用示波器檢測ECU的EMI干擾

在做電磁兼容(EMC)測試時(shí)，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(lái)做電磁兼容測試。在電磁兼容測試中沒(méi)有充分利用示波器的一個(gè)應用是實(shí)時(shí)功能性性能評估，包括待測設備(DUT)在受到干擾時(shí)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，但需要與測試室內的待測設備做到電氣上的隔離。

術(shù)語(yǔ)“偏差”指的是一個(gè)待測設備對干擾的響應，此時(shí)可能有一個(gè)或多個(gè)功能超過(guò)允許的容差。這些功能和容差被定義在針對特定設備單獨開(kāi)發(fā)的電磁兼容測試計劃文檔中，并且在測試開(kāi)始之前得到了所有相關(guān)方的一致認可。

汽車(chē)行業(yè)中的標準做法是通過(guò)元件級的測試來(lái)判斷一個(gè)器件對靜態(tài)放電(ESD)、電源和I/O線(xiàn)上的瞬態(tài)變化、傳導射頻和輻射的電磁場(chǎng)等干擾的抵抗能力。這些測試都是在完整的車(chē)輛抗干擾測試之前做的?？垢蓴_方面的接受標準，比如待測器件必須容忍的射頻場(chǎng)強度，在OEM廠(chǎng)商的工程規范中都有定義，而測試過(guò)程一般都要符合國際標準。

對大多數元件級抗干擾測試來(lái)說(shuō)常見(jiàn)的測試裝置由一些線(xiàn)束和一個(gè)負載模擬器組成，其中的負載模擬器包含真實(shí)的和/或電氣上等效的代表待測器件與車(chē)輛接口的負載。待測器件需要調整到測試計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，監視待測器件的功能，得到超過(guò)允許容差時(shí)的響應性能。對射頻抗干擾測試來(lái)說(shuō)，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(xiàn)，那么涉及其功能狀態(tài)的一些信息可以通過(guò)這條總線(xiàn)進(jìn)行傳送。遺憾的是，其它被監視的功能細節沒(méi)法通過(guò)這種總線(xiàn)傳送。例子包括傳感器的模擬信號或驅動(dòng)致動(dòng)器的脈寬調制(PWM)輸出信號。我們必須用合適的儀器來(lái)測試這些功能。

射頻抗干擾測試一般在有屏蔽的房間內做，為的是避免實(shí)驗室人員暴露在有危險的電磁場(chǎng)環(huán)境中，同時(shí)避免敏感設備發(fā)生故障。ISO 11452-4中描述的傳導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入待測設備的線(xiàn)束，這種射頻電流的頻率從1MHz至400MHz，電平從幾十到數百毫安不等。這些電流會(huì )在測試平臺附近產(chǎn)生電磁場(chǎng)，其幅度足夠高到影響未屏蔽設備的正常工作。ISO/IEC 61000-4-21中描述的輻射型射頻抗干擾測試使用一個(gè)包含機械模式調諧器的反射室，當在給定測試頻率點(diǎn)獲得足夠數量的調諧器位置時(shí)，會(huì )在整個(gè)房間的可用體積內產(chǎn)生統計學(xué)上均勻的電磁場(chǎng)。測試頻率范圍是300MHz至3GHz，場(chǎng)強可以高達200V/m(CW和AM)和600V/m(雷達脈沖)。

為了保持屏蔽室的完整性，禁止將測量?jì)x器通過(guò)傳導電纜直接連接至測試裝置。因為在屏蔽室內 射頻場(chǎng)會(huì )耦合至電纜，露在屏蔽室外的電纜就成輻射型天線(xiàn)了。為了避免這個(gè)問(wèn)題，我們需要使用由射頻加強型光纖收發(fā)器組成的隔離式連接。轉換后的信號通過(guò)波導方式從非傳導性光纜離開(kāi)屏蔽室，這個(gè)波導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?jì)x器的接收機轉換回電信號。

在圖1中，測試裝置(沒(méi)有顯示出來(lái))和射頻加強光纖發(fā)送機放在反射室可用空間內的一個(gè)泡沫臺上，這個(gè)泡沫臺的相對介電常數小于1.4。

圖1：裝備了模式調諧器的反射室(右邊)。發(fā)射和接收天線(xiàn)沒(méi)有拍到。

一旦在屏蔽室外捕捉到信號，信號通常會(huì )被路由到數據采集系統。這個(gè)數據采集系統通常要求用定制軟件來(lái)分析信號信息，并與允許容差進(jìn)行比較，判斷待測設備是否滿(mǎn)足規定的要求。與許多傳感器不同，電子控制單元(ECU)可以監視多個(gè)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(kāi)發(fā)成本。與此相反，我們使用多臺示波器組成的陣列來(lái)替代復雜的定制數據采集系統。因為示波器已經(jīng)具備模板測試和參數極限測試功能，它們可以直接滿(mǎn)足不是全部也是大部分的測試要求，因此不需要花費很長(cháng)的軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。

圖2顯示反射室的開(kāi)門(mén)處位于測試平臺的右邊。左邊是光纜、接收機和用于執行實(shí)時(shí)分析的示波器陣列。

圖2：示波器陣列用于實(shí)時(shí)分析待測設備對輻射電場(chǎng)的響應。

我們使用示波器中的波形模板比較受干擾時(shí)的波形和沒(méi)有干擾時(shí)的波形。模板的尺寸取決于測試計劃中定義的接受標準。

圖3、4和5顯示了仿真ECU的輸出?；诒Ｃ艿睦碛?，所采用的仿真數據非常近似于用典型ECU監視到的信號。通道1和通道2顯示的是控制輸出驅動(dòng)致動(dòng)器信號的仿真PWM信號。通道3捕獲的是仿真的致動(dòng)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(guān)察到的每個(gè)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(gè)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(dòng)器驅動(dòng)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(lái)驗證信號的高電平、低電平、頻率、占空比和其它參數是否在測試計劃描述的容差極限之內。模板厚度形成了定義好的標稱(chēng)值四周的規定容差帶，用它就可以驗證每個(gè)捕獲的波形與定義好的標稱(chēng)值的偏差是否超過(guò)規定的百分比。在這個(gè)例子中，所有波形都滿(mǎn)足全部的指定測試標準。注意，設置為邊沿觸發(fā)的示波器是使用預先定義的模板標準連續監視偏差的。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每種偏差發(fā)生時(shí)進(jìn)行識別和記錄。