用示波器檢測(cè)ECU的EMI干擾

在做電磁兼容(EMC)測(cè)試時(shí)，通常想到的是用頻譜分析儀做的輻射測(cè)試。但示波器也可以用來(lái)做電磁兼容測(cè)試。在電磁兼容測(cè)試中沒(méi)有充分利用示波器的一個(gè)應(yīng)用是實(shí)時(shí)功能性性能評(píng)估，包括待測(cè)設(shè)備(DUT)在受到干擾時(shí)做的偏差檢測(cè)。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(cè)試室內(nèi)的待測(cè)設(shè)備做到電氣上的隔離。

術(shù)語(yǔ)“偏差”指的是一個(gè)待測(cè)設(shè)備對(duì)干擾的響應(yīng)，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(duì)特定設(shè)備單獨(dú)開(kāi)發(fā)的電磁兼容測(cè)試計(jì)劃文檔中，并且在測(cè)試開(kāi)始之前得到了所有相關(guān)方的一致認(rèn)可。

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

對(duì)大多數(shù)元件級(jí)抗干擾測(cè)試來(lái)說(shuō)常見(jiàn)的測(cè)試裝置由一些線(xiàn)束和一個(gè)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(cè)器件與車(chē)輛接口的負(fù)載。待測(cè)器件需要調(diào)整到測(cè)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(cè)器件的功能，得到超過(guò)允許容差時(shí)的響應(yīng)性能。對(duì)射頻抗干擾測(cè)試來(lái)說(shuō)，偏差檢測(cè)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(cè)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(jiān)視的功能細(xì)節(jié)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(hào)或驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器的脈寬調(diào)制(PWM)輸出信號(hào)。我們必須用合適的儀器來(lái)測(cè)試這些功能。

射頻抗干擾測(cè)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(xiǎn)的電磁場(chǎng)環(huán)境中，同時(shí)避免敏感設(shè)備發(fā)生故障。ISO 11452-4中描述的傳導(dǎo)性射頻抗干擾測(cè)試使用鉗位型電流注入探針將射頻電流導(dǎo)入待測(cè)設(shè)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(shù)百毫安不等。這些電流會(huì)在測(cè)試平臺(tái)附近產(chǎn)生電磁場(chǎng)，其幅度足夠高到影響未屏蔽設(shè)備的正常工作。ISO/IEC 61000-4-21中描述的輻射型射頻抗干擾測(cè)試使用一個(gè)包含機(jī)械模式調(diào)諧器的反射室，當(dāng)在給定測(cè)試頻率點(diǎn)獲得足夠數(shù)量的調(diào)諧器位置時(shí)，會(huì)在整個(gè)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(chǎng)。測(cè)試頻率范圍是300MHz至3GHz，場(chǎng)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(cè)量?jī)x器通過(guò)傳導(dǎo)電纜直接連接至測(cè)試裝置。因?yàn)樵谄帘问覂?nèi) 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(qiáng)型光纖收發(fā)器組成的隔離式連接。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)波導(dǎo)方式從非傳導(dǎo)性光纜離開(kāi)屏蔽室，這個(gè)波導(dǎo)具有在測(cè)試頻率范圍之上較低的截止頻率。光信號(hào)由連接至測(cè)量?jī)x器的接收機(jī)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。

在圖1中，測(cè)試裝置(沒(méi)有顯示出來(lái))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(gè)泡沫臺(tái)上，這個(gè)泡沫臺(tái)的相對(duì)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(xiàn)沒(méi)有拍到。

一旦在屏蔽室外捕捉到信號(hào)，信號(hào)通常會(huì)被路由到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常要求用定制軟件來(lái)分析信號(hào)信息，并與允許容差進(jìn)行比較，判斷待測(cè)設(shè)備是否滿(mǎn)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(gè)信號(hào)，并將測(cè)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(tái)示波器組成的陣列來(lái)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(cè)試和參數(shù)極限測(cè)試功能，它們可以直接滿(mǎn)足不是全部也是大部分的測(cè)試要求，因此不需要花費(fèi)很長(zhǎng)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(cè)試平臺(tái)的右邊。左邊是光纜、接收機(jī)和用于執(zhí)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(cè)設(shè)備對(duì)輻射電場(chǎng)的響應(yīng)。

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(cè)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(hào)。通道1和通道2顯示的是控制輸出驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器信號(hào)的仿真PWM信號(hào)。通道3捕獲的是仿真的致動(dòng)器信號(hào)，通道4顯示的是CAN分離電壓。

圖3顯示的是在模板測(cè)試功能關(guān)閉的情況下觀(guān)察到的每個(gè)信號(hào)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(hào)包括通道1和通道2上的PWM信號(hào)、通道3上的致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)和通道4上的CAN分離電壓。

圖4顯示了模板測(cè)試功能。模板形狀可以用來(lái)驗(yàn)證信號(hào)的高電平、低電平、頻率、占空比和其它參數(shù)是否在測(cè)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(chēng)值四周的規(guī)定容差帶，用它就可以驗(yàn)證每個(gè)捕獲的波形與定義好的標(biāo)稱(chēng)值的偏差是否超過(guò)規(guī)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(cè)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(shí)進(jìn)行識(shí)別和記錄。

在圖5中，仿真ECU展示了在受到1kHz調(diào)幅電場(chǎng)干擾時(shí)超出容差的響應(yīng)。PWM信號(hào)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(hào)上。驅(qū)動(dòng)器輸出波形反映了來(lái)自干擾的間接效應(yīng)，因?yàn)樗豁憫?yīng)PWM輸入信號(hào)。與其它三個(gè)信號(hào)不同，CAN分離信號(hào)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(lèi)模板測(cè)試允許實(shí)時(shí)快速地測(cè)試多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5：當(dāng)受到電磁干擾時(shí)，仿真ECU的PWM信號(hào)和致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)都超過(guò)了容差模板測(cè)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(cè)試外，通過(guò)/失敗極限也會(huì)應(yīng)用于參數(shù)化數(shù)據(jù)，用于確保數(shù)值測(cè)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下方分別用紅色的“Fail”消息表示了出來(lái)。在模板故障或參數(shù)極限故障事件中，示波器還能自動(dòng)執(zhí)行一些動(dòng)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(píng)估，生成一個(gè)脈沖并從示波器輸出來(lái)用于輔助測(cè)試自動(dòng)化，并在發(fā)生偏差時(shí)產(chǎn)生一個(gè)告警音用來(lái)提醒測(cè)試人員。

雖然示波器完全能夠執(zhí)行快速的參數(shù)化測(cè)量，滿(mǎn)足電磁兼容抗干擾測(cè)試中的偏差檢測(cè)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(shí)，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(cè)試中判斷ECU信號(hào)和致動(dòng)器輸出信號(hào)質(zhì)量可能最有效和最具成本效益的方法，由于使用通過(guò)/失敗模板和參數(shù)極限測(cè)試的大多數(shù)功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，所以與實(shí)現(xiàn)定制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成同樣嚴(yán)格的電磁兼容偏差檢測(cè)測(cè)試所需的高的軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間成本相比，可以顯著節(jié)省設(shè)計(jì)工程師在功能測(cè)試上花費(fèi)的成本和時(shí)間。