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频谱分析仪是射频微波领域的万用表，在产品可靠性、数字电路和电源设计领域它也有着重要的用途------无处不在的EMI测试。 EMI通常指电子设备对外产生的电磁干扰，当电子设备存在突然变化的电压或电流，即dV/dt或dI/dt很大，便会产生交变的电磁场，从空间辐射或导体传导出去，影响到周边其他的电子设备。它和EMS同为EMC的一部分， EMC（Electro MagneticCompatibility 电磁兼容性）=EMI（干扰度）+EMS（抗扰度） 这里Compatibility常译为“兼容性“，许多文章讲EMI“一致性”测试，说的都是同一个词。 一、EMI概述
一般来说，电子类产品开发过程中EMI测试的实施常分为EMI诊断，EMI预兼容测试和EMI兼容测试这几个阶段，各阶段的目的和方法都是不同的。
图 1 EMI测试阶段 EMI的诊断测试和预兼容测试，很大程度上都是为认证性的兼容测试存在的。首先，电磁兼容测试是产品质量的内在要求，每一个电子设备或系统都要在预定的电磁环境中能够正常工作，同时也不能过于影响其他电子设备或系统，这需要有一套规范的质量标准。其次，几乎所有的电子类产品都不得不通过电磁兼容测试认证，这是国家和组织的技术壁垒，产品要想进入这些市场必须有强制性认证，这方面世界各个地区都有各自的标准。 电磁兼容认证的步骤苛刻庞杂，正式的产品认证需要大量测试设备和测试过程，费金耗时。因此，在产品研发设计的各个阶段中都应尽早发现和解决各个级别的电磁兼容的问题，提升产品的过程质量，避免最后的产品认证测试不通过，导致同样费金耗时的返工整改。（多说一句，电磁设备对人的影响属于电磁兼容的范畴吗？概念上讲并不是，而且电磁对人的生理影响尚未有科学依据，所以还没有划归到电磁兼容领域。） 从图 1中可以看到，在产品开发的各个阶段，EMI测试的重点是不同的： • EMI诊断和调试（Diagnosis） EMI诊断和调试在单元和产品设计阶段，主要是遵循一些电磁兼容的设计原则，对电源/时钟/接口线缆/主要芯片等对象，通过合理的布局/接地/屏蔽/走线/滤波等技术完成略有重点的设计和调试，不是为了测量EMI的精确结果，而是为了找出EMI的根源，从而改善产品设计，既是为了后期产品集成后通过EMI兼容认证，也是为了产品内部相互稳定的可靠性设计。 EMI诊断在实验室使用普通的测试仪器即完成，例如带有FFT分析功能的中高端示波器，普通的频谱分析仪，近场探头，手艺好的工程师还可以自己制作性能良好的近场探头，对于很多较强的EMI辐射，例如某些回路过大的开关电源，甚至只需要一根裸露的导线即可探测到空间中的骚扰信号。这种定性分析主要针对的是硬件设计人员，目的是要快捷简便，成本低廉，重复性好。 图 2 使用频谱分析仪和近场探头进行EMI诊断 • EMI预兼容测试（Pre Compliance） EMI预兼容测试在产品原型和试产阶段，一般要在产品级或系统级进行预兼容（Pre Compliance）测试，预兼容并没有一个明确的参考标准，就是尽量低成本地模拟兼容测试标准，对EMI状况进行较正式的摸底，避免在正式的兼容测试中失败。 预兼容测试会涉及到一些近似具有认证级设备功能的测试设备，例如单独的试验场所，具备EMI滤波器和准峰值检波功能的频谱分析仪或入门级EMI接收机，人工电源网络或电流钳，隔离变压器，低端的电磁屏蔽箱，带电流注入功能的电源（EMS测试）等，并要基本了解该产品需要达到的认证标准，有比较明确的测试目标，以便为产品留足认证通过的空间，目标就是用现有的设备尽量模拟真实认证环境。
图 3 使用带有准峰值检波的频谱分析仪和LISN进行传导骚扰预兼容测试 • EMI兼容测试（Compliance） EMI兼容测试主要针对产品级进行认证测试，这个阶段必须需要到专业的，有认证资质的EMC机构，使用符合标准的专业的测试设备和环境，遵循EMI标准规定的校准过程，测试方法和执行步骤，选择特定产品的限制标准进行比较，按照标准规定的方法分析测量数据，并依照标准格式给出报告，目标就是拿到认证资格证明。兼容认证测试标准严格，过程昂贵，时间冗长，必须尽量减少兼容测试的次数，以节省成本和加快产品上市时间。 EMI兼容测试，或者往大了说EMC兼容测试，是一个独立的大行业。IEC规定的电磁兼容标准以及衍生出的产品类和产品标准，很难由各个公司的产品部门执行，由此诞生了专门的电磁兼容认证测试机构，电磁兼容测试设备，以及由此衍生出的电磁兼容整改业务，都有一大批专业组织和人才。
图 4 EMC兼容测试实验环境 如果把EMC测试比作英语考试，EMC诊断就像是平时的课堂测验，预兼容测试就像考前做模拟真题，正式的兼容测试就像是终极的四六级考试，而林林总总的整改机构就是各种课外补习班 ---- 说句偷懒的话，最终的过级考试严格繁琐，原则却是60分万岁，毕竟一分质量需要一分成本，而且最终对外只看那一纸证明；不过话说回来，想要60分，至少要按照80分去学习，在模拟题上做70分才敢上考场，侥幸是不行的，不然考试费用就白瞎了。 在成本和质量之间，无论是个人还是公司，都要做到这方面的平衡。 二、EMC标准
IEC作为电工电子类国际标准组织，其下属的CISPR和TC77制定了大部分EMC基础标准和产品标准：IEC 6xxxx和CISPR xx。其他各国和组织都在IEC的基础上引申或直接使用，如下图中所示，中国的GB，欧盟的EN，美国的FCC和事实上的国际军工标准MIL-STD。
图 5 EMC国际和国家地区标准 CISPR和TC77规定了EMC的基础标准，通用标准和产品（类）标准三大类型。 基础标准：CISPR 16/17，IEC61000-4等，描述了EMC现象、规定了EMC测试方法、设备，定义了等级和性能判据，不涉及具体产品； 通用标准：IEC 61000-6，按照设备使用环境来划分，所有产品必须首先符合通用标准，当产品没有特定的产品类标准可以遵循时，直接使用通用标准来进行EMC测试； 产品标准：CISPR 11~15，CISPR20~25等，针对某种产品系列的EMC测试标准。往往引用通用标准，但根据产品的特殊性提出更详细的规定。例如CISPR 11规定了工业科学医学设备的测量方法和限值，CISPR22规定了信息产品的测试方法和限值，产品标准涵盖了现有绝大部分电子类产品。 对于某一个特定产品，应怎样知道应选取哪个合适的标准进行测试？首先要明确产品的使用场景以及要选取的地区标准，比如中国、美国、欧洲、日本？信息科技设备 (ITE)，工医科 (ISM)？家用、商用、轻工业、重工业？室内、室外？选取对应的产品标准或产品类标准，确定测试项目的限值；如果没有合适的产品类标准，则按相应的通用标准确定测试项目限值；最后，按基础标准的要求进行每个测试项目，场地、测试方法、测试仪器必须满足基础测试框架的要求。 看下基础标准CISPR16（对应GB6113/EN55016）的内容， CISPR16分为四个部分：第一部分为测量设备的规范，包括EMI接收机，人工电源网络，吸收钳，天线场，夹具校准等测量设备的规范；第二部分为测量环境，测量方法，校准场地和测量程序等；第三部分为术语和报告等；第四部分为数据统计方法等。 对于频谱分析仪来说，其用于EMC预兼容测试时的功能和性能应遵循CISPR 16-1-1测试设备中的相关规定进行设计和校准，由于测量结果读数与检波方式有关，因此该标准中明确规定了准峰值，峰值，平均值等几种检波方式；测量过程应遵循CISPR16-2-x中的相关规定；而测量数据和报告应遵循CISPR16-3以及4中的相关规定。但是频谱分析仪和标准的EMI接收机仍是不同的，因为频谱分析仪并不能满足标准中的所有规定。 三、EMI预兼容测试系统
作为质量成本的一部分，EMI测试尽量在产品设计早期阶段的介入是必要的。上文提到，IEC标准分为三大类型，基础标准，通用标准和产品标准，考虑到测量方法的通用性，本节从基础标准和通用标准入手，介绍EMI兼容测试的系统。在CISPR16和IEC61000系列中，大致可以认为测量项目分为下图的类别。在实验室能进行的EMI预兼容测试，包括传导骚扰和辐射骚扰两部分，也就是下图中的笑脸。 图 6 EMC基础标准和通用标准的内容 传导发射骚扰测试系统 传导发射骚扰是最基本的一个电磁骚扰，主要沿着导体传播。它主要是由于电源不合格引起的，指使用交流供电的设备在运行过程中对处在相同电网下其他设备的干扰信号。所有的电子产品在用交流电源时都会对电网发出骚扰信号，这类信号低频居多，EMC标准规定的骚扰频率范围通常是从 9 kHz 到 30 MHz。如果传导骚扰的信号过大，就会影响整个电网的供电质量，进而干扰到同一片交流电网下其他设备的正常运行。传导干扰要对设备电源连接到电网的三条线，红/黄色火线L（LIVE），黄绿/黑色地线E（Earth），蓝色零线N（NEUTRAL），分别独立的测试并出具三份报告。当设备存在较长的电信连线（例如网线，USB线）时，也要考虑从电信连线上对对端设备的干扰信号。在某些LISN不适用的场合，可以考虑使用电流钳。 图 7 使用频谱分析仪进行传导骚扰预兼容测试的典型系统 传导骚扰的EMI测试通常要带电运行，而且需要区分测试结果中的骚扰究竟来自于被测设备还是电网中原来就存在的骚扰，因此需要有特定的隔离设备组合： 线性阻抗稳定网络LISN（Line Impedance Stabilization Network）：由于电源传导发射的强度与电网的阻抗有关，为了使测量具有唯一性，必须在特定的阻抗条件下测量，LISN就提供了这样一个环境，CISPR标准规定的LISN为50Ω/50μH。LISN也对来自电网的干扰信号进行滤波，使电网内的干扰与被测设备相互隔离，但是将被测试设备对电网的干扰耦合出来，送到LISN的输出测试端，提供标准的共模和差模阻抗，再送出给测试设备（一般是频谱仪或EMI接收机）。LISN是传导测试中的核心设备，本质上讲它是一个单向高通滤波器，只将特定频段的干扰信号筛选出来进行测试。 隔离变压器：由于LISN的设计原理限制，它的供电存在较大的漏电流，要求实际应用时需要良好接地，必须要加隔离变压器与电网隔离开使用。 瞬态限幅器：传导骚扰可能存在很大的能量，为防止测试设备过载或烧毁，需在频谱仪的测量端口前加限幅保护，并在结果中补偿。 被测设备：测量对象一般是交流供电端的三条线，以及部分的电气信号线。 测试设备：具有符合EMI传导测试功能的EMI接收机或频谱分析仪。
辐射发射骚扰测试系统 数字设备由于脉冲电流和开关电源的使用，具有丰富的谐波，一旦接地回路或接口处理不当就会对外产生较强的辐射骚扰，而芯片部分的低压使系统的抗扰度降低。这些辐射骚扰的频率没有特定的范围，从测试标准上看通常从 30 MHz 到 1 GHz /18 GHz。 近场测试非常适合产品开发阶段辐射骚扰的EMI诊断。在这个阶段，标准测试方法或许能给出精确的结果，但却无法显示问题的来源所在，近场探头就是很合适的定位工具；然而必须认识到，近场探头的测试结果几乎不能给出有关设备辐射水平的准确信息，误差和波动可达到20dB以上。使用近场探头测试的过程中，要保证测量结果远小于标准中规定的骚扰限值；在整改过程中，也要保证每次尝试整改后的复测结果好于前面的各种测量。为了通过近场测试大致了解产品是否能通过最终的兼容测试，需要在已经确知结果的样品上进行多次尝试。 图 8 使用频谱分析仪进行辐射骚扰预兼容测试的典型系统 辐射骚扰不像传导骚扰固定在传输线上，它是向四面八方发射的，所以需要尽可能地测试产品所有的位置，这个密度和时间并没有在标准中准确给出，需要根据产品的特点进行特定测试。测试的间隔越细，每个位置和角度测试的时间越长，就越能测试出真实辐射长度，但是成本也越高了。 辐射骚扰预兼容测试系统需要用到各种天线，各种规格的屏蔽暗室，可灵活旋转的测试台和可升降天线杆，能够校准天线频响的频谱分析仪或EMI接收机，这些辅助设备一般公司很难备齐，所以不在这里详述。辐射问题仍推荐使用近场探头完成最低成本的EMI测试评估，准确度虽然不高，但是能排除大部分问题了。 Tips: 1，如何使用标准中的准峰值限制标准？ 适用于产品的限制线标准须提前找到，然后再频谱分析仪中制作一条限制线，也是很方便的。参见扩展阅读部分内容。 2，峰值扫描的结果包含了哪些信息？ 峰值扫描结果会比准峰值结果要高。在有限制线的情况下，如果峰值扫描都没有达到限制线，那么准峰值一定不会超过限制，这些频率点就可以从终扫的表格中去除，以节省终扫时间，因为终扫一般使用准峰值检波，测试时间较长。 3，准峰值扫描的驻留时间设置为多长比较合适？ 驻留时间越长，能够接收到的骚扰的概率就越高，结果就越接近真实情况，但是会耗费更多时间。这是一个折中，需要用户自己根据实际的需求判断驻留时间设置多少，SSA3000X的准峰值检波驻留时间默认500ms，可以在0-1s内设置，代表每一个频点进行准峰值检波的时间。 4，想测试一下产品的辐射骚扰，可是没有EMI接收机，频谱仪上也没有EMI测试功能，怎么办？ 要清楚当前阶段的主要目的是什么。如果只是EMI诊断，普通的频谱分析仪峰值扫描就可完成，没有必要进入预兼容测试的过程。 5，频谱分析仪具有EMI滤波器和准峰值检波功能，是不是可以进行产品的EMI预兼容测试了？ 普通的频谱分析仪可以进行EMI诊断，不需要配置EMI和准峰值检波器。具有EMI滤波器和准峰值检波功能的频谱分析仪只是EMI预兼容测试系统的一部分，要想进行较完整的EMI预兼容测试，还需要有其他配套设备，环境和方法，例如LISN，合适的实验台等。可参见第三节的内容。 6，请问频谱仪测量辐射骚扰的功能是否遵循CISPR16-1-4标准？ SSA3000X频谱分析仪中的EMI滤波器和准峰值检波器，是根据CISPR16-1-1：2006测试设备规范设计的，而CISPR16-1-4内容是辐射骚扰辅助设备的规范，例如场地，天线等环境参数，需要额外配置，和测试主设备频谱分析仪没有关系。
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