EMC測(cè)試中的峰值準(zhǔn)峰值平均值均方根值.pdfVIP

第3 3 卷第3 期 2 0 1 3 年0 6 月 杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào) J o u r n a l o f H a r t g z h D i a n z iU n i v e m i t y V 0 1 3 , 3 ，N o 3 J u n 2 0 1 3 d o i ：l O 3 9 6 9 j b a n 1 0 0 1 9 1 4 6 2 0 1 3 0 3 0 0 3 E M C 測(cè)試中的峰值、準(zhǔn)峰值、平均值、均方根值 黃大明，于虹 ( 國(guó)家電子計(jì)算機(jī)外部設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江杭州3 1 0 0 1 2 ) 摘要：在電磁兼容測(cè)量中有幾個(gè)最基本測(cè)量值：峰值、準(zhǔn)峰值、平均值、均方根值，該文分析了電磁 兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電磁騷擾測(cè)量值和測(cè)量檢波器的不同要求，檢波器的原理和特點(diǎn)，以及不同種類 的干擾信號(hào)在檢波器上的不同響應(yīng)。通過對(duì)1 3 常測(cè)試中一些典型設(shè)備電磁騷擾的測(cè)量數(shù)據(jù)，用實(shí) 際例子說明了峰值、準(zhǔn)峰值、平均值、均方根值在電磁兼容測(cè)量中的應(yīng)用及其區(qū)別。 關(guān)鍵詞：峰值；準(zhǔn)峰值；平均值；均方根值；檢波器 中圖分類號(hào)：T M 9 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1 0 0 1 9 1 4 6 ( 2 0 1 3 ) 0 3 一0 0 0 9 0 4 0 引言 隨著電子與無線電技術(shù)的發(fā)展，電磁兼容( E l e c t r oM a g n e t i cC o m p a t i b i l i t y ，E M C ) 測(cè)量也變得越來越 重要，E M C 標(biāo)準(zhǔn)成為國(guó)內(nèi)外多數(shù)電子電器類產(chǎn)品的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有的電子產(chǎn)品在銷售時(shí)都需要 取得E M C 測(cè)試認(rèn)證2 1 。在E M C 電磁騷擾測(cè)量中經(jīng)常會(huì)接觸到峰值、準(zhǔn)峰值、平均值、均方根值幾個(gè) 值，這幾個(gè)值到底在電磁騷擾測(cè)量中有什么區(qū)別? 對(duì)于有些電子電器設(shè)備研發(fā)工程師來講，并不是太清 楚一。o 。本文在E M C 檢測(cè)實(shí)踐中的體會(huì)，在分析不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同測(cè)量值的要求的前提下，簡(jiǎn)述了檢波 器的種類和干擾信號(hào)的種類。本文通過對(duì)不同產(chǎn)品的實(shí)踐測(cè)試說明了幾個(gè)測(cè)量值的不同要求和區(qū)別， 從各個(gè)角度闡述了上述幾個(gè)概念在電磁兼容中的應(yīng)用。 1 電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)量值的要求 除了術(shù)語定義不同外，對(duì)于E M C 測(cè)試來講，峰值、準(zhǔn)峰值、平均值、均方根值是利用儀器測(cè)試出來的 值，由于測(cè)試接收機(jī)根據(jù)定義的不同對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的數(shù)學(xué)處理，得到各個(gè)測(cè)試結(jié)果。在G B T 6 1 1 3 1 0 1 2 0 0 8 ( 無線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范第l I 部分：無線電騷擾和抗擾度測(cè) 量設(shè)備測(cè)量設(shè)備中規(guī)定了用于測(cè)量無線電騷擾電壓、騷擾電流、騷擾場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量設(shè)備的性能和特 性J ，所涉及的測(cè)量接收機(jī)類型包括：準(zhǔn)峰值測(cè)量接收機(jī)、峰值測(cè)量接收機(jī)、平均值測(cè)量接收機(jī)、均方根 值測(cè)量接收機(jī)。在不同的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值所采用的值也有所不同，比如G B9 2 5 4 2 0 0 8 ，輻射騷擾 3 0 1G H z 限值是準(zhǔn)峰值，1 6 G H z 限值是峰值和平均值，傳導(dǎo)騷擾1 5 0 k H z 3 0 M H z 限值是準(zhǔn)峰值和平 均值。G J B1 5 1 A 一9 7 輻射騷擾和傳導(dǎo)騷擾限值都是峰值。G B1 8 6 5 5 2 0 1 0 輻射騷擾選用了線峰值、 準(zhǔn)峰值和平均值3 種限值。 2 檢波器的特點(diǎn) 峰值檢波器的特點(diǎn)是充電時(shí)間常數(shù)很小、放電時(shí)間常數(shù)很大，即使是很窄的單個(gè)脈沖也能很快充到 穩(wěn)定峰值，當(dāng)中頻信號(hào)消失之后，由于電路的放電時(shí)間常數(shù)很大，檢波輸出電壓可在很長(zhǎng)一段時(shí)間保持在 收稿日期：2 0 1 2 1 2 1 2 作者簡(jiǎn)介：黃大明( 1 9 8 0 一) ，男，浙江玉環(huán)人，工程師，電磁兼容技術(shù) 萬方數(shù)據(jù) 1 0杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào) 2 0 1 3 年 峰值上。峰值檢波器就是要瀆出包絡(luò)的最大值，它只取決于信號(hào)的幅度，與信號(hào)的寬度和重復(fù)頻率無關(guān)。 準(zhǔn)峰值檢波器是一個(gè)充、放電時(shí)間更長(zhǎng)的峰值檢波器，它修正了人對(duì)脈沖類型干擾的主觀響應(yīng)，當(dāng) 脈沖很快上升時(shí)，人耳不能立即反應(yīng)，當(dāng)脈沖跌落后，人耳的感覺仍有滯留效應(yīng)，準(zhǔn)峰值正是可以反映人 耳對(duì)脈沖騷擾的響應(yīng)。準(zhǔn)峰值檢波器輸出既與脈沖幅度有關(guān)，又與脈沖重復(fù)頻率有關(guān)，既要反映干擾信 號(hào)的幅度，又要反映它的時(shí)間分布。 平均值檢波器最大的特點(diǎn)就是充、放電時(shí)間常數(shù)相同，所以檢波的輸出基本上正比于信號(hào)的包絡(luò)線 的平均值。對(duì)于連續(xù)波信號(hào)平均值基本上與峰值相等，但是對(duì)脈沖信號(hào)而言，平均值與峰值就相差較 大，其值正比于脈沖幅度及脈沖的重復(fù)頻率，脈沖信號(hào)的重復(fù)頻率越低，檢波后得到的值就越低。 均方根值主要用于測(cè)量脈沖騷擾信號(hào)，但是均方根值在電磁兼容測(cè)量中是用得最少的。為了更好 地考慮脈沖干擾對(duì)當(dāng)今無線電業(yè)務(wù)的影響，C I S P R1 6 一l 一1 1 3 中已經(jīng)引入了一種新的加權(quán)檢波器，這種 檢波器稱為均方根值一平均值檢波器。它 表l檢波器測(cè)量帶寬B 。 是R M S 檢波器( 用于大于拐點(diǎn)頻率的脈沖 重復(fù)頻率) 和線性平均值檢波器( 用于小于 拐點(diǎn)頻率的脈沖重復(fù)頻率) 的組合。 為保證對(duì)同一干擾測(cè)量結(jié)果的一致 性，標(biāo)準(zhǔn)還統(tǒng)一規(guī)定了各檢波器在不同頻 率范圍內(nèi)的測(cè)量帶寬，如表1 所示。 3 干擾信號(hào)的種類 實(shí)際干擾信號(hào)的基本形式為：連續(xù)波、脈沖波和隨機(jī)噪聲等3 種，這3 種干擾信號(hào)在不同檢波器上 的響應(yīng)也是不同的。 窄帶干擾信號(hào)，如載波、本振、電源諧波等都屬于連續(xù)正弦波干擾信號(hào)，對(duì)于未調(diào)制的正弦波信號(hào)， 各檢波器輸出為HJ ： V ，= V 。= V 。= V 。，= 2 E G ( f o ) ( 1 ) 式中，E 為輸入信號(hào)的有效值，G ( f o ) 為從輸入到檢波輸出的儀器增益，對(duì)于已調(diào)制正弦信號(hào)沒有這 個(gè)關(guān)系。 工業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)，大多屬于具有一定重復(fù)頻率的脈沖干擾，所以研究設(shè)備產(chǎn)生的干擾時(shí)， 這是用得最多的一種。脈沖干擾信號(hào)在各檢波器上的響應(yīng)公式如表2 所示。 隨機(jī)干擾信號(hào)也是大量存在的干擾信號(hào)，例如熱噪聲、雷達(dá)目標(biāo)反射以及自然環(huán)境噪聲等，隨機(jī)干 擾信號(hào)最有意義的是平穩(wěn)隨機(jī)過程的干擾信號(hào)，這種信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性與時(shí)間無關(guān)，這種信號(hào)在各種檢波 器上的響應(yīng)如表3 所示。 表2 脈沖干擾信號(hào)在各檢波器上響應(yīng)公式表3隨機(jī)干擾信號(hào)在各檢波器上響應(yīng)公式 檢波器響應(yīng)結(jié)果公式 峰值檢波器V 。= 2 S ( f o ) G ( f o ) B 。 準(zhǔn)峰值檢波器 V q p = 2 S ( f o ) G ( f o ) B 。P ( a ) 平均值檢波器V ，= 2 S ( 毛) G ( f o ) f p 均方根值檢波器 V 。= 2 S ( f o ) C ( f o ) f p B 。，f p 式中：s ( 島) 在通帶中心頻率上的頻譜強(qiáng)度( V H z ) B 。，等效電壓帶寬，B 。噪聲功率等效帶寬 f 。脈沖的重復(fù)頻率，P ( a ) 準(zhǔn)峰值與峰值檢波器輸出之比 檢波器響應(yīng)結(jié)果公式 準(zhǔn)峰值檢波器 V q ，= 2 N C ( f o ) 、履了礪 平均值檢波器 V 。= 【丌P 。( ) G 2 ( b ) B ?！克?均方根值檢波器V 。= 2 C ( f o ) 刀i 瓦丁 式中：N 與R d R c 有關(guān) C ( f o ) 從射頻輸入到檢波器輸出的儀器增益 P n ( f 0 ) 功率譜密度 B e p 噪聲功率等效帶寬 上述3 種類型信號(hào)在不同檢波器上輸出得出的結(jié)果，僅僅是分別考慮的簡(jiǎn)單情形。實(shí)際干擾信號(hào) 可能是幾種類型同時(shí)出現(xiàn)，也可能遇到重復(fù)頻率大于儀器帶寬以及非平穩(wěn)的隨機(jī)過程干擾信號(hào)。仔細(xì) 萬方數(shù)據(jù) 第3 期黃大明等：E M C 測(cè)試中的峰值、準(zhǔn)峰值、平均值、均方根值 1 1 觀察上述公式，在未知干擾信號(hào)性質(zhì)時(shí)，通過比較不同檢波器上的響應(yīng)，可以確定干擾信號(hào)的性質(zhì)，反 之，知道了干擾信號(hào)的特性，可以準(zhǔn)確的測(cè)量它。正確掌握干擾源特性( 主要是波形特性) 以及測(cè)量值 和儀表特性直接的關(guān)系，對(duì)于各種測(cè)量結(jié)果的解釋是很重要的。 4 測(cè)試過程及典型數(shù)據(jù)的分析 4 1 測(cè)試過程 電磁騷擾的測(cè)試主要有輻射騷擾、傳導(dǎo)騷擾、 騷擾功率測(cè)試幾種典型測(cè)試，如表4 所示。 不管騷擾信號(hào)以何種形式采樣，最終都是以 電壓形式傳輸?shù)浇邮諜C(jī)上進(jìn)行測(cè)量，通過不同檢 波器進(jìn)行檢波輸出相應(yīng)的值。騷擾信號(hào)測(cè)量通常 表4 電磁騷擾的典型測(cè)試項(xiàng)目 有兩個(gè)步驟：預(yù)測(cè)與終測(cè)。預(yù)測(cè)是測(cè)試出整個(gè)頻段的相應(yīng)峰值和平均值。終測(cè)則是在預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ) 上測(cè)試幾個(gè)余量最小的幾個(gè)點(diǎn)( 通常為6 個(gè)點(diǎn)) 的準(zhǔn)峰值和平均值。為什么不直接進(jìn)行準(zhǔn)峰值測(cè)量，而 要先測(cè)試峰值呢? 主要原因在于兩種檢波器的測(cè)量周期的不同，峰值檢波器測(cè)量周期是m s 級(jí)的，準(zhǔn)峰 值檢波器測(cè)量周期測(cè)要求為1s 。峰值和準(zhǔn)峰值測(cè)量時(shí)間的區(qū)別如表5 所示。 表5不同頻段內(nèi)峰值和準(zhǔn)峰值的測(cè)量時(shí)間 從表5 中可以看出采用峰值和準(zhǔn)峰值測(cè)量時(shí)間的區(qū)別，準(zhǔn)峰值測(cè)量總時(shí)間一個(gè)狀態(tài)的測(cè)量時(shí)間就 幾個(gè)小時(shí)，這種測(cè)試速度是非常不適合日常測(cè)試的。所以通常情況，預(yù)測(cè)采用峰值測(cè)量，終測(cè)采用準(zhǔn)峰 值測(cè)量，整個(gè)測(cè)試過程傳導(dǎo)測(cè)( 1 5 0 k H z 一3 0 M H z ) 試時(shí)間為5 m i n ，輻射測(cè)試( 3 0 l0 0 0 M H z ) 時(shí)間為 4 5 m i n 左右。 傳導(dǎo)騷擾和騷擾功率測(cè)試過程相對(duì)較為簡(jiǎn)單，而輻射騷擾測(cè)試過程相對(duì)復(fù)雜，因此重點(diǎn)介紹輻射騷 擾的測(cè)試過程。輻射騷擾終測(cè)多是根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)峰值和平均值的測(cè)量，區(qū)別在于預(yù)測(cè)的方式， 目前輻射騷擾預(yù)測(cè)的測(cè)試方式主要有接收機(jī)和頻譜儀兩種模式。 兩種測(cè)量模式的終測(cè)方式都是一樣的，就是測(cè)量準(zhǔn)峰值，根據(jù)預(yù)測(cè)試的結(jié)果，一般要求選取6 個(gè)余 量最小的頻點(diǎn)進(jìn)行終測(cè)試。此時(shí)頻點(diǎn)固定，根據(jù)預(yù)測(cè)試記錄的該頻點(diǎn)的最大值位值( 例如轉(zhuǎn)臺(tái)角度9 0 。、 天線高度2 0 0 c m 、天線極化方向V ) ，在該角度的+ 4 5 。尋找該頻點(diǎn)最大值，并記錄其最大值的具體角度，確 定角度后，再根據(jù)預(yù)測(cè)時(shí)的天線高度5 0 c m 范圍尋找該頻點(diǎn)最大值，并記錄其最大值時(shí)的具體高度，最后 記錄具體位置( 例如7 5 。、1 2 0 c m 、V ) 和該頻點(diǎn)的最大準(zhǔn)峰值，同時(shí)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出余量來判斷是否合格。 4 2 典型實(shí)例數(shù)據(jù)分析 4 2 1 開關(guān)電源電源端子傳導(dǎo)騷擾 開關(guān)電源的電磁騷擾，主要是由于開關(guān)晶體管、高頻變壓器和輸出整流回路在工作時(shí)產(chǎn)生的這種 d u d t 和d i d t 變化率很大及幅度很大的電壓和電流脈沖。這種脈沖有著較寬的頻帶和非常豐富的諧 波成分“ 】。如圖1 所示，騷擾信號(hào)基本多是開關(guān)電源開關(guān)頻率6 0 k H z 的諧波，這種脈沖干擾信號(hào)有著 較高的重復(fù)頻率，可以看出峰值和準(zhǔn)峰值非常接近，兩個(gè)值相差l d B 以內(nèi)。而峰值與平均值相差2 6 d B 左右，不同的諧波點(diǎn)差值也不一樣。 4 2 2 汽油發(fā)電機(jī)輻射騷擾 隨火花塞電極間隙( 0 6 0 9 m m ) 電壓的升高，電極問電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)達(dá)到某一臨界值時(shí) 萬方數(shù)據(jù) 1 2 杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào) 2 0 1 3 鉅 ( 約1 0 k V ) ，電極間的間隙即形成放電通道而被“擊穿”。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，高速運(yùn)動(dòng)的電子及高離子 使放電通道形成熾熱的氣體發(fā)光體，即火花放電現(xiàn)象。點(diǎn)火花的溫度極高，一般可達(dá)20 0 0 30 0 0 。C 足以點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的可燃混合氣。 火花塞點(diǎn)火產(chǎn)生騷擾信號(hào)的頻率范圍比較寬，而且頻點(diǎn)不固定，屬于隨機(jī)噪聲信號(hào)。如圖2 所示， 為某汽油發(fā)電機(jī)的輻射騷擾測(cè)試曲線，采用的是峰值限值線，采樣的點(diǎn)也是峰值。這種干擾信號(hào)頻點(diǎn)不 穩(wěn)定且重復(fù)頻率非常低，利用峰值檢波器可以非常精準(zhǔn)的測(cè)量出干擾信號(hào)的最大值，如果通過準(zhǔn)峰值檢 波器進(jìn)行測(cè)量，其峰值和準(zhǔn)峰值通常相差2 0 d B 左右，峰值與平均差別就4 0 d B 。 箋螨 卿一鍘刪 頻率( 1 l z ) 圖1開關(guān)電源端傳導(dǎo)騷擾信號(hào) 5 結(jié)束語 一一 - 觸 纛-I ：| lL 崩 J舭l(fā)血L讎 一幽 。剮妒w 嘲嘣糊r 一 。描品i ；x + ，薔一、擊H，j o磊i ；疊。品? 。瓷 頻率( H z j 圖2 某汽油發(fā)電機(jī)輻射騷擾信號(hào) 電磁兼容測(cè)量中的幾個(gè)測(cè)量值，雖然通過檢波原理和干擾信號(hào)種類，可以計(jì)算出現(xiàn)相應(yīng)的值，但是 前提需要知道干擾信號(hào)的類型及參數(shù)，然而實(shí)際產(chǎn)品可能同時(shí)存在多種干擾信號(hào)，而且騷擾信號(hào)存在多 種傳播方式，所以通常很難通過公式計(jì)算出實(shí)際產(chǎn)品的騷擾信號(hào)。通過實(shí)際測(cè)量出的值，比較不同測(cè)量 值的差別，同樣可以進(jìn)一步了解所測(cè)試產(chǎn)品所產(chǎn)生騷擾信號(hào)特點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) 1 G B T6 1 1 3 1 0 1 - - 2 0 0 8 ，無線電騷擾和抗擾度測(cè)量 s 2 姚世全電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南 M 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1 9 9 9 ：5 3 - 7 6 3 孫杰，李明E M C 電磁兼容測(cè)試儀器校準(zhǔn)不確定度分析 J 電子質(zhì)量，2 0 1 2 ，( 1 0 ) ：6 1 6 3 4 Z i n g a r e l l iM ，G r e g oR I m p m 、r i n gE M CM e a s u r e m e n tU n c e r t a i n t yw i t hD i g i t a lE M IR e c e i v e r s O p t i c a lF i b e rT e c h n o l o g y f r o m1 0H zu pt o6G H z J E M CE u m p e2 0 1 1Y o r k ，2 0 1 1 ，( 9 ) ：2 6 3 0 5 G a oX u e l i a n ，T i a nC h o n g y i n g ，L u oL i y u a n I m p m v e dD i r e c tP o w e rI n j e c t i o nM o d e lo f1 6 一b i tM i c r o c o n t r o l l e rf o r E l e c t r o m a g n e t i cI m m u n i t yP r e d i c t i o n J J o u r n a lo fC e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，2 0 1 1 ，( 6 ) ：20 3 1 20 3 5 P e a k ，Q u a s i p e a k ，A v e r a g e ，R M Si nE M C M e a s u r e m e n t H U A N GD a - m i n g ，Y UH o n g ( C h i n aN a t i o n a lC o m p u t e rQ u a l i t yS u p e r v i s i n gT e s tC e a t e r ，H a n g z h o uZ h e j i a n g3 1 0 0 1 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h e r ea r eaf e wb a s i cm e a s u r e m e n t si nE M Cm e a s u r e m e n t ：p e a k ，q u a s i p e a k ，a v e r a g e ，a n d R M S T h i sp a p e ra n a l y z e st h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so ft h es t a n d a r do nt h em e a s u r e dv a l u ea n dm e a s u r e m e