一種新的基于時域方法的EMC測試技術(shù)

自動化TDEMI測量算法

在時域測量中，要捕捉數(shù)據(jù)，首先需要進行ADC采樣。采樣后，利用數(shù)字方法FFT計算出信號的頻譜。之后的信號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接收機測得的結(jié)果進行比較。

圖2給出了利用TDEMI系統(tǒng)進行自動時域EMI測量的基本算法流程圖。其中，M和N按下式計算：

式中，△TM表示觀測時間，△f表示頻率分辨率，fs表示采樣頻率。程序中有一個M次的循環(huán)，每次運行該循環(huán)，系統(tǒng)就會讀入一個長為N的時域數(shù)據(jù)向量，然后將該向量轉(zhuǎn)換到頻率域，并送給檢測器模型。在M次循環(huán)結(jié)束之后，檢測器模型得到的幅度譜被送入對數(shù)處理程序中。最后，系統(tǒng)再糾正由TDEMI系統(tǒng)的頻率特性導致的誤差。文獻[6]中詳細描述了時域電磁干擾測量(TDEMI)系統(tǒng)中所用到的譜估計算法和檢測器模型。

EMC測試方案

1. 平穩(wěn)EMI信號的測量

EMI測量時遇到的信號通常都具有隨機性[7]。這些信號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，仍可認為，只要觀測時間△TM足夠長，一個隨機EMI信號的樣本x(t)(t0 t t0 +△TM)中可以包含該信號的所有信息。這時，x(t)的特性就與任意選擇的起始觀測時間t0無關(guān)，可以認為該信號是類平穩(wěn)的[8]。文獻[9]中詳細描述了這類信號的測量過程。我們利用TDEMI系統(tǒng)和傳統(tǒng)EMI接收機測量了商用膝上電腦的EMI輻射，并對二者的測量結(jié)果進行了比較。圖3所示就是利用這樣的測試裝置測得的一個典型時域數(shù)據(jù)向量。除了噪聲之外，其中還包含很大一部分由被測電路中所使用的各種時鐘信號輻射出來的平穩(wěn)諧波成分。

圖4給出了由TDEMI系統(tǒng)和傳統(tǒng)EMI接收機測得的譜結(jié)果，兩種測量方式均采用了均值檢測模式，觀測時間均為△TM = 5 ms。接收機頻率步進值為50 kHz，采用了一個帶寬為120 kHz的IF濾波器。從圖4中可以看出，TDEMI系統(tǒng)和傳統(tǒng)EMI接收機所測得的窄帶諧波信號的幅度譜基本匹配，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)噪聲接收機的噪聲性能不同造成的。

2. 瞬態(tài)EMI信號的測量

當信號中主要包含尖峰信號、突發(fā)信號和其他瞬態(tài)現(xiàn)象時，TDEMI系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)EMI接收機而言，就具有重大優(yōu)勢。因為在 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)信號發(fā)生時觸發(fā)。圖5給出了瞬態(tài)信號的觸發(fā)數(shù)據(jù)捕獲原理。對汽車發(fā)光裝置的測量就是一個實際例子。汽車發(fā)光裝置包括照明單元、電纜和一塊鉛酸電池。我們在1米左右的距離外，用一種類似于前面講過的方式，通過一個寬帶天線來接收該裝置輻射出的 EMI信號。在裝置斷電過程中，系統(tǒng)輻射出一系列脈沖，見圖6，之后，很長一段時間沒有任何輻射。我們將示波器設(shè)置為在這一系列脈沖邊沿觸發(fā)。第一次測量時，TDEMI系統(tǒng)測量了2500個頻段，每頻段內(nèi)以5 GS/s的速度采100 000個點。EMI接收機則將步進值設(shè)置為50 kHz，IF濾波器帶寬120 kHz，每點的停留時間為50毫秒。圖7給出了峰值檢測評估得到的幅度譜。在第二次實驗中，我們將停留時間增大到1秒。由于受時間約束，這次測量最高只能做到170 MHz，測量結(jié)果見圖8。比較兩次測量得到的結(jié)果，我們可以看出，在兩次測量中，TDEMI系統(tǒng)測量得到的幅度譜幾乎均和傳統(tǒng)EMI接收機測量的幅度譜上邊界吻合。在TDEMI系統(tǒng)測得的譜中，隨著測量時間的延長，只有測量的變化性稍為減緩，而EMI接收機測得的結(jié)果則很明顯嚴重依賴于停留時間。這是由目標信號的特性造成的。EMI接收機需要較長的停留時間才能保證在每個頻點上的每次測量均能夠恰好觀測到一個瞬態(tài)信號。而TDEMI系統(tǒng)則會根據(jù)前面談到的觸發(fā)條件自動對瞬態(tài)信號作出反應，并且在被測目標沒有EMI輻射的時候停止捕捉數(shù)據(jù)。這樣，TDEMI系統(tǒng)就有可能在很短的觀測時間內(nèi)完成精確的測量。

本文小結(jié)

本文介紹了寬帶時域測量技術(shù)用于解決電磁干擾問題的優(yōu)勢。利用TDEMI測量系統(tǒng)能夠仿效傳統(tǒng)的模擬EMI測量系統(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)測模式。本文還介紹了信號處理算法以及利用時域電磁干擾(TDEMI)系統(tǒng)得到的測量結(jié)果。與傳統(tǒng)模擬EMI測量設(shè)備相比，TDEMI系統(tǒng)的測量時間降低了一個數(shù)量級。

參考文獻：

[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.