隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，電子產(chǎn)品日益增多，從而空間電磁環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，惡劣的電磁環(huán)境將會(huì)對(duì)人類及各種生物造成嚴(yán)重影響，另外電子產(chǎn)品間也可能互相產(chǎn)生干擾導(dǎo)致其不能正常工作，于是出現(xiàn)了EMC測(cè)試。
在電子設(shè)備及電子產(chǎn)品中，電磁干擾能量可通過(guò)輻射性耦合或傳導(dǎo)性耦合進(jìn)行傳輸。在抑制電磁干擾信號(hào)的輻射干擾方面，屏蔽是有效的措施；在抑制電磁干擾信號(hào)的傳導(dǎo)干擾方面，EMI濾波器是十分有效的器件。由于EMI濾波器是抑制傳導(dǎo)干擾的重要器件，所以研究EMI濾波器的測(cè)試方法就變得十分重要。
l EMI濾波器的測(cè)試指標(biāo)
1．1 共模干擾和差模干擾
實(shí)際上EMI電源濾波器起兩種低通濾波器的作用：衰減共模干擾和衰減差模干擾。對(duì)任何電源線上的傳導(dǎo)干擾信號(hào)，都可以用共模和差模干擾信號(hào)來(lái)表示。并且可把L—E和N—E之間的共模干擾信號(hào)、L—N之間的差模干擾信號(hào)看作獨(dú)立的EMI源，把單相電源內(nèi)的L—E、N—E和L—N看作獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)端口來(lái)分析EMI信號(hào)和有關(guān)的濾波網(wǎng)絡(luò)。圖1中，U1和U2為共模干擾信號(hào)，U3為差模干擾信號(hào)。
1．2 EMI濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
圖2所示為單相電源濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它是由集中參數(shù)元件構(gòu)成的無(wú)源低通網(wǎng)絡(luò)，濾波網(wǎng)絡(luò)主要由兩只電感L1和L2，三只電容CX、CY1、CY2組成。如果把該濾波器一端接入電源，負(fù)載端接上被干擾設(shè)備，那么L1和CY1，L2和CY2就分別構(gòu)成L—E和N—E兩對(duì)獨(dú)立端口間的低通濾波器，用來(lái)抑制電源線上存在的共模EMI信號(hào)。此外，L1、L2又與CX構(gòu)成L—N獨(dú)立端口之間的低通濾波器，抑制差模干擾信號(hào)。
1．3 EMI濾波器漏電流性能測(cè)試
泄漏電流是指在250VAC的電壓下，相線和中線與濾波器外殼(地線)間流過(guò)的電流。它主要取決于接地電容(共模電容)的取值。較大的共模電容CY可以提高插入損耗，但卻造成較大的漏電流。泄漏電流的測(cè)試電路如圖3所示：
1．4 EMI濾波器耐壓性能測(cè)試
為確保電源濾波器的性能以及設(shè)備和人身安全，必須進(jìn)行耐壓測(cè)試。耐壓測(cè)試是在極端工作條件下的測(cè)試。若CX電容器的耐壓性能欠佳，在出現(xiàn)峰值浪涌電壓時(shí)，可能被擊穿。它的擊穿雖然不危及人身安全，但會(huì)使濾波器功能喪失或性能下降。CY電容器除了滿足接地漏電流的要求外，還在電氣和機(jī)械性能方面具有足夠的安全余量，避免在極端惡劣的環(huán)境條件下出現(xiàn)擊穿短路現(xiàn)象。故線一地之間的耐壓性能對(duì)保護(hù)人身安全有重要意義，一旦設(shè)備或裝置的絕緣保護(hù)措施失效，可能導(dǎo)致人員傷亡。
1．5 EMI濾波器的性能評(píng)定
EMI電源濾波器在使用時(shí)考慮最多的是額定電壓及電流值、耐壓性能、漏電流三項(xiàng)，而其中最主要的評(píng)定性能為濾波器的插入損耗性能。
EMI電源濾波器對(duì)干擾噪聲的抑制能力用插入損耗I．L．(Insertion Loss)來(lái)衡量。插入損耗定義為：沒(méi)有濾波器接入時(shí)，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P1和接入濾波器后，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P2之比，用dB(分貝)表示。
2 EMI濾波器的頻域測(cè)試
測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的確定為電源EMI濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)提供了統(tǒng)一的衡定依據(jù)。其中最主要的測(cè)試項(xiàng)目為濾波器頻域上的插入損耗測(cè)試
2．1 插入損耗的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試
在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量法中規(guī)定，在50Ω～75之間的任一阻值的系統(tǒng)內(nèi)測(cè)試它的插入損耗特性。測(cè)試原理如圖4所示。
實(shí)際測(cè)試時(shí)，常常利用屏蔽室來(lái)測(cè)試濾波器的插入損耗，測(cè)試圖如圖5所示。
2．2 插入損耗的加載測(cè)試
在EMI濾波器產(chǎn)品中，由于使用不合適的材料，共模扼流圈不可能保證完全對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致磁環(huán)的飽和，同時(shí)寄生差模電感也可能產(chǎn)生磁環(huán)的飽和，使得濾波器的實(shí)際使用情況與廠家提供數(shù)據(jù)有很大差距，因此必須對(duì)濾波器采用加載測(cè)試。
3 EMI濾波器的時(shí)域測(cè)試
一般地，對(duì)于EMI電源濾波器我們只關(guān)心它的常規(guī)性能及頻域抑制性能。而對(duì)于EMI信號(hào)線濾波器，由于傳輸線本身就會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾，所以測(cè)試信號(hào)必然會(huì)產(chǎn)生一定的衰減。這時(shí)，我們就要對(duì)其進(jìn)行時(shí)域傳輸性能上的測(cè)試。
使用50kHz的方波對(duì)電容值為8000pF的濾波插針進(jìn)行濾波，發(fā)現(xiàn)其時(shí)域的上升沿和下降沿有明顯的變化。頻域上，經(jīng)過(guò)濾波后，方波信號(hào)的高頻分量被濾除。
對(duì)于通過(guò)同一濾波插針，方波的頻率越高，其諧波信號(hào)被濾波插針?biāo)p的將會(huì)越大，則方波的波形上升及下降時(shí)間將會(huì)越長(zhǎng)。同樣，對(duì)于同樣的頻率波形，通過(guò)濾波插針，其濾波容值越大，方波上升時(shí)間趨緩的程度越大。
4 EMI濾波器插損自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
近年來(lái)，隨著EMC測(cè)試的內(nèi)容日趨復(fù)雜，測(cè)試工作量急劇增加，對(duì)測(cè)試設(shè)備在功能、性能、測(cè)試速度、測(cè)試準(zhǔn)確度等方面的要求也日益提高。在這種情況下，傳統(tǒng)的人工測(cè)試已經(jīng)很難滿足要求，再加上現(xiàn)在的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB)和國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB)均要求電磁兼容的檢測(cè)必須自動(dòng)進(jìn)行，并且對(duì)數(shù)據(jù)后處理有嚴(yán)格的要求。因此，發(fā)展EMC自動(dòng)測(cè)試成為必然之路。本文所建立的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)使用了虛擬儀器技術(shù)，基于信號(hào)源一頻譜儀對(duì)EMI電源濾波器進(jìn)行插損測(cè)試的系統(tǒng)。
4．1 測(cè)試系統(tǒng)程序流程
本系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)上搭建一個(gè)虛擬的測(cè)試平臺(tái)，使用虛擬儀器技術(shù)通過(guò)通信總線GPIB在計(jì)算機(jī)上直接對(duì)頻譜儀進(jìn)行程控，以減少測(cè)試夾具對(duì)濾波器插入損耗測(cè)試結(jié)果的影響。程序流程圖如圖6所示。
4．2 硬件接口與驅(qū)動(dòng)
要實(shí)現(xiàn)該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的功能，必須要解決的是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制儀器運(yùn)動(dòng)及讀取測(cè)量的數(shù)據(jù)，而實(shí)現(xiàn)這一步首先要解決的問(wèn)題是儀器和計(jì)算機(jī)之間的通信問(wèn)題。在這里，選擇了具有GPIB(IEEE一488)接口的儀器。
另外系統(tǒng)還需要實(shí)現(xiàn)測(cè)試硬件的驅(qū)動(dòng)，軟件中分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)和對(duì)頻譜分析儀的驅(qū)動(dòng)。對(duì)信號(hào)發(fā)生器的程控是在VB環(huán)境中編寫的，軟件語(yǔ)句中參考說(shuō)明書中驅(qū)動(dòng)程序的編寫方法，完成了對(duì)信號(hào)發(fā)生器的基本設(shè)置，設(shè)置為射頻輸出方式，射頻信號(hào)的頻率調(diào)用信息輸入界面產(chǎn)生的頻點(diǎn)列表，發(fā)射頻率由用戶在軟件中設(shè)置。程序中首先定義命令中所用到的基本參數(shù)，然后進(jìn)行程序的編寫，相應(yīng)代碼如圖7所示。
對(duì)頻譜分析儀的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)在VB環(huán)境中編寫程序，調(diào)用LabVIEW程序通過(guò)GPIB總線驅(qū)動(dòng)頻譜．儀的方法。采集頻譜儀測(cè)試濾波器所產(chǎn)生的圖形和數(shù)據(jù)。
軟件通過(guò)調(diào)用LabVIEW文件的輸入輸出操作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或從磁盤文件中讀取校準(zhǔn)和測(cè)試數(shù)據(jù)(其中圖形為二維數(shù)組)，經(jīng)過(guò)調(diào)用代碼轉(zhuǎn)為圖形顯示出來(lái)并將校準(zhǔn)值和測(cè)試值存入數(shù)據(jù)庫(kù)。這里使用了VB和LabVIEW的混合編程，相應(yīng)代碼如圖8所示。
4．3 測(cè)試軟件的界面設(shè)計(jì)
用戶界面是用戶與應(yīng)用程序交互的媒介。用戶界面是應(yīng)用程序里最重要的部分，也是直觀的現(xiàn)實(shí)世界。對(duì)用戶而言，界面就是應(yīng)用程序。
本軟件由六個(gè)界面組成，分別是功能選擇界面、輸入信息界面、校準(zhǔn)界面、測(cè)試界面、結(jié)果顯示界面和歷史數(shù)據(jù)對(duì)比界面組成。功能選擇界面中用戶選擇軟件實(shí)現(xiàn)的功能，進(jìn)行插損測(cè)試或者查詢歷史測(cè)試數(shù)據(jù)。在輸入信息界面中，用戶填入測(cè)試基本信息并確定測(cè)試頻點(diǎn)的范圍，形成頻點(diǎn)列表，測(cè)試頻點(diǎn)列表存入數(shù)據(jù)庫(kù)。在校準(zhǔn)界面，首先驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，設(shè)置發(fā)射功率并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，然后驅(qū)動(dòng)頻譜儀對(duì)測(cè)試濾波器進(jìn)行校準(zhǔn)，產(chǎn)生校準(zhǔn)結(jié)果和圖形，并顯示出來(lái)。測(cè)試界面中再次驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生所需要的測(cè)試信號(hào)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的發(fā)射功率不，再次驅(qū)動(dòng)頻譜儀對(duì)濾波器插損性能進(jìn)行測(cè)試，產(chǎn)生測(cè)試結(jié)果和圖形并顯示出來(lái)。在結(jié)果界面顯示插入損耗測(cè)試結(jié)果表和差模、共模的插損曲線圖。歷史數(shù)據(jù)對(duì)比通過(guò)添加數(shù)據(jù)庫(kù)中不同型號(hào)濾波器的插損結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并生成對(duì)比曲線圖，方便用戶比較測(cè)試結(jié)果。
4．4 測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)
在輸入信息界面，用戶輸入測(cè)試基本信息后生成一個(gè)管理數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)中存放用戶定義的測(cè)試頻點(diǎn)和與之對(duì)應(yīng)的共模和差模的校準(zhǔn)、測(cè)試與插損的結(jié)果。若文件名相同則覆蓋原數(shù)據(jù)庫(kù)。確定測(cè)試頻點(diǎn)范圍后生成插入損耗子數(shù)據(jù)庫(kù)，校準(zhǔn)和測(cè)試結(jié)果存入子數(shù)據(jù)庫(kù)，并計(jì)算得出插入損耗測(cè)試值。如圖9所示。
4．5 測(cè)試數(shù)據(jù)的處理
由于頻譜儀產(chǎn)生的校準(zhǔn)值和測(cè)試值都是經(jīng)過(guò)處理后的計(jì)算值，單位為dB。所以根據(jù)公式(1)可知，插入損耗值即為校準(zhǔn)值與測(cè)試值之差。軟件中通過(guò)VB和LabVIEW的混合編程，可將頻譜儀生成的校準(zhǔn)和測(cè)試圖形在界面上顯示。
另外，軟件會(huì)將校準(zhǔn)結(jié)果和測(cè)試結(jié)果自動(dòng)存入插入損耗數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過(guò)本軟件的插損計(jì)算公式得到共模插損數(shù)據(jù)和差模插損數(shù)據(jù)并保存。通過(guò)調(diào)用插入損耗數(shù)據(jù)庫(kù)可生成一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)表。本軟件使用DataReport數(shù)據(jù)報(bào)表設(shè)計(jì)器和數(shù)據(jù)源(Data Environment數(shù)據(jù)環(huán)境設(shè)計(jì)器)，創(chuàng)建一個(gè)可打印輸出的報(bào)表并且可以將報(bào)表導(dǎo)出到HTML或文本文件中。
5 結(jié)論
隨著電子設(shè)備以及各種電器的大量涌現(xiàn)和飛速發(fā)展，電子設(shè)備之間的電磁干擾(EMI)已成為一種嚴(yán)重的公害。EMI濾波器作為抑制電磁干擾的最有力的手段，日益為人們所了解和廣泛使用。因此，對(duì)EMI濾波器的測(cè)試技術(shù)的研究就變得十分重要。本文EMI濾波器各個(gè)方面的測(cè)試原理及方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，并在插入損耗人工測(cè)試的基礎(chǔ)上編制了基于虛擬儀器技術(shù)的插損自動(dòng)測(cè)試軟件。避免人工測(cè)試的一些缺陷，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試的自動(dòng)化，功能簡(jiǎn)單、操作靈活。