電磁傳導發(fā)射測試系統(tǒng)的集成設計

上海航天804 研究所 劉柳 王濤 汪沛欣 張欣 熊偉

本文是根據(jù)電磁傳導發(fā)射的實際應用需求，設計了電磁傳導發(fā)射測試系統(tǒng)。文章詳細闡述了系統(tǒng)集成、調(diào)試、專用軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)處理、顯示處理、通調(diào)異常處理、校準等相關內(nèi)容，實現(xiàn)多種電磁兼容標準下的準確測試，對相關的測量應用有一定借鑒。

電磁兼容的測試系統(tǒng)隨著計算機技術的發(fā)展，使其測試技術、軟硬件開發(fā)都得到快速發(fā)展。電磁兼容標準把EMC(Electromagnetic Compatibility)測試分成兩類[1]：電磁干擾度測試(EMI：Electromagnetic Interference)、電磁抗擾度測試(EMS：Electromagnetic Susceptibility)，國軍標中電磁傳導發(fā)射是電磁干擾測試中必做項目，涉及的儀器主要是電磁干擾接收機或頻譜分析儀[2]，但處理數(shù)據(jù)的工作量較大，需計入補償因子后與標準規(guī)定的極限值進行比較，以判定干擾信號是否超標，因此需要測量經(jīng)驗的積累和特殊儀器的應用經(jīng)驗，同時軟件系統(tǒng)的設計也直接影響系統(tǒng)測試的效率和準確度。常用的軟件開發(fā)平臺有：VC++、VB、Agilent VEE、NI-LabVIEW 等[3]。 為 了實現(xiàn)電磁傳導發(fā)射測試系統(tǒng)的測試功能，本文結合項目需求及通用化要求（軍標及歐標），重點研究了系統(tǒng)集成和軟件開發(fā)，設計了一套穩(wěn)定的電磁傳導發(fā)射測試系統(tǒng)。

1 測試系統(tǒng)方案設計與分析

依據(jù)甲方提供的電磁傳導發(fā)射實際使用需求（項目需求指標書），進行電磁傳導發(fā)射測試系統(tǒng)的設計，本方案構建主要基于GJB 151B-2013[3]、GJB 6113-2008、GB 9254-2008 等標準，對軍標電磁傳導發(fā)射項目進行測試系統(tǒng)搭建和軟件開發(fā)，并增加了歐標測量子項和用戶可定義擴展測試選項。

1.1 測試系統(tǒng)設計方案

電磁傳導發(fā)射試驗主要用于測試待測件輸入電源線上的傳導發(fā)射。本文設計的電磁傳導發(fā)射測試系統(tǒng)由測量接收機、LISN、隔離變壓器、EMI 濾波器與準峰值檢波器、衰減器等構成。其系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 測試系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Test system composition diagram

當被測件是單相供電時，采用以上系統(tǒng)集成方案：220V 的交流電壓通過經(jīng)特殊處理的隔離變壓器（避免強電工廠環(huán)境現(xiàn)場零地壓差過高導致精密儀表損壞）后再經(jīng)過線路阻抗正定網(wǎng)絡（簡稱LISN，下同）對待測件加電，待測件內(nèi)的電磁騷擾電壓（即待測件的電磁傳導發(fā)射電壓）通過LISN 取樣后，經(jīng)標準規(guī)定的準峰值檢波器檢波，進入測量接收機接收后，在計算機上使用專用分析軟件顯示輸出，途中衰減器起限幅作用。

當被測件是直流供電時，圖1 中將改制的隔離變壓器直通即可。

在電磁傳導發(fā)射測試中，LISN 一方面能將電源上的無用射頻信號與待測件的信號隔離開來，進而將干擾電壓耦合到測量接收機上；另一方面，在被測設備與供電電源之間接入LISN，它為受試設備端子之間提供一種標準化的阻抗，以保證不同測試機構間測試結果的一致性。LISN 可購成品，也可研制考慮時間和工作重點，再作線路拓撲和相關論文研究后備案處理。

測試系統(tǒng)中的接收機也是系統(tǒng)的重要組成部分，可實現(xiàn)對干擾電壓的拾取。在電磁兼容測試領域中，常用EMI 接收機作為測量接收設備。相比業(yè)內(nèi)RS 公司生產(chǎn)的EMI 接收機的高昂價格，國內(nèi)已有替代產(chǎn)品，且性價比優(yōu)勢明顯。我們選用可進行EMI 預測試功能的頻譜儀，可在兩種測量模式下，對輸入信號進行頻譜分析和相關電參數(shù)測量。在本方案中利用某公司高靈敏度頻譜分析儀代替測量接收機，大幅降低成本；并將衰減器、EMI 濾波器、準峰值檢波器集成在高靈敏度頻譜儀中，減小系統(tǒng)規(guī)模和體積，測試簡便、靈活、高效、界面友好。

1.2 測量參數(shù)的設計

由于電磁傳導發(fā)射測試數(shù)據(jù)量大、時間長，為提高檢測效率，本案采用了預掃描、終掃描2 種方法。

預掃描使用頻譜儀默認的高斯濾波器，采用正峰值掃描方式，對系統(tǒng)進行快速測量，鎖定誤差頻率范圍，預掃描頻段參照GJB 6113-2008 的規(guī)定進行劃分，理論上，全程預掃描時間在保證一定精度的前提下越快越好。

終掃描需采用EMI 測試專用的準峰值接收機模式：當頻譜儀的檢波方式選擇“準峰值”，儀器自動切換為EMI濾波器，對系統(tǒng)進行精密測量，終掃描頻率分段設定需嚴格按照GJB 6113-2008 的準峰值測量接收機的基本特性執(zhí)行。用于電磁傳導發(fā)射測試的準峰值（Quasi Peak）檢波器和EMI 濾波器有3 種（200Hz、9kHz、120kHz，-6dB 帶寬）。而對于每一個數(shù)據(jù)點，準峰值檢波器在對應時間間隔內(nèi)檢測峰值，使用帶有特定的充電、放電結構的電路和由有關標準（如CISPR Publication 16）標準中規(guī)定的顯示時間常數(shù)作為權值對已檢測的峰值進行加權處理，顯示加權結果。

中國特色社會主義文化自信雖初具雛形,但仍是一個需要長期建構的未來形態(tài)。另外,文化自信還始終存在著一個不斷提升的問題。當然在這一過程中,還將會出現(xiàn)科學文化與傳統(tǒng)文化、科學文化與西方文化、科學文化與科學主義等這些歷史上多次出現(xiàn)、始終沒能解決的老問題,還將出現(xiàn)文化保守主義出于民族感情的呵護對科學文化的拒絕、后現(xiàn)代主義者對現(xiàn)代性的過度解構造成對科學文化的誤讀,特別是對科學文化中所涉及的民主思想迎拒等新問題。

預掃描過程在9kHz ～150kHz 、150kHz ～30MHz、30MHz ～108MHz 三段頻率范圍內(nèi)分辨率帶寬（RBW）分別為300Hz、10kHz、100kHz，視頻帶寬（VBW）、掃描時間、參考電平等參數(shù)按一般測量操作和本款儀器使用特別要求在系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)中完善，總頻段預掃描時間約為66s。

終掃描過程9kHz ～150kHz、150kHz ～30MHz、30MHz ～108MHz 三段頻率范圍內(nèi)分辨率帶寬（RBW）分別為200Hz、9kHz、120kHz，其他參數(shù)在系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)中完善，總頻段掃描時間約為11000s。

2 測試系統(tǒng)軟件設計

為了達到電磁傳導發(fā)射CE102 測試功能，專門開發(fā)了軟件分析系統(tǒng)。該軟件基于Visual Studio 開發(fā)環(huán)境使用C#語言編寫，調(diào)用API 函數(shù)發(fā)送SCPI 指令，通過USB-TMC 接口實現(xiàn)軟件與儀器的通信，從而實現(xiàn)對儀器的應用控制。

2.1 軟件測試流程

該軟件的主要測試流程分為設置階段、掃描階段、報告生成階段，具體流程如圖2 所示。

圖2 軟件測試流程圖Fig.2 Software test flowchart

2.1.1 參數(shù)設置階段

（1）首先加載并選擇校準文件，補償外部設備的增益或損耗，比如LISN/天饋線/接收機頻響等；

（2）加載并選擇限制線文件，按不同標準設定測量限值，配置預掃描以及終掃描參數(shù)；

（3）分段設置：本軟件允許獨立設置分段掃描的參數(shù)，并可通過表格形式瀏覽分段掃描數(shù)據(jù)表，另外，可以導出當前編輯的分段掃描表格，或導入已編輯的分段掃描表格；

（4）設置測量頻譜圖的坐標軸以及圖形標題。

2.1.2 測量階段

（1）根據(jù)分段掃描設置執(zhí)行分段預掃描，提高軟件的測量速度。執(zhí)行掃描后，在測量頻譜圖內(nèi)可以預覽測量結果并將其與設定的限制線值比較；

（2）終掃描對臨界的干擾信號進行更為精確的掃描，保證了軟件的測量精度。

2.1.3 報告生成階段

（1）根據(jù)當前的實際測試環(huán)境和標準，添加報告參數(shù)以及產(chǎn)品編號、儀器信息等其他說明；

（2）生成超差數(shù)據(jù)表格，并可打印激活的測量報告文件，便于對測量值進行進一步處理。

2.2 界面模塊設計

由于該測試系統(tǒng)龐大而復雜，且隨著軟件的不斷發(fā)展完善，其功能將不斷擴充，因此不論從軟件本身的完善還是從用戶的使用角度看，開發(fā)一個簡單方便的操作界面都是極其必要的。本系統(tǒng)針對電磁傳導發(fā)射測試，將界面模塊分為菜單欄、工具欄、圖像參數(shù)設置及數(shù)據(jù)顯示界面。

其中測量菜單欄是整個測量系統(tǒng)的重點操作欄，主要分為標準、設置、掃描、圖像4 個部分。標準欄提供測量標準，用戶可根據(jù)測試需求選擇不同測量標準，每個測量標準都具有默認的限值線和補償因子；設置欄用于查看和修改系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)主要包括起始頻率、終止頻率、頻率分段、分辨率帶寬（RBW）、掃描時間、補償因子、限值線等；掃描欄運行系統(tǒng)的掃描測試，對預掃描和終掃描進行開關操作；圖像欄可執(zhí)行圖像刷新和峰值搜索命令。

執(zhí)行掃描后，用戶可以通過鼠標右鍵操作增加光標點用來標記感興趣的任意超限頻點進行記錄并生成報告。報告中主要包括待測設備信息、測量儀器信息、測量環(huán)境、超差數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)曲線等。

2.3 測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行采集后，主要進行3 種數(shù)據(jù)處理：頻響補償、誤差判別、超差提取。當系統(tǒng)加入外部設備后會引入接入頻響的變化，需加入補償因子對外部設備的增益或損耗進行補償：本系統(tǒng)通過軟件編程可添加不同補償因子（可修正），通常包括頻譜儀平坦度、電纜插損值、外部設備損耗等，添加后修正測量值，進行頻響補償；將測量值與對應的限值線進行比較，快速判斷測量結果，若超過限值線即為不合格點，并將超差點的頻率和幅值提取出來用于分析和記錄。數(shù)據(jù)處理流程圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 Data processing flowchart

3 異常處理

系統(tǒng)搭建完成后，將軟件與儀器進行統(tǒng)調(diào)。統(tǒng)調(diào)中發(fā)現(xiàn)了以下幾個異常問題，經(jīng)過分析和處理，幾個問題均得以解決。

（1）統(tǒng)調(diào)中發(fā)現(xiàn)在進行首次終掃描時，頻譜儀起始掃描處出現(xiàn)幾十dB 高的尖峰譜，仔細觀測發(fā)現(xiàn)在第二次重復掃描時，尖峰消失數(shù)據(jù)恢復正常。經(jīng)分析為頻譜儀本身問題，因此需通過軟件設計避免尖峰的出現(xiàn)。每次掃描前執(zhí)行一次清除寫入，因為尖峰固定出現(xiàn)在第一格span 內(nèi)，每格span 的時間為掃描時間的1/10，又分三段刷新（通常第一段就可刷出尖峰），故軟件預設前期等待時間為span/3+?t（軟件延時補償，默認10s，用戶可以根據(jù)實際情況進行修改），即T/30+?t，T 表示該次掃描時間，然后開始當前頻段的終掃描（最大保持）。

（2）在終掃描過程中，發(fā)現(xiàn)掃描時間過長時，信號出現(xiàn)失真現(xiàn)象。依據(jù)廠家的技術支持，頻譜儀單次掃描時間超過1000s 時會引入失真，因此結合國軍標頻率分段要求與頻譜儀自身限制，將掃描頻率細分為11 段，確保每段掃描時間小于1000s。具體細分情況為：9kHz ～150kHz 均分為3 段、150kHz ～30MHz 均分為6 段、30MHz ～108MHz均分為2 段，一共11 段，掃描頻點達到7000 個左右，且RBW 與細分前保持一致，細分后失真現(xiàn)象消失。

（3）當儀器在噪聲（小信號）測量模式下出現(xiàn)校準信號明顯偏小的異常，通過手動測量復現(xiàn)和計量人員進行仲裁檢測定位故障后，修改參數(shù)設置予以排除：頻譜儀預掃描測量模式下有3 種測量模式：連續(xù)信號測量模式、噪聲（小信號）測量模式、脈沖測量模式。當發(fā)現(xiàn)小信號測量模式時，該款儀表與馬來西亞生產(chǎn)的856*野戰(zhàn)型頻譜儀存在同樣的缺陷：VBW ≤0.1×RBW 時，信號轉換不確定度有幾個dB 的巨大偏差。改用連續(xù)信號測量模式（使VBW=RBW），并開啟平均（加數(shù)字濾波）功能后，異常消除。

4 結論

本測試系統(tǒng)簡單實用，集成費效比高，性能優(yōu)良。利用LISN、頻譜儀等設備搭建了電磁傳導發(fā)射測試系統(tǒng)，并開發(fā)了專用測試軟件。該軟件基于Visual Studio 開發(fā)環(huán)境，使用C#語言編寫，通過USB-TMC 接口實現(xiàn)軟件與儀器的通信，從而實現(xiàn)對儀器的控制。通過實踐應用表明，本測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了儀器控制、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和圖形回顯的功能，并提供開放的用戶配置，預測試時間短，自動化程度高。根據(jù)不同測試要求，可以擴展功能，用于多種電磁兼容標準（國軍標、歐標）的測試，在軍工系統(tǒng)、民用通信等工業(yè)領域有十分重要的工程應用價值。