使用4、5和6系列混合信號(hào)示波器排除電磁干擾故障

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輻射發(fā)射是對(duì)輻射電磁場(chǎng)的測(cè)量，而傳導(dǎo)發(fā)射則是對(duì)被測(cè)產(chǎn)品、設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)出的傳導(dǎo)電磁干擾電流的測(cè)量。根據(jù)設(shè)備的設(shè)計(jì)工作環(huán)境，全球范圍內(nèi)對(duì)這些輻射的上限都有相應(yīng)限制。如今，包括無(wú)線和移動(dòng)設(shè)備在內(nèi)的消費(fèi)電子產(chǎn)品層出不窮，設(shè)備之間的兼容性變得更加重要。產(chǎn)品之間不得相互干擾（輻射或傳導(dǎo)發(fā)射），而且在設(shè)計(jì)上必須不受外部能源的影響。大多數(shù)國(guó)家現(xiàn)在都強(qiáng)制對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行各類EMC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

EMI故障排除的三個(gè)步驟

許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可能熟悉近場(chǎng)探頭如何用于識(shí)別PC板和電纜上的 EMI“熱點(diǎn)”，但可能不清楚接下來(lái)該怎么做。我們以泰克6系列混合信號(hào)示波器上的頻譜視圖為例進(jìn)行說(shuō)明。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的EMI故障排除三步流程。

第一步 使用近場(chǎng)探頭（H場(chǎng)或E場(chǎng)）識(shí)別PC板和內(nèi)部電纜上的能量源和特征發(fā)射特性。能量源通常包括時(shí)鐘振蕩器、處理器、RAM、D/A或A/D轉(zhuǎn)換器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和其他產(chǎn)生高頻率、快速邊沿、數(shù)字信號(hào)的源。如果產(chǎn)品包括屏蔽外殼，則應(yīng)檢查其他接縫或孔隙是否有泄漏。記錄每個(gè)能量源的發(fā)射特性。

第二步 使用電流探頭測(cè)量高頻電纜電流。請(qǐng)記住，電纜是最可能輻射射頻能量的結(jié)構(gòu)。沿著電纜來(lái)回移動(dòng)探頭，最大限度地獲取最高諧波電流。記錄每根電纜的發(fā)射特性。

第三步 使用附近的天線（通常是1米測(cè)試距離）來(lái)確定實(shí)際輻射的諧波信號(hào)。記錄這些諧波并與近場(chǎng)和電流探頭電纜測(cè)量進(jìn)行比較。這將幫助您確定最有可能與電纜或接縫耦合并輻射到天線的能量源。

步驟1-近場(chǎng)探測(cè)

大多數(shù)近場(chǎng)探測(cè)套件都配備了E場(chǎng)和H場(chǎng)探頭。選擇H場(chǎng)或E場(chǎng)探頭取決于您將要探測(cè)的是電流-即高di/dt-（電路走線，電纜等）還是電壓-即dV/dt-（開(kāi)關(guān)電源等）。大多數(shù)故障排除都是使用H場(chǎng)探頭進(jìn)行的，因?yàn)槲覀兺ǔ?duì)追蹤高頻次諧波電流感興趣。直徑較小的探頭分辨率較高，但可能需要前置放大器來(lái)增強(qiáng)其信號(hào)。然而，H場(chǎng)和E場(chǎng)探頭都可用于定位屏蔽外殼中的漏洞或間隙。

從較大的H場(chǎng)探頭開(kāi)始，圍繞產(chǎn)品外殼、電路板和連接的電纜進(jìn)行嗅探。目標(biāo)是識(shí)別主要的電磁干擾源和主導(dǎo)的窄帶和寬帶頻率。記錄觀察到的位置和頻率特征。當(dāng)您鎖定干擾源時(shí)，不妨換用中等尺寸（1 厘米）的H場(chǎng)探頭（圖1），這將提供更高的分辨率（但稍微降低靈敏度）。您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)探測(cè)最終都是使用這個(gè)探頭。

圖1 使用近場(chǎng)探頭有助于確定可能的輻射源

此外，請(qǐng)注意，當(dāng)H場(chǎng)探頭的平面與走線或電纜平行時(shí)，探頭的靈敏度最高（會(huì)耦合最多的磁通量）。最好將探頭放置在與PCB板平面成 90°的位置。請(qǐng)參見(jiàn)圖2。

圖2 H 場(chǎng)探頭在與電路走線或電纜的相對(duì)定位時(shí)提供最佳靈敏度，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)回路收集最大的磁通線

需要注意的是，不是所有位于電路板上有高頻能量源都會(huì)產(chǎn)生輻射！輻射需要與“天線狀”結(jié)構(gòu)（例如 I/O電纜、電源電纜或屏蔽外殼中的縫隙）某種形式的耦合。在電路板級(jí)別應(yīng)用潛在修復(fù)措施時(shí)，請(qǐng)務(wù)必用膠帶固定近場(chǎng)探頭，以減少探頭尖端的物理位置變化。我們主要關(guān)注在應(yīng)用修復(fù)措施時(shí)的相對(duì)變化。

步驟2-電流探頭測(cè)量

接下來(lái)，使用高頻電流探頭測(cè)量附加的共模電纜電流（包括電源電纜），例如Com Power CLCE-400 或同等產(chǎn)品（圖3）。記錄頂部幾個(gè)諧波的位置，并與近場(chǎng)探測(cè)確定的列表進(jìn)行比較。這些諧波最有可能會(huì)輻射并導(dǎo)致測(cè)試失敗，因?yàn)樗鼈兞鹘?jīng)類似天線的結(jié)構(gòu)（電纜）。

請(qǐng)注意，只需要5到8μA的高頻電流就能使FCC或CISPR B類測(cè)試失敗。使用制造商提供的傳輸阻抗校準(zhǔn)曲線將幫助您根據(jù)探頭端口處的分析儀電壓計(jì)算出電流。

圖3 使用電流探頭測(cè)量在 I/O 和電源電纜上流動(dòng)的高頻電流

將電流探頭來(lái)回移動(dòng)以最大化諧波是個(gè)好主意。這是因?yàn)殡娎|上的駐波會(huì)導(dǎo)致某些頻率在不同位置產(chǎn)生共振。還可以根據(jù)線纜中流動(dòng)的電流來(lái)預(yù)測(cè)輻射的E場(chǎng)強(qiáng)度（V/m），前提是在相關(guān)頻率下長(zhǎng)度為電短路。這在高達(dá)200MHz的頻率下對(duì)1m長(zhǎng)的電纜已被證明是準(zhǔn)確的。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)1、2或5。

步驟3-使用近距天線故障排除

一旦產(chǎn)品的諧波特性完全表征，就該看看哪些諧波實(shí)際上會(huì)輻射。為此，我們可以使用連接到距產(chǎn)品或待測(cè)系統(tǒng)至少1m遠(yuǎn)的未校準(zhǔn)天線的4/5/6系混合示波器測(cè)量實(shí)際的輻射（圖4）。通常，這些輻射是來(lái)自連接的I/O或電源電纜以及屏蔽外殼的接縫或孔隙。將這些數(shù)據(jù)與近場(chǎng)和電流探頭的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。實(shí)際測(cè)量的輻射應(yīng)該能夠表明先前探測(cè)所確定的能量來(lái)源。

圖4 典型的輻射發(fā)射故障排除測(cè)試設(shè)置。天線與被測(cè)設(shè)備之間的距離約為1米

嘗試逐個(gè)拔掉電纜來(lái)確定電纜輻射是否是主要問(wèn)題。您還可以嘗試在一個(gè)或多個(gè)電纜上安裝鐵氧體扼流圈進(jìn)行測(cè)試。使用近場(chǎng)探頭確定屏蔽外殼的接縫或開(kāi)口是否也存在泄漏。

一旦確定了發(fā)射源，您可以利用您對(duì)濾波、接地和屏蔽的知識(shí)來(lái)減輕問(wèn)題輻射。嘗試確定從產(chǎn)品內(nèi)部到任何外部電纜的耦合路徑。在某些情況下，電路板可能需要通過(guò)優(yōu)化層堆疊或消除高速信號(hào)跨越返回平面間隙等方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。通過(guò)使用一定距離的天線實(shí)時(shí)觀察結(jié)果，減輕階段應(yīng)該會(huì)迅速進(jìn)行。

輻射和傳導(dǎo)發(fā)射故障排除

使用頻譜視圖對(duì)諧波進(jìn)行基本顯示，以及對(duì)諧波進(jìn)行時(shí)間相關(guān)分析，是排除EMI輻射問(wèn)題最有用的兩種技術(shù)。對(duì)于輻射和傳導(dǎo)發(fā)射故障排除，請(qǐng)按照上方所述的三步流程進(jìn)行。

商業(yè)或消費(fèi)類產(chǎn)品的輻射發(fā)射測(cè)試是根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CISPR 11或32進(jìn)行的，通常是最高風(fēng)險(xiǎn)的測(cè)試。大多數(shù)產(chǎn)品的輻射頻率在30到1000兆赫之間。最好的第一步是對(duì)500 MHz 進(jìn)行初步掃描，因?yàn)檫@通常是數(shù)字諧波最嚴(yán)重的頻段。您還希望記錄至少高達(dá)1GHz（或更高）的發(fā)射，以便表征任何其他主要發(fā)射。一般來(lái)說(shuō)，減輕較低頻率的諧波也將減少更高的諧波。

在4/5/6系混合信號(hào)示波器上設(shè)置頻譜視圖以進(jìn)行一般輻射發(fā)射故障排除

●   將您的近場(chǎng)探頭連接到通道1，雙擊通道1圖標(biāo)以打開(kāi)菜單面板。將探頭阻抗設(shè)置為50歐姆。

●   使用近場(chǎng)探頭，在待測(cè)電路板上找到一個(gè)樣本信號(hào)，并調(diào)整垂直、水平和觸發(fā)電平以獲得穩(wěn)定的波形。

●   在通道1圖標(biāo)打開(kāi)時(shí)，點(diǎn)擊頻譜視圖選擇以打開(kāi)面板并顯示選項(xiàng)。打開(kāi)顯示，并將單位設(shè)置為dBuV。打開(kāi)Normal和Max Hold框。Max Hold 表示最大頻譜幅度作為參考，有助于與當(dāng)前測(cè)量的頻譜進(jìn)行比較。單擊或點(diǎn)擊菜單外部以關(guān)閉。

●   雙擊頻譜菜單（屏幕右下角）。對(duì)于一般故障排除，讓我們將頻譜視圖頻率設(shè)置為DC至500 MHz。為此，將中心頻率設(shè)置為250MHz，帶寬設(shè)置為500MHz。只需雙擊每個(gè)選擇框以打開(kāi)數(shù)字鍵盤。對(duì)于大多數(shù)窄帶諧波，分辨率帶寬從10到20kHz 開(kāi)始使用。

●   可以縮小或展開(kāi)垂直刻度以顯示可讀的頻譜。

●   請(qǐng)注意，標(biāo)記閾值可以自定義，并且可以添加標(biāo)注，用箭頭、方框和用戶自定義文本來(lái)記錄具體設(shè)置。

在有足夠的電源線濾波的情況下，傳導(dǎo)發(fā)射通常不是問(wèn)題，但許多低成本電源供應(yīng)器缺乏良好的濾波。一些普通的“無(wú)名”電源供應(yīng)器根本沒(méi)有濾波功能！

對(duì)于商業(yè)或消費(fèi)類產(chǎn)品的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試是根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) CISPR11或32執(zhí)行的，將顯示傳導(dǎo)射頻噪聲電壓。4/5/6系列混合信號(hào)示波器連接到50歐姆端口，將顯示傳導(dǎo)射頻噪聲電壓。不同型號(hào)的LISN適用于交流或直流供電。

圖5 典型的線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）用于將線纜傳導(dǎo)的電磁干擾耦合到頻譜分析儀。照片由Tekbox Digital Solutions提供

理想情況下，您可以根據(jù)CISPR11或32標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置測(cè)試，如圖7所示。被測(cè)試設(shè)備（EUT）放置在一個(gè)高80厘米的木桌上，地面上有一個(gè)接地平面。LISN與接地平面連接，并與EUT以及帶頻譜視圖的4/5/6系列MSO。

圖6 典型的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試設(shè)置

連接線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN），例如Tekbox TBLC08，并將其放置在待測(cè)試的產(chǎn)品或系統(tǒng)與帶頻譜視圖的4/5/6系列MSO之間。在桌面故障排除時(shí)，最好鋪一層鋁箔作為接地平面。使用銅箔帶將LISN固定在鋁箔上。將被測(cè)設(shè)備與接地平面隔離。注意側(cè)邊欄中連接的順序！

設(shè)置頻譜視圖以進(jìn)行一般傳導(dǎo)發(fā)射故障排除

使用類似的步驟設(shè)置頻譜視圖以顯示0至30MHz的頻率。將中心頻率設(shè)為15MHz，捕獲帶寬設(shè)為30MHz，分辨率帶寬設(shè)為9或10kHz。上電被測(cè)設(shè)備，然后將LISN的50歐姆輸出端口連接到示波器。請(qǐng)注意，諧波頻率通常在較低（kHz）頻率處非常高，在接近30MHz 時(shí)逐漸降低。確保這些更高的諧波頻率不會(huì)使示波器過(guò)載。根據(jù)需要調(diào)整垂直刻度或在TekboxTBCL08 LISN（如圖6左下角所示）上選擇瞬態(tài)保護(hù)器，其中包括10dB衰減器。

頻譜視圖將捕獲峰值檢測(cè)到的諧波，所需的測(cè)試限制將以平均或準(zhǔn)峰值的形式給出，因此您將無(wú)法直接將測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試限制進(jìn)行比較。但是，您至少能夠確定潛在的問(wèn)題區(qū)域。諧波頻率的故障排除過(guò)程類似于之前描述的輻射發(fā)射測(cè)試。

分析收集的數(shù)據(jù)

請(qǐng)記住，并非所有近場(chǎng)信號(hào)都會(huì)耦合到“天線狀”結(jié)構(gòu)并輻射。請(qǐng)注意，在許多情況下，兩個(gè)或更多源將產(chǎn)生部分(或全部)相同的諧波。例如，25MHz時(shí)鐘和100MHz 時(shí)鐘都可以產(chǎn)生100、200、300MHz等的諧波。通常情況下，您需要修復(fù)多個(gè)源才能消除單個(gè)諧波。頻譜視圖包括一 些強(qiáng)大的數(shù)據(jù)捕獲和文檔功能，將有助于加快從步驟1到3的數(shù)據(jù)收集過(guò)程。

在分析諧波并確定最可能的源之后，下一步是確定從諧波源到產(chǎn)品外的耦合路徑。通常情況下 I/O或電源線才是實(shí)際的輻射結(jié)構(gòu)。有時(shí)，它可能泄漏的接縫或孔隙（例如顯示器或鍵盤）。

存在四種可能的耦合路徑：傳導(dǎo)、輻射、電容和電感。后兩者（電容和電感）被稱為“近場(chǎng)”耦合，信號(hào)源和受影響者之間距離的微小變化會(huì)在輻射能量中產(chǎn)生較大的影響。例如，將一根排線路徑安排得太靠近電源散熱器（電容耦合，或dV/dt）并導(dǎo)致輻射發(fā)射的情況，只需將排線移到離附近散熱器更遠(yuǎn)的地方，問(wèn)題就能得到解決。此外，還可以通過(guò)重新布線來(lái)降低源電纜和受影響電纜之間的電感耦合（di/dt）。這兩種內(nèi)部耦合機(jī)制（或類似的PCB板設(shè)計(jì)問(wèn)題）都可能導(dǎo)致傳導(dǎo)發(fā)射（通過(guò)電源電纜）或輻射發(fā)射（I/O或電源電纜充當(dāng)天線或外殼接縫/孔隙）。 在許多情況下，這僅僅是由于電纜屏蔽與屏蔽外殼的粘合不佳或I/O或電源端口缺乏共模濾波而導(dǎo)致輻射發(fā)射。

通常，在故障排除發(fā)射問(wèn)題時(shí)，您可能已經(jīng)進(jìn)行了正式的合規(guī)性測(cè)試，并知道諧波超限的程度。因此，在故障排除時(shí)，相對(duì)測(cè)量通常比絕對(duì)測(cè)量更重要。也就是說(shuō)，如果我們知道某些諧波超出限制5到10dB，目標(biāo)就是將這些諧波至少減少到這個(gè)水平或更低，以確保安全余量。因此，不需要校準(zhǔn)天線，因?yàn)橹挥邢鄬?duì)變化才重要。天線也不一定需要調(diào)諧到諧波的頻率。重要的是，來(lái)自EUT的諧波含量應(yīng)該很容易看到。