示波器在電磁兼容性試驗(yàn)中耦合方式的選擇與應(yīng)用研究

李金蓉 盧逐浪 傅小葉 張榮榮 張宇

摘要：針對(duì)電磁兼容性試驗(yàn)中示波器耦合方式的選擇問題，文章對(duì)示波器耦合方式進(jìn)行原理分析，結(jié)合《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》（GJB 151B-2013）中典型的電磁兼容性試驗(yàn)進(jìn)行解釋說明，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該選擇方法的合理有效性。

關(guān)鍵詞：示波器;耦合方式;電磁兼容性試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）01-0094-04

0 引言

隨著電力電子器件的多樣化和復(fù)雜化，現(xiàn)代社會(huì)的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，電磁干擾問題愈發(fā)突出，加上電磁兼容法規(guī)在國內(nèi)外的普遍實(shí)施，電磁兼容性問題在電力電子領(lǐng)域也受到越來越多的關(guān)注。國軍標(biāo)《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》（GJB 151B-2013）[1]是目前軍品研發(fā)中使用最普遍的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，其中包含了傳導(dǎo)發(fā)射（CE）項(xiàng)目4項(xiàng)，傳導(dǎo)敏感性（CS）項(xiàng)目11項(xiàng)，輻射發(fā)射（RE）項(xiàng)目3項(xiàng)，輻射敏感性（RS）項(xiàng)目3項(xiàng)。在這些項(xiàng)目的試驗(yàn)配置中示波器起著至關(guān)重要的作用，其一是監(jiān)測(cè)敏感性試驗(yàn)項(xiàng)目中試驗(yàn)方給受試產(chǎn)品施加的干擾信號(hào)，保證施加的信號(hào)符合GJB 151B-2013的要求，以確保受試產(chǎn)品能夠經(jīng)受住標(biāo)準(zhǔn)干擾信號(hào)的騷擾，為日后在復(fù)雜電磁環(huán)境中能夠正常工作提供保障;其二是監(jiān)測(cè)受試產(chǎn)品在一定工作情況下發(fā)出的信號(hào)，以驗(yàn)證該產(chǎn)品發(fā)出的信號(hào)是否低于相應(yīng)的GJB 151B-2013限值，即該產(chǎn)品工作時(shí)是否會(huì)影響其他電力電子器件的正常工作，為日后與其他產(chǎn)品的協(xié)同工作提供保障。然而不同的試驗(yàn)項(xiàng)目中示波器的耦合方式不同，不同的耦合方式又會(huì)導(dǎo)致不同的測(cè)試結(jié)果[2]，這給很多試驗(yàn)人員造成困惑，尤其是新入職的員工，常常在面對(duì)示波器耦合方式的選擇上猶豫不決。故本文通過對(duì)示波器的耦合方式進(jìn)行原理分析，結(jié)合GJB 151B-2013中典型的試驗(yàn)項(xiàng)目，針對(duì)不同試驗(yàn)中示波器的耦合方式的選擇作出說明，并用試驗(yàn)驗(yàn)證了該選擇方法的合理性和有效性。

1 示波器耦合方式原理分析

示波器的接入通道設(shè)置首頁選項(xiàng)中，有一個(gè)重要的選項(xiàng)：耦合Coupling。所謂耦合Coupling是指待測(cè)信號(hào)是通過哪種路徑進(jìn)入示波器，有AC/DC/GND三種選項(xiàng)，下面本文將針對(duì)這三種耦合方式進(jìn)行原理分析。

1.1 直流耦合DC Coupling

直流耦合是將待測(cè)信號(hào)直接直通進(jìn)示波器，故該種方式可以在示波器顯示屏上觀測(cè)到波形的完整樣子，如圖1所示。

舉例說明，如果原始波形是28V的直流同時(shí)有振幅為1V的正弦波，那么用直流耦合，在示波器屏幕上也就能看到高于0V，基準(zhǔn)線為28V的振幅為1V的正弦波。

在直流耦合DC Coupling中還有另一個(gè)讓人困惑的問題，那就是輸入阻抗的選擇。輸入阻抗有1MΩ和50Ω兩種，下面針對(duì)輸入阻抗展開討論。

電信號(hào)實(shí)際上是以電磁波的形式在傳輸線中傳播的，當(dāng)傳輸線的尺寸不再遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)時(shí)，就不得不考慮這個(gè)“波”的特性了。當(dāng)線路中發(fā)生反射的時(shí)候，入射波和反射波疊加在一起就會(huì)導(dǎo)致波形的失真，造成信號(hào)測(cè)量失誤。為阻止這種信號(hào)反射，就要保證傳輸介質(zhì)均勻，任何一點(diǎn)橫截面幾何結(jié)構(gòu)相同。在傳輸線終點(diǎn)也是一樣。只要保證信號(hào)的瞬時(shí)阻抗不變，同樣也不會(huì)發(fā)生反射。這就引出了特性阻抗的概念。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)均勻傳輸線的瞬時(shí)阻抗是純阻性的，于是考慮給負(fù)載并聯(lián)一個(gè)電阻，讓其阻性和特性阻抗相等，這樣信號(hào)就不會(huì)反射回去，電路就被清凈了，這種方法叫做終端匹配。

特性阻抗大小會(huì)影響信號(hào)傳輸功率、傳輸損耗、串?dāng)_等電氣性能，而其板材和幾何結(jié)構(gòu)又影響制造成本，故只能找一個(gè)折中值。而50Ω正是同軸線的傳輸功率、傳輸損耗以及制造成本的一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。所以大多數(shù)高速信號(hào)都會(huì)采用50Ω特性阻抗系統(tǒng)，形成標(biāo)準(zhǔn)并沿用至今，成為使用最廣泛的一種阻抗標(biāo)準(zhǔn)。示波器上50Ω的阻抗檔位的作用就是用來匹配50Ω系統(tǒng)中的傳輸線。

1MΩ的阻抗檔位的來源則是考慮到示波器的負(fù)載效應(yīng)問題。示波器本身的輸入阻抗，在測(cè)量時(shí)不可避免要帶到測(cè)量電路中。信號(hào)差異主要是原電路輸出電阻和示波器1MΩ的分壓決定。原電路輸出電阻越小，示波器負(fù)載效應(yīng)帶來的偏差就越小。

綜上所述，1MΩ的阻抗檔位是為了減小示波器的負(fù)載效應(yīng)帶來的測(cè)量偏差，而50Ω的阻抗檔位則是為了消除傳輸線路上的信號(hào)發(fā)射，將傳輸線的影響降到最低。根據(jù)上述分析，可得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)被測(cè)信號(hào)是一個(gè)無負(fù)載信號(hào)（如信號(hào)發(fā)生器），切采用50Ω特性阻抗同軸電纜與示波器相連時(shí)，則選擇50Ω的阻抗檔位;

（2）當(dāng)被測(cè)信號(hào)擁有完整終端接收系統(tǒng)時(shí)則需要選擇1MΩ的阻抗檔位;

（3）若沒有進(jìn)行特別說明，則優(yōu)先選用1MΩ的阻抗檔位，因?yàn)樵摍n位輸入阻抗大，可以盡量減小對(duì)被測(cè)電路的影響，同時(shí)因?yàn)榉謮涸恚摍n位下的輸入電壓可以達(dá)到幾百伏，否則容易導(dǎo)致示波器損壞。

1.2 交流耦合AC Coupling

交流耦合方式是將待測(cè)信號(hào)經(jīng)過一個(gè)隔直電容再進(jìn)入示波器[3]，故可將待測(cè)信號(hào)中的直流成分去除，如圖2所示。

舉例說明，如果原始波形是28V的直流同時(shí)有振幅為1V的正弦波，那么用交流耦合，最終在示波器屏幕上會(huì)看到基準(zhǔn)線為0V的振幅為1V的正弦波。

這種耦合方式可以讓觀測(cè)者對(duì)待測(cè)信號(hào)的交流分量進(jìn)行仔細(xì)的觀測(cè)研究，但會(huì)過濾掉待測(cè)信號(hào)的直流分量。

1.3 接地GND

接地耦合方式，如圖3所示，其實(shí)就是將示波器的輸入端接地。此時(shí)應(yīng)該在示波器上看到一條橫線，表示沒有任何信號(hào)。這個(gè)選擇設(shè)置的目的是讓使用者通過該選項(xiàng)確認(rèn)接地后信號(hào)是否真的停在0V，進(jìn)一步確認(rèn)示波器本身的雜波是否會(huì)串到屏幕上，用來檢查示波器是否發(fā)生故障。

2 典型電磁兼容性試驗(yàn)項(xiàng)目

下面就GJB 151B-2013中典型的幾個(gè)電磁兼容性試驗(yàn)項(xiàng)目中關(guān)于示波器耦合方式的選擇進(jìn)行具體分析。

2.1 CS115

測(cè)試設(shè)備如下：

脈沖信號(hào)發(fā)生器，50Ω;注入探頭;激勵(lì)電纜，50Ω;監(jiān)測(cè)探頭;校驗(yàn)裝置：具有50Ω特性阻抗的同軸傳輸線;衰減器，50Ω;同軸負(fù)載，50Ω。

由GJB 151B-2013中對(duì)測(cè)試設(shè)備的說明可知，該項(xiàng)目測(cè)試設(shè)備均采用50Ω匹配負(fù)載，根據(jù)1.1小節(jié)的分析，可知CS115試驗(yàn)測(cè)試配置中示波器應(yīng)該選擇50Ω輸入阻抗，以減少傳輸線路對(duì)信號(hào)的影響。同時(shí)在校準(zhǔn)配置中，信號(hào)到示波器之間并沒有終端負(fù)載，根據(jù)1.1小節(jié)的分析也可知校準(zhǔn)時(shí)示波器也應(yīng)選擇50Ω輸入阻抗。這一結(jié)論也與GJB 151B-2013中要求一致。

2.2 CS106

測(cè)試設(shè)備如下：

尖峰信號(hào)發(fā)生器，源阻抗不大于2Ω;電容器;示波器，高輸入阻抗;無感電阻器，5Ω;隔離變壓器。

根據(jù)GJB 151B-2013中對(duì)測(cè)試設(shè)備的描述，該項(xiàng)目測(cè)試配置中各設(shè)備并沒有要求50Ω的匹配負(fù)載，且明確要求了信號(hào)源的輸出阻抗較小，這樣當(dāng)示波器選擇1MΩ的輸入阻抗時(shí)，示波器的負(fù)載效應(yīng)帶來的偏差就會(huì)很小。同時(shí)該項(xiàng)目的尖峰信號(hào)峰值電壓達(dá)到幾百伏，為保證示波器不被損壞也應(yīng)選擇1MΩ的輸入阻抗。此外，在校準(zhǔn)配置中，信號(hào)輸出后有5Ω的終端負(fù)載，故根據(jù)1.1小節(jié)的分析，校準(zhǔn)時(shí)示波器也應(yīng)選擇1MΩ的輸入阻抗。

當(dāng)然，由于交流耦合方式下示波器也呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，故CS106項(xiàng)目中也可選擇交流耦合方式。針對(duì)直流1MΩ的輸入阻抗和交流耦合的區(qū)別，主要是考慮設(shè)備本身的供電電壓幅值以及探頭的比例。由于直流高阻狀態(tài)下示波器上的顯示將是以供電電壓幅值為基準(zhǔn)線的波形，若供電電壓過大，則可能導(dǎo)致該波形不在示波器的顯示范圍內(nèi)，故本文認(rèn)為本試驗(yàn)中示波器采用交流耦合的方式更為合理。

2.3 CE107

CE107試驗(yàn)主要考核設(shè)備因自身開關(guān)操作而可能在交直流電源線上產(chǎn)生尖峰干擾信號(hào)，該干擾信號(hào)可能會(huì)反干擾到接入同一電源的其他設(shè)備。故該試驗(yàn)中示波器測(cè)量的信號(hào)是產(chǎn)品開關(guān)操作帶來的，不存在50Ω的阻抗匹配問題，故在如圖4所示的試驗(yàn)配置中應(yīng)當(dāng)選擇直流1MΩ或者交流耦合方式，以盡量減少示波器負(fù)載效應(yīng)的影響。

同時(shí)GJB 151B-2013中的限值為“額定電壓的+50%、-150%（直流電源線）”，緊接著還有一句注釋“尖峰信號(hào)的幅值以開關(guān)操作瞬間出現(xiàn)在電源電壓波形出的電壓為基準(zhǔn)，不是以示波器縱軸的0V為基準(zhǔn)”。而由于交流耦合方式會(huì)將直流分量去除，最后的波形均以0V為基準(zhǔn)，容易讓試驗(yàn)員和客戶產(chǎn)生疑問，故本文建議本試驗(yàn)中示波器優(yōu)先選擇直流1MΩ的耦合方式。但若產(chǎn)品本身的供電電壓過大，導(dǎo)致干擾信號(hào)基準(zhǔn)線過高，示波器的量程不足以對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行完整顯示或精確顯示時(shí)，可選擇交流耦合的方式。

同時(shí)在電源特性的試驗(yàn)中，有一個(gè)LDC107的項(xiàng)目，與CE107的配置很相似，但在示波器耦合方式的選擇上卻有不同的考慮，故本文在此也一并進(jìn)行討論。LDC107試驗(yàn)與CE107試驗(yàn)的區(qū)別在于開關(guān)接入的位置，CE107由于考核的是產(chǎn)品自身開關(guān)操作引起的干擾，故開關(guān)接在產(chǎn)品和LISN（線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)）中間，無論開關(guān)如何操作，LISN處是通電的，示波器顯示值一直有一個(gè)穩(wěn)定的直流分量，觸發(fā)測(cè)到的干擾信號(hào)也不會(huì)存在階躍的問題。而LDC107試驗(yàn)中，開關(guān)接在電源和LISN之間，那么開關(guān)的閉合就會(huì)導(dǎo)致LISN的通斷電，在示波器上就會(huì)出現(xiàn)階躍的信號(hào)。此時(shí)若采用交流耦合方式，會(huì)將該通斷電導(dǎo)致的階躍也算作是干擾信號(hào)，導(dǎo)致最后測(cè)量的干擾信號(hào)比實(shí)際的幅值大。故本文認(rèn)為在LDC107試驗(yàn)中，示波器必須采用直流高阻的耦合方式，才能對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行正確的測(cè)量。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 CS115校準(zhǔn)

根據(jù)GJB 151B-2013標(biāo)準(zhǔn)中CS115的校準(zhǔn)配置圖，本文開展了如圖5所示的CS115校準(zhǔn)。試驗(yàn)中采用的設(shè)備均是經(jīng)過檢定且在有效期內(nèi)的。

若示波器采用直流，50Ω的耦合方式，則當(dāng)脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出設(shè)置為787時(shí)，有如圖6所示的測(cè)試數(shù)據(jù)圖。

此時(shí)最大負(fù)尖峰電壓值為245V，根據(jù)50Ω的阻抗匹配，可知此時(shí)注入探頭注入的電流值為4.9A，基本達(dá)到GJB 151B-2013中CS115項(xiàng)目對(duì)信號(hào)峰值的限值要求（5A）。而若此時(shí)選擇直流，1MΩ的耦合方式，則相同配置下能得到如圖7所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。

根據(jù)圖7，此時(shí)最大負(fù)尖峰電壓值為458V，若試驗(yàn)者不清楚直流耦合中50Ω和1MΩ的區(qū)別，將二者等同，則會(huì)認(rèn)為此刻注入探頭注入的電流為9.16A。即若按直流，1MΩ的耦合方式進(jìn)行校準(zhǔn)，此時(shí)得到的校準(zhǔn)值會(huì)比787（直流50Ω下脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出校準(zhǔn)值）小得多。這會(huì)導(dǎo)致按校準(zhǔn)值進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，注入電流比5A小很多，最終導(dǎo)致試驗(yàn)欠考核，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性。

3.2 CE107

根據(jù)GJB 151B-2013標(biāo)準(zhǔn)中CE107的測(cè)試配置圖，本文開展了如圖8所示的CE107試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用的設(shè)備均是經(jīng)過檢定且在有效期內(nèi)的。

此時(shí)示波器采用直流1MΩ和交流耦合方式得到的測(cè)試數(shù)據(jù)分別如圖9和圖10所示。根據(jù)本文第2節(jié)的分析，CE107項(xiàng)目中直流1MΩ和交流耦合的區(qū)別在于基準(zhǔn)線，直流1MΩ耦合保留了產(chǎn)品的供電電壓（如圖9中Y1為28V），而交流耦合方式則將直流28V去掉了，只留下交流分量（如圖10中Y1為0V）。但是CE107試驗(yàn)中兩種耦合方式得到的信號(hào)的幅值是一致的，即圖9中ΔY為40.5V，圖10中的ΔY為41.0V，基本是一致的，0.5V的差別只是重復(fù)手動(dòng)測(cè)量帶來的誤差。

這里附帶討論一下LDC107試驗(yàn)的情況。在LDC107試驗(yàn)中，若示波器采用直流1MΩ和交流耦合方式，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)如圖11和圖12所示。

同樣，根據(jù)本文第2節(jié)的分析，LDC107試驗(yàn)中存在著供電電壓的階躍現(xiàn)象，此時(shí)若用直流1MΩ的耦合方式，則可以準(zhǔn)確看出試驗(yàn)狀態(tài)，且開關(guān)操作帶來的尖峰幅值可以用光標(biāo)準(zhǔn)確測(cè)量出來，如圖11中該產(chǎn)品在開關(guān)關(guān)閉時(shí)未測(cè)出尖峰信號(hào)，但是仍然測(cè)出一個(gè)28V左右的階躍。而同時(shí)若示波器采用交流耦合的方式，則會(huì)測(cè)出如圖12所示的尖峰，這個(gè)尖峰幅值是將28V電源的開關(guān)階躍包含進(jìn)去了，影響了試驗(yàn)員對(duì)真實(shí)開關(guān)操作帶來的尖峰幅值的測(cè)試，故本文認(rèn)為在LDC試驗(yàn)中應(yīng)該選擇直流1MΩ的耦合方式。

4 結(jié)語

本文針對(duì)電磁兼容性試驗(yàn)中示波器耦合方式的選擇問題，對(duì)示波器幾種耦合方式進(jìn)行了原理分析，結(jié)合GJB 151B-2013中典型的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行解釋說明，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了不同試驗(yàn)情況下的示波器耦合方式選擇方法，有助于試驗(yàn)員在試驗(yàn)配置中進(jìn)行合理且正確的選擇，有效保障了測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，具有很大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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