使用示波器測試 EMI 輻射干擾

引言
手機(jī)，藍(lán)牙耳機(jī)，衛(wèi)星廣播，AM/FM 廣播，無線因特網(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 測試環(huán)境，因?yàn)樗軌蛲耆刂瓶臻g中產(chǎn)生的電磁場的頻率，方向，波長。而且因?yàn)殡姶艌鰺o法進(jìn)入密閉的空間，在抗擾室測試的汽車部件在測試過程中能夠接收精確且高度可控的電磁波。同時(shí)，電磁波也無法離開干擾室，用于測試的測量儀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)代汽車包含成百上千個(gè)電子電路以實(shí)現(xiàn)安全、娛樂以及舒適相關(guān)的各種各樣的功能。這些汽車電子部件，也被稱為電子控制單元（ECU），必須滿足嚴(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)抗干擾測試設(shè)置包括被測的電子控制單元（ECU），電線束，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)以代表汽車電子控制單元（ECU）的接口；發(fā)送和接收天線用于產(chǎn)生高場強(qiáng)的電磁波；還有模式調(diào)諧器被放置于干擾室來改變空間的幾何尺寸，以創(chuàng)造測試中需要的電磁場效果。汽車電子控制單元（ECU）在預(yù)設(shè)模式下運(yùn)行并暴露在電磁干擾場中。

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

被測的汽車電子控制單元（ECU）需要符合嚴(yán)格的 ISO（標(biāo)準(zhǔn)化國際組織）規(guī)則，以及汽車廠商和汽車電子控制單元（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)于電磁場的抗干擾能力會(huì)有輕微的差異，檢測與可接收標(biāo)準(zhǔn)間的性能偏離，以及決定這些值什么時(shí)候超出測試計(jì)劃規(guī)則，是執(zhí)行 EMI 測試工程師的任務(wù)和責(zé)任。

在EMI測試過程中確定汽車電子控制單元（ECU）是否仍舊正常工作的方法是讓其通過ECU的輸出端口如 CAN 總線輸出它的工作狀態(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。

場的強(qiáng)度及考慮
ISO/IEC 61000-4-21 中描述的輻射 RF 抗干擾測試中使用的場強(qiáng)和頻率類型是一個(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)測試頻率范圍在 0.4~3GHz、場強(qiáng)高達(dá) 200 V/m（CM和 AM）以及 600 V/m（雷達(dá)脈沖）的均勻場。

另外一個(gè)示例，ISO 11452-4 中描述的傳導(dǎo) RF 抗干擾測試中使用的是一個(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，從而可以在測試平臺(tái)附近創(chuàng)造出足夠強(qiáng)的場以影響非屏蔽設(shè)備的運(yùn)作。這樣的測試環(huán)境避免了測試儀器到測試設(shè)置的直接連接。

面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是汽車電子控制單元（ECU）的輸出數(shù)據(jù)來自于一個(gè)封閉空間，這個(gè)空間與測試區(qū)域隔離，測試儀器和測試人員位于封閉空間之外，所以必須要有一種辦法來將封閉空間產(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)的線纜如 BNC 或 SMA 線纜本身是可導(dǎo)電的而且容易受到來自于干擾室內(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)的電磁場的影響。為了將線纜從干擾室內(nèi)部連接到測試設(shè)備上，在干擾室邊界處波導(dǎo)管被用來輸出光信號(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試的頻率范圍，因此不會(huì)對(duì)干擾室中所創(chuàng)造的的環(huán)境產(chǎn)生干擾。

電磁干擾測試設(shè)備設(shè)置
下圖 1 是一個(gè)用于抗干擾測試中偏移探測的實(shí)際設(shè)置，在密閉干擾室（發(fā)送天線處于關(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波導(dǎo)從接近地板位置離開混響室。用于測試的 ECU，以及發(fā)送和接收天線也位于混響室內(nèi)部，在本圖中沒有顯示出來。

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

典型的測試方法是，到達(dá)混響室外的信號(hào)被數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集，并需要用戶自定義軟件來確定從ECU 輸出的 CAN 總線信號(hào)，傳感器信號(hào)，或者 PWM 輸出是否滿足特定的需求。因?yàn)橛泻芏嘈盘?hào)需要測試，以及有許多測試標(biāo)準(zhǔn)，所以描述測試計(jì)劃中所有的測試需求的軟件開發(fā)時(shí)間和成本將是非常漫長和昂貴的。將示波器用于 EMI 測試領(lǐng)域是一個(gè)相對(duì)來說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)配了模板測試和參數(shù)門限測試能力，所以能夠一次性直接執(zhí)行許多測試需求，而不需要花費(fèi)大量的軟件開發(fā)時(shí)間。

圖 2 中，銅色的通往 EMC 干擾室的外部的門位于測試平臺(tái)的右側(cè)。在左側(cè)，攜帶功能測試結(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 BNC 線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信號(hào)的功能標(biāo)準(zhǔn)，能夠通過計(jì)算機(jī)在測試過程中進(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，模板測試被打開。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)稱值或者偏離該標(biāo)稱值的百分比。本例中，每個(gè)波形都滿足所有的測試標(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)，通過模板測試標(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)的模板測試失敗。不像其它的三個(gè)信號(hào)，CAN 分離信號(hào)沒有受到 EMI 的影響并繼續(xù)通過測試。此類型的模板測試方法允許同時(shí)進(jìn)行多種標(biāo)準(zhǔn)的快速測試。

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)均不能通過模板測試，示波器會(huì)提示操作人員有錯(cuò)誤出現(xiàn)

除了波形模板測試以外，Pass/Fail 限定測試也適用于參數(shù)，可用于確保測量數(shù)值結(jié)果是否滿足特定的規(guī)定值。如圖 5 中的屏幕圖形，示波器在測試標(biāo)準(zhǔn)下方使用紅色的“Fail”信息指示了三個(gè)失敗。當(dāng)模板測試或者參數(shù)限定測試失敗事件發(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)化測試，以及發(fā)出一個(gè)警告通知測試操作員有問題出現(xiàn)。

結(jié)論
雖然在抗干擾測試中，示波器能夠快速的執(zhí)行用于確定 EMC 偏離的參數(shù)測量，但由于過去缺乏重視和足夠的示波器通道數(shù)量，在抗干擾測試中示波器經(jīng)常被忽視。典型的，參數(shù)結(jié)果的分析需要開發(fā)用戶自定義設(shè)計(jì)的軟件，而且很可能需要用戶自己設(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)限值測試能力的示波器組合起來能夠直接用于分析各部件的傳感器輸出。

在抗干擾測試中，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價(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)限值測試功能完成，相對(duì)于花費(fèi)成本自己開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件執(zhí)行同樣嚴(yán)格的 EMI 偏離測試，EMC 工程師可以節(jié)省下大量的時(shí)間和精力。