電磁干擾測量與診斷
當你的產品由於電磁干擾發射強度超過電磁相容標準規定而不能出廠時，或當由於電路模組之間的電磁干擾，系統不能正常工作時，我們就要解決電磁干擾的問題。要解決電磁干擾問題，首先要能夠「看」到電磁干擾，了解電磁干擾的幅度和發生源。本文要介紹有關電磁干擾測量和判斷干擾發生源的方法。
１．測量儀器
談到測量電訊號，電氣工程師首先想到的可能就是示波器。示波器是一種將電壓幅度隨時間變化的規律顯示出來的儀器，它相當於電氣工程師的眼睛，使你能夠看到線路中電流和電壓的變化規律，從而掌握電路的工作狀態。但是示波器並不是電磁干擾測量與診斷的理想工具。
這是因為：
a. 所有電磁相容標準中的電磁干擾極限值都是在頻域中定義的，而示波器顯示出的時域波形。因此測試得到的結果無法直接與標準比較。
為了將測試結果與標準相比較，必須將時域波形變換為頻域頻譜。
b. 電磁干擾相對於電路的工作訊號往往都是較小的，並且電磁干擾的頻率往往比訊號高，而當一些幅度較低的高頻訊號疊加在乙個幅度較大的低頻訊號時，用示波器是無法進行測量。
c. 示波器的靈敏度在mv級，而由天線接收到的電磁干擾的幅度通常為v級，因此示波器不能滿足靈敏度的要求。
測量電磁干擾更合適的儀器是頻譜分析儀。頻譜分析儀是一種將電壓幅度隨頻率變化的規律顯示出來的儀器，它顯示的波形稱為頻譜。頻譜分析儀克服了示波器在測量電磁干擾中的缺點，它能夠精確測量各個頻率上的干擾強度。
對於電磁干擾問題的分析而言，頻譜分析儀是比示波器更有用的儀器。而用頻譜分析儀可以直接顯示出訊號的各個頻譜分量。
1.1 頻譜分析儀的原理
頻譜分析儀是一台在一定頻率範圍內掃瞄接收的接收機，它的原理圖如圖1所示。
圖1 頻譜分析儀的原理框圖
頻譜分析儀採用頻率掃瞄超外差的工作方式。混頻器將天線上接收到的訊號與本振產生的訊號混頻，當混頻的頻率等於中頻時，這個訊號可以通過中頻放大器，被放大後，進行峰值檢波。檢波後的訊號被**放大器進行放大，然後顯示出來。
由於本振電路的振盪頻率隨著時間變化，因此頻譜分析儀在不同的時間接收的頻率是不同的。當本振振盪器的頻率隨著時間進行掃瞄時，螢幕上就顯示出了被測訊號在不同頻率上的幅度，將不同頻率上訊號的幅度記錄下來，就得到了被測訊號的頻譜。
根據這個頻譜，就能夠知道被測裝置是否有超過標準規定的干擾發射，或產生干擾的訊號頻率是多少。
1.2 頻譜分析儀的使用方法
要獲得正確的測量結果，必須正確地操作頻譜分析儀。本節簡單介紹頻譜分析儀的使用方法。正確使用頻譜分析儀的關鍵是正確設定頻譜分析儀的各個引數。
下面解釋頻譜分析儀中主要引數的意義和設定方法。
a. 頻率掃瞄範圍：
規定了頻譜分析儀掃瞄頻率的上限和下限。通過調整掃瞄頻率範圍，可以對感興趣的頻率進行細緻的觀察。掃瞄頻率範圍越寬，則掃瞄一遍所需要時間越長，頻譜上各點的測量精度越低，因此，在可能的情況下，盡量使用較小的頻率範圍。
在設定這個引數時，可以通過設定掃瞄開始頻率和終止頻率來確定，例如：start frequency = 1mhz, stop frequency = 11mhz。也可以通過設定掃瞄中心頻率和頻率範圍來確定，例如：
center frequency = 6mhz, span = 10mhz。這兩種設定的結果是一樣的。
b. 中頻分辨頻寬：
規定了頻譜分析儀的中頻頻寬，這項指標決定了儀器的選擇性和掃瞄時間。調整分辨頻寬可以達到兩個目的，乙個是提高儀器的選擇性，以便對頻率相距很近的兩個訊號進行區別。另乙個目的是提高儀器的靈敏度。
因為任何電路都有熱雜訊，這些雜訊會將微弱訊號淹沒，而使儀器無法觀察微弱訊號。雜訊的幅度與儀器的通頻帶寬成正比，頻寬越寬，則雜訊越大。因此減小儀器的分辨頻寬可以減小儀器本身的雜訊，從而增強對微弱訊號的檢測能力。
分辨頻寬一般以3db頻寬來表示。當分辨頻寬變化時，螢幕上顯示的訊號幅度可能會發變化。若測量訊號的頻寬大於通頻帶頻寬，則當頻寬增加時，由於通過中頻放大器的訊號總能量增加，顯示幅度會有所增加。
若測量訊號的頻寬小於通頻帶寬，如對於單根譜線的訊號，則不管分辨頻寬怎樣變化，顯示訊號的幅度都不會發生變化。 訊號頻寬超過中頻頻寬的訊號稱為寬頻訊號，訊號頻寬小於中頻頻寬的訊號稱為窄帶訊號。根據訊號是寬頻訊號還是窄帶訊號能夠有效地定位干擾源。
c. 掃瞄時間：
儀器接收的訊號從掃瞄頻率範圍的最低端掃瞄到最高端所使用的時間叫做掃瞄時間。掃瞄時間與掃瞄頻率範圍是相匹配的。如果掃瞄時間過短，測量到的訊號幅度比實際的訊號幅度要小。
d. **頻寬：
**頻寬的作用與中頻頻寬相同，可以減小儀器本身的帶內雜訊，從而提高儀器對微弱訊號的檢測能力。
2．用頻譜分析儀分析干擾的**
2.1 根據干擾訊號的頻率確定干擾源
在解決電磁干擾問題時，最重要的乙個問題是判斷干擾的**，只有準確將干擾源定位後，才能夠提出解決干擾的措施。根據訊號的頻率來確定干擾源是最簡單的方法，因為在訊號的所有特徵中，頻率特徵是最穩定的，並且電路設計人員往往對電路中各個部位的訊號頻率都十分清楚。因此，只要知道了干擾訊號的頻率，就能夠推測出干擾是哪個部位產生的。
對於電磁干擾訊號，由於其幅度往往遠小於正常工作訊號，因此用示波器很難測量到干擾訊號的頻率。特別是當較小的干擾訊號疊加在較大的工作訊號上時，示波器無法與干擾訊號同步，因此不可能得到準確的干擾訊號頻率。
而用頻譜分析儀做這種測量是十分簡單的。由於頻譜分析儀的中頻頻寬較窄，因此能夠將與干擾訊號頻率不同的訊號濾除掉，精確地測量出干擾訊號頻率，從而判斷產生干擾訊號的電路。
2.2 根據干擾訊號的頻寬確定干擾源
判斷干擾訊號的頻寬也是判斷干擾源的有效方法。例如，在乙個寬頻源的發射中可能存在乙個單個高強度訊號，如果能夠判斷這個高強度訊號是窄帶訊號，則它不可能是從寬頻發射源產生的。干擾源可能是電源中的振盪器，或工作不穩定的電路，或諧振電路。
當在儀器的通頻帶中只有一根譜線時，就可以斷定這個訊號是窄帶訊號。
根據傅利葉變換，單根的譜線所對應的訊號是週期訊號。因此，當遇到單根譜線時，就要將注意力集中到電路中的週期訊號電路上。
3．用近場測試方法確定輻射源
除了上述的根據訊號特徵判斷干擾源的方法以外，在近場區查詢輻射源可以直接發現干擾源。在近場區查詢輻射源的工具有近場探頭和電流卡鉗。檢查電纜上的發射源要使用電流卡鉗，檢查機箱縫隙的洩漏要使用近場探頭。
3.1 電流卡鉗與近場探頭
電流探頭是利用變壓器原理製造的能夠檢測導線上電流的感測器。當電流探頭卡在被測導線上時，導線相當於變壓器的初級，探頭中的線圈相當於變壓器的次級。導線上的訊號電流在電流探頭的線圈上感應出電流，在儀器的輸入端產生電壓。
於是頻譜分析儀的螢幕上就可以看到干擾訊號的頻譜。儀器上讀到的電壓值與導線中的電流值通過傳輸阻抗換算。傳輸阻抗定義為：
儀器50? 輸入阻抗上感應的電壓與導線中的電流之比。對於乙個具體的探頭，可以從廠家提供的探頭說明書中查到它的轉移阻抗zt。
因此，導線中的電流等於：
i = v / zt
如果公式中的所有物理量都用db表示，則直接相減。
對於機箱的洩漏，要用近場探頭進行探測。近場探頭可以看成是很小的環形天線。由於它很小，因此靈敏度很低，僅能對近場的輻射源進行探測。
這樣有利於對輻射源進行精確定位。由於近場探頭的靈敏度較低，因此在使用時要與前置放大器配套使用。
3.2 用電流卡鉗檢測共模電流
裝置產生輻射的主要原因之一是電纜上有共模電流。因此當裝置或系統有超標發射時，首先應該懷疑的就是裝置上外拖的各種電纜。這些電纜包括電源線電纜和裝置之間的互連電纜。
將電流探頭卡在電纜上，這時由於探頭同時卡住了訊號線和回流線，因此差模電流不會感應出電壓，儀器上讀出的電壓僅代表共模電流。
測量共模電流時，最好在遮蔽室中進行。如果不在遮蔽室中，周圍環境中的電磁場會在電纜上感應出電流，造成誤判斷。因此應首先將裝置的電源斷開，在裝置沒有加電的狀態下測量電纜上的背景電流，並記錄下來，以便與裝置加電後測量的結果進行比較，排除背景的影響。
如果在用天線進行測量時將頻譜分析儀的掃瞄頻率侷限感興趣的頻率周圍很小的範圍內，則可以排除環境中的干擾。
3.3 用近場探頭檢測機箱的洩漏
如果裝置上外拖電纜上沒有較強的共模電流，就要檢查裝置機箱上是否有電磁洩漏。檢查機箱洩漏的工具是近場探頭。將近場探頭靠近機箱上的接縫和開口處，觀察頻譜分析儀上是否有感興趣的訊號出現。
一般由於探頭的靈敏度較低，即使用了放大器，很弱的訊號在探頭中感應的電壓也很低，因此在測量時要將頻譜分析儀的靈敏度調得盡量高。根據前面的討論，減小頻譜分析儀的分辨頻寬能夠提高儀器的靈敏度。但是要注意的是，當分辨頻寬很窄時，掃瞄時間會變得很長。
為了縮短掃瞄時間，提高檢測效率，應該使頻譜分析儀的掃瞄頻率範圍盡量小。因此一般在用近場探頭檢測機箱洩漏時，都是首先用天線測出洩漏訊號的精確頻率，然後使儀器用盡量小的掃瞄頻率範圍覆蓋住這個干擾頻率。這樣做的另乙個好處是不會將背景干擾誤判為洩漏訊號。
對於機箱而言，靠近濾波器安裝位置的縫隙是最容易產生電磁洩漏的。因為濾波器將訊號線上的干擾訊號旁路到機箱上，在機箱上形成較強的干擾電流，這些電流流過縫隙時，就會在縫隙處產生電磁洩漏。
4．容易犯的錯誤
當裝置不能滿足有關的電磁相容標準時，就要對裝置產生超標發射的原因進行調查，然後進行排除。在這個過程中，經常發現許多人經過長時間的努力，仍然沒有排除故障。造成這種情況的原因是診斷工作陷入了「死迴圈」。
這種情況可以用下面的例子說明。
假設乙個系統在測試時出現了超標發射，使系統不能滿足電磁相容標準中對電磁輻射的限制。經過初步調查，原因可能有4個，它們分別是：
主機與鍵盤之間的互連電纜（電纜1）上的共模電流產生的輻射
主機與印表機之間的互連電纜（電纜2）上的共模電流產生的輻射
機箱面板與機箱基體之間的縫隙（開口1）產生的洩漏
某顯示視窗（開口2）產生洩漏
在診斷時，首先在電纜1上套乙個鐵氧體磁環，以減小共模輻射，結果發現頻譜儀螢幕上顯示的訊號並沒有明顯減小。於是試驗人員認為電纜1不是乙個主要的洩漏源，將鐵氧體磁環取下，套在電纜2上，結果發現頻譜儀螢幕上顯示的訊號還沒有明顯減小。結果試驗人員得出結論，電纜不是洩漏源。
於是再對機箱上的洩漏進行檢查。用遮蔽膠帶將開口1堵上，發現頻譜儀螢幕上顯示的訊號沒有明顯減小。試驗人員認為開口1不是主要洩漏源，將遮蔽膠帶取下，堵到開口2上。
結果頻譜儀上的顯示訊號還沒有減小。試驗人員一籌莫展。之所以會發生這個問題，是因為試驗人員忽視了頻譜分析儀上顯示的訊號幅度是以db為單位顯示的。
下面我們看一下為什麼會有這種現象。
假設這4個洩漏源所佔的成分各佔1/4，並且在每個輻射源上採取的措施能夠將這個輻射源完全抑制掉。則我們採取以上4個措施中的乙個時，頻譜儀上顯示訊號降低的幅度δa為：
δa = 20 lg ( 4 / 3 ) = 2.5 db
幅度減小這麼少，顯然是微不足道的。但這卻已經將洩漏減少了25%。
正確的方法是，當對乙個可能的洩漏源採取了抑制措施後，即使沒有明顯的改善，也不要將這個措施去掉，繼續對可能的洩漏源採取措施。當採取到某個措施時，如果干擾幅度降低很多，並不一定說明這個洩漏源是主要的，而僅說明這個干擾源是最後乙個。按照這個步驟對4個洩漏源逐個處理的結果如圖1所示。
在前面的敘述中，我們假定對某個洩漏源採取措施後，這個洩漏源被100%消除掉，如果這樣，當最後乙個洩漏源去掉後，電磁干擾的減小應為無限大。實際這是不可能的。我們在採取任何乙個措施時，都不可能將干擾源100%消除。
洩漏源去掉的程度可以是99% ，或99.9% ，甚至99.99以上，而決不可能是100% ！
所以當最後乙個洩漏源去掉後，儘管改善很大，但仍是有限值。
當裝置完全符合有關的規定後，如果為了降低產品成本，減少不必要的器件，可以將採取的措施逐個去掉。首先應該考慮去掉的是成本較高器件/材料，或在正式產品上難於實現的措施。如果去掉後，產品的電磁發射並沒有超標，就可以去掉這個措施。
通過試驗，使產品成本降到最低。
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