用示波器檢測ECU的EMI干擾

在做電磁兼容(EMC)測試時，通常想到的是用頻譜分析儀做的輻射測試。但示波器也可以用來做電磁兼容測試。在電磁兼容測試中沒有充分利用示波器的一個應(yīng)用是實(shí)時功能性性能評估，包括待測設(shè)備(DUT)在受到干擾時做的偏差檢測。示波器可以幫助你記錄電磁干擾如何影響你產(chǎn)品的工作。我們經(jīng)常使用示波器，但需要與測試室內(nèi)的待測設(shè)備做到電氣上的隔離。術(shù)語“偏差”指的是一個待測設(shè)備對干擾的響應(yīng)，此時可能有一個或多個功能超過允許的容差。這些功能和容差被定義在針對特定設(shè)備單獨(dú)開發(fā)的電磁兼容測試計(jì)劃文檔中，并且在測試開始之前得到了所有相關(guān)方的一致認(rèn)可。汽車行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)做法是通過元件級的測試來判斷一個器件對靜態(tài)放電(ESD)、電源和I/O線上的瞬態(tài)變化、傳導(dǎo)射頻和輻射的電磁場等干擾的抵抗能力。這些測試都是在完整的車輛抗干擾測試之前做的?？垢蓴_方面的接受標(biāo)準(zhǔn)，比如待測器件必須容忍的射頻場強(qiáng)度，在OEM廠商的工程規(guī)范中都有定義，而測試過程一般都要符合國際標(biāo)準(zhǔn)。對大多數(shù)元件級抗干擾測試來說常見的測試裝置由一些線束和一個負(fù)載模擬器組成，其中的負(fù)載模擬器包含真實(shí)的和/或電氣上等效的代表待測器件與車輛接口的負(fù)載。待測器件需要調(diào)整到測試計(jì)劃中定義的一種或多種工作模式，并暴露在干擾底下。在受到干擾的條件下，監(jiān)視待測器件的功能，得到超過允許容差時的響應(yīng)性能。對射頻抗干擾測試來說，偏差檢測要求首先確定器件的抗干擾閾值，方法是先大幅降低干擾幅度，然后緩慢地增加干擾幅度，直到偏差發(fā)生。如果待測器件有一條CAN通信總線，那么涉及其功能狀態(tài)的一些信息可以通過這條總線進(jìn)行傳送。遺憾的是，其它被監(jiān)視的功能細(xì)節(jié)沒法通過這種總線傳送。例子包括傳感器的模擬信號或驅(qū)動致動器的脈寬調(diào)制(PWM)輸出信號。我們必須用合適的儀器來測試這些功能。射頻抗干擾測試一般在有屏蔽的房間內(nèi)做，為的是避免實(shí)驗(yàn)室人員暴露在有危險的電磁場環(huán)境中，同時避免敏感設(shè)備發(fā)生故障。ISO11452-4中描述的傳導(dǎo)性射頻抗干擾測試使用鉗位型電流注入探針將射頻電流導(dǎo)入待測設(shè)備的線束，這種射頻電流的頻率從1MHz至400MHz，電平從幾十到數(shù)百毫安不等。這些電流會在測試平臺附近產(chǎn)生電磁場，其幅度足夠高到影響未屏蔽設(shè)備的正常工作。ISO/IEC61000-4-21中描述的輻射型射頻抗干擾測試使用一個包含機(jī)械模式調(diào)諧器的反射室，當(dāng)在給定測試頻率點(diǎn)獲得足夠數(shù)量的調(diào)諧器位置時，會在整個房間的可用體積內(nèi)產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)學(xué)上均勻的電磁場。測試頻率范圍是300MHz至3GHz，場強(qiáng)可以高達(dá)200V/m(CW和AM)和600V/m(雷達(dá)脈沖)。為了保持屏蔽室的完整性，禁止將測量儀器通過傳導(dǎo)電纜直接連接至測試裝置。因?yàn)樵谄帘问覂?nèi)射頻場會耦合至電纜，露在屏蔽室外的電纜就成輻射型天線了。為了避免這個問題，我們需要使用由射頻加強(qiáng)型光纖收發(fā)器組成的隔離式連接。轉(zhuǎn)換后的信號通過波導(dǎo)方式從非傳導(dǎo)性光纜離開屏蔽室，這個波導(dǎo)具有在測試頻率范圍之上較低的截止頻率。光信號由連接至測量儀器的接收機(jī)轉(zhuǎn)換回電信號。在圖1中，測試裝置(沒有顯示出來)和射頻加強(qiáng)光纖發(fā)送機(jī)放在反射室可用空間內(nèi)的一個泡沫臺上，這個泡沫臺的相對介電常數(shù)小于1.4。圖1：裝備了模式調(diào)諧器的反射室(右邊)。發(fā)射和接收天線沒有拍到。一旦在屏蔽室外捕捉到信號，信號通常會被路由到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常要求用定制軟件來分析信號信息，并與允許容差進(jìn)行比較，判斷待測設(shè)備是否滿足規(guī)定的要求。與許多傳感器不同，電子控制單元(ECU)可以監(jiān)視多個信號，并將測量值與可接受極限進(jìn)行比較，所用的軟件可能有很高的開發(fā)成本。與此相反，我們使用多臺示波器組成的陣列來替代復(fù)雜的定制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因?yàn)槭静ㄆ饕呀?jīng)具備模板測試和參數(shù)極限測試功能，它們可以直接滿足不是全部也是大部分的測試要求，因此不需要花費(fèi)很長的軟件開發(fā)時間。圖2顯示反射室的開門處位于測試平臺的右邊。左邊是光纜、接收機(jī)和用于執(zhí)行實(shí)時分析的示波器陣列。圖2：示波器陣列用于實(shí)時分析待測設(shè)備對輻射電場的響應(yīng)。我們使用示波器中的波形模板比較受干擾時的波形和沒有干擾時的波形。模板的尺寸取決于測試計(jì)劃中定義的接受標(biāo)準(zhǔn)。圖3、4和5顯示了仿真ECU的輸出?；诒Ｃ艿睦碛桑捎玫姆抡鏀?shù)據(jù)非常近似于用典型ECU監(jiān)視到的信號。通道1和通道2顯示的是控制輸出驅(qū)動致動器信號的仿真PWM信號。通道3捕獲的是仿真的致動器信號，通道4顯示的是CAN分離電壓。圖3顯示的是在模板測試功能關(guān)閉的情況下觀察到的每個信號波形。示波器選用的是通道2上的邊沿觸發(fā)模式，所有4個波形都是被同步捕獲的。圖3：仿真ECU的輸出信號包括通道1和通道2上的PWM信號、通道3上的致動器驅(qū)動輸出信號和通道4上的CAN分離電壓。圖4顯示了模板測試功能。模板形狀可以用來驗(yàn)證信號的高電平、低電平、頻率、占空比和其它參數(shù)是否在測試計(jì)劃描述的容差極限之內(nèi)。模板厚度形成了定義好的標(biāo)稱值四周的規(guī)定容差帶，用它就可以驗(yàn)證每個捕獲的波形與定義好的標(biāo)稱值的偏差是否超過規(guī)定的百分比。在這個例子中，所有波形都滿足全部的指定測試標(biāo)準(zhǔn)。注意，設(shè)置為邊沿觸發(fā)的示波器是使用預(yù)先定義的模板標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)監(jiān)視偏差的。示波器由通道2上產(chǎn)生的邊沿觸發(fā)，并且示波器被配置為當(dāng)每種偏差發(fā)生時進(jìn)行識別和記錄。圖4：仿真ECU的輸出信號表明，通道1和通道2上的PWM信號、通道3上的致動器驅(qū)動輸出信號和通道4上的CAN分離電壓都處于定義的容差模板之內(nèi)，因此結(jié)果是通過模板測試標(biāo)準(zhǔn)。在圖5中，仿真ECU展示了在受到1kHz調(diào)幅電場干擾時超出容差的響應(yīng)。PWM信號的幅度降低了，它們的占空比變大了。另外，調(diào)制頻率在高狀態(tài)期間疊加到了信號上。驅(qū)動器輸出波形反映了來自干擾的間接效應(yīng)，因?yàn)樗豁憫?yīng)PWM輸入信號。與其它三個信號不同，CAN分離信號不受電磁干擾的影響，持續(xù)產(chǎn)生符合的結(jié)果。因此這類模板測試允許實(shí)時快速地測試多個標(biāo)準(zhǔn)。圖5：當(dāng)受到電磁干擾時，仿真ECU的PWM信號和致動器驅(qū)動輸出信號都超過了容差模板測試標(biāo)準(zhǔn)，示波器提醒操作人員發(fā)生了偏差。除了波形模板測試外，通過/失敗極限也會應(yīng)用于參數(shù)化數(shù)據(jù)，用于確保數(shù)值測量結(jié)果同樣符合規(guī)定的極限值。注意圖5中的屏幕圖形，示波器指示發(fā)生了三處偏差，在屏幕上的測試標(biāo)準(zhǔn)下方分別用紅色的“Fail”消息表示了出來。在模板故障或參數(shù)極限故障事件中，示波器還能自動執(zhí)行一些動作，比如保存波形數(shù)據(jù)用于直接比較和歸檔，保存屏蔽圖形用于歸檔和評估，生成一個脈沖并從示波器輸出來用于輔助測試自動化，并在發(fā)生偏差時產(chǎn)生一個告警音用來提醒測試人員。雖然示波器完全能夠執(zhí)行快速的參數(shù)化測量，滿足電磁兼容抗干擾測試中的偏差檢測要求，但它們經(jīng)常被忽視，主要原因是人們?nèi)鄙賾?yīng)有的意識，并缺少足夠的示波器通道數(shù)量。使用示波器陣列是在抗干擾測試中判斷ECU信號和致動器輸出信號質(zhì)量可能最有效和最具成本效