基于数字示波器的EMI预测试
互联网 2022-11-28
    伴随着现代电子技术的发展,各种电子设备的集成度越来越高。大量高速总线和RF功能的引入,使设备本身产生更多的电磁辐射问题。同时,由于用户对采购产品的电磁兼容性要求越来越高,产品设计工程师必须努力降低设计产品的电磁干扰(EMI)。各个厂家也大量投入资金,对产品进行EMC兼容性的测试和认证。

  对于通常的EMC设计和认证流程,一般可以分为三个阶段,即产品设计预测试(Pre-test),产品预认证(Pre-compliance)和产品认证(compliance test)阶段。产品认证涉及到严格的标准和测试仪器与场地要求,很多公司在这一阶段是通过第三方的专业实验室完成的,在公司内部只进行预测试和预认证。传统的设计流程是产品设计完成后,交给产品测试部门进行预认证。如发现问题,将产品返回设计部门做相应的整改。但由于这种整改往往需要调整电路的设计,甚至涉及PCB的调整,通常过程复杂、时间冗长、代价高昂。设计人员希望在电路设计初期就能够发现问题,及时修正,以避免日后的大量整改工作。但我们不得不面临的一个问题是,电磁兼容设备一般价格不菲,为每个设计部门配备专业的电磁兼容测试设备投入很高。此外还有另一个新出现的问题,随着突发通信和高速总线的应用,一些EMI问题不再是持续产生的现象,它的产生通常和突发通信间隔及速率有关。传统的EMI接收机捕获这些问题的能力有限。更重要的是,即时发现了在某一个频点存在这种间歇性的EMI问题,也无法为设计人员提供足够的信息来诊断产生的原因。

  面临这些问题时,工程师会想起最常用的调试工具——示波器,如果示波器能够提供EMI测试的功能,将极大地降低整体的设计成本。如果还能够提供一些EMI产生原因的诊断信息,工程师的设计和整改流程将大幅加快。

  但令人遗憾的是,目前市场中的绝大多数示波器无法胜任这样的工作。虽然几乎所有的示波器都具有FFT频谱分析功能,但这样的功能往往精度差、更新速率低、无法灵活设置,达不到EMI预测试的要求。

  示波器的FFT功能不足主要有以下几个原因:首先,动态范围不足。示波器的A/D一般是8位的,但实际能够有效使用的位数(ENOB)往往不足6位,这种情况下无法准确测量微小的射频信号。再加上模拟前端的大量噪声,使得示波器的动态范围只有40~60dB左右。罗德与施瓦茨公司(R&S)的RTO示波器具有全带宽>7bit的ENOB,配合射频仪器级别的模拟前端,噪声只有100uv以下。这就保证了RTO示波器可以提供超过同类产品15~20dB的动态范围。

  其次,算法和功能实现问题。普通示波器没有与频谱分析仪类似的下变频电路,无法设置中心频率和分析范围,RBW也无从调整,所能看到的频谱基本是示意性的。如果增加参与FFT计算的样点,将极大降低频谱更新的速度。R&S RTO示波器的FFT功能是硬件实现的。通过专用的数字下变频器,用户可以像其他频谱仪一样设定中心频率、分析范围和RBW。由硬件实现的FFT运算快捷准确,不受其他功能和设置的影响,即使打开多种测量分析功能,频谱更新速度依然不变。从实时频谱分析仪中移植过来的多重重叠FFT算法,可以观测到同类设备无法看到的边带信息,极大减少了波形漏失。RTO示波器的频谱分析功能的另一个重要特点是分析的速度及实时性。快速的频谱更新保证了对偶发的EMI问题的捕获和显示。电路出现的任何电磁辐射问题都不会逃过RTO示波器的FFT功能。配合独有的频率模板触发功能和MSO功能,用户可以设定一个EMI触发条件,即在某个或某段频率内,只要出现EMI信号,示波器就能触发并捕获。此时不但可以看到EMI信号本身,配合连接到电路中的其他模拟和数字通道的时域信号,我们还可以分析出是何种原因导致了这个EMI事件的发生。例如高速USB接口的数据传输、2.4GHz射频模块的唤醒工作状态等。

  完成和EMI接收机类似的工作是使用示波器进行EMI预测试的一个重要目的。RTO示波器可以提供和EMI接收机类似的测试界面。通过MASK测试功能,我们可以设定一个符合EN标准的模板,观测整个系统的EMI发射状态是否满足标准的要求。如参照欧盟针对信息技术设备的标准EN55015Q对被测产品进行从9kHz~30MHz的电磁辐射测试。

  观测EMI的必要工具是EMI探头和预放大器。R&S公司拥有全套的电场磁场探头,方便用户探测各种芯片、电路和接口的EMI问题。外置预放大器带宽可达3GHz,帮助用户捕获微小的EMI信号。

  示波器是电子工程师最常用的工具,如果使用它们做EMI预测试的工作,那么示波器必须满足高动态范围、低杂散、高波形捕获率和高速FFT计算能力等要求。通过使用模板测试功能,工程师还可以进行相关标准的验证以及偶发EMI的诊断。R&S公司的RTO示波器集公司多年的射频、通信和数字设计的经验于一身,特别是EMC测试的经验,采用专用ASIC电路,具有强大的EMI测试和诊断能力,是电子工程师的得力工具。

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