一種現(xiàn)場(chǎng)電磁信號(hào)還原試驗(yàn)方法

黎亮文，陳輝，史云雷，邵鄂，李帥男，李宣毅

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370；2.智能產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)與可靠性保障技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 511370）

前言

電子設(shè)備交付使用前，通常需要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的波形和等級(jí)開(kāi)展電磁兼容性試驗(yàn)以驗(yàn)證此設(shè)備的電磁抗干擾能力，如參考GB/T 17626 系列，GJB 151B-2013 等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，然而標(biāo)準(zhǔn)的波形與現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境信號(hào)存在差異，以至于某些電子設(shè)備在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)電磁兼容問(wèn)題。而當(dāng)電子設(shè)備由于電磁兼容問(wèn)題引起故障時(shí)，設(shè)備使用者或生產(chǎn)廠商一般會(huì)將故障設(shè)備重新按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)尋找故障原因。多數(shù)實(shí)驗(yàn)室是以標(biāo)準(zhǔn)要求的波形合理配備干擾源，常規(guī)做法是采用波形特征逼近現(xiàn)實(shí)電磁環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)故障設(shè)備考核，但難以真正還原現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。因此，本文提出一種基于任意波發(fā)生器的電磁信號(hào)還原試驗(yàn)方法，補(bǔ)充了現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾試驗(yàn)驗(yàn)證方法。

1 總體技術(shù)路線

首先使用示波器進(jìn)行環(huán)境電磁信號(hào)采集，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理，導(dǎo)入任意波發(fā)生器中，任意波發(fā)生器還原采集的信號(hào)，經(jīng)過(guò)注入系統(tǒng)加載到受試設(shè)備，從而觀察設(shè)備的故障原因?？傮w思路如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)電磁信號(hào)還原試驗(yàn)方法總體思路

2 信號(hào)采集

當(dāng)應(yīng)用在實(shí)際環(huán)境中的電子設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，首先對(duì)環(huán)境信號(hào)進(jìn)行采集分析，判斷是輻射干擾還是傳導(dǎo)干擾引起的問(wèn)題。電磁信號(hào)以電場(chǎng)輻照、磁場(chǎng)輻照、電壓耦合和電流耦合四種方式作用于電子設(shè)備。電場(chǎng)和磁場(chǎng)通過(guò)空間耦合到設(shè)備內(nèi)部形成電壓和電流，引起內(nèi)部器件的電位差，從而對(duì)設(shè)備造成影響；而電壓和電流則是直接通過(guò)線纜傳導(dǎo)方式干擾設(shè)備內(nèi)部器件，使其出現(xiàn)故障。信號(hào)采集系統(tǒng)以示波器為核心，搭配電場(chǎng)探頭、磁場(chǎng)探頭、電壓探頭和電流探頭，對(duì)設(shè)備故障現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境進(jìn)行場(chǎng)和路全面測(cè)量，信號(hào)采集系統(tǒng)配置如圖2 所示。需要注意，信號(hào)采集設(shè)備帶寬越大，捕獲到的波形分量越多，信號(hào)的采集就越真實(shí)。

圖2 環(huán)境信號(hào)采集配置

3 信號(hào)處理

3.1 波形數(shù)據(jù)處理

任意波發(fā)生器無(wú)法直接識(shí)別示波器保存的波形數(shù)據(jù)，需要通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，刪除不必要的信息，保留示波器采集信號(hào)每一個(gè)點(diǎn)數(shù)的橫坐標(biāo)時(shí)間和縱坐標(biāo)幅值，并將縱坐標(biāo)幅值作歸一化處理。

3.2 任意波發(fā)生器

信號(hào)發(fā)生器作為一種信號(hào)源在電路設(shè)計(jì)調(diào)試，電子設(shè)備測(cè)試中應(yīng)用廣泛。標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)發(fā)生器只能產(chǎn)生集中固定形狀的波形，而任意波發(fā)生器在帶寬滿足的條件下，可以創(chuàng)造任何設(shè)想的波形[1]。在電磁兼容測(cè)試中，任意波發(fā)生器可以同時(shí)輸出不同頻點(diǎn)的信號(hào)，合成為更復(fù)雜的波形，加載到被試設(shè)備中，從而滿足不同的測(cè)試需求。

基于任意波發(fā)生器的信號(hào)合成特點(diǎn)，將現(xiàn)場(chǎng)采集到并經(jīng)過(guò)處理后的電磁信號(hào)波形導(dǎo)入到任意波發(fā)生器中，使其識(shí)別每個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值，形成波形文件。

4 信號(hào)還原

處理后的信號(hào)波形導(dǎo)入任意波發(fā)生器中形成波形文件，調(diào)用并輸出，使用示波器對(duì)導(dǎo)入的波形進(jìn)行驗(yàn)證，得到實(shí)際電磁環(huán)境干擾源。增大輸出以滿足真實(shí)信號(hào)幅值要求，但任意波發(fā)生器輸出幅度有限，可能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境采集信號(hào)的幅值要求，當(dāng)最大信號(hào)輸出幅值不滿足要求時(shí)，則要在任意波發(fā)生器和注入設(shè)備之間增加一個(gè)波形功率放大器，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集得到的數(shù)據(jù)，分為電流注入、電壓注入、磁場(chǎng)輻照和電場(chǎng)輻照四種干擾加載方式。

4.1 電流注入

電流注入耦合裝置選用電磁耦合鉗，電磁耦合鉗是一種非接觸式、高效寬帶的夾鉗式注入設(shè)備，用于測(cè)試電子產(chǎn)品的抗擾度，尤其常用于測(cè)試非屏蔽的多根電纜[2]。對(duì)時(shí)域脈沖類(lèi)的寬帶信號(hào)，需要選擇插入損耗平坦的電磁耦合鉗，避免出現(xiàn)注入波形失真情況。采用電磁耦合鉗的電流注入系統(tǒng)配置如圖3 所示。

圖3 電流注入系統(tǒng)配置

4.2 電壓注入

在電磁兼容測(cè)試中，對(duì)于電壓耦合測(cè)試，通常采用耦合網(wǎng)絡(luò)對(duì)被試設(shè)備線纜注入電壓。耦合網(wǎng)絡(luò)的作用是將發(fā)生器的信號(hào)波形注入到被試設(shè)備線纜上，同時(shí)限制設(shè)備線纜的電流流入波形發(fā)生器本體造成損壞[3]。阻容耦合是常見(jiàn)的方法，對(duì)耦合不同的波形要選用適當(dāng)?shù)淖柚岛腿葜?，若選用小的耦合電容值，耦合效率較低，但另一側(cè)殘余浪涌電壓也相對(duì)較低；若選用大的耦合電容值，則耦合到EUT 效率較高，但殘余電壓較高，需要折中考慮。電壓注入系統(tǒng)配置圖如圖4 所示。

圖4 電壓注入系統(tǒng)配置

4.3 磁場(chǎng)輻照

磁場(chǎng)線圈是產(chǎn)生磁場(chǎng)的基本裝置，電流流過(guò)磁場(chǎng)線圈，線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：

H—磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位安培每米（A/m）；

N—?jiǎng)?lì)磁線圈匝數(shù)；

I—?jiǎng)?lì)磁電流，單位安培（A）；

Le—有效磁路長(zhǎng)度，單位米（m）。

對(duì)于一個(gè)1 m×1 m 的單匝正方形磁場(chǎng)線圈，流過(guò)1 A 的電流，則線圈中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 A/m，將電流探頭布置在磁場(chǎng)線圈注入點(diǎn)處監(jiān)控注入的波形幅值和參數(shù)是否達(dá)到要求。采用磁場(chǎng)線圈的磁場(chǎng)輻照系統(tǒng)配置如圖5 所示。

圖5 磁場(chǎng)輻照系統(tǒng)配置

4.4 電場(chǎng)輻照

時(shí)域信號(hào)波形的電場(chǎng)輻照裝置采用GTEM 小室，GTEM 小室常用于電磁兼容輻射抗擾度的試驗(yàn)，頻率范圍為直流到GHz 級(jí)別，輸入阻抗50 Ω，平坦度好，波形加載不容易失真，且電場(chǎng)強(qiáng)度大小可根據(jù)公式直接計(jì)算。GTEM 小室內(nèi)部測(cè)試區(qū)域電場(chǎng)計(jì)算公式如下[4]：

式中：

Z—GTEM 小室特性阻抗，單位歐姆（Ω）；

P—輸入凈功率，單位瓦（W）；

U—輸出電壓，單位伏特（V）；

h—GTEM 小室芯板和底板之間的距離，單位米（m）。

采用GTEM 小室的電場(chǎng)輻照配置如圖6 所示。將受試設(shè)備放置在GTEM 小室測(cè)試區(qū)域，逐漸增大輸入電壓，直至到達(dá)要求的電場(chǎng)。

圖6 電場(chǎng)輻照系統(tǒng)配置

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 信號(hào)波形還原驗(yàn)證

采用力科示波器SDA820Zi-B 和Keysight 任意波發(fā)生器33511B 對(duì)信號(hào)還原進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，圖7 中藍(lán)色曲線是示波器隨機(jī)捕獲的一個(gè)信號(hào)波形，波形上升沿6.7 μs，半脈寬54.0 μs，將示波器波形導(dǎo)出處理后，下載到任意波發(fā)生器中，直接使用示波器測(cè)量任意波發(fā)生器輸出波形，如圖7 中淺色曲線所示，測(cè)量得到波形上升沿6.7 μs，半脈寬53.8 μs，任意波發(fā)生器的輸出波形與示波器捕獲波形走勢(shì)完全一致，波形參數(shù)也十分接近。

圖7 隨機(jī)信號(hào)還原波形對(duì)比

5.2 不同加載方式波形還原驗(yàn)證

采用電磁耦合鉗、電壓耦合網(wǎng)絡(luò)、磁場(chǎng)線圈和GTEM 小室開(kāi)展電流注入、電壓注入、磁場(chǎng)輻照和電場(chǎng)輻照四種加載方式實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖8，對(duì)這四種加載方式的波形參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，作歸一化處理并與發(fā)生器輸出波形進(jìn)行對(duì)比。圖9 和表1 結(jié)果表示，以發(fā)生器輸出波形作為基準(zhǔn)，四種加載方式的波形與輸出波形走勢(shì)一致，上升沿和半脈寬的參數(shù)都在±20 %誤差范圍內(nèi)。

表1 波形參數(shù)誤差

圖8 波形加載方式

圖9 不同加載方式還原波形對(duì)比

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了空間輻射和線纜傳導(dǎo)四種加載方式實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)4 種加載方式的波形測(cè)量，量化上升沿和半脈寬，驗(yàn)證其誤差均在±20 %以?xún)?nèi)，滿足GB/T 17626 系列抗擾度標(biāo)準(zhǔn)波形的時(shí)間誤差要求。實(shí)驗(yàn)證明了基于任意波發(fā)生器的電磁信號(hào)還原試驗(yàn)方法的可行性，此方法能夠還原現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)電磁信號(hào)，補(bǔ)充了標(biāo)準(zhǔn)以外的實(shí)際電磁信號(hào)波形加載試驗(yàn)方法，對(duì)排查設(shè)備問(wèn)題，定位故障原因，加強(qiáng)設(shè)備抗電磁干擾能力具有現(xiàn)實(shí)意義。