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使用頻譜分析儀執行低成本EMI預一致性測試

2016年01月11日  | 薛巍/Tektronix大中華區分銷業務技術行銷經理

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一致性測試通常做為產品投產前設計品質保證的一部分來完成,一致性測試內容繁多、耗時長,如果在產品開發的這個階段EMC測試失敗,那麼會要求重新設計,不僅成本高昂,而且會耽誤產品推出。


執行預一致性測試可以在您把產品送到正式測試前,發現不符合規範的情況,Tektronix可提供以USB介面為基礎的RSA306即時頻譜分析儀,提供簡易與經濟的預一致性測試;透過放射輻射量測和傳導輻射量測,可以為您最大限度地減少產品通過EMI認證所需的費用和時間。本文將用兩個實測案例,分析基於RSA306實現放射輻射和傳導輻射的測試方法。


圖1 預一致性測試中放射輻射測試設置示意圖。
圖1 預一致性測試中放射輻射測試設置示意圖。

放射輻射量測案例分析

在本文的預一致性測試案例中,使用1公尺與數公分兩種距離;降低待測物(DUT)與測試天線之間的距離,會提高DUG訊號強度與RF背景雜訊之比。遺憾的是,近場結果並不會直接轉換成EMI一致性測試中使用的遠場測試,因此在得出結論時必須慎重增加預放,是提升相對DUT訊號電平的另一種好方法。


圖2 測試天線,Electro-MetricsEM-6912A雙錐形天線,以及一支PCB對數週期天線。
圖2 測試天線,Electro-MetricsEM-6912A雙錐形天線,以及一支PCB對數週期天線。

天線的選擇

在量測中使用了三支成本非常低的PC板對數週期天線,和一支雙錐天線;這些天線安裝在三腳架上,放置簡便。天線因數(AF)和電纜損耗可以輸入到RSA306中,校正場強。雙錐天線用於20~200MHz頻率,較長的20~200MHz波長要求較大的天線,背景雜訊也可能是一個問題,因為它包括許多無線廣播頻率。


分析環境特性和測試結果

在把天線校正因數和電纜損耗輸入RSA306後,打開峰值檢測器電源,設置極限行;調節極限行,適應我們的測試環境。在打開DUT電源前,一定要評估和分析測試環境特性。在極限行和環境噪底之間是否有足夠的訊號空間?是否有可以降低的已知訊號?您是否需要把測試設置移到更安靜的環境?


圖3a 環境背景結果;在VHF頻段中可以清楚地看到廣播訊號。
圖3a 環境背景結果;在VHF頻段中可以清楚地看到廣播訊號。

圖3b DUT的測試結果,超限情況不是由DUT引起的。
圖3b DUT的測試結果,超限情況不是由DUT引起的。

如果您對背景雜訊滿意,打開DUT電源。兩項測量之差即來自DUT的輻射(圖3b)。在我們的測試中,我們使用已經通過EMI一致性測試的Tektronix Wi-Fi展示電路板,因此沒有檢測到失敗。好消息,如果您已經正確設置測試,沒有什麼東西接近極限行,那麼這可能意味著您已經可以準備進行一致性測試。


如果在這個階段發現問題,那麼可能要求進一步診斷和修改設計。RSA306上提供的功能既支援一致性測量,也支援診斷。熟悉DUT設計的工程師可以確定問題訊號。近場探測工具也可能會非常實用,我們後面會對此展開討論。


近場測量與遠場測量

在全面一致性測試實驗室中,我們使用EMI接收機和精心校準的天線,在3公尺或10公尺距離上測試電子元件;換言之,也可能在遠場中完成測量。這些測試艙旨在消除或大大降低所有不想要的RF訊號,以便只測量DUT的EMI訊號。


儘管我們需要盡最大努力來保證預一致性測試中的RF背景雜訊達到最小,但背景雜訊可能仍然很明顯。降低測試天線與DUT之間的距離可以提升DUT 相對於RF 背景的訊號電平。


傳導輻射量測案例分析

圖4為測試設置示意圖,待測元件是筆記型電腦使用的通用的AC/DC電源配接器。


線路阻抗穩定網路(LISN)

注意!一定要先從LISN上斷開頻譜分析儀輸入,然後再從LISN中拔下電源!LISN放電可能會損壞頻譜分析儀前端。


在傳導輻射測量中,您使用的是LISN而不是天線。LISN是一種低導通濾波器,放在AC或DC電源與DUT之間,創建已知阻抗,提供一個RF雜訊測量埠。它還把不想要的RF訊號與電源隔開。增加一個預放也是提升相對DUT訊號電平的好方法。


圖4 預一致性傳導輻射測試示意圖。
圖4 預一致性傳導輻射測試示意圖。

注意,60或50Hz電源上傳導的干擾對某些設計可能也是一個問題。大多數傳導EMI測試規定了9kHz~1GHz實測頻率範圍,但在需要時也可以在更低頻率上測量訊號。


對低頻測量,RSA5100系列即時頻譜分析儀是很好的選擇,因為它們可以覆蓋直到1赫茲以下的頻率範圍。為最有效地測量傳導EMI,最好使用兩個LISN:一個用於到DUT的規定阻抗,一個用於頻譜分析儀或接收機。


功率濾波器

對傳導測量,背景雜訊來自於電源。儘管LISN提供了一定的隔離度,但您經常需要額外的功率濾波。在我們的測量中,結果主要是來自大樓電源的雜訊。通過增加電源濾波器,我們可以把進入的雜訊降低到足夠的水準,來進行我們的傳導測量。


分析環境特性和測試結果

首先,我們把LISN校正因數輸入RSA306,打開峰值檢測器電源,設置極限行。在打開DUT電源前,一定要評估和分析測試環境特性。極限行與噪底之間是否有足夠的空間?是否需要增加功率濾波器?如果您對背景雜訊滿意,打開DUT電源,按該順序把LISN輸出連接到頻譜分析儀上。兩項量測之差即來自DUT的輻射(如圖5)。


圖5 傳導輻射測試顯示頻譜較低一端有超限的情況。
圖5 傳導輻射測試顯示頻譜較低一端有超限的情況。

在傳導量測中,DUT是網上購買的成本非常低的筆記型電腦電源。我們使用備用筆記型電腦做為電源負載。在這種情況下,我們可以看到測試失敗。圖5顯示DUT傳導輻射在大約172Hz處高出極限。RSA306上提供的功能可以執行預一致性測量和診斷。


熟悉DUT設計的工程師可以確定問題訊號。這時近場探測工具也非常實用。如果您已經正確設置測試,沒有什麼東西接近極限行,那麼這可能意味著您已經可以準備進行一致性測試。


總結

EMI一致性測試失敗成本高,可能會使產品開發週期面臨風險。而設置自己的預一致性測試可以隔離任何問題區域,在把設計送往標準測試機構前解決問題。新一代的頻譜分析儀能提供了低成本預一致性測試功能,為您的產品大幅降低取得EMI認證所需的費用和時間。





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