示波器在電磁兼容性試驗中耦合方式的選擇與應用研究

李金蓉 盧逐浪 傅小葉 張榮榮 張宇

摘要：針對電磁兼容性試驗中示波器耦合方式的選擇問題，文章對示波器耦合方式進行原理分析，結合《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》（GJB 151B-2013）中典型的電磁兼容性試驗進行解釋說明，最后通過試驗驗證了該選擇方法的合理有效性。

關鍵詞：示波器;耦合方式;電磁兼容性試驗

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0094-04

0 引言

隨著電力電子器件的多樣化和復雜化，現(xiàn)代社會的電磁環(huán)境日益復雜，電磁干擾問題愈發(fā)突出，加上電磁兼容法規(guī)在國內外的普遍實施，電磁兼容性問題在電力電子領域也受到越來越多的關注。國軍標《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》（GJB 151B-2013）[1]是目前軍品研發(fā)中使用最普遍的電磁兼容性標準，其中包含了傳導發(fā)射（CE）項目4項，傳導敏感性（CS）項目11項，輻射發(fā)射（RE）項目3項，輻射敏感性（RS）項目3項。在這些項目的試驗配置中示波器起著至關重要的作用，其一是監(jiān)測敏感性試驗項目中試驗方給受試產品施加的干擾信號，保證施加的信號符合GJB 151B-2013的要求，以確保受試產品能夠經(jīng)受住標準干擾信號的騷擾，為日后在復雜電磁環(huán)境中能夠正常工作提供保障;其二是監(jiān)測受試產品在一定工作情況下發(fā)出的信號，以驗證該產品發(fā)出的信號是否低于相應的GJB 151B-2013限值，即該產品工作時是否會影響其他電力電子器件的正常工作，為日后與其他產品的協(xié)同工作提供保障。然而不同的試驗項目中示波器的耦合方式不同，不同的耦合方式又會導致不同的測試結果[2]，這給很多試驗人員造成困惑，尤其是新入職的員工，常常在面對示波器耦合方式的選擇上猶豫不決。故本文通過對示波器的耦合方式進行原理分析，結合GJB 151B-2013中典型的試驗項目，針對不同試驗中示波器的耦合方式的選擇作出說明，并用試驗驗證了該選擇方法的合理性和有效性。

1 示波器耦合方式原理分析

示波器的接入通道設置首頁選項中，有一個重要的選項：耦合Coupling。所謂耦合Coupling是指待測信號是通過哪種路徑進入示波器，有AC/DC/GND三種選項，下面本文將針對這三種耦合方式進行原理分析。

1.1 直流耦合DC Coupling

直流耦合是將待測信號直接直通進示波器，故該種方式可以在示波器顯示屏上觀測到波形的完整樣子，如圖1所示。

舉例說明，如果原始波形是28V的直流同時有振幅為1V的正弦波，那么用直流耦合，在示波器屏幕上也就能看到高于0V，基準線為28V的振幅為1V的正弦波。

在直流耦合DC Coupling中還有另一個讓人困惑的問題，那就是輸入阻抗的選擇。輸入阻抗有1MΩ和50Ω兩種，下面針對輸入阻抗展開討論。

電信號實際上是以電磁波的形式在傳輸線中傳播的，當傳輸線的尺寸不再遠小于電磁波波長時，就不得不考慮這個“波”的特性了。當線路中發(fā)生反射的時候，入射波和反射波疊加在一起就會導致波形的失真，造成信號測量失誤。為阻止這種信號反射，就要保證傳輸介質均勻，任何一點橫截面幾何結構相同。在傳輸線終點也是一樣。只要保證信號的瞬時阻抗不變，同樣也不會發(fā)生反射。這就引出了特性阻抗的概念。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)均勻傳輸線的瞬時阻抗是純阻性的，于是考慮給負載并聯(lián)一個電阻，讓其阻性和特性阻抗相等，這樣信號就不會反射回去，電路就被清凈了，這種方法叫做終端匹配。

特性阻抗大小會影響信號傳輸功率、傳輸損耗、串擾等電氣性能，而其板材和幾何結構又影響制造成本，故只能找一個折中值。而50Ω正是同軸線的傳輸功率、傳輸損耗以及制造成本的一個最佳平衡點。所以大多數(shù)高速信號都會采用50Ω特性阻抗系統(tǒng)，形成標準并沿用至今，成為使用最廣泛的一種阻抗標準。示波器上50Ω的阻抗檔位的作用就是用來匹配50Ω系統(tǒng)中的傳輸線。

1MΩ的阻抗檔位的來源則是考慮到示波器的負載效應問題。示波器本身的輸入阻抗，在測量時不可避免要帶到測量電路中。信號差異主要是原電路輸出電阻和示波器1MΩ的分壓決定。原電路輸出電阻越小，示波器負載效應帶來的偏差就越小。

綜上所述，1MΩ的阻抗檔位是為了減小示波器的負載效應帶來的測量偏差，而50Ω的阻抗檔位則是為了消除傳輸線路上的信號發(fā)射，將傳輸線的影響降到最低。根據(jù)上述分析，可得出以下結論：

（1）當被測信號是一個無負載信號（如信號發(fā)生器），切采用50Ω特性阻抗同軸電纜與示波器相連時，則選擇50Ω的阻抗檔位;

（2）當被測信號擁有完整終端接收系統(tǒng)時則需要選擇1MΩ的阻抗檔位;

（3）若沒有進行特別說明，則優(yōu)先選用1MΩ的阻抗檔位，因為該檔位輸入阻抗大，可以盡量減小對被測電路的影響，同時因為分壓原理，該檔位下的輸入電壓可以達到幾百伏，否則容易導致示波器損壞。

1.2 交流耦合AC Coupling

交流耦合方式是將待測信號經(jīng)過一個隔直電容再進入示波器[3]，故可將待測信號中的直流成分去除，如圖2所示。

舉例說明，如果原始波形是28V的直流同時有振幅為1V的正弦波，那么用交流耦合，最終在示波器屏幕上會看到基準線為0V的振幅為1V的正弦波。

這種耦合方式可以讓觀測者對待測信號的交流分量進行仔細的觀測研究，但會過濾掉待測信號的直流分量。

1.3 接地GND

接地耦合方式，如圖3所示，其實就是將示波器的輸入端接地。此時應該在示波器上看到一條橫線，表示沒有任何信號。這個選擇設置的目的是讓使用者通過該選項確認接地后信號是否真的停在0V，進一步確認示波器本身的雜波是否會串到屏幕上，用來檢查示波器是否發(fā)生故障。

2 典型電磁兼容性試驗項目

下面就GJB 151B-2013中典型的幾個電磁兼容性試驗項目中關于示波器耦合方式的選擇進行具體分析。

2.1 CS115

測試設備如下：

脈沖信號發(fā)生器，50Ω;注入探頭;激勵電纜，50Ω;監(jiān)測探頭;校驗裝置：具有50Ω特性阻抗的同軸傳輸線;衰減器，50Ω;同軸負載，50Ω。

由GJB 151B-2013中對測試設備的說明可知，該項目測試設備均采用50Ω匹配負載，根據(jù)1.1小節(jié)的分析，可知CS115試驗測試配置中示波器應該選擇50Ω輸入阻抗，以減少傳輸線路對信號的影響。同時在校準配置中，信號到示波器之間并沒有終端負載，根據(jù)1.1小節(jié)的分析也可知校準時示波器也應選擇50Ω輸入阻抗。這一結論也與GJB 151B-2013中要求一致。

2.2 CS106

測試設備如下：

尖峰信號發(fā)生器，源阻抗不大于2Ω;電容器;示波器，高輸入阻抗;無感電阻器，5Ω;隔離變壓器。

根據(jù)GJB 151B-2013中對測試設備的描述，該項目測試配置中各設備并沒有要求50Ω的匹配負載，且明確要求了信號源的輸出阻抗較小，這樣當示波器選擇1MΩ的輸入阻抗時，示波器的負載效應帶來的偏差就會很小。同時該項目的尖峰信號峰值電壓達到幾百伏，為保證示波器不被損壞也應選擇1MΩ的輸入阻抗。此外，在校準配置中，信號輸出后有5Ω的終端負載，故根據(jù)1.1小節(jié)的分析，校準時示波器也應選擇1MΩ的輸入阻抗。

當然，由于交流耦合方式下示波器也呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，故CS106項目中也可選擇交流耦合方式。針對直流1MΩ的輸入阻抗和交流耦合的區(qū)別，主要是考慮設備本身的供電電壓幅值以及探頭的比例。由于直流高阻狀態(tài)下示波器上的顯示將是以供電電壓幅值為基準線的波形，若供電電壓過大，則可能導致該波形不在示波器的顯示范圍內，故本文認為本試驗中示波器采用交流耦合的方式更為合理。

2.3 CE107

CE107試驗主要考核設備因自身開關操作而可能在交直流電源線上產生尖峰干擾信號，該干擾信號可能會反干擾到接入同一電源的其他設備。故該試驗中示波器測量的信號是產品開關操作帶來的，不存在50Ω的阻抗匹配問題，故在如圖4所示的試驗配置中應當選擇直流1MΩ或者交流耦合方式，以盡量減少示波器負載效應的影響。

同時GJB 151B-2013中的限值為“額定電壓的+50%、-150%（直流電源線）”，緊接著還有一句注釋“尖峰信號的幅值以開關操作瞬間出現(xiàn)在電源電壓波形出的電壓為基準，不是以示波器縱軸的0V為基準”。而由于交流耦合方式會將直流分量去除，最后的波形均以0V為基準，容易讓試驗員和客戶產生疑問，故本文建議本試驗中示波器優(yōu)先選擇直流1MΩ的耦合方式。但若產品本身的供電電壓過大，導致干擾信號基準線過高，示波器的量程不足以對干擾信號進行完整顯示或精確顯示時，可選擇交流耦合的方式。

同時在電源特性的試驗中，有一個LDC107的項目，與CE107的配置很相似，但在示波器耦合方式的選擇上卻有不同的考慮，故本文在此也一并進行討論。LDC107試驗與CE107試驗的區(qū)別在于開關接入的位置，CE107由于考核的是產品自身開關操作引起的干擾，故開關接在產品和LISN（線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡）中間，無論開關如何操作，LISN處是通電的，示波器顯示值一直有一個穩(wěn)定的直流分量，觸發(fā)測到的干擾信號也不會存在階躍的問題。而LDC107試驗中，開關接在電源和LISN之間，那么開關的閉合就會導致LISN的通斷電，在示波器上就會出現(xiàn)階躍的信號。此時若采用交流耦合方式，會將該通斷電導致的階躍也算作是干擾信號，導致最后測量的干擾信號比實際的幅值大。故本文認為在LDC107試驗中，示波器必須采用直流高阻的耦合方式，才能對干擾信號進行正確的測量。

3 試驗驗證

3.1 CS115校準

根據(jù)GJB 151B-2013標準中CS115的校準配置圖，本文開展了如圖5所示的CS115校準。試驗中采用的設備均是經(jīng)過檢定且在有效期內的。

若示波器采用直流，50Ω的耦合方式，則當脈沖信號發(fā)生器輸出設置為787時，有如圖6所示的測試數(shù)據(jù)圖。

此時最大負尖峰電壓值為245V，根據(jù)50Ω的阻抗匹配，可知此時注入探頭注入的電流值為4.9A，基本達到GJB 151B-2013中CS115項目對信號峰值的限值要求（5A）。而若此時選擇直流，1MΩ的耦合方式，則相同配置下能得到如圖7所示的試驗數(shù)據(jù)圖。

根據(jù)圖7，此時最大負尖峰電壓值為458V，若試驗者不清楚直流耦合中50Ω和1MΩ的區(qū)別，將二者等同，則會認為此刻注入探頭注入的電流為9.16A。即若按直流，1MΩ的耦合方式進行校準，此時得到的校準值會比787（直流50Ω下脈沖信號發(fā)生器的輸出校準值）小得多。這會導致按校準值進行試驗時，注入電流比5A小很多，最終導致試驗欠考核，影響試驗數(shù)據(jù)可靠性。

3.2 CE107

根據(jù)GJB 151B-2013標準中CE107的測試配置圖，本文開展了如圖8所示的CE107試驗。試驗中采用的設備均是經(jīng)過檢定且在有效期內的。

此時示波器采用直流1MΩ和交流耦合方式得到的測試數(shù)據(jù)分別如圖9和圖10所示。根據(jù)本文第2節(jié)的分析，CE107項目中直流1MΩ和交流耦合的區(qū)別在于基準線，直流1MΩ耦合保留了產品的供電電壓（如圖9中Y1為28V），而交流耦合方式則將直流28V去掉了，只留下交流分量（如圖10中Y1為0V）。但是CE107試驗中兩種耦合方式得到的信號的幅值是一致的，即圖9中ΔY為40.5V，圖10中的ΔY為41.0V，基本是一致的，0.5V的差別只是重復手動測量帶來的誤差。

這里附帶討論一下LDC107試驗的情況。在LDC107試驗中，若示波器采用直流1MΩ和交流耦合方式，得到的測試數(shù)據(jù)如圖11和圖12所示。

同樣，根據(jù)本文第2節(jié)的分析，LDC107試驗中存在著供電電壓的階躍現(xiàn)象，此時若用直流1MΩ的耦合方式，則可以準確看出試驗狀態(tài)，且開關操作帶來的尖峰幅值可以用光標準確測量出來，如圖11中該產品在開關關閉時未測出尖峰信號，但是仍然測出一個28V左右的階躍。而同時若示波器采用交流耦合的方式，則會測出如圖12所示的尖峰，這個尖峰幅值是將28V電源的開關階躍包含進去了，影響了試驗員對真實開關操作帶來的尖峰幅值的測試，故本文認為在LDC試驗中應該選擇直流1MΩ的耦合方式。

4 結語

本文針對電磁兼容性試驗中示波器耦合方式的選擇問題，對示波器幾種耦合方式進行了原理分析，結合GJB 151B-2013中典型的試驗項目進行解釋說明，并經(jīng)過試驗驗證，提出了不同試驗情況下的示波器耦合方式選擇方法，有助于試驗員在試驗配置中進行合理且正確的選擇，有效保障了測試數(shù)據(jù)的真實性和有效性，具有很大的實用價值。

參考文獻

[1] 中國人民解放軍總裝備部.GJB151B-2013軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量[S].北京：中國標準出版社，2013.

[2] 劉婷婷.示波器測量波形淺析[J].電子世界，2014（11）：182.

[3] 汪進進.示波器耦合方式對電源負載動態(tài)恢復特性測試結果的影響[J].中國集成電路，2016，25（8）：43-46+69.