使用示波器进行EMI调试应用

引言

EMI/EMC 法规帮助保证电气和电子设备用户能够可靠操作，同时确保用户的人身安全。这些法规限定了允许的放射辐射，为了使产品保持在这些限制范围内，设计人员投入了大量的时间和工作。本应用指南描述了可以用来确定不想要的辐射源的多种技术，特别是在通过成形测试或预一致性测试确定超限条件后。

许多公司采用专门的测试机构服务，来执行EMI/EMC 认证要求的实际一致性测试。测试机构可能属于一家外部公司 （“测试机构”） 或内部 EMC 部门。大多数工程师采用优秀的设计惯例，最大限度地减少发生 EMI/EMC 问题的可能。即使有了准确的 EMI/EMC 仿真包，当前通常仍在设计和原型阶段执行“预一致性测试”测量，也就是在产品发出进行一致性前，以识别和解决潜在的 EMI/EMC 问题。这些技术减少了产品在测试机构不能通过最终全面一致性测试的风险。

市场上有各种测试仪器调试技术，可以有效地找出影响一致性测试结果的辐射来源。在许多情况下，拥有时间相关RF测量功能的示波器，比 如 泰 克 4、5 或 6 系 列 MSO 及 SpectrumView 或 MDO4000 及其集成频谱分析仪，可以大大加快调试速度。在其他情况下，实时频谱分析仪如泰克 RSA306B，可以缩短找到根本原因的道路。本应用指南将考察其中部分调试方法。

如果产品未能通过一致性测试会怎么样？

即使在采用了良好设计，选择了优质元件，花时间认真表征产品之后，仍可能会出现 EMI 问题！图 1 表明有一个峰值超出了这一特定标准的极限。正常情况下，我们在报告中还将获得表格方式的信息 （ 图 2）。

图 1. 这份 EMI 测试报告显示在 50 MHz 周围发生问题。

图 2. 这些数据显示了图 1 中在 49.9724 MHz 处发生问题，但这些数字无法令人相信其是精确的来源频率。

理解 EMI 报告

乍一看，下面这样的 EMI 报告似乎提供了与某个频率上的问题有关的简明信息。确定设计的哪个部分在该源频率上运行，然后应用一些衰减以通过测试，这应该是一件简单的事。在筛选设计，努力确定问题来源之前，必须了解测试机构怎样生成这份报告。

图 1 和图 2 中的报告显示了测试频率、测得幅度、校准后的校正系数及调节后的场强。调节后的场强与规范进行对比，确定裕量或超出量。尽管报告中明确给出许多测试条件，但要考虑的某些重要事项可能还不是太明显。

频率范围和测试点数：测试报告中给出的频率根本不可能恰好就是 EMI 源的频率。频率范围和测试点数可以帮助确定一致性测试频率可能是 EMI 源实际频率的接近程度。据国际无线电干扰特别委员会 （CISPR），在执行放射辐射测试时，必须根据频率范围，使用不同的测试方法。每个范围都要求具体的解析带宽滤波器和检测器类型，如表 1 所示。

频率范围决定着滤波器带宽，进而决定着解析关心的具体频率的能力。

表 1. CISPR 测试要求随频率范围变化，影响着频率分辨率

检测器类型：一般来说，测试机构要先完成峰值检测，因为完成这项测试所需的时间最少。由于检测器的特点 （ 参见侧栏“常见的峰值检测类型”），完成准峰值（QP） 扫描所需的时间要多得多。准峰值检测采用测量加权，把更多的重点放在从广义角度被理解为更“讨厌”的信号上，因此检测器类型可能会掩盖辐射信号的绝对幅度。

方位角 / 距离：在执行扫描时，被测器件 （UUT） 可以放在转桌上，从而可以从多个角度收集信息。这个方位角信息相当有用，因为它表明问题来自 UUT 的哪个区域。

EMI/EMC测试机构将在经过校准的RF舱中进行测量，作为场强指标报告测量结果，这使情况进一步复杂化。幸运的是，您不需要一模一样地复制测试机构的情况，就能调试 EMI 测试失败。在调试时，并不用使用高度受控的 EMI 测试机构中执行的绝对测量，而是可以使用测试报告中的信息，很好地了解生成报告使用的测量技术，在 UUT 周围进行相对观察，隔离辐射源，衡量补救效果。

常见的峰值检测类型

可以使用简单的峰值检测器进行 EMI 测量。但 EMI部门或外部测试机构会根据应用的标准，来使用准峰值 （QP） 检测器，因此您可能会想是否也需要准峰值检测器。

EMI 部门或外部实验室在开始测试时，一般先使用简单的峰值检测器执行扫描，找到超过或接近规定极限的问题区域。对接近或超过极限的信号，他们会执行准峰值测量。准峰值检测器是 EMI 测量标准规定的一种专用检测方法。它检测信号包络的加权峰值 （ 准峰值 ）。它根据信号峰值电平、持续时间和重复速率，来确定信号权重。信号发生频率越高，与发生频次低的脉冲相比，准峰值测量权重越高。使用准峰值检测器的缺点在于，它要求外部驻留时间，因此要求的时间明显要高于峰值检测器。正因如此，设计人员最经常的重点是准峰值检测器，以找到潜在问题或关心的频率。

图 3 显示了来自 RF 信号发生器的一个恒定幅度的连续波 （CW） 信号。由于信号是连续的，持续时间和重复速率或信号不相关，但结果相同。在实践中，峰值扫描可以显示极限附近一个点，但准峰值扫描可能会由于持续时间短或信号稀少而产生低于极限的结果。

图 3. 连续波 （CW） 信号峰值检测和准峰值检测对比，包括图形格式和表格格式。图形使用 EMCVu 预一致性测试软件和泰克 RSA306B 频谱分析仪生成。

准峰值结果一直小于等于峰值检测，而永远不会大于峰值检测。因此为了节省时间，EMI 调试和诊断中可以使用峰值检测。您不必准确到 EMI 部门或实验室扫描的水平，因为一切都是相对的。如果实验室报告显示设计高出 3 dB，峰值检测高出 6 dB，那么就应该进行修复，把信号降低 3 dB 或以上。

本应用指南中描述的示波器推荐用于针对性调试，其中采用了峰值检测器。对预一致性测试扫描，RSA306B、RSA500、RSA600 和 RSA5000 实时频谱分析仪及 EMCVu EMC 预一致性测试软件支持使用准峰值检测器进行 CISPR 或 FCC 放射辐射和传导辐射扫描，同时也支持峰值检测器。如需进一步信息，请参阅电磁干扰 （EMI） 和电磁兼容性 （EMC）。

我从哪里入手？

我们从 EMI 角度考察任何产品时，整个设计都可以视为一个能量来源和天线的集合。为识别EMI问题来源，我们必须先确定能量来源，然后找出这个能量是怎样被放射的。EMI 问题的常见来源 * 包括：

● 电源滤波器

● 地面阻抗

● 信号回路不足

● LCD 辐射

● 元器件寄生信号

● 电缆屏蔽不良

● 开关电源 （DC/DC 转换器 ）

● 内部耦合问题

● 金属化箱体中的 ESD

虽然上面这个清单列出了 EMI 的部分常见来源，但肯定是不全的。为确定某块电路板上的能量来源，工程师通常会使用近场探头。在使用这类探头时，我们必须记住信号传播的基础知识。

为确定特定来源及特定 EMI 问题核心的放射结构，我们可以考察被观察信号的周期性和一致性。

周期性：

● 信号的 RF 频率是多少 ？

● 是脉冲式的还是连续的 ？

可以使用基础频谱分析仪监测这些信号特点。

一致性：

● UUT 上哪个信号与 EMI 事件一致 ？

业内通常使用示波器探测 UUT 上的电信号。

考察 EMI 问题与电气事件的一致性，无疑是 EMI 诊断中耗时最长的流程。过去，一直很难以有意义的方式，把来自频谱分析仪的信息与来自示波器的信息关联起来。4、5 和 6 系列 MSO 示波器上的 Spectrum View功能 （ 参见侧栏：“Spectrum View”） 不再需要同步多台仪器来进行 EMI 调试。

近场测量与远场测量

图 4 显示了近场和远场的行为，以及两者之间的过渡区。我们可以看到，在近场区域，场可以从以磁场为主变成以电场为主。近场测量用于调试，因为它们允许设计人员确定能量来源，无需专门的测试站就可以执行。在远场测量中，磁场与电场之比基本上是恒定不变的。

图 4. 距信号源的距离，其中近场到远场的区域变化与信号波长成正比 （ 与频率成反比 ）。

图 5. 远场测量不仅依赖近场中能够观察到的活动，还依赖其他因素，如信号源、天线增益和测试条件。

但是，一致性测试是在远场中执行的，从近场测量中预测远场能量水平可能会很复杂。这是因为远场信号的强度不仅取决于信号源的强度，还取决于放射机制及可能采用的任何屏蔽或滤波。根据经验，我们要记住，如果我们能在远场中观察到一个信号，那么我们应该能够在近场中看到相同的信号。然而，我们可能会在近场中观察到一个信号，但在远场中却看不到这个信号。

图 6. 构成信号的变化的电压和电流产生电场和磁场。

近场探测

尽管一致性测试程序旨在生成绝对的经过校准的测量数据，但调试大部分是可以使用相对测量来执行的。

近场探头本质上是天线，旨在捡拾磁场 （H Field） 或电场 （E Field） 变化。一般来说，近场探头不会带有校准数据，因为其响应与探头到 UUT 和信号源的距离和方向高度相关，所以其本意是进行相对测量。

磁场探头

磁场探头采用不同的环路设计，环路平面应与电流流动方向成一直线，这样环路就会与通量的磁场线相交。这样，在搜索辐射时，探头的位置通常令环路平面与电路板表面平行。环路尺寸决定着灵敏度以及测量区域，因此在使用这些探头类型隔离能量来源时必须注意。近场探头套件通常包括各种不同的尺寸，因此可以使用慢慢缩小的环路，来缩窄测量区域。磁场探头都非常擅长识别电流相对较高的来源，如：

● 低阻抗节点和电路

● 传输线

● 电源

● 端接的导线和电缆

图 7. 使磁场探头与电流流动方向成一直线，令磁场线穿过环路。

电场探头

电场探头作为小型单极天线，对电场或电压变化作出响应。在使用这类探头时，必需让探头与测量平面保持垂直。在实践中，电场探头特别适合集中在特别小的区域，确定电压相对较高的来源及没有端接的来源，如：

● 高阻抗节点和电路

● 未端接的 PCB 轨迹

● 电缆

图 8. 实际应用中的磁场探头，说明了调试使用的方向。

图 9. 令电场探头与导体垂直，以观察电场。

在低频率上，系统中的电路节点阻抗可能变化很大，因此要求了解电路或实验，确定磁场探头或电场探头是否会提供最高的灵敏度。在较高频率上，这些差异会很大。不管是哪种情况，进行重复的相对测量都具有重要意义，这样您才能相信准确表示了实施的任何变化导致的近场辐射结果。最重要的考虑因素是，对于每项实验变化，近场探头的位置和方向要一致。

Spectrum View：全新的频域分析方法

4、5 和 6 系列 MSO 能够查看模拟信号特点、数字定时、总线事务和同步的频率频谱。

Spectrum View 采用下一代 ASIC 技术，较传统 FFT方法更好地解决了 RF 测量挑战，包括：

● 可以使用用户熟悉的频谱分析控制功能 （ 中心频率、频宽和 RBW）

● 可以独立优化时域显示画面和频域显示画面

● 改善频谱显示画面的更新速率

● 明显改善频域中可以实现的频率分辨率

● 可以在波形视图和频谱视图中同时查看信号，而不用分开信号路径

● 可以简便地考察频域视图怎样随时间变化及在整个采集中变化

● 可以使用 RF 相对于时间触发功能，简便准确地关联时域事件与频域事件

泰克 MDO4000 系列提供了类似的功能，但由于有一个专用频谱分析仪输入，所以增加了频率范围和动态范围。然而，与 4/5/6 系列 MSO 相比，频谱分析仪输入只能用于 RF 分析。3 系列 MDO 还提供了一个内置频谱分析仪，可以用于 RF 分析，但不能同时采集或查看频率频谱和时域波形。

图 10. Spectrum View 可以在同一个屏幕上查看时间、频率和幅度，并为每个域提供唯一的测量数据。

图 11. 数字下变频器采用定制 ASIC，通过泰克 4、5 和 6系列 MSO 中的独立控制功能，同时查看波形和频谱

案例分析：确定信号特点和一致性，确定辐射源

本案例分析将演示收集证据隔离 EMI 来源的过程。在对一种小型微控制器进行 EMI 扫描时，我们发现超限问题，140 MHz 中心周围似乎有一个宽带信号。我们使用 6 系列 MSO 上的 Spectrum View（ 图 12），把一只磁场探头连接到 RF 输入上，从而可以确定能量来源的范围。

图 12. 测试设置在混合信号示波器上把模拟电压相对于时间关系波形与独立可调节的频谱分析轨迹结合在一起。

确定磁场探头的方向很重要，环路平面要与被评估的导体成一直线，这样环路的位置可令通量的磁场线穿过通量。围着 PCB 移动磁场探头，可以确定能量来源的范围。选择一个孔径更窄的探头，就可以把搜索重点缩小到更小的区域内。

一旦确定潜在能量来源位置，就可以使用 RF 幅度相对于时间轨迹 （ 图 13） 收集更多的信息。这条轨迹显示频宽中所有信号的积分功率相对于时间关系。在图13 中，可以清楚地看到一个大的重复脉冲。在采集的记录长度中移动频谱时间，现在可以看到EMI事件（即以 140 MHz 为中心的宽带信号 ） 与大脉冲直接对应。为测量脉冲重复周期，可以启用测量标记，直接确定周期。这时，通过 Spectrum View，可以简便地观察瞬态辐射的持续时间和重复间隔。这些信息可能已经足以帮助设计人员确定原因，但我们还可以把这项调试工作再推进一步。

图 13. 中心轨迹是来自磁场探头的时域波形。频谱视图 （ 顶部 ） 提供了与波形 （ 橙色圈中 ） 下面蓝色块指明的频谱时间对应的频率成分。RF 幅度相对于时间关系轨迹 （ 底部 ） 显示了一个重复的 RF 突发。

为积极识别 EMI 来源，现在要使用 6 系列 MSO 示波器上的另一条通道。保持相同的设置，现在可以启用示波器的通道 1，浏览 PCB，查找与 EMI 事件一致的信号源。

在使用示波器探头浏览信号一会儿后，我们找出了图 14中的信号。在示波器显示屏上，可以清楚地看到，我们连接到示波器通道 1 的信号可以与 EMI 事件直接关联。这时，通过使用 4/5/6 系列 MSO 中的 RF 相对于时间触发功能，在确认存在一致的通道 1 信号行为后在 RF 相对于幅度通道上建立触发，可以在更长的时间周期内在实时采集中迅速确认辐射源特点。（ 图 15）

图 14. 使用无源探头在通道 1（yellow） 上探测信号，发现一个与 RF （ 青色 ） 相关的信号。

图 15. 在辐射 RF 能量上触发 RF 幅度相对于时间关系，观察一致的电气事件。

总结

未能通过 EMI 一致性测试可能会使产品开发时间表陷入险境。然而，本文列出的调试技术可以帮助您隔离能量来源，从而可以制订补救计划。高效调试要求了解一致性测试报告及一致性测试和调试怎样采用不同的测量技术。一般来说，它需要查找相对较高的电磁场，确定其特点，把场行为与电路行为关联起来，确定辐射来源。

责任编辑：haq