电磁传导发射测试系统的集成设计

上海航天804 研究所 刘柳 王涛 汪沛欣 张欣 熊伟

本文是根据电磁传导发射的实际应用需求，设计了电磁传导发射测试系统。文章详细阐述了系统集成、调试、专用软件开发、数据处理、显示处理、通调异常处理、校准等相关内容，实现多种电磁兼容标准下的准确测试，对相关的测量应用有一定借鉴。

电磁兼容的测试系统随着计算机技术的发展，使其测试技术、软硬件开发都得到快速发展。电磁兼容标准把EMC(Electromagnetic Compatibility)测试分成两类[1]：电磁干扰度测试(EMI：Electromagnetic Interference)、电磁抗扰度测试(EMS：Electromagnetic Susceptibility)，国军标中电磁传导发射是电磁干扰测试中必做项目，涉及的仪器主要是电磁干扰接收机或频谱分析仪[2]，但处理数据的工作量较大，需计入补偿因子后与标准规定的极限值进行比较，以判定干扰信号是否超标，因此需要测量经验的积累和特殊仪器的应用经验，同时软件系统的设计也直接影响系统测试的效率和准确度。常用的软件开发平台有：VC++、VB、Agilent VEE、NI-LabVIEW 等[3]。 为 了实现电磁传导发射测试系统的测试功能，本文结合项目需求及通用化要求（军标及欧标），重点研究了系统集成和软件开发，设计了一套稳定的电磁传导发射测试系统。

1 测试系统方案设计与分析

依据甲方提供的电磁传导发射实际使用需求（项目需求指标书），进行电磁传导发射测试系统的设计，本方案构建主要基于GJB 151B-2013[3]、GJB 6113-2008、GB 9254-2008 等标准，对军标电磁传导发射项目进行测试系统搭建和软件开发，并增加了欧标测量子项和用户可定义扩展测试选项。

1.1 测试系统设计方案

电磁传导发射试验主要用于测试待测件输入电源线上的传导发射。本文设计的电磁传导发射测试系统由测量接收机、LISN、隔离变压器、EMI 滤波器与准峰值检波器、衰减器等构成。其系统框图如图1 所示。

图1 测试系统组成框图Fig.1 Test system composition diagram

当被测件是单相供电时，采用以上系统集成方案：220V 的交流电压通过经特殊处理的隔离变压器（避免强电工厂环境现场零地压差过高导致精密仪表损坏）后再经过线路阻抗正定网络（简称LISN，下同）对待测件加电，待测件内的电磁骚扰电压（即待测件的电磁传导发射电压）通过LISN 取样后，经标准规定的准峰值检波器检波，进入测量接收机接收后，在计算机上使用专用分析软件显示输出，途中衰减器起限幅作用。

当被测件是直流供电时，图1 中将改制的隔离变压器直通即可。

在电磁传导发射测试中，LISN 一方面能将电源上的无用射频信号与待测件的信号隔离开来，进而将干扰电压耦合到测量接收机上；另一方面，在被测设备与供电电源之间接入LISN，它为受试设备端子之间提供一种标准化的阻抗，以保证不同测试机构间测试结果的一致性。LISN 可购成品，也可研制考虑时间和工作重点，再作线路拓扑和相关论文研究后备案处理。

测试系统中的接收机也是系统的重要组成部分，可实现对干扰电压的拾取。在电磁兼容测试领域中，常用EMI 接收机作为测量接收设备。相比业内RS 公司生产的EMI 接收机的高昂价格，国内已有替代产品，且性价比优势明显。我们选用可进行EMI 预测试功能的频谱仪，可在两种测量模式下，对输入信号进行频谱分析和相关电参数测量。在本方案中利用某公司高灵敏度频谱分析仪代替测量接收机，大幅降低成本；并将衰减器、EMI 滤波器、准峰值检波器集成在高灵敏度频谱仪中，减小系统规模和体积，测试简便、灵活、高效、界面友好。

1.2 测量参数的设计

由于电磁传导发射测试数据量大、时间长，为提高检测效率，本案采用了预扫描、终扫描2 种方法。

预扫描使用频谱仪默认的高斯滤波器，采用正峰值扫描方式，对系统进行快速测量，锁定误差频率范围，预扫描频段参照GJB 6113-2008 的规定进行划分，理论上，全程预扫描时间在保证一定精度的前提下越快越好。

终扫描需采用EMI 测试专用的准峰值接收机模式：当频谱仪的检波方式选择“准峰值”，仪器自动切换为EMI滤波器，对系统进行精密测量，终扫描频率分段设定需严格按照GJB 6113-2008 的准峰值测量接收机的基本特性执行。用于电磁传导发射测试的准峰值（Quasi Peak）检波器和EMI 滤波器有3 种（200Hz、9kHz、120kHz，-6dB 带宽）。而对于每一个数据点，准峰值检波器在对应时间间隔内检测峰值，使用带有特定的充电、放电结构的电路和由有关标准（如CISPR Publication 16）标准中规定的显示时间常数作为权值对已检测的峰值进行加权处理，显示加权结果。

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预扫描过程在9kHz ～150kHz 、150kHz ～30MHz、30MHz ～108MHz 三段频率范围内分辨率带宽（RBW）分别为300Hz、10kHz、100kHz，视频带宽（VBW）、扫描时间、参考电平等参数按一般测量操作和本款仪器使用特别要求在系统统调中完善，总频段预扫描时间约为66s。

终扫描过程9kHz ～150kHz、150kHz ～30MHz、30MHz ～108MHz 三段频率范围内分辨率带宽（RBW）分别为200Hz、9kHz、120kHz，其他参数在系统统调中完善，总频段扫描时间约为11000s。

2 测试系统软件设计

为了达到电磁传导发射CE102 测试功能，专门开发了软件分析系统。该软件基于Visual Studio 开发环境使用C#语言编写，调用API 函数发送SCPI 指令，通过USB-TMC 接口实现软件与仪器的通信，从而实现对仪器的应用控制。

2.1 软件测试流程

该软件的主要测试流程分为设置阶段、扫描阶段、报告生成阶段，具体流程如图2 所示。

图2 软件测试流程图Fig.2 Software test flowchart

2.1.1 参数设置阶段

（1）首先加载并选择校准文件，补偿外部设备的增益或损耗，比如LISN/天馈线/接收机频响等；

（2）加载并选择限制线文件，按不同标准设定测量限值，配置预扫描以及终扫描参数；

（3）分段设置：本软件允许独立设置分段扫描的参数，并可通过表格形式浏览分段扫描数据表，另外，可以导出当前编辑的分段扫描表格，或导入已编辑的分段扫描表格；

（4）设置测量频谱图的坐标轴以及图形标题。

2.1.2 测量阶段

（1）根据分段扫描设置执行分段预扫描，提高软件的测量速度。执行扫描后，在测量频谱图内可以预览测量结果并将其与设定的限制线值比较；

（2）终扫描对临界的干扰信号进行更为精确的扫描，保证了软件的测量精度。

2.1.3 报告生成阶段

（1）根据当前的实际测试环境和标准，添加报告参数以及产品编号、仪器信息等其他说明；

（2）生成超差数据表格，并可打印激活的测量报告文件，便于对测量值进行进一步处理。

2.2 界面模块设计

由于该测试系统庞大而复杂，且随着软件的不断发展完善，其功能将不断扩充，因此不论从软件本身的完善还是从用户的使用角度看，开发一个简单方便的操作界面都是极其必要的。本系统针对电磁传导发射测试，将界面模块分为菜单栏、工具栏、图像参数设置及数据显示界面。

其中测量菜单栏是整个测量系统的重点操作栏，主要分为标准、设置、扫描、图像4 个部分。标准栏提供测量标准，用户可根据测试需求选择不同测量标准，每个测量标准都具有默认的限值线和补偿因子；设置栏用于查看和修改系统参数，系统参数主要包括起始频率、终止频率、频率分段、分辨率带宽（RBW）、扫描时间、补偿因子、限值线等；扫描栏运行系统的扫描测试，对预扫描和终扫描进行开关操作；图像栏可执行图像刷新和峰值搜索命令。

执行扫描后，用户可以通过鼠标右键操作增加光标点用来标记感兴趣的任意超限频点进行记录并生成报告。报告中主要包括待测设备信息、测量仪器信息、测量环境、超差数据表格、数据曲线等。

2.3 测试系统数据处理

本系统对数据进行采集后，主要进行3 种数据处理：频响补偿、误差判别、超差提取。当系统加入外部设备后会引入接入频响的变化，需加入补偿因子对外部设备的增益或损耗进行补偿：本系统通过软件编程可添加不同补偿因子（可修正），通常包括频谱仪平坦度、电缆插损值、外部设备损耗等，添加后修正测量值，进行频响补偿；将测量值与对应的限值线进行比较，快速判断测量结果，若超过限值线即为不合格点，并将超差点的频率和幅值提取出来用于分析和记录。数据处理流程图如图3 所示。

图3 数据处理流程图Fig.3 Data processing flowchart

3 异常处理

系统搭建完成后，将软件与仪器进行统调。统调中发现了以下几个异常问题，经过分析和处理，几个问题均得以解决。

（1）统调中发现在进行首次终扫描时，频谱仪起始扫描处出现几十dB 高的尖峰谱，仔细观测发现在第二次重复扫描时，尖峰消失数据恢复正常。经分析为频谱仪本身问题，因此需通过软件设计避免尖峰的出现。每次扫描前执行一次清除写入，因为尖峰固定出现在第一格span 内，每格span 的时间为扫描时间的1/10，又分三段刷新（通常第一段就可刷出尖峰），故软件预设前期等待时间为span/3+∆t（软件延时补偿，默认10s，用户可以根据实际情况进行修改），即T/30+∆t，T 表示该次扫描时间，然后开始当前频段的终扫描（最大保持）。

（2）在终扫描过程中，发现扫描时间过长时，信号出现失真现象。依据厂家的技术支持，频谱仪单次扫描时间超过1000s 时会引入失真，因此结合国军标频率分段要求与频谱仪自身限制，将扫描频率细分为11 段，确保每段扫描时间小于1000s。具体细分情况为：9kHz ～150kHz 均分为3 段、150kHz ～30MHz 均分为6 段、30MHz ～108MHz均分为2 段，一共11 段，扫描频点达到7000 个左右，且RBW 与细分前保持一致，细分后失真现象消失。

（3）当仪器在噪声（小信号）测量模式下出现校准信号明显偏小的异常，通过手动测量复现和计量人员进行仲裁检测定位故障后，修改参数设置予以排除：频谱仪预扫描测量模式下有3 种测量模式：连续信号测量模式、噪声（小信号）测量模式、脉冲测量模式。当发现小信号测量模式时，该款仪表与马来西亚生产的856*野战型频谱仪存在同样的缺陷：VBW ≤0.1×RBW 时，信号转换不确定度有几个dB 的巨大偏差。改用连续信号测量模式（使VBW=RBW），并开启平均（加数字滤波）功能后，异常消除。

4 结论

本测试系统简单实用，集成费效比高，性能优良。利用LISN、频谱仪等设备搭建了电磁传导发射测试系统，并开发了专用测试软件。该软件基于Visual Studio 开发环境，使用C#语言编写，通过USB-TMC 接口实现软件与仪器的通信，从而实现对仪器的控制。通过实践应用表明，本测试系统运行稳定，实现了仪器控制、数据存储、数据分析和图形回显的功能，并提供开放的用户配置，预测试时间短，自动化程度高。根据不同测试要求，可以扩展功能，用于多种电磁兼容标准（国军标、欧标）的测试，在军工系统、民用通信等工业领域有十分重要的工程应用价值。