示波器在电磁兼容性试验中耦合方式的选择与应用研究

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　　摘要：针对电磁兼容性试验中示波器耦合方式的选择问题，文章对示波器耦合方式进行原理分析，结合《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》（GJB 151B-2013）中典型的电磁兼容性试验进行解释说明，最后通过试验验证了该选择方法的合理有效性。
　　关键词：示波器;耦合方式;电磁兼容性试验
　　中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0094-04
　　0 引言
　　随着电力电子器件的多样化和复杂化，现代社会的电磁环境日益复杂，电磁干扰问题愈发突出，加上电磁兼容法规在国内外的普遍实施，电磁兼容性问题在电力电子领域也受到越来越多的关注。国军标《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》（GJB 151B-2013）[1]是目前军品研发中使用最普遍的电磁兼容性标准，其中包含了传导发射（CE）项目4项，传导敏感性（CS）项目11项，辐射发射（RE）项目3项，辐射敏感性（RS）项目3项。在这些项目的试验配置中示波器起着至关重要的作用，其一是监测敏感性试验项目中试验方给受试产品施加的干扰信号，保证施加的信号符合GJB 151B-2013的要求，以确保受试产品能够经受住标准干扰信号的骚扰，为日后在复杂电磁环境中能够正常工作提供保障;其二是监测受试产品在一定工作情况下发出的信号，以验证该产品发出的信号是否低于相应的GJB 151B-2013限值，即该产品工作时是否会影响其他电力电子器件的正常工作，为日后与其他产品的协同工作提供保障。然而不同的试验项目中示波器的耦合方式不同，不同的耦合方式又会导致不同的测试结果[2]，这给很多试验人员造成困惑，尤其是新入职的员工，常常在面对示波器耦合方式的选择上犹豫不决。故本文通过对示波器的耦合方式进行原理分析，结合GJB 151B-2013中典型的试验项目，针对不同试验中示波器的耦合方式的选择作出说明，并用试验验证了该选择方法的合理性和有效性。
　　1 示波器耦合方式原理分析
　　示波器的接入通道设置首页选项中，有一个重要的选项：耦合Coupling。所谓耦合Coupling是指待测信号是通过哪种路径进入示波器，有AC/DC/GND三种选项，下面本文将针对这三种耦合方式进行原理分析。
　　1.1 直流耦合DC Coupling
　　直流耦合是将待测信号直接直通进示波器，故该种方式可以在示波器显示屏上观测到波形的完整样子，如图1所示。
　　举例说明，如果原始波形是28V的直流同时有振幅为1V的正弦波，那么用直流耦合，在示波器屏幕上也就能看到高于0V，基准线为28V的振幅为1V的正弦波。
　　在直流耦合DC Coupling中还有另一个让人困惑的问题，那就是输入阻抗的选择。输入阻抗有1MΩ和50Ω两种，下面针对输入阻抗展开讨论。
　　电信号实际上是以电磁波的形式在传输线中传播的，当传输线的尺寸不再远小于电磁波波长时，就不得不考虑这个“波”的特性了。当线路中发生反射的时候，入射波和反射波叠加在一起就会导致波形的失真，造成信号测量失误。为阻止这种信号反射，就要保证传输介质均匀，任何一点横截面几何结构相同。在传输线终点也是一样。只要保证信号的瞬时阻抗不变，同样也不会发生反射。这就引出了特性阻抗的概念。经研究发现均匀传输线的瞬时阻抗是纯阻性的，于是考虑给负载并联一个电阻，让其阻性和特性阻抗相等，这样信号就不会反射回去，电路就被清净了，这种方法叫做终端匹配。
　　特性阻抗大小会影响信号传输功率、传输损耗、串扰等电气性能，而其板材和几何结构又影响制造成本，故只能找一个折中值。而50Ω正是同轴线的传输功率、传输损耗以及制造成本的一个最佳平衡点。所以大多数高速信号都会采用50Ω特性阻抗系统，形成标准并沿用至今，成为使用最广泛的一种阻抗标准。示波器上50Ω的阻抗档位的作用就是用来匹配50Ω系统中的传输线。
　　1MΩ的阻抗檔位的来源则是考虑到示波器的负载效应问题。示波器本身的输入阻抗，在测量时不可避免要带到测量电路中。信号差异主要是原电路输出电阻和示波器1MΩ的分压决定。原电路输出电阻越小，示波器负载效应带来的偏差就越小。
　　综上所述，1MΩ的阻抗档位是为了减小示波器的负载效应带来的测量偏差，而50Ω的阻抗档位则是为了消除传输线路上的信号发射，将传输线的影响降到最低。根据上述分析，可得出以下结论：
　　（1）当被测信号是一个无负载信号（如信号发生器），切采用50Ω特性阻抗同轴电缆与示波器相连时，则选择50Ω的阻抗档位;
　　（2）当被测信号拥有完整终端接收系统时则需要选择1MΩ的阻抗档位;
　　（3）若没有进行特别说明，则优先选用1MΩ的阻抗档位，因为该档位输入阻抗大，可以尽量减小对被测电路的影响，同时因为分压原理，该档位下的输入电压可以达到几百伏，否则容易导致示波器损坏。
　　1.2 交流耦合AC Coupling
　　交流耦合方式是将待测信号经过一个隔直电容再进入示波器[3]，故可将待测信号中的直流成分去除，如图2所示。
　　举例说明，如果原始波形是28V的直流同时有振幅为1V的正弦波，那么用交流耦合，最终在示波器屏幕上会看到基准线为0V的振幅为1V的正弦波。
　　这种耦合方式可以让观测者对待测信号的交流分量进行仔细的观测研究，但会过滤掉待测信号的直流分量。
　　1.3 接地GND
　　接地耦合方式，如图3所示，其实就是将示波器的输入端接地。此时应该在示波器上看到一条横线，表示没有任何信号。这个选择设置的目的是让使用者通过该选项确认接地后信号是否真的停在0V，进一步确认示波器本身的杂波是否会串到屏幕上，用来检查示波器是否发生故障。
　　2 典型电磁兼容性试验项目 　　下面就GJB 151B-2013中典型的几个电磁兼容性试验项目中关于示波器耦合方式的选择进行具体分析。
　　2.1 CS115
　　测试设备如下：
　　脉冲信号发生器，50Ω;注入探头;激励电缆，50Ω;监测探头;校验装置：具有50Ω特性阻抗的同轴传输线;衰减器，50Ω;同轴负载，50Ω。
　　由GJB 151B-2013中对测试设备的说明可知，该项目测试设备均采用50Ω匹配负载，根据1.1小节的分析，可知CS115试验测试配置中示波器应该选择50Ω输入阻抗，以减少传输线路对信号的影响。同时在校准配置中，信号到示波器之间并没有终端负载，根据1.1小节的分析也可知校准时示波器也应选择50Ω输入阻抗。这一结论也与GJB 151B-2013中要求一致。
　　2.2 CS106
　　测试设备如下：
　　尖峰信号发生器，源阻抗不大于2Ω;电容器;示波器，高输入阻抗;无感电阻器，5Ω;隔离变压器。
　　根据GJB 151B-2013中对测试设备的描述，该项目测试配置中各设备并没有要求50Ω的匹配负载，且明确要求了信号源的输出阻抗较小，这样当示波器选择1MΩ的输入阻抗时，示波器的负载效应带来的偏差就会很小。同时该项目的尖峰信号峰值电压达到几百伏，为保证示波器不被损坏也应选择1MΩ的输入阻抗。此外，在校准配置中，信号输出后有5Ω的终端负载，故根据1.1小节的分析，校准时示波器也应选择1MΩ的输入阻抗。
　　当然，由于交流耦合方式下示波器也呈现高阻状态，故CS106项目中也可选择交流耦合方式。针对直流1MΩ的输入阻抗和交流耦合的区别，主要是考虑设备本身的供电电压幅值以及探头的比例。由于直流高阻状态下示波器上的显示将是以供电电压幅值为基准线的波形，若供电电压过大，则可能导致该波形不在示波器的显示范围内，故本文认为本试验中示波器采用交流耦合的方式更为合理。
　　2.3 CE107
　　CE107试验主要考核设备因自身开关操作而可能在交直流电源线上产生尖峰干扰信号，该干扰信号可能会反干扰到接入同一电源的其他设备。故该试验中示波器测量的信号是产品开关操作带来的，不存在50Ω的阻抗匹配问题，故在如图4所示的试验配置中应当选择直流1MΩ或者交流耦合方式，以盡量减少示波器负载效应的影响。
　　同时GJB 151B-2013中的限值为“额定电压的+50%、-150%（直流电源线）”，紧接着还有一句注释“尖峰信号的幅值以开关操作瞬间出现在电源电压波形出的电压为基准，不是以示波器纵轴的0V为基准”。而由于交流耦合方式会将直流分量去除，最后的波形均以0V为基准，容易让试验员和客户产生疑问，故本文建议本试验中示波器优先选择直流1MΩ的耦合方式。但若产品本身的供电电压过大，导致干扰信号基准线过高，示波器的量程不足以对干扰信号进行完整显示或精确显示时，可选择交流耦合的方式。
　　同时在电源特性的试验中，有一个LDC107的项目，与CE107的配置很相似，但在示波器耦合方式的选择上却有不同的考虑，故本文在此也一并进行讨论。LDC107试验与CE107试验的区别在于开关接入的位置，CE107由于考核的是产品自身开关操作引起的干扰，故开关接在产品和LISN（线路阻抗稳定网络）中间，无论开关如何操作，LISN处是通电的，示波器显示值一直有一个稳定的直流分量，触发测到的干扰信号也不会存在阶跃的问题。而LDC107试验中，开关接在电源和LISN之间，那么开关的闭合就会导致LISN的通断电，在示波器上就会出现阶跃的信号。此时若采用交流耦合方式，会将该通断电导致的阶跃也算作是干扰信号，导致最后测量的干扰信号比实际的幅值大。故本文认为在LDC107试验中，示波器必须采用直流高阻的耦合方式，才能对干扰信号进行正确的测量。
　　3 试验验证
　　3.1 CS115校准
　　根据GJB 151B-2013标准中CS115的校准配置图，本文开展了如图5所示的CS115校准。试验中采用的设备均是经过检定且在有效期内的。
　　若示波器采用直流，50Ω的耦合方式，则当脉冲信号发生器输出设置为787时，有如图6所示的测试数据图。
　　此时最大负尖峰电压值为245V，根据50Ω的阻抗匹配，可知此时注入探头注入的电流值为4.9A，基本达到GJB 151B-2013中CS115项目对信号峰值的限值要求（5A）。而若此时选择直流，1MΩ的耦合方式，则相同配置下能得到如图7所示的试验数据图。
　　根据图7，此时最大负尖峰电压值为458V，若试验者不清楚直流耦合中50Ω和1MΩ的区别，将二者等同，则会认为此刻注入探头注入的电流为9.16A。即若按直流，1MΩ的耦合方式进行校准，此时得到的校准值会比787（直流50Ω下脉冲信号发生器的输出校准值）小得多。这会导致按校准值进行试验时，注入电流比5A小很多，最终导致试验欠考核，影响试验数据可靠性。
　　3.2 CE107
　　根据GJB 151B-2013标准中CE107的测试配置图，本文开展了如图8所示的CE107试验。试验中采用的设备均是经过检定且在有效期内的。
　　此时示波器采用直流1MΩ和交流耦合方式得到的测试数据分别如图9和图10所示。根据本文第2节的分析，CE107项目中直流1MΩ和交流耦合的区别在于基准线，直流1MΩ耦合保留了产品的供电电压（如图9中Y1为28V），而交流耦合方式则将直流28V去掉了，只留下交流分量（如图10中Y1为0V）。但是CE107试验中两种耦合方式得到的信号的幅值是一致的，即图9中ΔY为40.5V，图10中的ΔY为41.0V，基本是一致的，0.5V的差别只是重复手动测量带来的误差。
　　这里附带讨论一下LDC107试验的情况。在LDC107试验中，若示波器采用直流1MΩ和交流耦合方式，得到的测试数据如图11和图12所示。
　　同样，根据本文第2节的分析，LDC107试验中存在着供电电压的阶跃现象，此时若用直流1MΩ的耦合方式，则可以准确看出试验状态，且开关操作带来的尖峰幅值可以用光标准确测量出来，如图11中该产品在开关关闭时未测出尖峰信号，但是仍然测出一个28V左右的阶跃。而同时若示波器采用交流耦合的方式，则会测出如图12所示的尖峰，这个尖峰幅值是将28V电源的开关阶跃包含进去了，影响了试验员对真实开关操作带来的尖峰幅值的测试，故本文认为在LDC试验中应该选择直流1MΩ的耦合方式。
　　4 结语
　　本文针对电磁兼容性试验中示波器耦合方式的选择问题，对示波器几种耦合方式进行了原理分析，结合GJB 151B-2013中典型的试验项目进行解释说明，并经过试验验证，提出了不同试验情况下的示波器耦合方式选择方法，有助于试验员在试验配置中进行合理且正确的选择，有效保障了测试数据的真实性和有效性，具有很大的实用价值。
　　参考文献
　　[1] 中国人民解放军总装备部.GJB151B-2013军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量[S].北京：中国标准出版社，2013.
　　[2] 刘婷婷.示波器测量波形浅析[J].电子世界，2014（11）：182.
　　[3] 汪进进.示波器耦合方式对电源负载动态恢复特性测试结果的影响[J].中国集成电路，2016，25（8）：43-46+69.
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