)有受到EMI的影響并繼續(xù)通過(guò)測(cè)試。此類(lèi)型的模板測(cè)試方法允許同時(shí)進(jìn)行多種標(biāo)準(zhǔn)的快速測(cè)試。

圖5、當(dāng)施加EMI后，仿真的ECU輸出PWM信號(hào)和執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)均不能通過(guò)模板測(cè)試，示波器會(huì)提示操作人員有錯(cuò)誤出現(xiàn)

除了波形模板測(cè)試以外，Pass/Fail限定測(cè)試也適用于參數(shù)，可用于確保測(cè)量數(shù)值結(jié)果是否滿(mǎn)足特定的規(guī)定值。如圖5中的屏幕圖形，示波器在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下方使用紅色的“Fail”信息指示了三個(gè)失敗。當(dāng)模板測(cè)試或者參數(shù)限定測(cè)試失敗事件發(fā)生后，示波器也可自動(dòng)執(zhí)行一些動(dòng)作，比如保存波形數(shù)據(jù)用于直接比較和歸檔，保存屏幕圖像用于歸檔和評(píng)估，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)用于輔助自動(dòng)化測(cè)試，以及發(fā)出一個(gè)警告通知測(cè)試操作員有問(wèn)題出現(xiàn)。

結(jié)論

雖然在抗干擾測(cè)試中，示波器能夠快速的執(zhí)行用于確定EMC偏離的參數(shù)測(cè)量，但由于過(guò)去缺乏重視和足夠的示波器通道數(shù)量，在抗干擾測(cè)試中示波器經(jīng)常被忽視。典型的，參數(shù)結(jié)果的分析需要開(kāi)發(fā)用戶(hù)自定義設(shè)計(jì)的軟件，而且很可能需要用戶(hù)自己設(shè)計(jì)硬件——這兩者都是費(fèi)時(shí)間而且價(jià)格昂貴的。然而，多臺(tái)帶有pass/fail模板和參數(shù)限值測(cè)試能力的示波器組合起來(lái)能夠直接用于分析各部件的傳感器輸出。

在抗干擾測(cè)試中，示波器陣列是用于驗(yàn)證傳感器輸出是否符合要求的潛在的最具性?xún)r(jià)比的方法，因?yàn)榇蟛糠止δ芸梢允褂檬静ㄆ髦幸呀?jīng)具有的pass/fail模板和參數(shù)限值測(cè)試功能完成，相對(duì)于花費(fèi)成本自己開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件執(zhí)行同樣嚴(yán)格的EMI偏離測(cè)試，EMC工程師可以節(jié)省下大量的時(shí)間和精力。