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EMI辐射干扰用示波器测试的方法有哪些

手机,蓝牙耳机,卫星广播,AM/FM广播、无线互联网、雷达和无数其他潜在电磁干扰源发射的电磁波混合在现实世界中。为了确保汽车中的电子元件仍然稳定有效,它们需要在受控环境中进行EMI测试

辐射抗扰室是一个理想的完全密封的传导空间EMI测试环境,因为它可以完全控制空间中产生的电磁场的频率、方向和波长。此外,由于电磁场不能进入封闭空间,抗干扰室测试的汽车部件在测试过程中可以接收到准确、高度可控的电磁波。同时,电磁波不能离开干扰室。用于测试的测量仪器和在抗干扰室外控制的工程师可以避免干扰室内产生的强电磁波损坏。

现代汽车包含数百个电子电路,以实现与安全、娱乐和舒适相关的各种功能。这些汽车电子部件,也被称为电子控制单元(ECU),必须严格EMI干扰标准。


电磁干扰室配置

在电磁干扰室内,典型的设备级抗干扰试验设置包括测量的电子控制单元(ECU),电线束,以及模拟器,包际或等效的电子负载,以及一系列外围设备,以代表汽车电子控制单元(ECU)接口;传输和接收天线用于产生高场强电磁波;模式调谐器被放置在干扰室中,以改变空间的几何形状,以创建测试所需的电磁场效应。汽车电子控制单元(ECU)在预设模式下运行并暴露于电磁干扰场。

在接触干扰源的过程中,通过监控汽车电子控制单元,监控汽车电子控制单元(ECU)响应验证其是否超过允许的容量。对大多数人来说RF对于干扰测试,需要通过逐渐调整干扰源的范围来确定设备的抗干扰阈值,直到汽车电子控制单元(ECU)确定功能偏离的方法。

测试的汽车电子控制单元(ECU)要严格ISO(标准化国际组织)规则、汽车制造商和汽车电子控制单位(ECU)零部件供应商之间的需求。由于每个电子部件对电磁场的抗干扰能力有轻微差异,因此检测与可接受标准之间的性能偏差,以及决定这些值何时超过测试计划规则EMI测试工程师的任务和职责。

在EMI在测试过程中确定了汽车电子控制单元(ECU)是否仍然正常工作的方法是让它通过ECU输出端口如CAN总线输出其工作状态。ECU输出还包括模拟传感器输出和脉冲宽度调制输出驱动执行器。


场的强度及考虑

ISO/IEC61000-4-21中描述的辐射(RF)抗干扰试验中使用的场强度和频率类型是一个典型的例子。它使用包含机械模式调谐器的混响室。当在给定的测试频率下获得足够的调谐器位置时,混响室的可用空间产生测试频率范围为0.4~3GHz,场强高达200V/m(CM和AM)以及600V/m(雷达脉冲)均匀场。

另一个示例,ISO11452-4RF在抗干扰试验中,一个嵌入式电流注入探头用于诱导RF电流进入DUT频率范围为1-400MHz,电平的范围是几十到几百mA,这样就可以在测试平台附近创造足够强大的场地,影响非屏蔽设备的运行。这种测试环境避免了从测试仪器到测试设置的直接连接。

一个挑战是汽车电子控制单元(ECU)输出数据来自与测试区域隔离的封闭空间。测试仪器和测试人员位于封闭空间外,因此必须有一种方法将封闭空间产生的数据传输到封闭空间外进行分析。因为传统的电缆,如BNC或SMA电缆本身是导电的,容易受到干扰室内电磁波的影响。因此,需要使用光发送和接收单元以及光纤干扰室内部ECU发送的信号传输到位于干扰室外的测试设备。光纤是非导体的,因此不会受到干扰室内电磁场的影响。为了将电缆从干扰室内部连接到测试设备,使用波导管在干扰室边界输出光信号,从而允许干扰室进入ECU在信号输出期间,它仍然完全关闭。光纤波导频率高于干扰室测试的频率范围,因此不会干扰干扰室内创建的环境。


电磁干扰试验设备设置

下图1是在封闭干扰室(当发送天线关闭时)空间中拍摄的一张实际设置的图片。模式调谐器位于干扰室的右侧,在干扰室的左侧有一个CAN总线光纤发射器放置在泡沫平台上,相对介电常数为1.4.位于混响室的可用空间。光纤发射器将使用ECU输出信号转化为光,进入光纤,不受射频干扰,通过波导离开混响室。用于测试的ECU,而且发送和接收天线也位于混响室内,没有显示在此图中。


霍达尔仪器

图1配有模式调谐器(右)和光纤发射器(左)的混响室。天线和天线ECU图中没有显示,但也存在。


典型的测试方法是通过数据采集设备采集到达混响室外的信号,用户需要定制软件来确定ECU输出的CAN总线信号,传感器信号,或PWM输出是否满足特定要求。描述测试计划中所有测试需求的软件开发时间和成本将非常长且昂贵,因为有许多信号需要测试,并且有许多测试标准。使用示波器EMI测试领域是一种相对不被广泛探索的方法,可以将一个阵列示波器放置在干扰室外,并使用多个示波器进行实时分析。由于示波器标准配备了模板测试和参数门限制测试能力,因此它可以在不花费大量软件开发时间的情况下直接执行许多测试需求。

图2中,铜色的通向EMC干扰室外的门位于测试平台的右侧。在左侧,橙色光纤中的光信号通过功能测试结果转换为电信号BNC在示波器通道上输入电缆。


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图2在EMC示波器阵列用于抗干扰数据的动态分析


示波器中的波形模板用于分析相对于预定义的一致性要求的波形形状。根据测量信号的功能标准,模板的尺寸可以通过计算机在测试过程中自动调整。

在下图3、4、5中,一个示波器用于监控模拟ECU输出。鉴于使用模拟数据的保密原因,它可以非常接近典型的观察ECU输出。通道1和通道2显示模拟PWM用于控制输出驱动执行器信号的信号。在通道3上捕获模拟执行器信号,CAN在通道4上捕获分离信号。


电磁兼容一致性试验

下图3显示了关闭模板后由示波器收集的数据信号,可以清晰地显示和观察每个信号的波形形状。示波器基于通道2的边缘触发,同时捕获所有四个波形。

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图3 仿真的ECU输出信号包括通道1和2的PWM信号,通道3的执行驱动器输出信号,以及通道4的CAN分离信号


在下图4中,模板测试被打开。模板的形状可用于验证测试计划中描述的高信号水平、低信号水平、频率、占空比和其他规格和标准。模板的厚度显示了标称值附近的指定容量带。模板验证了收集到的每个波形是否偏离了标称值或标称值的百分比。在这个例子中,每个波形都符合所有的测试标准。特别重要的是,示波器可以使用预定义的模板标准连续触发边缘,并连续监控是否有错误。示波器触发的标准出现在通道2的边缘,可以设置为识别和归档错误。


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图4 仿真的ECU输出信号,通道1和2显示的PWM信号,通道3显示的执行器驱动输出信号,通道4显示的CAN分离信号均在定义的容限模板内,通过模板测试标准


图5中,ECU室内干扰EMI其影响导致振幅调制、振幅降低、占空比和频率的变化PWM由执行器驱动输出信号的模板测试失败。与其他三个信号不同,CAN未接收分离信号EMI影响并继续通过测试。这种模板测试方法允许同时进行各种标准的快速测试。


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图5 当施加EMI后,仿真的ECU输出PWM信号和执行器驱动输出信号均不能通过模板测试,示波器会提示操作人员有错误出现


除波形模板测试外,Pass/Fail限定测试也适用于参数,以确保测量值结果是否符合特定的规定值。如图5所示,示波器在测试标准下使用红色“Fail”信息显示了三个失败。当模板测试或参数限制测试失败时,示波器也可以自动执行一些动作,如保存波形数据进行直接比较和归档,保存屏幕图像进行归档和评估,产生脉冲信号进行辅助自动测试,并向测试操作员发出警告。


结论

虽然在抗干扰试验中,示波器可以快速执行以确定EMC偏离参数测量,但由于过去缺乏关注和足够的示波器通道数量,示波器在抗干扰测试中经常被忽略。通常,参数结果的分析需要开发用户自定义设计的软件,而且可能需要用户自己设计硬件——这两者都是耗时和昂贵的。然而,许多都有pass/fail模板与参数限值测试能力的示波器可直接用于分析各部件的传感器输出。

在抗干扰测试中,示波器阵列是验证传感器输出是否符合要求的最具成本效益的方法,因为大多数功能可以在示波器中使用pass/fail完成模板和参数限值测试功能,与开发自己的数据采集软件的成本相比同样严格EMI偏离测试,EMC工程师可以节省大量的时间和精力。



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