基于數(shù)字示波器的EMI預(yù)測試

伴隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子設(shè)備的集成度越來越高。大量高速總線和RF功能的引入，使設(shè)備本身產(chǎn)生更多的電磁輻射問題。同時(shí)，由于用戶對采購產(chǎn)品的電磁兼容性要求越來越高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師必須努力降低設(shè)計(jì)產(chǎn)品的電磁干擾(EMI)。各個(gè)廠家也大量投入資金，對產(chǎn)品進(jìn)行EMC兼容性的測試和認(rèn)證。

對于通常的EMC設(shè)計(jì)和認(rèn)證流程，一般可以分為三個(gè)階段，即產(chǎn)品設(shè)計(jì)預(yù)測試(Pre-test)，產(chǎn)品預(yù)認(rèn)證(Pre-compliance)和產(chǎn)品認(rèn)證(compliance test)階段。產(chǎn)品認(rèn)證涉及到嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和測試儀器與場地要求，很多公司在這一階段是通過第三方的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室完成的，在公司內(nèi)部只進(jìn)行預(yù)測試和預(yù)認(rèn)證。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程是產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，交給產(chǎn)品測試部門進(jìn)行預(yù)認(rèn)證。如發(fā)現(xiàn)問題，將產(chǎn)品返回設(shè)計(jì)部門做相應(yīng)的整改。但由于這種整改往往需要調(diào)整電路的設(shè)計(jì)，甚至涉及PCB的調(diào)整，通常過程復(fù)雜、時(shí)間冗長、代價(jià)高昂。設(shè)計(jì)人員希望在電路設(shè)計(jì)初期就能夠發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)修正，以避免日后的大量整改工作。但我們不得不面臨的一個(gè)問題是，電磁兼容設(shè)備一般價(jià)格不菲，為每個(gè)設(shè)計(jì)部門配備專業(yè)的電磁兼容測試設(shè)備投入很高。此外還有另一個(gè)新出現(xiàn)的問題，隨著突發(fā)通信和高速總線的應(yīng)用，一些EMI問題不再是持續(xù)產(chǎn)生的現(xiàn)象，它的產(chǎn)生通常和突發(fā)通信間隔及速率有關(guān)。傳統(tǒng)的EMI接收機(jī)捕獲這些問題的能力有限。更重要的是，即時(shí)發(fā)現(xiàn)了在某一個(gè)頻點(diǎn)存在這種間歇性的EMI問題，也無法為設(shè)計(jì)人員提供足夠的信息來診斷產(chǎn)生的原因。

面臨這些問題時(shí)，工程師會(huì)想起最常用的調(diào)試工具——示波器，如果示波器能夠提供EMI測試的功能，將極大地降低整體的設(shè)計(jì)成本。如果還能夠提供一些EMI產(chǎn)生原因的診斷信息，工程師的設(shè)計(jì)和整改流程將大幅加快。

但令人遺憾的是，目前市場中的絕大多數(shù)示波器無法勝任這樣的工作。雖然幾乎所有的示波器都具有FFT頻譜分析功能，但這樣的功能往往精度差、更新速率低、無法靈活設(shè)置，達(dá)不到EMI預(yù)測試的要求。

示波器的FFT功能不足主要有以下幾個(gè)原因：首先，動(dòng)態(tài)范圍不足。示波器的A/D一般是8位的，但實(shí)際能夠有效使用的位數(shù)(ENOB)往往不足6位，這種情況下無法準(zhǔn)確測量微小的射頻信號。再加上模擬前端的大量噪聲，使得示波器的動(dòng)態(tài)范圍只有40～60dB左右。羅德與施瓦茨公司(RS)的RTO示波器具有全帶寬>7bit的ENOB，配合射頻儀器級別的模擬前端，噪聲只有100uv以下。這就保證了RTO示波器可以提供超過同類產(chǎn)品15～20dB的動(dòng)態(tài)范圍。

其次，算法和功能實(shí)現(xiàn)問題。普通示波器沒有與頻譜分析儀類似的下變頻電路，無法設(shè)置中心頻率和分析范圍，RBW也無從調(diào)整，所能看到的頻譜基本是示意性的。如果增加參與FFT計(jì)算的樣點(diǎn)，將極大降低頻譜更新的速度。RS RTO示波器的FFT功能是硬件實(shí)現(xiàn)的。通過專用的數(shù)字下變頻器，用戶可以像其他頻譜儀一樣設(shè)定中心頻率、分析范圍和RBW。由硬件實(shí)現(xiàn)的FFT運(yùn)算快捷準(zhǔn)確，不受其他功能和設(shè)置的影響，即使打開多種測量分析功能，頻譜更新速度依然不變。從實(shí)時(shí)頻譜分析儀中移植過來的多重重疊FFT算法，可以觀測到同類設(shè)備無法看到的邊帶信息，極大減少了波形漏失。RTO示波器的頻譜分析功能的另一個(gè)重要特點(diǎn)是分析的速度及實(shí)時(shí)性。快速的頻譜更新保證了對偶發(fā)的EMI問題的捕獲和顯示。電路出現(xiàn)的任何電磁輻射問題都不會(huì)逃過RTO示波器的FFT功能。配合獨(dú)有的頻率模板觸發(fā)功能和MSO功能，用戶可以設(shè)定一個(gè)EMI觸發(fā)條件，即在某個(gè)或某段頻率內(nèi)，只要出現(xiàn)EMI信號，示波器就能觸發(fā)并捕獲。此時(shí)不但可以看到EMI信號本身，配合連接到電路中的其他模擬和數(shù)字通道的時(shí)域信號，我們還可以分析出是何種原因?qū)е铝诉@個(gè)EMI事件的發(fā)生。例如高速USB接口的數(shù)據(jù)傳輸、2.4GHz射頻模塊的喚醒工作狀態(tài)等。

完成和EMI接收機(jī)類似的工作是使用示波器進(jìn)行EMI預(yù)測試的一個(gè)重要目的。RTO示波器可以提供和EMI接收機(jī)類似的測試界面。通過MASK測試功能，我們可以設(shè)定一個(gè)符合EN標(biāo)準(zhǔn)的模板，觀測整個(gè)系統(tǒng)的EMI發(fā)射狀態(tài)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。如參照歐盟針對信息技術(shù)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)EN55015Q對被測產(chǎn)品進(jìn)行從9kHz～30MHz的電磁輻射測試。

觀測EMI的必要工具是EMI探頭和預(yù)放大器。RS公司擁有全套的電場磁場探頭，方便用戶探測各種芯片、電路和接口的EMI問題。外置預(yù)放大器帶寬可達(dá)3GHz，幫助用戶捕獲微小的EMI信號。

示波器是電子工程師最常用的工具，如果使用它們做EMI預(yù)測試的工作，那么示波器必須滿足高動(dòng)態(tài)范圍、低雜散、高波形捕獲率和高速FFT計(jì)算能力等要求。通過使用模板測試功能，工程師還可以進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證以及偶發(fā)EMI的診斷。RS公司的RTO示波器集公司多年的射頻、通信和數(shù)字設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)于一身，特別是EMC測試的經(jīng)驗(yàn)，采用專用ASIC電路，具有強(qiáng)大的EMI測試和診斷能力，是電子工程師的得力工具。