越來越多的EMC測試實驗室正努力提高EMI測試速度,加快收回成本的速度,贏取更多的EMC測試市場。本文以輻射發(fā)射測試為例,在分析了測試流程的基礎(chǔ)上,詳細(xì)討論了頻譜儀對EMI測試速度的影響。選擇合適的頻譜儀,不僅可以提高測試精度,增強(qiáng)對測試結(jié)果的信心,而且可以改善EMI測試吞吐率。安捷倫基于頻譜儀的認(rèn)證級EMI接收機(jī)以及*新的預(yù)兼容EMI分析儀都是基于**的全數(shù)字中頻技術(shù)實現(xiàn)的,對頻譜分析的精度和速度都有很大改善,是EMC實驗室更好的選擇。
什么是EMI測試吞吐率
吞吐率是一種關(guān)于計算機(jī)或者數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(如網(wǎng)橋、路由器、網(wǎng)關(guān)或廣域網(wǎng)連接等)數(shù)據(jù)傳輸速率的測度,通常是對一個系統(tǒng)和它的部件處理傳輸數(shù)據(jù)請求能力的總體評價。由于EMI測試按照目的可以分為達(dá)標(biāo)測試和診斷測試,因此吞吐率在EMI測試中也有兩種含義:在達(dá)標(biāo)測試中,EMI測試吞吐率是指確定并且書面報告DUT通過所需EMI測試的速度;在診斷測試中,EMI測試吞吐率還要包括對于沒有通過所需EMI測試的DUT,診斷并且解決問題所花費的時間。對于電子產(chǎn)品來說,EMC測試已經(jīng)成為與安規(guī)測試同等重要的基礎(chǔ)測試,越來越多的EMC實驗室不僅從測試方法、測試精度上對自己的測試能力進(jìn)行改進(jìn),而且也越來越關(guān)注測試吞吐率,10 m暗室雙天線法就是一個例子,這歸根結(jié)底還是與降低測試成本密不可分的。一個EMC測試實驗室的建設(shè)包括土建、暗室建設(shè)、設(shè)備購買以及系統(tǒng)集成等大量的成本投入,以美國為例,一個10 m暗室至少需要200萬美元的固定投入,因此如何提高固定資產(chǎn)利用率,加快實驗室建設(shè)成本的收回速度,成為每個EMC測試實驗室不得不關(guān)心的問題。對于電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家而言,如何盡快的利用測試設(shè)備找到產(chǎn)品的EMC問題并且加以有效整改,加快新產(chǎn)品上市時間,搶占更多的市場份額,也是他們所面對的重要問題。有哪些因素限制了EMC測試的吞吐率呢?眾所周知,EMC測試分為EMS和EMI兩大類,按照傳導(dǎo)路徑不同,EMI測試又進(jìn)而分為傳導(dǎo)發(fā)射(CE)和輻射發(fā)射(RE)兩部分,而輻射發(fā)射測試由于其系統(tǒng)復(fù)雜成為EMC測試中*耗時的部分,下圖是民標(biāo)輻射發(fā)射的測試系統(tǒng)示意圖。為了尋找DUT的*大輻射發(fā)射,測試過程中需要轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺,升降天線,同時使用接收機(jī)或者頻譜儀進(jìn)行掃描,其中每一個模塊的動作都會影響測試速度。當(dāng)然,測試人員的能力與經(jīng)驗,對于EMI測試速度的改善也至關(guān)重要。
圖1 民標(biāo)輻射發(fā)射測試系統(tǒng)示意圖
從另外一個方面來看,輻射發(fā)射需要測試的物理量是場強(qiáng),然而該待測物理量是DUT方位角、天線高度、頻率、時間等變量組成的多維函數(shù),對于多個變量進(jìn)行遍歷測試花費的時間無疑是漫長的。以ITE設(shè)備為例(CISPR22),完成一個完整輻射發(fā)射達(dá)標(biāo)測試往往需要4、5個小時,如果需要診斷整改,需要的時間還要長的多。下面我們以輻射發(fā)射測試為例,簡要分析如何改善EMI測試吞吐率。
如何改善EMI測試吞吐率
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試方法的要求以及多數(shù)主流EMC測試實驗室的測試流程,總結(jié)得到輻射發(fā)射測試典型的流程如下圖所示。
圖2 典型輻射發(fā)射測試流程
在輻射發(fā)射測試開始前,首先需要明確DUT屬于哪種類型,需要遵從哪個EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試,按照測試方法要求擺放好DUT,并準(zhǔn)備測試記錄文檔。對于大部分民標(biāo)來說,1GHz以下的極限線大多是準(zhǔn)峰值極限線,而準(zhǔn)峰值檢波器是速度很慢的一種檢波器,如果使用準(zhǔn)峰值檢波器從30 MHz掃描到1GHz,很可能要花上一兩天時間,那么既符合測試標(biāo)準(zhǔn)的要求又能加快測試吞吐率呢?根據(jù)檢波器工作原理,峰值檢波得到的干擾信號幅值一定大于等于準(zhǔn)峰值檢波器,即EMI Peak ≥ EMIQuasi-peak(當(dāng)干擾信號是窄帶時,兩個檢波器得到的幅值相等),而峰值檢波器的工作速度比準(zhǔn)峰值檢波器快的多,因此為了提高測試吞吐率,通常先用峰值檢波器進(jìn)行預(yù)掃描,然后將得到的干擾信號的幅值與準(zhǔn)峰值極限線進(jìn)行比對。如果某個頻點上干擾信號的峰值檢波值低于準(zhǔn)峰值極限值,那么該頻點上的干擾信號的準(zhǔn)峰值檢波值一定也低于準(zhǔn)峰值極限值,因此就不必在該頻點上再進(jìn)行準(zhǔn)峰值檢波了。然而,如果某些頻點上干擾信號的峰值檢波值超過了準(zhǔn)峰值極限值,那么這些頻點上的干擾信號就成為可疑干擾信號,需要篩選這些頻率點,進(jìn)一步使用準(zhǔn)峰值檢波器進(jìn)行測量,就進(jìn)入了下一個步驟,即空間*大化。在空間*大化步驟中,需要轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺,調(diào)節(jié)天線架,使用準(zhǔn)峰值檢波器監(jiān)視可疑頻點上干擾信號幅值的變化,直到找到*大值。如果所有可疑信號的準(zhǔn)峰值檢波的*大值都低于準(zhǔn)峰值極限線,那么該DUT達(dá)標(biāo)測試通過,否則還需要進(jìn)行診斷整改 。實際上,70%的電子產(chǎn)品在**次進(jìn)行輻射發(fā)射測試時是無法通過標(biāo)準(zhǔn)要求的,因此診斷整改對于EMC測試實驗室來說也是非常重要的一個環(huán)節(jié)。診斷整改大多使用頻譜儀峰值檢波快速掃描進(jìn)行,這樣可以迅速發(fā)現(xiàn)整改措施對超標(biāo)頻率點以及其他頻段干擾信號發(fā)射強(qiáng)度的影響。診斷整改的時間比較長,在不順利的情況下,很可能需要花幾天才能解決發(fā)射超標(biāo)的問題。輻射發(fā)射測試流程*后兩個環(huán)節(jié)是審查和出報告。
頻譜儀對測試速度的影響
從整個測試流程來看,預(yù)掃描和診斷整改都大量使用頻譜儀峰值檢波進(jìn)行快速掃描,這兩個步驟占據(jù)了整個輻射發(fā)射測試總時間的60%強(qiáng),因此選用一臺峰值檢波掃描快速準(zhǔn)確的頻譜儀對于改善EMI測試吞吐率很有幫助。下面就對帶有峰值檢波器的頻譜儀的測量速度進(jìn)一步進(jìn)行分析。
頻譜儀測量信號的一個周期可以大致分成三個階段,如圖所示。首先是掃描/測試階段,在這個階段,信號進(jìn)入頻譜儀,頻譜儀從起始頻率掃描到終止頻率對信號進(jìn)行測量;然后是數(shù)據(jù)處理階段,掃描/測試階段得到的數(shù)據(jù)在這個階段被表示成需要的數(shù)據(jù)格式,這個階段也包括頻譜儀內(nèi)部器件調(diào)諧,為下一次掃描/測試做好準(zhǔn)備,以及一些數(shù)據(jù)運(yùn)算的開銷;*后就是數(shù)據(jù)傳輸階段,即測量得到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口(LAN、GPIB、USB等)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。對于本地測量,一個測量周期只有掃描/測試和數(shù)據(jù)處理階段,而對于遠(yuǎn)程測量,還要包括數(shù)據(jù)傳輸階段。其中,在每一個測量階段,頻譜儀都有很多設(shè)置幫助我們優(yōu)化測量速度,進(jìn)而改善EMI測試吞吐率。
圖3 頻譜儀測量信號的過程
頻譜儀的掃描/測試
在掃描/測試階段,頻譜儀的很多性能都會直接影響測試速度。以干擾信號的頻率讀出精度為例,當(dāng)使用安捷倫PSA高性能頻譜儀的Marker功能讀取干擾信號的頻率時,其讀出精度為±(markerfrequency×frequency reference accuracy +0.25%×span + 5%×RBW + 2 Hz + 0.5×horizontalresolution),其中0.25%×span代表與掃寬設(shè)置有關(guān)的頻率精度。早期的頻譜儀性能有限,掃寬精度為2%左右,為了提高干擾信號的頻率讀出精度,需要將測試頻段劃分為很多個更窄的掃寬,例如10MHz,然后按照設(shè)置在每個窄掃寬內(nèi)進(jìn)行掃描,然后將掃描結(jié)果拼接起來構(gòu)成*終的測試結(jié)果。這種劃分窄掃寬的測試方法雖然提高了頻率精度,但是降低了測試速度,例如30 MHz ~ 1 GHz內(nèi)的輻射發(fā)射測試,如果以10MHz為單位劃分就有97個子掃寬,也就意味著頻譜儀需要做97次掃描才能得到測試結(jié)果。但是如果掃寬精度提高,那么就可以減小分段的個數(shù),從而提高測試速度。例如使用掃寬精度為0.25%的安捷倫PSA頻譜儀,為了在相同的測試頻段得到相同的頻率精度,只需要做13次掃描就可以了,大大提高了測試速度。
除了頻率讀出精度,頻譜儀的很多性能指標(biāo)都能影響EMI測試吞吐率,例如幅度精度、測量重復(fù)性與可靠性等等,如果這些性能指標(biāo)不好,用戶就需要反復(fù)測試以確保測試結(jié)果可信,降低了測試效率。
圖4 傳統(tǒng)模擬中頻頻譜儀結(jié)構(gòu)框圖
另外一方面,頻譜儀結(jié)構(gòu)的**也從很多方面改善了測試速度。與傳統(tǒng)頻譜儀結(jié)構(gòu)(如圖所示)不同,安捷倫PSA高性能頻譜儀**地使用了業(yè)界**的全數(shù)字中頻技術(shù),其原理框圖如圖所示。射頻信號經(jīng)過混頻器進(jìn)入中頻,經(jīng)過自動幅度調(diào)整和高頻抖動兩個信號調(diào)理模塊直接被ADC量化為數(shù)字信號,傳統(tǒng)頻譜儀的各個模擬中頻信號處理模塊,例如RBW濾波器、中頻放大器、對數(shù)放大器、包絡(luò)檢波器、VBW濾波器等,都直接采用數(shù)字ASIC芯片實現(xiàn),這樣的實現(xiàn)方式極大改善了幅度精度(PSA在3GHz以下的典型幅度精度高達(dá)0.19dB),也間接地改善了頻譜儀的測試速度。
圖5 PSA全數(shù)字中頻原理框圖
首先是可設(shè)置的RBW帶寬個數(shù)大大增多。RBW帶寬是頻譜儀中很重要的一個測試參數(shù),它直接影響到頻譜儀的靈敏度、分辨信號能力和掃描速度。傳統(tǒng)頻譜儀的掃描時間與RBW帶寬設(shè)置存在如下關(guān)系,掃描時間 =k×掃寬/(RBW帶寬)2,人為減小掃描時間很可能使RBW濾波器對信號沒有充分響應(yīng),造成測得的頻率和幅度漂移,如圖所示。實際測試中,特別是診斷測試中,往往需要靈活設(shè)置RBW帶寬折衷掃描速度與靈敏度、分辨信號能力。傳統(tǒng)模擬中頻的頻譜儀,由于每個RBW帶寬都與一個模擬RBW濾波器對應(yīng),改變RBW帶寬實際上是在模擬帶通濾波器之間進(jìn)行切換,因此可設(shè)置的RBW帶寬通常會受到模擬帶通濾波器個數(shù)的限制,一般遵從1-3-10步進(jìn)的規(guī)則,從1Hz到8 MHz只有15個RBW帶寬可以設(shè)置。在使用了全數(shù)字中頻之后,PSA中的RBW濾波器全部使用數(shù)字ASIC芯片實現(xiàn),除了精度得到提高以外,可設(shè)置的RBW帶寬也不再受模擬濾波器個數(shù)的限制,PSA的RBW帶寬遵從10%的步進(jìn)規(guī)則,從1 Hz到8 MHz有多達(dá)160個RBW帶寬可供選擇,這就極大地方便了診斷測試的靈活性,可以保證在足夠的靈敏度和分辨信號能力的基礎(chǔ)上盡可能縮短掃描時間,提高EMI診斷測試的吞吐率。
圖6 掃描過快導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)
其次是RBW濾波器的選擇性被大大改善了。安捷倫的頻譜儀使用形狀因子,即濾波器-60 dB帶寬與-3dB帶寬之比,來衡量RBW濾波器的選擇性,這一指標(biāo)在頻譜儀指標(biāo)手冊里都有描述,顯然形狀因子小的RBW濾波器分辨信號的能力更強(qiáng)。對于傳統(tǒng)模擬中頻頻譜儀,由于受模擬濾波器實現(xiàn)的限制,通常形狀因子為12:1,其濾波器形狀如圖中黑色曲線。使用全數(shù)字中頻的PSA,其RBW濾波器的形狀因子為4.1:1,其濾波器形狀如圖中藍(lán)色曲線。假設(shè)有兩個頻率間隔很小的干擾信號,它們幅度差別較大,如果使用數(shù)字RBW濾波器,則既可以測量到較大的干擾信號,也可以分辨較小的干擾信號。如果使用模擬RBW濾波器,由于其形狀因子較大,在大干擾信號激勵下形成的濾波器裙帶就把小干擾信號湮沒了,這時只能通過減小RBW帶寬來試圖分辨小干擾信號,而減小RBW帶寬會使得頻譜儀的掃描時間成平方關(guān)系變長,測試速度大大變慢。
圖7 RBW率濾波器的形狀因子
*后,全數(shù)字中頻技術(shù)作為一個顛覆性的技術(shù),使得全數(shù)字中頻頻譜儀在相同的設(shè)置下的測試速度比模擬中頻頻譜儀要快的多。下圖是安捷倫傳統(tǒng)模擬中頻8563E頻譜儀與全數(shù)字中頻PSA頻譜儀的測量比較圖,可以看到在相同設(shè)置下,PSA的測試時間只有8563E的一半。
圖8 傳統(tǒng)模擬中頻與數(shù)字中頻掃描時間對比
頻譜儀的數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理階段對EMI測試吞吐率的影響不是很大,主要有兩個因素會略微影響到測試速度。首先是掃描數(shù)據(jù)點數(shù)的設(shè)置,在掃寬、RBW、VBW設(shè)置完全相同的情況下,增加數(shù)據(jù)點數(shù)會增加數(shù)據(jù)處理開銷,輕微地降低了測試速度,但這相對于頻率分辨率增加來說是完全可以忽略的。其次,在遠(yuǎn)程測量的情況下選用不同的數(shù)據(jù)格式也會影響數(shù)據(jù)處理開銷,下圖是PSA在8192個掃描數(shù)據(jù)點的情況下使用REAL,64、REAL,32、INT,32三種不同的數(shù)據(jù)格式傳輸數(shù)據(jù)所需要的時間對比,橫坐標(biāo)是對數(shù)坐標(biāo)。從圖中可以看到,由于REAL,64使用64位來表示一個數(shù)據(jù)點,因此顯然傳輸時間長一些,但在都使用32位表示一個數(shù)據(jù)點的情況下,REAL,32還是要比INT,32快一些,這是為什么呢?原來PSA內(nèi)部表示測量數(shù)據(jù)的原始格式是REAL,32,如果選用了INT,32,那么PSA在數(shù)據(jù)處理階段需要花費額外的數(shù)據(jù)處理開銷將REAL,32轉(zhuǎn)換成INT,32再進(jìn)行傳輸,圖中REAL,32與INT,32兩種格式傳輸時間的差別就來自這一處理開銷。因此我們在開發(fā)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程測試的時候,需要查閱頻譜儀的說明手冊,選用*原始的數(shù)據(jù)格式可以幫助縮短總的測試時間,實現(xiàn)一款高效的自動測試軟件。
圖9 數(shù)據(jù)處理開銷對測試時間的影響
頻譜儀的數(shù)據(jù)傳輸
在數(shù)據(jù)傳輸階段,其傳輸速度取決于需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量與傳輸所用的數(shù)據(jù)接口,下圖是PSA使用不同的掃描點數(shù)以及不同的數(shù)據(jù)接口所需要的數(shù)據(jù)傳輸時間。從圖中可以看到,掃描點數(shù)越少傳輸時間越短,數(shù)據(jù)接口速度越快傳輸時間越短。PSA后面板提供了GPIB、LAN、USB2.0三種數(shù)據(jù)接口,其中USB2.0數(shù)據(jù)接口可以大大縮短數(shù)據(jù)傳輸時間,當(dāng)數(shù)據(jù)量巨大的時候,它對遠(yuǎn)程測試速度的改善是顯著的。
圖10 頻譜儀數(shù)據(jù)接口對測量時間的影響
由上面的討論可知,頻譜儀各方面的功能和性能都會影響EMI測試吞吐率,特別是頻譜儀的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)可以在保證測試精度的同時縮短掃描/測試時間,加快預(yù)掃描與診斷測試階段的測試速度,進(jìn)而改善整個EMI測試的吞吐率。
安捷倫*新EMI接收機(jī)/分析儀
安捷倫基于PSA的全兼容EMI接收機(jī)(圖),繼承了PSA全數(shù)字中頻的諸多優(yōu)點,在給用戶提供滿足CISPR16-1-1規(guī)范的認(rèn)證級接收機(jī)的同時,也捆綁了PSA強(qiáng)大的頻譜分析功能,使用戶在EMI測試流程各個階段都能有一款得心應(yīng)手的測試工具,改善測試效率,加快EMI測試的吞吐率。
圖11 安捷倫全兼容PSA-EMI接收機(jī)
除了全兼容PSA-EMI接收機(jī)之外,安捷倫*近也在*新全數(shù)字中頻MXA/EXA信號分析儀上推出了預(yù)兼容EMI測試選件,提供了軍標(biāo)民標(biāo)EMI帶寬、*新CISPR 16-1-1(2007)的兼容檢波器、單點測量、極限線、幅度校正因子、Tune &Listen以及40001個掃描點數(shù)等功能,為EMI診斷測試或者預(yù)兼容測試提供了一個更好的選擇,圖是該預(yù)兼容EMI分析儀的照片。
圖12 安捷倫*新預(yù)兼容EMI分析儀