EMC测试中的峰值准峰值平均值均方根值.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 1 3 年0 6 月 杭州电子科技大学学报 J o u r n a l o f H a r t g z h D i a n z iU n i v e m i t y V 0 1 3 , 3 ，N o 3 J u n 2 0 1 3 d o i ：l O 3 9 6 9 j b a n 1 0 0 1 9 1 4 6 2 0 1 3 0 3 0 0 3 E M C 测试中的峰值、准峰值、平均值、均方根值 黄大明，于虹 ( 国家电子计算机外部设备质量监督检验中心，浙江杭州3 1 0 0 1 2 ) 摘要：在电磁兼容测量中有几个最基本测量值：峰值、准峰值、平均值、均方根值，该文分析了电磁 兼容测试标准对电磁骚扰测量值和测量检波器的不同要求，检波器的原理和特点，以及不同种类 的干扰信号在检波器上的不同响应。通过对1 3 常测试中一些典型设备电磁骚扰的测量数据，用实 际例子说明了峰值、准峰值、平均值、均方根值在电磁兼容测量中的应用及其区别。 关键词：峰值；准峰值；平均值；均方根值；检波器 中图分类号：T M 9 3文献标识码：A 文章编号：1 0 0 1 9 1 4 6 ( 2 0 1 3 ) 0 3 一0 0 0 9 0 4 0 引言 随着电子与无线电技术的发展，电磁兼容( E l e c t r oM a g n e t i cC o m p a t i b i l i t y ，E M C ) 测量也变得越来越 重要，E M C 标准成为国内外多数电子电器类产品的强制性标准，几乎所有的电子产品在销售时都需要 取得E M C 测试认证2 1 。在E M C 电磁骚扰测量中经常会接触到峰值、准峰值、平均值、均方根值几个 值，这几个值到底在电磁骚扰测量中有什么区别? 对于有些电子电器设备研发工程师来讲，并不是太清 楚一。o 。本文在E M C 检测实践中的体会，在分析不同标准对不同测量值的要求的前提下，简述了检波 器的种类和干扰信号的种类。本文通过对不同产品的实践测试说明了几个测量值的不同要求和区别， 从各个角度阐述了上述几个概念在电磁兼容中的应用。 1 电磁兼容标准对测量值的要求 除了术语定义不同外，对于E M C 测试来讲，峰值、准峰值、平均值、均方根值是利用仪器测试出来的 值，由于测试接收机根据定义的不同对接收的数据进行不同的数学处理，得到各个测试结果。在G B T 6 1 1 3 1 0 1 2 0 0 8 ( 无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范第l I 部分：无线电骚扰和抗扰度测 量设备测量设备中规定了用于测量无线电骚扰电压、骚扰电流、骚扰场强的测量设备的性能和特 性J ，所涉及的测量接收机类型包括：准峰值测量接收机、峰值测量接收机、平均值测量接收机、均方根 值测量接收机。在不同的标准中规定的限值所采用的值也有所不同，比如G B9 2 5 4 2 0 0 8 ，辐射骚扰 3 0 1G H z 限值是准峰值，1 6 G H z 限值是峰值和平均值，传导骚扰1 5 0 k H z 3 0 M H z 限值是准峰值和平 均值。G J B1 5 1 A 一9 7 辐射骚扰和传导骚扰限值都是峰值。G B1 8 6 5 5 2 0 1 0 辐射骚扰选用了线峰值、 准峰值和平均值3 种限值。 2 检波器的特点 峰值检波器的特点是充电时间常数很小、放电时间常数很大，即使是很窄的单个脉冲也能很快充到 稳定峰值，当中频信号消失之后，由于电路的放电时间常数很大，检波输出电压可在很长一段时间保持在 收稿日期：2 0 1 2 1 2 1 2 作者简介：黄大明( 1 9 8 0 一) ，男，浙江玉环人，工程师，电磁兼容技术 万方数据 1 0杭州电子科技大学学报 2 0 1 3 年 峰值上。峰值检波器就是要渎出包络的最大值，它只取决于信号的幅度，与信号的宽度和重复频率无关。 准峰值检波器是一个充、放电时间更长的峰值检波器，它修正了人对脉冲类型干扰的主观响应，当 脉冲很快上升时，人耳不能立即反应，当脉冲跌落后，人耳的感觉仍有滞留效应，准峰值正是可以反映人 耳对脉冲骚扰的响应。准峰值检波器输出既与脉冲幅度有关，又与脉冲重复频率有关，既要反映干扰信 号的幅度，又要反映它的时间分布。 平均值检波器最大的特点就是充、放电时间常数相同，所以检波的输出基本上正比于信号的包络线 的平均值。对于连续波信号平均值基本上与峰值相等，但是对脉冲信号而言，平均值与峰值就相差较 大，其值正比于脉冲幅度及脉冲的重复频率，脉冲信号的重复频率越低，检波后得到的值就越低。 均方根值主要用于测量脉冲骚扰信号，但是均方根值在电磁兼容测量中是用得最少的。为了更好 地考虑脉冲干扰对当今无线电业务的影响，C I S P R1 6 一l 一1 1 3 中已经引入了一种新的加权检波器，这种 检波器称为均方根值一平均值检波器。它 表l检波器测量带宽B 。 是R M S 检波器( 用于大于拐点频率的脉冲 重复频率) 和线性平均值检波器( 用于小于 拐点频率的脉冲重复频率) 的组合。 为保证对同一干扰测量结果的一致 性，标准还统一规定了各检波器在不同频 率范围内的测量带宽，如表1 所示。 3 干扰信号的种类 实际干扰信号的基本形式为：连续波、脉冲波和随机噪声等3 种，这3 种干扰信号在不同检波器上 的响应也是不同的。 窄带干扰信号，如载波、本振、电源谐波等都属于连续正弦波干扰信号，对于未调制的正弦波信号， 各检波器输出为HJ ： V ，= V 。= V 。= V 。，= 2 E G ( f o ) ( 1 ) 式中，E 为输入信号的有效值，G ( f o ) 为从输入到检波输出的仪器增益，对于已调制正弦信号没有这 个关系。 工业设备产生的干扰信号，大多属于具有一定重复频率的脉冲干扰，所以研究设备产生的干扰时， 这是用得最多的一种。脉冲干扰信号在各检波器上的响应公式如表2 所示。 随机干扰信号也是大量存在的干扰信号，例如热噪声、雷达目标反射以及自然环境噪声等，随机干 扰信号最有意义的是平稳随机过程的干扰信号，这种信号的统计特性与时间无关，这种信号在各种检波 器上的响应如表3 所示。 表2 脉冲干扰信号在各检波器上响应公式表3随机干扰信号在各检波器上响应公式 检波器响应结果公式 峰值检波器V 。= 2 S ( f o ) G ( f o ) B 。 准峰值检波器 V q p = 2 S ( f o ) G ( f o ) B 。P ( a ) 平均值检波器V ，= 2 S ( 毛) G ( f o ) f p 均方根值检波器 V 。= 2 S ( f o ) C ( f o ) f p B 。，f p 式中：s ( 岛) 在通带中心频率上的频谱强度( V H z ) B 。，等效电压带宽，B 。噪声功率等效带宽 f 。脉冲的重复频率，P ( a ) 准峰值与峰值检波器输出之比 检波器响应结果公式 准峰值检波器 V q ，= 2 N C ( f o ) 、履了砺 平均值检波器 V 。= 【丌P 。( ) G 2 ( b ) B 。】寺 均方根值检波器V 。= 2 C ( f o ) 刀i 瓦丁 式中：N 与R d R c 有关 C ( f o ) 从射频输入到检波器输出的仪器增益 P n ( f 0 ) 功率谱密度 B e p 噪声功率等效带宽 上述3 种类型信号在不同检波器上输出得出的结果，仅仅是分别考虑的简单情形。实际干扰信号 可能是几种类型同时出现，也可能遇到重复频率大于仪器带宽以及非平稳的随机过程干扰信号。仔细 万方数据 第3 期黄大明等：E M C 测试中的峰值、准峰值、平均值、均方根值 1 1 观察上述公式，在未知干扰信号性质时，通过比较不同检波器上的响应，可以确定干扰信号的性质，反 之，知道了干扰信号的特性，可以准确的测量它。正确掌握干扰源特性( 主要是波形特性) 以及测量值 和仪表特性直接的关系，对于各种测量结果的解释是很重要的。 4 测试过程及典型数据的分析 4 1 测试过程 电磁骚扰的测试主要有辐射骚扰、传导骚扰、 骚扰功率测试几种典型测试，如表4 所示。 不管骚扰信号以何种形式采样，最终都是以 电压形式传输到接收机上进行测量，通过不同检 波器进行检波输出相应的值。骚扰信号测量通常 表4 电磁骚扰的典型测试项目 有两个步骤：预测与终测。预测是测试出整个频段的相应峰值和平均值。终测则是在预测结果的基础 上测试几个余量最小的几个点( 通常为6 个点) 的准峰值和平均值。为什么不直接进行准峰值测量，而 要先测试峰值呢? 主要原因在于两种检波器的测量周期的不同，峰值检波器测量周期是m s 级的，准峰 值检波器测量周期测要求为1s 。峰值和准峰值测量时间的区别如表5 所示。 表5不同频段内峰值和准峰值的测量时间 从表5 中可以看出采用峰值和准峰值测量时间的区别，准峰值测量总时间一个状态的测量时间就 几个小时，这种测试速度是非常不适合日常测试的。所以通常情况，预测采用峰值测量，终测采用准峰 值测量，整个测试过程传导测( 1 5 0 k H z 一3 0 M H z ) 试时间为5 m i n ，辐射测试( 3 0 l0 0 0 M H z ) 时间为 4 5 m i n 左右。 传导骚扰和骚扰功率测试过程相对较为简单，而辐射骚扰测试过程相对复杂，因此重点介绍辐射骚 扰的测试过程。辐射骚扰终测多是根据预测的结果进行准峰值和平均值的测量，区别在于预测的方式， 目前辐射骚扰预测的测试方式主要有接收机和频谱仪两种模式。 两种测量模式的终测方式都是一样的，就是测量准峰值，根据预测试的结果，一般要求选取6 个余 量最小的频点进行终测试。此时频点固定，根据预测试记录的该频点的最大值位值( 例如转台角度9 0 。、 天线高度2 0 0 c m 、天线极化方向V ) ，在该角度的+ 4 5 。寻找该频点最大值，并记录其最大值的具体角度，确 定角度后，再根据预测时的天线高度5 0 c m 范围寻找该频点最大值，并记录其最大值时的具体高度，最后 记录具体位置( 例如7 5 。、1 2 0 c m 、V ) 和该频点的最大准峰值，同时会自动计算出余量来判断是否合格。 4 2 典型实例数据分析 4 2 1 开关电源电源端子传导骚扰 开关电源的电磁骚扰，主要是由于开关晶体管、高频变压器和输出整流回路在工作时产生的这种 d u d t 和d i d t 变化率很大及幅度很大的电压和电流脉冲。这种脉冲有着较宽的频带和非常丰富的谐 波成分“ 】。如图1 所示，骚扰信号基本多是开关电源开关频率6 0 k H z 的谐波，这种脉冲干扰信号有着 较高的重复频率，可以看出峰值和准峰值非常接近，两个值相差l d B 以内。而峰值与平均值相差2 6 d B 左右，不同的谐波点差值也不一样。 4 2 2 汽油发电机辐射骚扰 随火花塞电极间隙( 0 6 0 9 m m ) 电压的升高，电极问电场强度不断增大，当达到某一临界值时 万方数据 1 2 杭州电子科技大学学报 2 0 1 3 钜 ( 约1 0 k V ) ，电极间的间隙即形成放电通道而被“击穿”。在强电场的作用下，高速运动的电子及高离子 使放电通道形成炽热的气体发光体，即火花放电现象。点火花的温度极高，一般可达20 0 0 30 0 0 。C 足以点燃气缸内的可燃混合气。 火花塞点火产生骚扰信号的频率范围比较宽，而且频点不固定，属于随机噪声信号。如图2 所示， 为某汽油发电机的辐射骚扰测试曲线，采用的是峰值限值线，采样的点也是峰值。这种干扰信号频点不 稳定且重复频率非常低，利用峰值检波器可以非常精准的测量出干扰信号的最大值，如果通过准峰值检 波器进行测量，其峰值和准峰值通常相差2 0 d B 左右，峰值与平均差别就4 0 d B 。 笺螨 卿一铡删 频率( 1 l z ) 图1开关电源端传导骚扰信号 5 结束语 一一 - 触 纛-I ：| lL 崩 J舭l血L雠 一幽 。剐妒w 嘲嘣糊r 一 。描品i ；x + ，蔷一、击H，j o磊i ；叠。品? 。瓷 频率( H z j 图2 某汽油发电机辐射骚扰信号 电磁兼容测量中的几个测量值，虽然通过检波原理和干扰信号种类，可以计算出现相应的值，但是 前提需要知道干扰信号的类型及参数，然而实际产品可能同时存在多种干扰信号，而且骚扰信号存在多 种传播方式，所以通常很难通过公式计算出实际产品的骚扰信号。通过实际测量出的值，比较不同测量 值的差别，同样可以进一步了解所测试产品所产生骚扰信号特点。 参考文献 1 G B T6 1 1 3 1 0 1 - - 2 0 0 8 ，无线电骚扰和抗扰度测量 s 2 姚世全电磁兼容标准实施指南 M 北京：中国标准出版社，1 9 9 9 ：5 3 - 7 6 3 孙杰，李明E M C 电磁兼容测试仪器校准不确定度分析 J 电子质量，2 0 1 2 ，( 1 0 ) ：6 1 6 3 4 Z i n g a r e l l iM ，G r e g oR I m p m 、r i n gE M CM e a s u r e m e n tU n c e r t a i n t yw i t hD i g i t a lE M IR e c e i v e r s O p t i c a lF i b e rT e c h n o l o g y f r o m1 0H zu pt o6G H z J E M CE u m p e2 0 1 1Y o r k ，2 0 1 1 ，( 9 ) ：2 6 3 0 5 G a oX u e l i a n ，T i a nC h o n g y i n g ，L u oL i y u a n I m p m v e dD i r e c tP o w e rI n j e c t i o nM o d e lo f1 6 一b i tM i c r o c o n t r o l l e rf o r E l e c t r o m a g n e t i cI m m u n i t yP r e d i c t i o n J J o u r n a lo fC e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，2 0 1 1 ，( 6 ) ：20 3 1 20 3 5 P e a k ，Q u a s i p e a k ，A v e r a g e ，R M Si nE M C M e a s u r e m e n t H U A N GD a - m i n g ，Y UH o n g ( C h i n aN a t i o n a lC o m p u t e rQ u a l i t yS u p e r v i s i n gT e s tC e a t e r ，H a n g z h o uZ h e j i a n g3 1 0 0 1 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h e r ea r eaf e wb a s i cm e a s u r e m e n t si nE M Cm e a s u r e m e n t ：p e a k ，q u a s i p e a k ，a v e r a g e ，a n d R M S T h i sp a p e ra n a l y z e st h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so ft h es t a n d a r do nt h em e a s u r e dv a l u ea n dm e a s u r e m e