電磁兼容設備的校準

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1．引言

    電磁兼容性（EMC）是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力。自從發明無線電通訊和廣播以來，電磁干擾問題就成為專業人事關注的對象。隨著技術的發展，特別是人們環境保護意識的增強，對產品的電磁兼容性越來越重視。1989年歐洲共同體委員會頒發了89/336/EEC指令，明確規定，自1996年1月1日起，所有電子、電器產品須經過EMC性能的認證，否則將禁止其在歐共體市埸銷售。我國已將產品的電磁兼容性要求納入了國家強制性產品認證范圍，國家規定從2003年8月1日起凡列入國家強制性產品認證（CCC）目錄的產品未經認證不得出廠、進口和銷售。
    電工委員會IEC有兩個專門從事電磁兼容標準化工作的技術委員會：一個就是無線電干擾特別委員會（法文簡稱CISPR），成立于1934年，主要對保護廣播接收機不受電磁干擾提出了一系列騷擾限值和測試方法，制定有關標準，近年也相應開展了一些抗擾度標準的研究；另一個是電磁兼容委員會TC77（電氣設備（包括網絡）的電磁兼容性委員會），成立于1981年。
    我國的EMC測試及標準化工作始于六十年代，當時國內的一些院所建立了相對簡陋的試驗室，開展無線電干擾（騷擾）測試研究，同時參考前蘇聯和歐美國家標準制定我們國家自已的EMC標準和技術條件，自從1986年成立了全國無線電干擾標準化委員會后，我國才開始有組織有系統地對應CISPR/IEC開展國內EMC標準化工作。目前我國已制定了近八十項EMC國家標準，其中基礎標準為GB4365-1995電磁兼容術語；GB/T6113-1995無線電干擾和抗擾度測量設備規范。
    電磁兼容包括電磁干擾和電磁敏感度兩方面。其中電磁干擾 （Electromagnetic Interference，簡稱EMI） 測試主要考察產品所產生的電磁干擾是否符合相應的規范；而電磁敏感度 （electromagnetic susceptibility以下簡稱EMS）則主要考察產品承受電磁騷擾的能力。EMS中比較成熟的測量參數主要有以下項目：靜電放電、無線電頻率電磁輻射場、電快速瞬變脈沖群、浪涌、由射頻場引起的傳導、工頻磁場、脈沖磁場、阻尼振蕩磁場、電壓跌落短期中斷和電壓變化、振蕩波抗擾度試驗。
    EMS測試中用到多種測試儀器。這其中包括部分常規類型的測試儀器，例如高頻信號發生器、衰減器、功率放大器等，還包括多種測試儀器。這些測試儀器的校準方法在一些標準性的文件中有敘述，有些則沒有明確的提及。目前國家還沒有相應的計量檢定規程或校準規范，以下的文章將簡單介紹這些測試儀器的校準方法。

2．靜電放電發生器

    靜電放電抗干擾試驗（Electrostatic Discharge Immunity Test）標準討論當電力和電子設備遭受直接來自操作者和鄰近物體的靜電放電時的抗
    干擾要求和試驗方法。靜電放電（以下簡稱ESD）試驗設備中zui主要的部分就是ESD試驗發生器。
    ESD發生器的放電電流波形見圖1。為了校驗ESD發生器，必須利用試驗時的放電回路來驗證表1所示的特性。

    在IEC 61000-4-2中，推薦使用了法拉第籠和標準2Ω 靶來校準ESD發生器的放電波形。特制的銅靶面2Ω 電阻應有1GHz帶寬，安裝于法拉第籠側面的鋁板上，放電電極的應與電流傳感器直接接觸，而且發生器以接觸放電方式工作，從靶上取出的電壓信號送入至少1GHz帶寬的示波器進行測量。其它的一些布置，包括使用與尺寸不同的實驗室法拉第籠，或將與靶面分開都是允許的。但兩種情況下，均應考慮傳感器與ESD接地點之間的距離（1m）以及放電回路電纜的布局。隨著示波器測試能力越來越強，人們發現法拉第籠并非必需品，直接從鋁板上的2Ω 電阻上取樣同樣可以得到不錯的測試結果。這一點仍須大量實驗的證明。

    ESD發生器的另一個重要參數是其充電電壓。輸出電壓的指示值是發生器儲能電容兩端的充電電壓，并非所有的ESD發生器都能夠很容易地從儲能電容兩端接線，在不方便接線時可以從ESD發生器輸出端放電電阻處測量。由于放電電阻的阻值為（50~100）MΩ ，如果高壓測量線路的輸入阻抗不足夠高，必須要修正測量結果。

    新的ESD發生器規范和其校準要求草案正在IEC TC77 WORK GROUP 9討論，而ANSI的新標準也即將公布，在此標準中ESD模擬器的校準將與現行標準有很大的區別，作者將在其它文章中專門介紹。

3．電快速脈沖群發生器

圖3 EFT/B發生器接50Ω負載時的單個脈沖
    電快速脈沖群（Electrical Fast Transient / Burst，簡稱EFT/B）試驗的目的是驗證電氣和電子設備對來自操作暫態過程（諸如開斷感性負載、繼電器觸頭彈跳等）中各種類型的瞬變擾動的抗擾性。試驗將一系列快速瞬變電脈沖群耦合到電氣和電子設備的電源端口、信號和控制端口。試驗中用到的主要設備包括快速瞬變電脈沖群發生器、交/直流主電源端口的耦合/去耦合網絡（簡稱CDN）和容性耦合夾。電快速瞬變脈沖群發生器的輸出單脈沖如。
    為了能夠比較由不同的EFT/B發生器所得出的試驗結果，應檢驗發生器的特性。EFT/B發生器的輸出通過一個50Ω 的同軸衰減器接至示波器上，測試設備的帶寬至少為400MHz，應該對一個脈沖群內的脈沖上升時間、脈沖持續時間和脈沖的重復率進行監視。
    IEC61000-4-4中存在一個阻抗匹配的問題：雖然EFT/B發生器都具有50Ω 的源阻抗—在50Ω 的負載阻抗與之匹配時將提供標準的電壓/電流波形，但實際應用中的電子產品往往不具有50Ω 的輸入阻抗。為解決這一問題，很早就有提議用1000Ω 的負載來檢驗波形。IEC61000-4-4 （Amendment 2）將于2004年7月1日實施，此版與前面版本的主要區別就是提出對EFT/B發生器的輸出波形校驗應分別在50Ω 和1000Ω 下進行。關于這一點作者將在其他文章中探討。

4．沖擊試驗發生器（浪涌發生器）和振蕩波發生器

    沖擊抗干擾試驗（Surge Immunity Test）的目的是評估設備遭受由操作和雷電瞬變過電壓引起的單向沖擊時的性能。標準不對絕緣耐壓能力進行試驗，也不考慮直接雷擊的情形。設備上出現的振蕩波也可能影響到設備和系統的可靠運行。振蕩波抗擾性試驗（Oscillatory Waves Immunity Test）只考慮振蕩波的主要參數，即重復率。單次振蕩波即稱為振鈴波，阻尼振蕩瞬態群波稱為阻尼振蕩群波。
    試驗中采用的標準主要有綜合波發生器（1.2/50Ω s ~ 8/20Ω s）、10/700Ω s發生器、振蕩波發生器或其它波形發生器和耦合/去耦網絡。不同波形的定義不盡相同，下面是1.2/50Ω s ~ 8/20Ω s波形的定義。


    校準試驗發生器的特性時，試驗發生器輸出應與足夠帶寬和電壓電流容量的測量系統相連，以監視波形特性。
    在開路條件下（負載大于等于10kΩ ），可以將電壓輸出經電壓探棒連接到示波器；在短路條件下（負載小于等于100Ω ），可以使用電流傳感器并連接到示波器。

5．輻射（射頻）電磁場抗擾試驗場均勻性校準

    輻射（射頻）電磁場抗擾性試驗（Radiated, radio-frequency, electromagnetic field immunity test）本試驗的目的是為了建立一共同的參考，以評估電氣和電子設備受無線電頻率電磁場干擾的性能。
    試驗中用到的主要儀器及其主要性能有：無回聲室，射頻信號發生器，功率放大器，天線，場強探頭，場強測試儀等。
    輻射（射頻）電磁場抗擾性試驗中用到的電波暗室必須保證試驗樣品上的場是充分均勻的，保證試驗結果有效。因為不可能建立一個靠近地參考平面的均勻場，所以校準域距離地參考面0.8m以上，EUT盡可能置于同樣的高度。均勻域的校正在空的暗室中進行，天線、附加吸波體的布置和位置等應記錄并保持不變。發射天線的放置位置應能使1.5m×1.5m的校正域處于發射場的主瓣寬度之內。場傳感器與場發射天線之間的距離至少為1m，EUT與天線之間的距離為3m（指雙錐形天線的中心或對數周期天線的頂端到EUT的距離）。在定義的區域內75%的表面上的幅值在正常值的-0dB ~ +6dB以內，即可認為該場是均勻的（即若測量16個點中至少有12個點在容許范圍之內）。
校正程序如下：
    ●將場傳感器放于方格中16點上的任一點上（見）；
    ●對場發射天線施加一個發送功率以得到3V/m~10V/m范圍的場強，并記錄兩種讀數（功率和場強）；
    ●用同樣的發送功率，測量并記錄其它15點的場強；
    ●分析所有16點的結果，刪除25%zui大偏差的數據點（既16個結果中的4個）；
    ●保留點的場強應在±3dB內；
    ●從輸入功率和場強的關系算出需要的試驗場強所必需的發送功率，并作為記錄；
    ●在垂直極化和水平極化，都要以不高于10%起始頻率的步長重復以上6個步驟。
    ●將收集來的16個校正點在每一頻率點上的場強及輸入到天線去的射頻功率數據裝入計算機，通過軟件控制自動地對場強進行校正。

6．對射頻場感應的傳導騷擾的抗擾性試驗

    本標準涉及電子和電力設備對射頻發射機產生的在9kHz~80MHz頻率范圍內傳導騷擾的抗擾性要求。本標準所考慮的騷擾源是射頻輻射電磁場，由于被干擾設備的尺寸通常要比騷擾信號的波長短得多，而設備引線（包括電源線、通信線和接口電纜等）的長度則可能與騷擾信號的幾個波長相等，因此引線便起到了被動天線的作用，射頻電磁場就可以通過引線以傳導方式（zui終以射頻電壓和射頻電流所形成的近場電場和近場磁場在設備內部）對設備產生騷擾。
    試驗中用到的主要儀器及其主要性能有：射頻信號發生器，功率放大器，耦合和去耦裝置等。
    耦合和去耦裝置將干擾信號合適地耦合到EUT的各條電纜上，其主要參數（從EUT端口處看去的共模阻抗）見下表:

表3 射頻場感應的傳導騷擾中CDN的阻抗
    耦合和去耦裝置的特性通過從EUT處看去的共模阻抗 Zce表現出來。
    耦合和去耦裝置和阻抗參考面（）應放置于一地參考平面上，該參考面的大小至少要比設備所有面的投影幾何尺寸超出0.2m。網絡分析儀應使用50Ω參考阻抗，網絡分析儀在阻抗參考平面內（用開路、短路和50Ω負載）校準，在阻抗參考接頭與EUT端口之間需要一短連接（L≤30mm），校驗 Zce時使用的幾何圖和的原理圖。 如所示，在短路和開路條件下，

    當輸入端口接有50Ω負載，并且AE端口依次短路和開路條件加載共模阻抗時，耦合和去耦網絡應滿足上表的阻抗要求。

7．磁場抗擾試驗

    設備會受到磁場作用而影響器其可靠運行，本標準中所闡述試驗的目的在于驗證設備在工頻、脈沖、阻尼磁場作用時的抗擾性。
    試驗磁場是由在一個感應線圈中通過電流得到的。試驗設備包括電流源（試驗發生器）、感應線圈和輔助設備。
    為了校準試驗發生器，必須檢驗輸出電流的基本特性。將發生器連接于標準感應線圈，對輸出電流進行檢驗。用長度小于3m和適當截面的雙絞線或同軸電纜連接。校準工頻發生器要求用一個電流探頭和精度為±2％的測試儀器，由于電流為工頻，故可以采用分流器采樣來校準電流，被檢驗的特性有輸出電流值、總畸變率；校準脈沖、阻尼磁場發生器要求用電流探頭和zui小帶寬10MHz的測量儀器（普通示波器即可），精度至少為±10％，被檢驗的特性有：輸出電流峰值、上升時間（脈沖）、持續時間（脈沖）、阻尼特性（阻尼）、振蕩頻率（阻尼）、重復頻率（阻尼）。
    對線圈磁場的校準要在其工作條件下進行（無EUT的自由空間）。一個相對于EUT尺寸正確的感應線圈，要置于離實驗室墻壁和任何磁性材料zui小1m的位置，采用絕緣支撐，并連接于試驗發生器上。選擇合適的磁場傳感器用以檢驗感應線圈所產生的磁場強度。磁場傳感器應該置于感應線圈的中心位置，同時在適當的方向上探測出磁場強度的zui大值。注入感應線圈的電流應調整到能取得試驗水平所要求的磁場強度。
    感應線圈因數校準工作應在工頻下進行，校準程序應在帶有試驗發生器和感應線圈的情況下進行，感應線圈因數由上述程序確定和檢驗。感應線圈因數給出了為得到所需的試驗磁場強度而注入線圈的電流值。

8．電壓暫降、短期中斷和電壓變化的抗擾性試驗

    電氣和電子設備會受到供電電源電壓暫降、短時中斷或電壓變化的影響。電壓暫降、短時中斷是由電網中、變電設備中的故障或負荷出現大的突然變化引起的，在某些情況下會出現兩次或多次接連的跌落或中斷。電壓變化是由連接到電網的負荷連續變化引起的。
    在電壓暫降和短時中斷中，設備的額定電壓UT和變化后的電壓之間是突然變化的，階躍電壓能在電源電壓的任意相角開始和停止。電壓變化則是連續過渡的。
    電壓發生器應在規定時間段上校準。試驗發生器的特性檢驗根據下列要求進行,
    發生器的100%、70％和40％有效值輸出電壓應符合所選擇的運行電壓的那些百分比，如230V、120V等；
    所有三種電壓的有效值應在空載時測量，并且應保持在它們正常值的規定百分數內；
    在三種輸出時應檢驗負載能力，對100％輸出16A時，不超過5％，對70％輸出23A時，不超過7％，對40％輸出40A時，不超過10％；
    70％和40％輸出試驗下，持續時間不應超過5s
    用高壓衰減棒和示波器配合使用，直接測量模擬器的輸出可以測量電壓變化和中斷的周期。示意圖如下：

    如果需要檢驗峰值沖擊驅動電流能力，則當驅動一個由1700Ω F的無電荷的電容器和一個合適的整流器串聯組成的負載時，發生器應從滿輸出的0％合切換到100％，在90°和270°相角下進行試驗。測量發生器沖擊電流驅動能力所需要的電路如下。

圖 7 測量發生器沖擊電流驅動能力的電路
    發生器開關特性應通過一個合適的功率耗散率的100Ω 負載加以測量。上升和下降時間，和過沖和欠沖一樣，應被檢驗條件是從0％至100％，100％至70％、100％至40％和100％至0％在90°和270°都進行切換。相位的準確性應從0％至100％ 和100％至0％、0°到360°按45°增加進行檢驗，也應在從100％至70％和70％至100％以及100％至40％和40％至100％在90°和180°下進行檢驗。

9．結束語

    本文對上述儀器的校準方法和校準儀器進行了介紹。將會對相關的從事儀器校準的人員具有一定的啟迪作用。