一种基于示波器的时域EMI测量技术

牛宏亮（西安铁路职业技术学院 陕西 西安710014）

一种基于示波器的时域EMI测量技术

牛宏亮
（西安铁路职业技术学院 陕西 西安710014）

针对传统EMI接收机测量周期长，而现有的时域EMI接收机系统复杂、测试成本高昂等问题，基于示波器等通用测量仪器，通过DSP等硬件单元的实时数字信号处理方法，设计出了一种简便、高效的时域EMI测量系统。结合示波器准确和可靠的测量结果，以及测量系统的优化配置，通过仿真试验验证，一个传统EMI接收机需要30分钟方可完成的测量项目，该系统仅需90秒即可完成，测量效率提高了10倍以上，且两种不同测量方法所测得的结果最大相差仅0.8 dB，说明本方法准确、可靠，同时具有较高的推广应用价值。

数字信号处理；电磁兼容；电磁干扰；示波器

当电子设备和无线通信系统接收器存在带内干扰时，为了保护连续波模拟通信系统免受干扰，传统的EMI测试方法不能充分地评估宽带脉冲噪声干扰的影响[1-4]。即使在传统的频域框架下正确的进行电磁干扰评估，相关的测量过程也会变得冗长，且花费巨大。

时域电磁干扰测量（Electromagnetic Interference，EMI）技术作为一种技术补充，常常用来评估电磁辐射，尤其是来自瞬态干扰的辐射[3]。它是一种非常有用的合规性预评价技术，在电磁干扰测量领域，该技术所具备的强大的测量能力是传统的频域接收机所不具备的[5-9]。

但是，大多数具有备选时域扫描功能的商用EMI接收机，其价格通常都相当昂贵，硬件系统复杂，小型实验室难以承受如此高昂的费用，且这种接收机不适用于定点测量。

文中给出一种基于示波器的时域测量系统，该系统高效便捷，经济实用，能够进行传导和辐射EMI测量。结合数字信号处理技术，该系统所测得信号的动态范围得到了显著地提高，噪声对信号的影响得到了有效的抑制。

1 时域测量系统

总体而言，对于一个时域测量系统 （a Time Domai EMI，TDEMI），辐射电磁干扰的测量需要一个宽带天线，传导电磁干扰的测量则需要一个电流钳或线性阻抗网络。被测信号有时需

通过前置放大器放大，然后通过低通滤波器，以达到带限的目的。同时，采样信号也满足奈奎斯特采样定律的条件。在模数转换单元，信号被数字化并存储。最后，通过谱估计技术计算信号的幅度谱[10-11]。

从信号获取和处理步骤的角度来讲，一个时域EMI系统可如图1的流程图所示。当通过数字示波器，或者外部的模数转换器、数字化仪等等一类的测量仪器对模拟信号进行采样，时域EMI测量系统的数据获取就开始了。然后数据从存储器传输给处理单元，采样数据通过一些通信端口传输给电脑，如通过GPIB总线传输数据。接下来，通过FFT、周期图或者其它谱估计方法来计算幅度谱。然后，对与频谱误差相关的因素，如天线、导线传输途中的衰减、放大增益以及抗混跌滤波器的频率响应等进行校正。下一步，运用数学仿真的方法，如峰值、准峰值、均值或者平均值检波进行谱估计，或者应用一个独立于脉冲重复频率的校准因子进行谱估计。另外，为了减少噪音的影响，也可能使用其它的一些信号处理技术。最后，输出计算结果，并与极限线进行比较，对测量结果进行判断。

图1时域EMI测量过程的流程图

2 基于示波器的时域EMI测量方法

下面，重点讨论通过通用的数字示波器来提高时域EMI测量的方法，基于示波器的时域EMI测量系统框图如图2所示。作为一种初始条件，对示波器的硬件有一些基本限制，如模拟带宽、最大采样率和最大记录长度[12]。

图2基于示波器的时域EMI测量系统

预先获取信息的DSP技术是示波器的一种可供选择的信息采集模式[13]，这种采集模式控制如何从采样点中产生波形点，这对准确的EMI评估是极端重要的。一般来说，可供EMI测量使用的采集模式有如下几种：直接采样、峰值检波、波形包络、平均值法和高分辨率采样等。

构造恰当的采集模式能够提高时域EMI测量系统的信噪比。众所周知，如果EMI测量时采样遵循奈奎斯特定律，那么理论上信噪比可表示为：

式（1）中，N表示ADC的有效位数，信噪比SNR的单位为dB。高分辨率采集模式可提高模数转换器的有效垂直分辨率，理论上的增加值为Δn=0.5log2（N）。例如，一款Tektronix DPO7104C型8位 （有效位宽6.7）的ADC，样本存储深度2字节，其实际可用的存储为仅仅只有13 bit，因为1 bit是保存符号的，另外2 bit由于存在随机舍入误差而不可靠。

大多数示波器都提供两种不同的采样模式：实时采样和等效时间采样。实时采样要求所有来自信号的样本位于同一个周期，信号可以是单独的，或者连续的事件。采样率必须足够高，能够使示波器获得足够的数据重构波形。这种采样模式适用于瞬态干扰的测量，但是需要更高的采样频率，这是因为周期信号的假设并不总是适用的。实际应用中，可使用一个常用但有效的插值函数sin（x）/x，此时，采样率不能低于信号最高频率的2.5倍。如果使用线性插值，采样率经常10倍于信号的最高频率[14]。

EMI测量时，采样率通常使用4倍以上被测信号的最高频率，这样可以减少混叠误差[15]。另外，过采样可提高EMI测试信号的动态范围。输入谐波信号时，ADC的理论信噪比SNR依赖于采样频率fs，它们之间的数学关系如下式所示：

因此，如果用一个带宽为1 GHz，最大采样率为20 GHz的示波器进行EMI辐射测量，由式（2）可算得过采样使信号的信噪比提高了10 dB。

3 仿真验证

为了评估所设计的测量系统的精确度，采用配置为Intel Celeron 600-MHz的台式电脑对其测量结果进行分析，台式电脑采用300 MHz的时钟对内部CPU进行记录。以一个典型的dc/dc转换器的电磁干扰测量为实例，分别用基于示波器的时域EMI测量系统和传统EMI接收机 （选用RS公司的ESCS30）进行测量，待测信号的频率范围为296～302 MHz。

图3 峰值检波模式下的测量结果比对

用传统的EMI接收机完成一次测量需耗时30分钟左右，而用基于示波器的时域EMI测量系统则仅需90秒钟，测量效率提高了10倍以上。为了突出时域EMI测量系统和传统EMI接收机的测量比对效果，采用峰值检波模式对待测信号的处理结果进行检波，其结果如图3所示。其中，峰值检波模式的驻留时间为100 ms，频率步进为30 kHz。从图3可以清楚的看出，两种测量方法所测得的信号幅值间最大相差仅为0.8 dB，测量结果基本一致。

4 结 论

文中提出的基于示波器的时域EMI测量方法，从理论上能够有效提高所测信号的信噪比，在实际应用中又简便快捷、经济实用，且测量结果和传统方法基本一致。与传统EMI接收机相比，文中提出的测量方法使测量效率提高了10倍以上，大大缩短了传导测量和辐射测量的测量时间，减少了测量时不确定因素产生的可能，具有高效、准确的优点。

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A measurement technology of time-domain EMI based on oscilloscope

NIU Hong-liang
（Xi'an Railway Vocational and Technical Institute，Xi'an 710014，China）

For the problems such as the long measurement period of traditional EMI receiver，the complex system of time-domain EMI，and its expensive test，an efficient EMI system of time-domain is designed，which base on the oscilloscope，by the means of real-time digital signal processing with DSP. Combine with accurate and reliable measurement results of oscilloscope，and optimal configuration of the system，the results of simulated test proved that the measurement efficiency could be improved more than ten times.To a measurement project，it only needs ninety seconds to finish by the time-domain EMI system，however，thirty minutes must be consumed to the EMI receiver.The maximum deviation between the two methods is just point eight dB，which shows the new method is accurate and reliable，and worthy of application extension.

digital signal processing；electromagnetic compatibility；electromagnetic interference；oscilloscope

TN<911.7 文献标识码：A class="emphasis_bold">911.7 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2017）07-0099-03911.7 文献标识码：A

1674－6236（2017）07-0099-03

A 文章编号：1674－6236（2017）07-0099-03

2016-02-29稿件编号：201602192

牛宏亮（1978—），女，陕西西安人，硕士，讲师。研究方向：电磁兼容、信号处理。