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展頻技術(shù)在儀表輻射發(fā)射測試整改中的應(yīng)用

2023年01月25日 10:51:21      來源：云南昌暉儀表制造有限公司 >> 進(jìn)入該公司展臺      閱讀量：26

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昌暉儀表結(jié)合案例分享儀表輻射發(fā)射測試步驟、輻射發(fā)射測試結(jié)果分析及展頻技術(shù)在輻射發(fā)射測試不合格項整改中的應(yīng)用，對儀表工程師提升電氣兼容性能的設(shè)計水平有很好借鑒作用。

1、電磁兼容概述
通俗易懂來說，電磁兼容是指同處于電磁波環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，既要求都能正常工作又互不干擾，達(dá)到“兼容”狀態(tài)。

在昌暉儀表網(wǎng)《》文章中對EMC電磁兼容的測試項目有過詳細(xì)介紹，在電磁兼容試驗中，每一個測試項目都是通過模擬電磁環(huán)境中的某一種干擾或抗干擾方式對產(chǎn)品所進(jìn)行測試，以此評價產(chǎn)品干擾或抗干擾的影響程度。如靜電放電抗擾度試驗實質(zhì)上是模擬具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移，在電荷轉(zhuǎn)移過程中對電路引起的干擾是否造成電子產(chǎn)品功能紊亂，從而評價被測設(shè)備靜電放電抗干擾程度；電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗實質(zhì)上是一連串的暫態(tài)脈沖(脈沖群)騷擾，是否會引起電路乃至設(shè)備的誤動作或性能降低，從而評價設(shè)備能正常工作抗暫態(tài)脈沖(脈沖群)的干擾程度；還有其它電磁兼容試驗項目如工頻磁場抗擾度、浪涌抗擾度、振鈴波抗擾度、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度、脈沖磁場抗擾度以及電壓變化、電壓波動和閃爍試驗、傳導(dǎo)騷擾等等。 其中有一個非常重要的測試項目輻射發(fā)射又稱輻射騷擾(以下稱之為輻射發(fā)射)，主要是指能量以電磁波的形式由源發(fā)射到空間，并在空間傳播的現(xiàn)象，對周圍環(huán)境中的設(shè)備是否造成干擾。

輻射發(fā)射測試是電磁兼容的重要內(nèi)容，也是測試最不容易通過的項目。不同的設(shè)備測試輻射發(fā)射，都需選取相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，按照不同的設(shè)備等級或分類，來確定被測試設(shè)備EUT的測量限值或測試需求。

2、輻射發(fā)射測試和結(jié)果分析
輻射發(fā)射測試能力和整改水平，是衡量一個實驗室電磁兼容水平最直觀的因素。
①輻射發(fā)射測試示意圖
輻射發(fā)射測試示意圖
 圖1    輻射發(fā)射測試示意圖
◆ 測試設(shè)備：EMI接收機(jī)、高/低頻接收天線、天線塔、測試軟件等。
◆ 測試環(huán)境：電波暗室。
◆ 測量距離：是指EUT天線的一點與天線中心在地面上投影間的距離。分為3米法和10米法。
◆ 天線高度：天線距離地面的高度應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)變化，以便獲得直射波和反射波同相位時會出現(xiàn)的讀數(shù)。測試時，天線有水平和垂直兩種狀態(tài)，天線高度在1米到4米間上下變化。
◆ 頻率范圍：30MHz-18GHz。

②輻射發(fā)射測試過程中的關(guān)鍵步驟
a、將EUT放置于測試桌子上，按相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)擺放EUT；
b、打開EUT電源開關(guān)，將EUT調(diào)到正常工作模式進(jìn)行測試；
c、按EUT產(chǎn)品設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)限值和測試頻率，點擊測試軟件進(jìn)行測試；
d、測試先用峰值檢波器預(yù)掃，測試結(jié)果以準(zhǔn)峰值為準(zhǔn)，準(zhǔn)峰值大于標(biāo)準(zhǔn)限值則不合格，準(zhǔn)峰值小于標(biāo)準(zhǔn)限值則合格；
e、打開EUT另一個工作模式，重復(fù)3到4的測試，直到EUT的工作模式測試完。其中只要有一個工作模式不合格則該產(chǎn)品輻射發(fā)射不合格。

③輻射發(fā)射測試數(shù)據(jù)
如測試30MHz-6GHz頻段不合格結(jié)果圖情形
30MHz-1GHz頻段不合格結(jié)果
圖2  30MHz-1GHz

圖3  1GHz-6GHz
造成輻射發(fā)射超標(biāo)的原因是多方面的，如接口濾波不好，結(jié)構(gòu)屏效低，電纜設(shè)計有缺陷都有可能導(dǎo)致輻射發(fā)射超標(biāo)，但產(chǎn)生輻射的原因存在于不同的設(shè)計階段。

④在元器件布局階段注意事項
a、接口信號的濾波、防護(hù)和隔離等器件是否靠近接口連接器放置，先防護(hù)，后濾波；電源模塊、濾波器、電源防護(hù)器件是否靠近電源的入口放置，盡可能保證電源的輸入線最短，電源的輸入輸出分開，走線互不交叉；
b、晶體、晶振、繼電器、開關(guān)電源等強(qiáng)輻射器件或敏感器件是否遠(yuǎn)離單板拉手條、連接器；
c、濾波電容是否靠近IC的電源管腳放置，位置、數(shù)量適當(dāng)；
d、時鐘電路是否靠近負(fù)載，且負(fù)載均衡放置；
e、接口濾波器件的輸入、輸出是否未跨分割區(qū)；除光耦、磁珠、隔離變壓器、A/D、D/A等器件外，其它器件是否未跨分割區(qū)。

⑤在PCB布線階段注意事項
a、電源、地的布線處理無地環(huán)路，電源及與對應(yīng)地構(gòu)成的回路面積小；
b、差分信號線對是否同層、等長、并行走線，保持阻抗一致，差分線間無其他走線；
c、時鐘等關(guān)鍵信號線是否布內(nèi)層（優(yōu)先考慮優(yōu)選布線層），并加屏蔽地線或與其他布線間距滿足3W原則，關(guān)鍵信號走線是否未跨分割區(qū)；
d、是否無其他信號線從電源濾波器輸入線下走線，濾波器等器件的輸入、輸出信號線是否未互相并行、交叉走線。

3、產(chǎn)品輻射發(fā)生測試案例與整改攻略
①產(chǎn)品輻射發(fā)射測試案例
本文進(jìn)行輻射發(fā)射測試的產(chǎn)品為野外攝像機(jī)，內(nèi)分核心控制板、sensor 板、攝像頭、SD 存儲卡和電池五部分組成，外殼為塑膠殼，小板僅有兩個接口：DC5V 外接電源接口和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB 接口。經(jīng)過輻射測試發(fā)現(xiàn)有33MHz 左右的諧波雜訊輻射問題。
原始測試數(shù)據(jù)如下：

圖4 測試圖

②問題分析
該產(chǎn)品外殼結(jié)構(gòu)塑膠外殼，是非屏蔽材料，整機(jī)測試只有電源線和USB 線引出殼體，難道干擾頻點是由電源線和USB線輻射出來的嗎？故分別作了一下幾步測試：
a、僅在電源線上加磁環(huán)，測試結(jié)果：改善不明顯；
b、僅在USB 線上加磁環(huán)，測試結(jié)果：改善仍然不明顯；
c、在USB 線和電源線都加磁環(huán)，測試結(jié)果：改善較明顯，干擾頻點整體有所下降。
從上可得，干擾頻點是從兩個接口帶出來的，并非是電源接口或USB接口的問題，而是內(nèi)部干擾頻點耦合到這兩個接口所導(dǎo)致的，僅屏蔽某一接口不能解決問題。
經(jīng)過近場量測發(fā)現(xiàn)，干擾頻點來之于核心控制板的一個32.768KHz的晶振，產(chǎn)生很強(qiáng)的空間輻射，使得周圍的走線和GND都耦合了32.768KHz諧波雜訊，再通過接口USB線和電源線耦合輻射出來。而該晶振的問題在于以下兩點問題所導(dǎo)致的：
◆ 晶振距離板邊太近，易導(dǎo)致晶振輻射雜訊。
◆ 晶振下方有布信號線，這易導(dǎo)致信號線耦合晶振的諧波雜訊。
◆ 濾波器件放在晶振下方，且濾波電容與匹配電阻未按照信號流向排布，使得濾波器件的濾波效果變差。
輻射發(fā)射測試產(chǎn)品電路板晶振位置
圖5  輻射發(fā)射測試產(chǎn)品電路板晶振位置

③解決對策
根據(jù)分析得出以下對策：
a、晶體的濾波電容與匹配電阻靠近CPU 芯片優(yōu)先放置，遠(yuǎn)離板邊；
b、切記不能在晶體擺放區(qū)域和下方投影區(qū)內(nèi)布地；
c、晶體的濾波電容與匹配電阻按照信號流向排布，且靠近晶體擺放整齊緊湊；
d、晶體靠近芯片處擺放，兩者間的走線盡量短而直。
可以參考如下圖布局方式：

圖6 布局圖
經(jīng)整改后，樣機(jī)測試結(jié)果如下：

圖7 測試結(jié)果圖

④結(jié)論
現(xiàn)今很多系統(tǒng)晶振現(xiàn)今很多系統(tǒng)晶振時鐘頻率高，干擾諧波能量強(qiáng)；干擾諧波除了從其輸入與輸出兩條走線傳導(dǎo)出來，還會從空間輻射出來，若布局不合理，容易造成很強(qiáng)的雜訊輻射問題，而且很難通過其他方法來解決，因此在PCB板布局時對晶振和CLK信號線布局非常重要。

4、儀表輻射發(fā)射測試整改攻略之展頻技術(shù)
上述整改手法比較常規(guī)，對輻射發(fā)射超標(biāo)情況，尤其是晶振問題造成的，的手段就是展頻技術(shù)。
展頻原理
圖8  展頻原理

展頻應(yīng)用
圖9 展頻應(yīng)用

展頻特點
圖10 展頻特點

展頻前測試結(jié)果
圖11 展頻前測試結(jié)果
展頻后測試結(jié)果
圖12  展頻后測試結(jié)果
昌暉儀表歡迎各位電磁兼容整改達(dá)人進(jìn)行展頻技術(shù)的探討與交流！
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