電磁兼容測試儀器的計量校準(zhǔn)

1、電磁兼容測試儀器的計量校準(zhǔn)Calibration of EMC Testing Instrument1 引言電磁兼容測試中需要使用到多種測試儀器， 其中包括一些常規(guī)類 型的測試儀器，例如高頻信號發(fā)生器、衰減器、功率放大器等，另外 還包括了多種專用的測試儀器和測試場地，如靜電放電試驗發(fā)生器、 浪涌發(fā)生器、 EMI 接收機、電波暗室等。這些專用測試儀器和測試場 地的校準(zhǔn)方法在一些標(biāo)準(zhǔn)性的文件中有敘述，有些則沒有明確的提 及，以下主要介紹這些專用測試儀器和場地的校準(zhǔn)方法。2 靜電放電發(fā)生器靜電放電抗干擾試驗 (Electrostatic Discharge ImmunityTest) 標(biāo)準(zhǔn)討論當(dāng)電力

2、和電子設(shè)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 ( 簡稱 ESD) 發(fā)生器是試驗設(shè)備中最主要的部分，主要校準(zhǔn)的參數(shù)是放電電流 波形和開路電壓。ESD發(fā)生器的放電電流波形見圖1。為了校準(zhǔn)ESD發(fā)生器，必須利用試驗時的放電回路來驗證表 1 所示的特性。ESD SIMULATORStandard ESD Current Waveform*for Hand/Metal ESD Specified only for direct contact discharge (1 GHz scope)Same circuit is used for air dlscfiarg

3、e, with no wave spec圖1 ESD發(fā)生器的放電電流波形等 級指示電壓（V）放電的峰值電流（土 10%A）放電的上升 時間tr（n s）在30ns時的電流（土 30%A）在60ns時的電流（土 30%A）127.50.714224150.71843622.50.7112648300.71168表1 ESD波形參數(shù)在IEC 61000-4-2中，推薦使用了法拉第籠和標(biāo)準(zhǔn) 2Q靶來校準(zhǔn)ESD發(fā)生器的放電電流波形。特制的銅靶面 2Q電阻應(yīng)有1GHz帶寬, 安裝于法拉第籠側(cè)面的鋁板上，放電電極的尖端應(yīng)與電流傳感器直接接觸，而且發(fā)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1G

4、Hz帶寬的示波器進行測量（圖2）圖2 ESD發(fā)生器放電電流校準(zhǔn)ESD發(fā)生器的輸出電壓的指示值是發(fā)生器儲能電容兩端的充電電 壓，但并不是所有的 ESD發(fā)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(fā)生器輸出端放電電阻處測量，由于 放電電阻的阻值為（50100） MQ，因此要求高壓測量線路的輸入阻 抗足夠高，否則必須修正測量結(jié)果。3電快速脈沖群發(fā)生器電快速脈沖群（簡稱EFT/B）發(fā)生器用于電快速脈沖群試驗，用來驗證電氣和電子設(shè)備對來自操作暫態(tài)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。試驗中用到的主要設(shè)備包括EFT/B發(fā)生器、交/直流主電源端口的耦

5、合/去耦網(wǎng)絡(luò)和容性耦合夾。國內(nèi)外生產(chǎn)電快速瞬變脈沖群發(fā)生器的主要廠家包括Haefely、Schaffner、Keytek、NoiseKen、EM TEST Sanki 等。其主要的技術(shù)指標(biāo)為單脈沖電壓峰值在50Q負載下為士 10%在1000Q負載下為20%脈沖電壓上升時間在 50Q/1000 Q負載下為5ns士 30% 持續(xù)時間在50 Q下為50ns士 30% 在1000Q負載下為35ns150ns;脈沖重復(fù)頻率 5kHz士 20唏口 100kHz士 20% 脈沖群周期為15ms± 20%脈沖重復(fù)頻率為 5kHz時），脈沖群周期為0.75ms士 20%脈沖重復(fù)頻率為100kHz時）校

6、準(zhǔn)EFT/B發(fā)生器時，發(fā)生器的圖 3 50 Q、1000 Q 衰減 器圖4 EFT/B發(fā)生器的校準(zhǔn)輸出通過一個專用衰減器（圖3）連接 至示波器上，示波器的帶寬至少為 400MHz對一個脈沖群內(nèi)的脈沖上升 時間、脈沖持續(xù)時間和脈沖的重復(fù)頻率 進行校準(zhǔn)（圖4）。EFT/B發(fā)生器的源阻抗為50Q,過去IEC只要求在50Q負載 條件下校準(zhǔn)EFT/B發(fā)生器的輸出波形。但由于實際應(yīng)用中的電子 產(chǎn)品往往不具有50Q的輸入阻抗，因此從2004年7月1日起， IEC要求校準(zhǔn)EFT/B發(fā)生器的輸出波形應(yīng)分別在 50Q和1000Q兩 種負載條件下進行。IEC 61000-4-4中關(guān)于耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的要求規(guī)定：在耦合

7、網(wǎng) 絡(luò)輸出端測得的波形要與發(fā)生器輸出端測得的波形一樣符合規(guī) 定的要求。因此也需要在耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的輸出端校準(zhǔn) EFT/B發(fā) 生器的輸出波形。圖5 EFT/B發(fā)生器輸出波形4電浪涌發(fā)生器電浪涌發(fā)生器（Surge）用于沖擊抗干擾試驗，其目的是評估 設(shè)備遭受由操作和雷擊瞬變電壓引起的單向沖擊時的性能。電浪涌發(fā)生器主要包括綜合波發(fā)生器（1.2/50卩s8/20卩s）、 CCITT波（10/700卩s、發(fā)生器、振蕩波發(fā)生器或其它波形發(fā)生器 和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)。不同波形的定義不盡相同，下面給出綜合波發(fā)生器波形的參數(shù)定義。定義IEC60-1IEC469-1波頭時 間卩s半峰時間卩s上升時間(10%90%hs持

8、續(xù)時間(50%50%h s開路電壓1.250150短路電流8206.416注：現(xiàn)行IEC出版物中，1.2/50卩s和8/20卩s通常按IEC60-1定義，其它IEC推薦按IEC469-1定義的波形，如上所示表2綜合波發(fā)生器波形參數(shù)校準(zhǔn)電浪涌發(fā)生器的特性時，發(fā)生器的輸出應(yīng)該與足夠帶寬 和電壓電流容量的測量系統(tǒng)相連。如圖 6和圖7所示，在開路條 件下電壓輸出經(jīng)高壓衰減棒連接到示波器；在短路條件下通過電 流探頭連接到示波器。圖6開路電壓的校準(zhǔn)圖7短路電流的校準(zhǔn)在校準(zhǔn)開路電壓時，有時電浪涌發(fā)生器輸出的負端會有電壓輸 出，此時可以使用兩個高壓探頭進行差分測量；校準(zhǔn)短路電流時，由 于電浪涌發(fā)生器的輸出阻抗

9、較低， 因此在可能的情況下， 應(yīng)盡量用短 線短路電浪涌發(fā)生器的輸出端， 短路線和電浪涌發(fā)生器輸出端的連接 點要緊密，以減小接觸電阻。讀數(shù)時，應(yīng)當(dāng)注意所測試脈沖波形參數(shù) 的定義。例如測試1.2/50波形，其定義的波前時間為1.25 XTio%9o%, 這與普通的脈沖上升時間有區(qū)別。5 電壓暫降、中斷、變化發(fā)生器電壓暫降、 短時中斷和電壓變化發(fā)生器是用于電壓暫降、 短時中 斷和電壓變化抗擾度測試的主要儀器， 用于模擬電網(wǎng)供電中可能出現(xiàn) 的電壓短時降低、 短時中斷和電壓的變化情況， 考察被測試電子儀器 設(shè)備的抗上述干擾的能力。 發(fā)生器主要由電源、 電壓測試部分和時間 相位控制電路組成。發(fā)生器的校準(zhǔn)應(yīng)

10、根據(jù)下列要求進行：輸出電壓準(zhǔn)確度： 發(fā)生器的 100%、70%和 40%有效值輸出電壓 應(yīng)符合所選擇的運行電壓的百分比，如 230V和110V。 負載能力： 100%輸出 16A 時，電壓變化不超過 5%；70%輸出 23A 時，電壓變化不超過 7%；40%輸出時，電壓變化不超過 10%；70%和 40%輸出試驗下，持續(xù)時間不應(yīng)超過 5s。 沖擊電流驅(qū)動能力、開關(guān)特性等。L-O +發(fā)生器電壓表N O-O -圖8輸出電壓的校準(zhǔn)輸出電壓準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)可以用滿足準(zhǔn)確度要求的電壓表直接測 量（圖8），對于無法穩(wěn)態(tài)輸出70呀口 40%點的發(fā)生器可以設(shè)定發(fā)生器 為暫降模式，設(shè)定暫降時間為 50個周期或更長，

11、在發(fā)生器的暫降時 間內(nèi)測量輸出電壓。負載能力校準(zhǔn)以開路狀態(tài)下的電壓為參考值進行計算。沖擊電流驅(qū)動能力的校準(zhǔn)需要一個由 1700卩F的無電荷的電容 器和一個合適的整流器串聯(lián)組成的負載（圖 9）,發(fā)生器從額定輸出 的0%切換到100%，在90°和270°相角下進行測試。根據(jù)電流探 頭的電壓電流比，計算峰值電流。電流探頭圖9沖擊電流驅(qū)動能力的校準(zhǔn)6磁場發(fā)生器磁場發(fā)生器主要用于驗證設(shè)備在工頻、脈沖、阻尼磁場作用時 的抗擾性，它由電流發(fā)生器、磁場產(chǎn)生線圈和一些輔助設(shè)備所組成。 我們主要校準(zhǔn)其輸出電流特性和感應(yīng)線圈的線圈因數(shù)。工頻的磁場發(fā)生器實際上是工頻的電流發(fā)生器； 而脈沖和阻尼磁

12、場發(fā)生器是相應(yīng)的脈沖和阻尼電流發(fā)生器， 這通常就是前面描述的浪 涌發(fā)生器，它的校準(zhǔn)方法前面已有介紹。校準(zhǔn)工頻磁場發(fā)生器，由于 電流是工頻，故可以采用分流器采樣來校準(zhǔn)電流， 也可以用頻率特性 足夠好的電流傳感器鉗接輸出回路，然后用電壓表或示波器監(jiān)視回路 電流（圖10）。圖10磁場發(fā)生器電流校準(zhǔn)對感應(yīng)線圈線圈因數(shù)的校準(zhǔn)應(yīng)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(yīng)線圈，要置于離實驗室 墻壁和任何磁性材料最小1m的位置，采用絕緣支撐，并連接于試驗 發(fā)生器上。選擇合適的磁場傳感器，置于感應(yīng)線圈的中心位置，在適 當(dāng)?shù)奈恢蒙咸綔y出感應(yīng)線圈所產(chǎn)生的磁場強度的最大值（注入感應(yīng)線圈的

13、電流應(yīng)調(diào)整到能取得試驗水平所要求的磁場強度）7諧波測試儀器的校準(zhǔn)諧波測試儀器的主要測試功能包括功率分析儀功能、諧波電流、 諧波電壓等。諧波測試儀器主要包括諧波分析儀（獨立儀器）和含諧 波測試功能的交流電源。根據(jù)IEC61000-3-2、EN61000-3-2及其它有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對諧波測試的 要求，通常的諧波測試儀應(yīng)可以達到對相電流 16A以下的儀器的諧波 電流進行40次以內(nèi)的諧波電流的分析。按照標(biāo)準(zhǔn)的要求，諧波測試 儀器的準(zhǔn)確度應(yīng)“優(yōu)于0.2%的額定電流或5喩數(shù)之較大者”。對于可以獨立使用且基波頻率較低（50Hz、60Hz）的諧波分析 儀，諧波電壓和電流的校準(zhǔn)可以通過標(biāo)準(zhǔn)交流電源（如Fluke610

14、0A）來校準(zhǔn)（圖11）；而對于不能與可編程交流電源分開的諧波分析儀或 者是基波頻率較高（400Hz）,可以通過可編程交流電源+標(biāo)準(zhǔn)諧波分 析儀來校準(zhǔn)（圖12）。標(biāo)準(zhǔn)交流電源諧波分析儀圖12諧波分析儀電壓校準(zhǔn)8電磁騷擾測量接收機的校準(zhǔn)電磁騷擾測量接收機（EMI接收機）是用于測量微弱的連續(xù)波信 號、幅值很強的脈沖信號等電磁騷擾信號的專用測量接收機，主要由輸入衰減器、校準(zhǔn)信號源、射頻放大器、混頻器、本機振蕩器、中頻 放大器、檢波器、輸出指示等部分組成，它的測量動態(tài)范圍大、靈敏 度高，最主要的性能特點就是脈沖響應(yīng)特性和多種檢波方式。在CISPR16國標(biāo)GB/T 6113.1-1995無線電干擾和抗擾度

15、測量 設(shè)備規(guī)范中對EMI接收機的性能指標(biāo)作了詳細的要求，其中正弦波電 壓測量準(zhǔn)確度、衰減器、中頻帶寬、脈沖響應(yīng)等是 EMI接收機校準(zhǔn)中 的重要參數(shù)，脈沖響應(yīng)值應(yīng)符合表3所規(guī)定的極限值。圖13和圖14 分別是正弦波電壓測量準(zhǔn)確度和脈沖響應(yīng)的校準(zhǔn)簡圖。表3電磁騷擾測量接收機脈沖響應(yīng)重復(fù) 頻率Hz標(biāo)定頻段定時，脈沖的相對等效電平dB9150kHz0.1530MHz30-300MHZ3001000MHz1000見注-4.5 ±1.0-8.0 ±1.0-8.0 ±1.0100-4.0 ±1.00（基準(zhǔn)）0（基準(zhǔn)）0（基準(zhǔn)）60-3.0 ±1.0250（基

16、準(zhǔn)）20+6.5 ±1.0+9.0 ±1.0+9.0 ±1.010+4.0 ±1.0+10.0±1.5+14.0±1.5+14.0±1.55+7.5 ±1.52+13.0 二 2.0+20.5 ±2.0+26.0 ±2.0+26.0 ±2.0*1+17.0 二 2.0+22.5 ±2.0+28.5 ±2.0+28.5 ±2.0*孤立 脈沖+19.0 二 2.0+23.5 ±2.0+31.5 ±2.0+31.5 ±2.0*注：在

17、9150kHz頻率范圍內(nèi)，重復(fù)頻率咼于100Hz時，由于中頻方法其出現(xiàn)脈沖重疊現(xiàn)象，所以不能對該頻段的響應(yīng)做出明確規(guī)定。當(dāng)頻率高于300MHz時，由于電磁騷擾測量接收機的輸入過載，脈沖響應(yīng)受到限制。表1中標(biāo)有*的數(shù)值時任選的，不做硬性要求。圖13正弦波電壓準(zhǔn)確度校準(zhǔn)圖14脈沖響應(yīng)的校準(zhǔn)9電波暗室電波暗室（An echoic cham nber ）是進行電磁兼容性試驗的主要 場地，主要用于射頻輻射騷擾試驗和抗輻射干擾的能力試驗。電波暗室分半電波暗室和全電波暗室，全電波暗室是六個面均貼有吸波材料 的暗室，半電波暗室是除了地面外的其他五個面貼有吸波材料的暗 室。電波暗室主要校準(zhǔn)項目是歸一化場地衰減和

18、場均勻性。歸一化場地衰減：頻率 30MHz1000MHz測得值與標(biāo)準(zhǔn)值之差小于士 4dB。場地均勻性：在規(guī)定的16點測試平面內(nèi)，剔除4個點，剩余12 個點中最大和最小的差值小于 6dB。歸一化場地衰減的校準(zhǔn)采用的是寬帶掃頻法。具體方案是：在電波暗室中，在旋轉(zhuǎn)臺周圍確定一個“測試空間”，將發(fā)射天線分別置 于“測試空間”的中間和前、后、左、右（距中心0.75m）五個不同位置，并分別進行垂直、水平極化方向及發(fā)射天線在兩種不同高度（垂 直極化時1m和1.5m,水平極化時1m和2m進行校準(zhǔn)。當(dāng)發(fā)射天線固 定在某一固定高度后，接收天線將在14米的范圍內(nèi)升降，以此來找 到接收信號的最大值。在開始校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)

19、結(jié)束后要分別進行電纜的衰減校準(zhǔn)。場地衰減NSA的測量值A(chǔ)可按下式計算:An二U-U max-Ua電纜不接天線用直通直接相連時接收機的讀數(shù)，dBu V;Umax電纜連接接收和發(fā)射天線時接收機的讀數(shù)，dB V;AFt發(fā)射天線系數(shù)，dB;AFr接收天線系數(shù)，dB;場均勻性的校準(zhǔn)在空的暗室中進行， 發(fā)射天線的放置位置應(yīng)能使5m 1.5m的 校正域處于發(fā)射場的主瓣寬度之內(nèi)。場傳 感器與場發(fā)射天線之間的距離至少為 im 1-1- - I I nEUT與天線之間的距離最好為3m （指雙錐斛L-J形天線的中心或?qū)?shù)周期天線的頂端到圖15場校準(zhǔn)均勻域尺寸EUT勺距離）。在定義的校正區(qū)域內(nèi)均勻劃分為16個點，每個

20、點之間 的距離是0.5米，最低點離地面的高度為0.8米（如圖15）;經(jīng)過功 率放大器放大的信號通過發(fā)射天線在這個測試平面產(chǎn)生規(guī)定的場強 （3V/m10V/m）,用各向同性的場強探頭分別測量每個點的場強，取數(shù)值最接近的12個值，剔除另外4個。12個值中，最大和最小的差值 小于6dB,就認為測試平面是均勻的。發(fā)射天線分別在水平極化和垂 直極化兩種極化方式進行校準(zhǔn)。10輔助設(shè)備 10.1 吸收式功率鉗(Absorbing Clamp)吸收鉗是用于電磁泄漏（干擾）測量的主要配套設(shè)備之一，可以用來測量（301000） MH瀕率范圍內(nèi)來自電纜線的輻射。它由三 部分構(gòu)成：寬帶射頻電流變換器、寬帶射頻功率吸收

21、體和受試設(shè)備引 線的阻抗穩(wěn)定器、吸收套筒。吸收鉗可以沿著受試引線B移動。吸收鉗的主要校準(zhǔn)參數(shù)是吸收衰減（17dB）。:血 Hoi2C;GB/T6113-1995給出了吸收鉗校準(zhǔn)布置圖，如圖16所示。TL A C圖16吸收鉗校準(zhǔn)布置圖WF校準(zhǔn)線；C電流變換器；D功率吸收體和阻抗穩(wěn)定器部分；E吸收套筒；F附加吸收鉗；C1用于連接校準(zhǔn)線 W和衰減器的貫通連接器；C2-連接到吸收鉗內(nèi)部同軸電纜的同軸連接器；C3-連接接收機電纜且與 C2配套使用的同軸連接器； a連接吸收鉗和接收機的同軸電纜；b連接信號發(fā)生器和衰減器的同軸電纜；a連接吸收鉗后，測量接收機的最大指示；a 不通過吸收鉗（按虛線），測量接收機的指示。吸收鉗的頻率工作范圍是 30MHz1000MHz在校準(zhǔn)中吸收鉗要 在6米長的軌道上滑行，同時接收機將記錄滑行中不同頻率下所讀取 的最大電壓值，該最大電壓值與不通過吸收鉗時接收機的指示值之差 就是吸收鉗的吸收衰減量。10.2人工電源網(wǎng)絡(luò)（LISN）在EMC勺多項測試中都使用了人工電源網(wǎng)絡(luò)（簡稱 LISN）,它能 夠在射頻范圍內(nèi)向受試設(shè)備端子與參考地或端子之間提供穩(wěn)定的阻 抗，同時將來自電源的無用信號與測量電路隔離開來，而僅將受試設(shè)備的干擾電壓耦合到測量接收機輸入端。人工電源網(wǎng)絡(luò)有多種類型，女口 50Q50 卩 H+5Q、50Q50 卩 H