用于严重的EMI故障排除或调试的最新工具已成为实时(RT)频谱分析仪。由于制造成本一直在下降,一些RT分析仪变得比以往任何时候都更实惠。在本文中,我将向您展示使用RT分析来观察和排除异常EMI的优点。
介绍
首先,让我们回顾一下常规扫频和实时频谱分析仪之间的区别。
扫描调谐分析仪-扫频分析仪采用标准超外差电路中的可调谐本振。它可以在指定的频率范围内扫描,并使用用户选择的分辨率(或“接收器”)带宽。引入到输入端口的射频信号与本地振荡器混合,指定的频率跨度显示为射频功率与频率的关系。捕获数据的唯一时间是在扫描期间。扫频后,对捕获的数据进行处理和显示。扫描之间通常有明显的延迟(或“死”时间),因此分析仪很可能错过捕获间歇或快速移动的信号。
〇实时分析仪实时分析仪使用固定LO,查看窄带宽窗口(实时带宽),并将传入频谱数字化。该数字化频谱存储在时间记录缓冲区中,并由FFT算法进行处理。理想情况下,一旦数字化,fpga处理fft的速率等于或更快于采集速率。然而,这个采集速率取决于跨度和分辨率带宽。扫描调谐分析仪和实时分析仪之间的主要区别是实时计算的纯粹数字处理能力,以及快速图形处理器,允许各种频率与时间表示和数字解调的数据密集显示。
RT分析仪的优点是能够捕捉短至20微秒的RF脉冲、数字调制以及其他脉冲或快速变化的信号。此外,它们可以比扫描分析仪更快地捕获和处理数据——不需要等待几秒钟或几分钟来捕获频谱。这允许非常快速的故障排除,因为您可以立即看到修复的结果。
最后,RT分析仪还有一个附加功能,称为频谱图(或“瀑布”)显示,其中信号随时间显示。这是一个很好的特性,允许您确定间歇性EMI的时间。
在本文中,我将使用Tektronix RSA306B(参考文献1)实时usb控制频谱分析仪和Tekbox Digital Solutions(参考文献2)近场探头,但还有许多其他可用的选择。
图1显示了RT显示相对于扫描显示的典型优势。在这里,我们看到一些宽带电机噪声完全掩盖了几个窄带谐波。扫描分析仪在捕捉电机噪声时遇到了麻烦,但我们可以看到偶尔的捕捉表明那里有“一些东西”。最大保持模式和等待一段时间将有助于填充扫描显示,但这样你就会错过看到窄带发射。
图1 -电机控制器的宽带发射完全掩盖了一系列窄带谐波的示例您可以在右边看到,标准扫频分析仪在捕获宽带噪声时遇到了困难。
大多数RT分析仪还将配备可选的EMI软件,帮助收集数据,甚至执行辐射和传导排放的预合规测试。例如,泰克提供了他们的SignalVu-PC软件与RSA306B,但最近也宣布了他们的EMI故障排除和rsa系列的预合规软件,称为“EMCVu”。EMCVu包括一些令人印象深刻的EMI故障排除和预合规测试功能,并可以快速从一种模式切换到另一种模式。它带有预定义的换能器因子(天线和电缆损耗表),CISPR和FCC限制线,并易于生成报告。在预顺应模式下,它可以在几秒钟内扫描整个频率范围,编号所有超出限制的谐波和一定的余量到限制。然后可以更仔细地检查这些捕获的谐波信号,然后切换到故障排除模式,尝试各种修复。
SignalVu-PC或EMCVu都可以很好地解决基本的故障诊断或调试发射问题,在本文中我实际上使用了这两种方法。如果您还需要内部的预遵从性测试功能(明智的决定)或更高级的故障排除工具,那么您将需要投资EMCVu。
emi故障排除的三步过程
我为EMI故障排除开发了一个三步流程,我将在下面简要说明。我们将使用Tektronix的Signal-Vu-PC或EMCVu作为例子,但其他几家公司也销售类似的合规软件。您需要从Interference Technology下载免费的“2017 EMI预合规测试指南”,以获得有关此故障排除过程的更多详细信息(参考文献3)。
第一步-使用近场探头(H场或e场)来识别PC板和内部电缆上的能量来源和特征发射剖面。能量源通常包括时钟振荡器、处理器、RAM、D/A或A/D转换器、DC-DC转换器和其他产生快边缘数字信号的源。如果产品包含屏蔽外壳,请探测其他孔的漏缝。记录每个能源的发射剖面。
步骤2 -使用电流探头测量电缆的高频电流。记住,电缆是最有可能辐射射频能量的结构。沿着电缆来回移动探头,以最大限度地提高电流。记录每根电缆的发射剖面。
第三步-使用附近的天线(我使用1m的测试距离)来确定哪个谐波内容实际辐射。将这些谐波进行分类,并与内部和电缆测量结果进行比较。这将帮助您确定最可能与电缆或接缝耦合并辐射的能源。
分析数据
记住,并不是所有的近场信号都会耦合到“天线状”结构并辐射。使用谐波分析工具(参见参考文献4)来帮助识别属于特定能源的谐波。请注意,在许多情况下,两个或多个源将产生部分(或全部)相同的谐波。例如,25 MHz时钟和100 MHz时钟都可以产生100、200、300 MHz的谐波,等等。通常情况下,您需要修复多个源来消除单个谐波。EMCVu包括一些强大的数据捕获和文档功能,将有助于加快从步骤1到步骤3的数据收集过程。
在分析谐波并确定了最可能的源之后,下一步是确定从源到产品的耦合路径。通常,I/O或电源线才是真正的辐射结构。有时,它的接缝或孔(例如显示器或键盘)漏水。
有四种可能的耦合路径;传导的,辐射的,电容的,感应的。后两种(电容性和感性)是所谓的;“近场”耦合和源与受害者之间距离的微小变化会对辐射能量产生较大影响。例如,带状电缆布线太靠近电源散热器(电容耦合或dV/dt),并导致辐射发射,只需将带状电缆移到远离散热器的地方即可解决。源电缆和受害电缆之间的电感耦合(di/dt)也可以通过重新布线来减少。这两种内部耦合机制(或类似的PC板设计问题)都可能导致传导(输出电力电缆)或辐射(I/O或电力电缆充当天线,或外壳接缝/孔)发射。
在许多情况下,它只是由于电缆屏蔽连接到屏蔽外壳或在I/O或电源端口缺乏共模滤波导致辐射发射。
rt分析器如何帮助排除emi故障?
所以,让我们把注意力转回探究PC板和电缆。您有多少次对一个产品进行探测、故障排除和修复,结果却导致它在遵从性测试设施中失败?当今的许多产品,特别是移动产品,都包括板载DC-DC转换器,这些转换器产生超过1ghz的非常宽带的EMI频谱,可以影响蜂窝或GPS无线接收器的运行。此外,数字处理器可以随时间或工作模式改变发射特性。加上无线功能,你就有了无数的潜在能源,它们可以随着时间改变发射特性。
我想展示一些例子,在这些例子中,扫描分析仪很可能会错过辐射的爆发增长,或者无法捕捉到比我们都习惯的通常窄带谐波更大的振幅的宽带EMI。
图2 -在小型移动设备的板载DC-DC转换器上使用近场(h场)探头我使用的是泰克RSA306B usb控制RT频谱分析仪和Tekbox近场探头。
例1 -脉动谐波EMI
大多数时候,你会发现窄带谐波的振幅相对稳定。然而,由于门控数字信号或不同的工作模式,有时振幅会发生变化。如果谐波在错误的时间达到峰值,则可能导致合规性失败。
扫频分析仪很容易漏掉这些不常见的振幅峰值。将扫描分析仪置于“最大保持”模式可能会有所帮助,但可能需要几分钟才能捕捉到排放的峰值。即便如此,由于扫描之间的死时间,峰值可能会被错过。
另一方面,RT分析仪擅长捕捉快速变化的信号。下面是一个例子,我在一个小型移动设备上测量板载DC-DC转换器的窄带低频发射(图2)。
在图3中,我们看到从9 kHz到10 MHz,我们看到扫描测量甚至很难捕捉到常规峰值发射,而RT测量很容易捕捉到峰值,甚至检测到偶尔的6 dB脉冲振幅增加(如蓝色持续显示所示)。如果通过传导或辐射耦合,这种不频繁的脉冲振幅增加很容易导致顺应性故障。
图3 -测量车载DC-DC变换器的排放,并比较扫频(左)和实时(右)。请注意蓝色持久显示中的6 dB峰值。
例2 -识别因不同操作模式而产生的排放
在本例中,我们正在测量相同的DC-DC转换器(图1),但从105 MHz到145 MHz,由于辐射发射,这是一个经常出现合规性故障的区域。令人惊讶的结果是,由于移动设备的不同操作模式,三种非常不同的光谱响应。在某些情况下,发射比扫描测量可以捕捉到的高约25分贝。现在,您是否愿意冒这样的风险,即合规测试设施的扫描测量可能会遗漏或设法捕捉到它,如果它耦合并辐射?
图4、5和6显示了三种不同的光谱模式。请注意,扫描测量仅捕获了三个光谱中的两个。在这个序列中,近场探测器没有移动。当状态从一种模式转换到另一种模式时,每一种模式都是即时可见的。
图4 - DC-DC转换器的宽带发射范围从105 MHz到145 MHz。右边的扫描测量无法成功捕捉到这一点,除了偶尔的爆发。Max Hold模式会有所帮助,但至少需要一分钟才能“填充”显示。但是在填充了显示之后,您可能无法看到图5和图6中以下两种截然不同的模式。
图5 -在不移动探头的情况下,我们看到来自DC-DC转换器的“模式2”,它短暂地出现过。
图6 -同样,在不移动探针的情况下,我们看到“模式3”的窄带发射比模式1和模式2高出约10 dB。这种短暂的发生可能是导致合规失败的模式,如果发射耦合出来并辐射出去。
例3 -伪振荡的检测
在这个例子中,我们不一定需要RT捕获,但是一旦我们激活光谱图(瀑布)显示功能,它就会产生一些有趣的视觉线索。
图7 -在Picotest Technologies演示板上测量运算放大器
事实证明,当运放以电容方式卸载时,它在开环带宽附近产生了非常有趣的振荡(图8)。检查右侧的RT测量,我们可以看到有一个明显的双峰(双频)显示,以及一些很酷的边带发射。左边的扫描显示一次最多只能捕获这两个频率中的一个,因为振荡是从一个频率切换到另一个频率。
图8 -运算放大器的一个有趣的伪振荡的测量请注意,左边的扫描测量一次只能捕获一个双峰状态,而右边的RT捕获非常详细。
图9 -用频谱图(频率与时间)取代扫描显示,我们可以观察到一些有趣的细节(见正文)。
但是,让我们用频率与时间的频谱图代替扫描显示来更仔细地分析“双模态”。
我注意到的一件事(这对于杂散振荡非常常见)是,将我的手指放在运算放大器的区域上,改变了寄生特性,足以将振荡频率向下平移一点。当我用手指触碰该区域两次时,您可以在图9中的光谱图显示中看到这种变化。
另一件需要注意的事情是,你现在可以很容易地观察到频谱图中一个振荡频率和另一个振荡频率之间的“之字形”模式切换。请注意,振荡在低频上花费的时间比在高频上花费的时间更多。双峰左侧的振幅略高也说明了这一点。
结论
随着技术的不断进步,我们EMC工程师和产品设计师需要升级我们常用的分析和预合规测试工具,以保持领先一步,并能够更好地捕捉和显示预期的更不寻常的排放。实时频谱分析仪已被证明是非常宝贵的EMI调试和故障排除。随着移动设备的不断缩小,越来越多的产品采用无线和其他先进的数字模式,先进的频谱分析将变得尤为重要。
参考文献
- 泰克RSA306B频谱分析仪,https://www.tek.com
- Tekbox Digital Solutions近场探头,https://tekbox.net
- 2017 EMI预合规测试指南,http://learn.www.dionika-online.com/2017-emc-pre-compliance-test-guide/
- 谐波分析工具(Patrick André), http://andreconsulting.com/papers.htm