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    如何使用示波器測量EMI干擾


    手機,藍牙耳機,衛星廣播,AM/FM廣播,無線因特網,雷達,以及其它不計其數的潛在電磁干擾源發射出的電磁波混雜在真實世界中,為了確保汽車內的電子元器件仍舊穩健和有效,它們需要在一個受控環境中進行EMI干擾測試。

    輻射抗擾室是一個完全密封的傳導空間,是一個理想的EMI測試環境,因為它能夠完全控制空間中產生的電磁場的頻率,方向,波長。而且因為電磁場無法進入密閉的空間,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,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產生的強電磁波的傷害。

    現代汽車包含成百上千個電子電路以實現安全、娛樂以及舒適相關的各種各樣的功能。這些汽車電子部件,也被稱為電子控制單元(ECU),必須滿足嚴格的EMI干擾標準。

    電磁干擾室配置

    在電磁干擾室內部,典型的器件級抗干擾測試設置包括被測的電子控制單元(ECU),電線束,以及包含實際或者等效電子負載的仿真器,還有一系列外設以代表汽車電子控制單元(ECU)的接口;發送和接收天線用于產生高場強的電磁波;還有模式調諧器被放置于干擾室來改變空間的幾何尺寸,以創造測試中需要的電磁場效果。汽車電子控制單元(ECU)在預設模式下運行并暴露在電磁干擾場中。

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

    被測的汽車電子控制單元(ECU)需要符合嚴格的ISO(標準化國際組織)規則,以及汽車廠商和汽車電子控制單元(ECU)部件供應商之間達成的需求。因為每個電子部件對于電磁場的抗干擾能力會有輕微的差異,檢測與可接收標準間的性能偏離,以及決定這些值什么時候超出測試計劃規則,是執行EMI測試工程師的任務和責任。

    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。其它的ECU輸出也包括模擬傳感器輸出,以及驅動執行器的脈沖寬度調制輸出。

    場的強度及考慮

    ISO/IEC61000-4-21中描述的輻射RF抗干擾測試中使用的場強和頻率類型是一個典型的示例,它使用了一個包含機械模式調諧器的混響室,當在一個給定的測試頻率下足夠多的調諧器位置被獲得時,混響室可用空間產生一個測試頻率范圍在0.4~3GHz、場強高達200 V/m(CM和AM)以及600 V/m(雷達脈沖)的均勻場。

    另外一個示例,ISO 11452-4中描述的傳導RF抗干擾測試中使用的是一個嵌位電流注入探頭以誘導RF電流進入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附近創造出足夠強的場以影響非屏蔽設備的運作。這樣的測試環境避免了測試儀器到測試設置的直接連接。

    面臨的一個挑戰是汽車電子控制單元(ECU)的輸出數據來自于一個封閉空間,這個空間與測試區域隔離,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生的數據傳送到封閉空間之外用于分析。因為傳統的線纜如BNC或SMA線纜本身是可導電的而且容易受到來自于干擾室內部的電磁波的影響,因此光發送和接收單元以及光纖需要被用來將干擾室內部的ECU發出的信號傳送到位于干擾室外部的測試設備。光纖是非導體所以不會受到干擾室內的電磁場的影響。為了將線纜從干擾室內部連接到測試設備上,在干擾室邊界處波導管被用來輸出光信號,從而允許干擾室在將ECU的信號輸出時仍舊保持完全的封閉。光纖波導擁有一個高通截止頻率,該頻率高于在干擾室中測試的頻率范圍,因此不會對干擾室中所創造的環境產生干擾。

    電磁干擾測試設備設置

    下圖1是一個用于抗干擾測試中偏移探測的實際設置,在密閉干擾室(發送天線處于關閉狀態時)空間中拍攝的圖片。模式調諧器位于干擾室的右側,干擾室的左側有一個CAN總線光纖發送器,放置于泡沫平臺上,該平臺的相對介電常數< 1.4且位于混響室的可用空間中。光纖發送器將ECU的輸出信號轉化為光后進入免受射頻干擾的光纖并通過波導從接近地板位置離開混響室。用于測試的ECU,以及發送和接收天線也位于混響室內部,在本圖中沒有顯示出來。


    圖1、配有模式調諧器(右)和光纖發送器(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,到達混響室外的信號被數據采集設備采集,并需要用戶自定義軟件來確定從ECU輸出的CAN總線信號,傳感器信號,或者PWM輸出是否滿足特定的需求。因為有很多信號需要測試,以及有許多測試標準,所以描述測試計劃中所有的測試需求的軟件開發時間和成本將是非常漫長和昂貴的。將示波器用于EMI測試領域是一個相對來說未被廣泛探索的方法,該方法可以將一個陣列的示波器放置于干擾室外,使用多臺示波器進行實時分析。因為示波器已經標配了模板測試和參數門限測試能力,所以能夠一次性直接執行許多測試需求,而不需要花費大量的軟件開發時間。

    圖2 中,銅色的通往EMC干擾室的外部的門位于測試平臺的右側。在左側,攜帶功能測試結果的橘黃色光纖中的光信號被轉換為電信號后通過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據動態分析的示波器陣列

    示波器中的波形模板用于分析相對于預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的功能標準,能夠通過計算機在測試過程中進行自動化的調整。

    在下圖3,4,5中,一臺示波器正用于監控仿真ECU的輸出。鑒于保密原因使用仿真數據,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,用于控制一個輸出驅動執行器信號。仿真執行器信號被捕獲在通道3上,CAN分離信號被捕獲在通道4上。

    電磁兼容一致性測試

    下圖3顯示的是關閉模板后示波器采集到的數據信號,每個信號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,所有4個波形同時被捕獲。


     圖3、仿真的ECU輸出信號包括通道1和2的PWM信號,通道3的執行驅動器輸出信號,以及通道4的CAN分離信號

    下圖4中,模板測試被打開。模板的形狀可用于驗證信號高電平,信號低電平,頻率,占空比,以及測試計劃中描述的其它規格標準。模板的厚度顯示了標稱值附近的指定容限帶。而且模板驗證了每一個采集到的波形是否偏離定義的標稱值或者偏離該標稱值的百分比。本例中,每個波形都滿足所有的測試標準。特別重要的是示波器能夠使用預先定義好的模板標準持續的進行邊沿觸發,持續的監控是否有錯誤。示波器觸發的標準是出現在通道2的一個邊沿,示波器可以被設置好用于識別和歸檔每次出現的錯誤。


    圖4、仿真的ECU輸出信號,通道1和2顯示的PWM信號,通道3顯示的執行器驅動輸出信號,通道4顯示的CAN分離信號均在定義的容限模板內,通過模板測試標準

    圖5中,仿真的ECU受到了干擾室內的EMI影響,導致了幅度調制,降低的幅度,以及占空比和頻率的變化從而使得PWM信號和執行器驅動輸出信號的模板測試失敗。不像其它的三個信號,CAN分離信號沒有受到EMI的影響并繼續通過測試。此類型的模板測試方法允許同時進行多種標準的快速測試。


    圖5、當施加EMI后,仿真的ECU輸出PWM信號和執行器驅動輸出信號均不能通過模板測試,示波器會提示操作人員有錯誤出現

    除了波形模板測試以外,Pass/Fail限定測試也適用于參數,可用于確保測量數值結果是否滿足特定的規定值。如圖5中的屏幕圖形,示波器在測試標準下方使用紅色的“Fail”信息指示了三個失敗。當模板測試或者參數限定測試失敗事件發生后,示波器也可自動執行一些動作,比如保存波形數據用于直接比較和歸檔,保存屏幕圖像用于歸檔和評估,產生一個脈沖信號用于輔助自動化測試,以及發出一個警告通知測試操作員有問題出現。

    結論

    雖然在抗干擾測試中,示波器能夠快速的執行用于確定EMC偏離的參數測量,但由于過去缺乏重視和足夠的示波器通道數量,在抗干擾測試中示波器經常被忽視。典型的,參數結果的分析需要開發用戶自定義設計的軟件,而且很可能需要用戶自己設計硬件——這兩者都是費時間而且價格昂貴的。然而,多臺帶有pass/fail模板和參數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證傳感器輸出是否符合要求的潛在的最具性價比的方法,因為大部分功能可以使用示波器中已經具有的pass/fail模板和參數限值測試功能完成,相對于花費成本自己開發數據采集軟件執行同樣嚴格的EMI偏離測試,EMC工程師可以節省下大量的時間和精力。



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