電磁兼容測(cè)試儀器的校準(zhǔn)

1、電磁兼容測(cè)試儀器的計(jì)量校準(zhǔn)Calibration of EMC Testing Instrument1 引言電磁兼容測(cè)試中需要使用到多種測(cè)試儀器，其中包括一些常規(guī)類(lèi)型的測(cè)試儀器，例如高頻信號(hào)發(fā)生器、衰減器、功率放大器等，另外還包括了多種專(zhuān)用的測(cè)試儀器和測(cè)試場(chǎng)地，如靜電放電試驗(yàn)發(fā)生器、浪涌發(fā)生器、EMI接收機(jī)、電波暗室等。這些專(zhuān)用測(cè)試儀器和測(cè)試場(chǎng)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(méi)有明確的提及，以下主要介紹這些專(zhuān)用測(cè)試儀器和場(chǎng)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(yàn)(Electrostatic Discharge ImmunityTest) 標(biāo)準(zhǔn)討論當(dāng)電力和電子設(shè)備遭受直接

2、來(lái)自操作者和鄰近物體的靜電放電時(shí)的抗干擾要求和試驗(yàn)方法。靜電放電( 簡(jiǎn)稱 ESD)發(fā)生器是試驗(yàn)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(kāi)路電壓。ESD發(fā)生器的放電電流波形見(jiàn)圖1。為了校準(zhǔn)ESD發(fā)生器，必須利用試驗(yàn)時(shí)的放電回路來(lái)驗(yàn)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 discharge, with no wav

3、e spec, 圖1 ESD發(fā)生器的放電電流波形”頰 卿TminstrumantC等 級(jí)1指示電 壓（V）放電的峰值電流（±10%A）放電的上升 時(shí)間tr（ns）在30ns時(shí)的電流（± 30%A）1在60ns時(shí)的電流（± 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(lái)校準(zhǔn)ESDg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

4、式工作，從靶上取出的電壓信號(hào)送入 至少1GHzt寬的示波器進(jìn)行測(cè)量（圖2）。圖2 ESD發(fā)生器放電電流校準(zhǔn)ESDe生器的輸出電壓的指示值是發(fā)生器儲(chǔ)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(chǔ)能電容兩端接 線。在不方便接線時(shí)可以從ESDg生器輸出端放電電阻處測(cè)量，由于 放電電阻的阻值為（50100） MQ ,因此要求高壓測(cè)量線路的輸入阻 抗足夠高，否則必須修正測(cè)量結(jié)果。3電快速脈沖群發(fā)生器電快速脈沖群（簡(jiǎn)稱EFT/B）發(fā)生器用于電快速脈沖群試驗(yàn)，用來(lái)驗(yàn)證電氣和電子設(shè)備對(duì)來(lái)自操作暫態(tài)過(guò)程 （諸如開(kāi)斷感性負(fù)載、繼電器觸頭彈跳等）中各種類(lèi)型的瞬變擾動(dòng)的抗擾性。試驗(yàn)中用到的主要設(shè)

5、備包括EFT/B發(fā)生器、交/直流主電源端口的耦合/去 耦網(wǎng)絡(luò)和容性耦合夾。國(guó)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(fù)載下為士 10%在 1000Q負(fù)載下為20%脈沖電壓上升時(shí)間在 50Q/1000 Q負(fù)載下為 5ns±30% 持續(xù)日t間在50Q下為50ns±30% 在1000Q負(fù)載下為35ns150ns;脈沖重復(fù)頻率 5kHz士 20崎口 100kHz士 20% 脈沖群周期為15ms± 20%解沖重復(fù)頻率為 5kHz時(shí)

6、），脈沖群周期為圖 3 50 Q、1000。衰減0.75ms士 20%0永沖重復(fù)頻率為100kHz時(shí)）校準(zhǔn)EFT/B發(fā)生器時(shí)，發(fā)生器的輸出通過(guò)一個(gè)專(zhuān)用衰減器（圖3）連接至示波器上，示波器的帶寬至少為400MHz對(duì)一個(gè)脈沖群內(nèi)的脈沖上升時(shí)間、脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖的重復(fù)頻率進(jìn)行校準(zhǔn)（圖4）。器圖4 EFT/B發(fā)生器的校準(zhǔn)EFT/B發(fā)生器的源阻抗為50Q,過(guò)去IEC只要求在50Q負(fù)載 條件下校準(zhǔn)EFT/B發(fā)生器的輸出波形。但由于實(shí)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(fù)載條件下進(jìn)行。IEC

7、 61000-4-4中關(guān)于耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的要求規(guī)定：在耦合網(wǎng) 絡(luò)輸出端測(cè)得的波形要與發(fā)生器輸出端測(cè)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(yàn)，其目的是評(píng)估 設(shè)備遭受由操作和雷擊瞬變電壓引起的單向沖擊時(shí)的性能。電浪涌發(fā)生器主要包括綜合波發(fā)生器(1.2/50 N s8/20 w s)、 CCITT波(10/700 ps)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IEC60-1I

8、EC469-1波頭時(shí)間H s半峰時(shí)間H s上升時(shí)間(10%90% Ms持續(xù)時(shí)間(50%50%h s開(kāi)路電壓1.250150短路電流8206.416注：現(xiàn)行IEC出版物中，1.2/50 pS和8/20 pS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(shí)，發(fā)生器的輸出應(yīng)該與足夠帶寬 和電壓電流容量的測(cè)量系統(tǒng)相連。如圖 6和圖7所示，在開(kāi)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(guò)電 流探頭連接到示波器。圖6開(kāi)路電壓的校準(zhǔn)圖7短路電流的校準(zhǔn)在校準(zhǔn)開(kāi)路電壓時(shí)，有時(shí)電浪涌發(fā)生器輸出的負(fù)端會(huì)有電壓輸出，此時(shí)可

9、以使用兩個(gè)高壓探頭進(jìn)行差分測(cè)量；校準(zhǔn)短路電流時(shí)，由于電浪涌發(fā)生器的輸出阻抗較低，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(diǎn)要緊密，以減小接觸電阻。讀數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意所測(cè)試脈沖波形參數(shù)的定義。例如測(cè)試1.2/50波形，其定義的波前時(shí)間為1.25 X Ti0%90。今 這與普通的脈沖上升時(shí)間有區(qū)別。5 電壓暫降、中斷、變化發(fā)生器電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化發(fā)生器是用于電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度測(cè)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(shí)降低、短時(shí)中斷和電壓的變化情況，考察被測(cè)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(cè)試

10、部分和時(shí)間相位控制電路組成。發(fā)生器的校準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)下列要求進(jìn)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(yùn)行電壓的百分比，如 230V和110V。負(fù)載能力：100%輸出16A 時(shí)，電壓變化不超過(guò)5%； 70%輸出23A 時(shí)，電壓變化不超過(guò)7%； 40%輸出時(shí)，電壓變化不超過(guò)10%； 70%和 40%輸出試驗(yàn)下，持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)5s。沖擊電流驅(qū)動(dòng)能力、開(kāi)關(guān)特性等。LQ-O +發(fā)生器電壓表N 1-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(cè)量（圖8）,對(duì)于無(wú)法穩(wěn)態(tài)輸出70%口 40%：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(shí)

11、間為 50個(gè)周期或更長(zhǎng)，在發(fā)生器的暫降時(shí) 間內(nèi)測(cè)量輸出電壓。負(fù)載能力校準(zhǔn)以開(kāi)路狀態(tài)下的電壓為參考值進(jìn)行計(jì)算。沖擊電流驅(qū)動(dòng)能力的校準(zhǔn)需要一個(gè)由1700 N F的無(wú)電荷的電容器和一個(gè)合適的整流器串聯(lián)組成的負(fù)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(jìn)行測(cè)試。根據(jù)電流探 頭的電壓電流比，計(jì)算峰值電流。電流探頭圖9沖擊電流驅(qū)動(dòng)能力的校準(zhǔn)6磁場(chǎng)發(fā)生器磁場(chǎng)發(fā)生器主要用于驗(yàn)證設(shè)備在工頻、脈沖、阻尼磁場(chǎng)作用時(shí) 的抗擾性，它由電流發(fā)生器、磁場(chǎng)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(chǎng)發(fā)生器實(shí)際上是工頻的電流發(fā)生器； 而脈

12、沖和阻尼磁 場(chǎng)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(chǎng)發(fā)生器，由于 電流是工頻，故可以采用分流器采樣來(lái)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(chǎng)發(fā)生器電流校準(zhǔn)對(duì)感應(yīng)線圈線圈因數(shù)的校準(zhǔn)應(yīng)在其工作條件下進(jìn)行（無(wú)EUT的自由空間）。一個(gè)相對(duì)于EUT尺寸正確的感應(yīng)線圈，要置于離實(shí)驗(yàn)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(yàn) 發(fā)生器上。選擇合適的磁場(chǎng)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(cè)出感應(yīng)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值（注

13、入感應(yīng)線圈的電流應(yīng)調(diào)整到能取得試驗(yàn)水平所要求的磁場(chǎng)強(qiáng)度）7諧波測(cè)試儀器的校準(zhǔn)諧波測(cè)試儀器的主要測(cè)試功能包括功率分析儀功能、諧波電流、 諧波電壓等。諧波測(cè)試儀器主要包括諧波分析儀（獨(dú)立儀器）和含諧 波測(cè)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(duì)諧波測(cè)試的要求，通常的諧波測(cè)試儀應(yīng)可以達(dá)到對(duì)相電流 16A以下的儀器的諧波 電流進(jìn)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(cè)試 儀器的準(zhǔn)確度應(yīng)“優(yōu)于0.2%的額定電流或5煙數(shù)之較大者”。對(duì)于可以獨(dú)立使用且基波頻率較低（50Hz、60HN的諧波分析儀，諧波電壓和電流的校準(zhǔn)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)交流電源（如 Fluk

14、e6100A） 來(lái)校準(zhǔn)（圖11）;而對(duì)于不能與可編程交流電源分開(kāi)的諧波分析儀或 者是基波頻率較高（400Hz）,可以通過(guò)可編程交流電源+標(biāo)準(zhǔn)諧波分 析儀來(lái)校準(zhǔn)（圖12）。圖12諧波分析儀電壓校準(zhǔn)8電磁騷擾測(cè)量接收機(jī)的校準(zhǔn)電磁騷擾測(cè)量接收機(jī)（EMI接收機(jī)）是用于測(cè)量微弱的連續(xù)波信號(hào)、幅值很強(qiáng)的脈沖信號(hào)等電磁騷擾信號(hào)的專(zhuān)用測(cè)量接收機(jī)，主要由輸入衰減器、校準(zhǔn)信號(hào)源、射頻放大器、混頻器、本機(jī)振蕩器、中頻 放大器、檢波器、輸出指示等部分組成，它的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏 度高，最主要的性能特點(diǎn)就是脈沖響應(yīng)特性和多種檢波方式。在CISPR16國(guó)標(biāo)GB/T 6113.1-1995無(wú)線電干擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備規(guī)范中

15、對(duì)EMI接收機(jī)的性能指標(biāo)作了詳細(xì)的要求，其中正弦波電 壓測(cè)量準(zhǔn)確度、衰減器、中頻帶寬、脈沖響應(yīng)等是 EMI接收機(jī)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(cè)量準(zhǔn)確度和脈沖響應(yīng)的校準(zhǔn)簡(jiǎn)圖。表3電磁騷擾測(cè)量接收機(jī)脈沖響應(yīng)重復(fù) 頻率Hz標(biāo)定頻段定時(shí)，脈沖的相對(duì)等效電平dB9150kHz0.1530MHz30-300MHz3001000MH z1000見(jiàn)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（基準(zhǔn)）20+6.

16、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+13.0-2.0+20.5 ±2.0+26.0 ±2. 0+26.0 ±2.0*1+17.0-2.0+22.5 ±2.0+28.5 ±2. 0+28.5 ±2.0*孤立 脈沖+19.0-2.0+23.5 ±2.0+31.5 ±2. 0+31.5 ±2.0*注： 在9150kHz頻率范圍內(nèi)，重復(fù)頻率圖于

17、100Hz時(shí)，由于中頻方法其出現(xiàn)脈沖重疊現(xiàn)象，所以不能對(duì)該頻段的響應(yīng)做出明確規(guī)定。當(dāng)頻率高于300MHz時(shí)，由于電磁騷擾測(cè)量接收機(jī)的輸入過(guò)載，脈沖響應(yīng)受到限制。表1中標(biāo)有*的數(shù)值時(shí)任選的，不做硬性要求。EM胺收機(jī)信號(hào)發(fā)生器一脈沖信號(hào)發(fā)生器 EM胺收機(jī) 功率計(jì)1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（Anechoic chamnber）是進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)的主要場(chǎng)地，主要用于射頻輻射騷擾試驗(yàn)和抗輻射干擾的能力試驗(yàn)。電波暗室分半電波暗室和全電波暗室，全電波暗室是六個(gè)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(gè)面貼有吸波材料的暗室。電波暗室主要校準(zhǔn)項(xiàng)目是歸一化

18、場(chǎng)地衰減和場(chǎng)均勻性。歸一化場(chǎng)地衰減：頻率 30MHz7000MHz測(cè)得值與標(biāo)準(zhǔn)值之差小于 ±4dB。場(chǎng)地均勻性：在規(guī)定的16點(diǎn)測(cè)試平面內(nèi)，剔除4個(gè)點(diǎn)，剩余12個(gè)點(diǎn)中最大和最小的差值小于 6dB。歸一化場(chǎng)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(tái)周?chē)_定一個(gè)“測(cè)試空間”，將發(fā)射天線分別置于“測(cè)試空間”的中間和前、后、左、右（距中心 0.75m）五個(gè)不同 位置，并分別進(jìn)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(shí)1m和1.5m,水平極化時(shí)1m和2m）®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(lái)找到接收信號(hào)

19、的最大值。在開(kāi)始校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)結(jié)束后要分別進(jìn)行電纜的共減校準(zhǔn)。場(chǎng)地共減NSA勺測(cè)量值A(chǔ)可按下式計(jì)算:An=UfUmax-AFt-AFrdBp V;dBp V;ua電纜不接天線用直通直接相連時(shí)接收機(jī)的讀數(shù), 5ax電纜連接接收和發(fā)射天線時(shí)接收機(jī)的讀數(shù)， AFt發(fā)射天線系數(shù)，dB;0.5岸月*1*圖15場(chǎng)校準(zhǔn)均勻域尺寸場(chǎng)均勻性的校準(zhǔn)在空的暗室中進(jìn)行,發(fā)射天線的放置位置應(yīng)能使5mx 1.5m的校正域處于發(fā)射場(chǎng)的主瓣寬度之內(nèi)。場(chǎng)傳感器與場(chǎng)發(fā)射天線之間的距離至少為 1mlEUTW天線之間的距離最好為3m （指雙錐AFr接收天線系數(shù)，dB;形天線的中心或?qū)?shù)周期天線的頂端到EUT勺距離）。在定義的校正區(qū)域內(nèi)

20、均勻劃分為16個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)之間 的距離是0.5米，最低點(diǎn)離地面的高度為0.8米（如圖15）;經(jīng)過(guò)功 率放大器放大的信號(hào)通過(guò)發(fā)射天線在這個(gè)測(cè)試平面產(chǎn)生規(guī)定的場(chǎng)強(qiáng) （3V/m10V/m）,用各向同性的場(chǎng)強(qiáng)探頭分別測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，取數(shù)值最接近的12個(gè)值，剔除另外4個(gè)。12個(gè)值中，最大和最小的差值 小于6dB,就認(rèn)為測(cè)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(jìn)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(cè)量的主要配套設(shè)備之一，可以用來(lái)測(cè)量（301000） MHZ®率范圍內(nèi)來(lái)自電纜線的輻射。它由三部分構(gòu)成：寬帶

21、射頻電流變換器、寬帶射頻功率吸收體和受試設(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(dòng)。吸收鉗的主要校準(zhǔn)參數(shù)是吸收衰減（17dB）。GB/T6113-1995給出了吸收鉗校準(zhǔn)布置圖，如圖16所示。圖16吸收鉗校準(zhǔn)布置圖W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一附加吸收鉗；C1一用于連接校準(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；C葭連接接收機(jī)電纜且與 C2配套使用的同軸連接器； a一連接吸收鉗和接收機(jī)的同軸電纜；b一連接信號(hào)發(fā)生器和衰減器的同軸電纜；“一連接吸收鉗后，測(cè)量接收機(jī)的最大指示；a '一不通過(guò)吸收鉗

22、（按虛線），測(cè)量接收機(jī)的指示。吸收鉗的頻率工作范圍是 30MHz1000MH z在校準(zhǔn)中吸收鉗要在6米長(zhǎng)的軌道上滑行，同時(shí)接收機(jī)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(guò)吸收鉗時(shí)接收機(jī)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(xiàng)測(cè)試中都使用了人工電源網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)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(shí)將來(lái)自電源的無(wú)用信號(hào)與測(cè)量電路隔離開(kāi)來(lái)，而僅將受試設(shè)備的干擾電壓耦合到測(cè)量接收機(jī)輸入端。人工電源網(wǎng)絡(luò)有多種類(lèi)型， 如 50Q50 pH+5Q、50Q50 pH 及 50Q 50 pH+1Q 等，它的主 要