示波器可用于EMI排查吗？使用多个FFT(第5部分) 示波器, 工程师, 分析仪, 接收机, 能力

Bazinga

在这个关于EMI排查系列文章的第5部分中，我们将讨论示波器上的时间相关的选通FFT和多通道FFT分析的实际应用。
通常，远场测试仅被测设备合格或不合格进行评判。当涉及确定问题区域时它提供不了什么线索。对于发射源识别，关联能力是关键因素。使用示波器，与传统的频谱分析仪或测试接收机相比，工程师能够同时使用多达4条输入通道排查EMI，从而更好的进行分析和调查。

时间相关的FFT能够洞察干扰信号行为

定位辐射源是EMI故障分析或排查中最具挑战性的部分。EMI排查的一个特别有用方法是联合时域和频域进行分析，它揭示信号频谱如何随时间推移演变。这种分析方法常常用于识别复杂系统中的辐射源，在这样的系统中存在多个宽带源，如带DC-DC变换器的开关电源。

由于传统示波器和频谱分析仪一起使用需要复杂时间同步设置，在以前的EMI故障分析中，联合时间-频率分析是一项复杂技术。然而，随着现代配备强大FFT能力的示波器的出现，这种情况已经出现了较大的改观。

对示波器已获得的波形使用FFT没有同步问题和偏移校准问题(这些问题在过去采用多仪器设置或示波器配有射频信道时是存在的)，因此不需要仔细校准。对捕获的波形使用多个选通FFT的能力使得有可能同时轻松监测在不同时间段辐射的射频频谱。

切换事件的不同时间段相关性



图1：在单个显示窗口中同时观察完整波形的FFT以及部分波形的选通FFT,这让同时监测到电源切换期间不同时间段的辐射射频频谱成为可能。在时域波形中，我们看到两个切换事件的频谱能量；一个覆盖更宽的带宽，另一个的能量聚集在大约160MHz左右。这对理解判断哪一个电源开关动作正在引起宽带噪声十分有用。




图2：时频域联合的方法容易区分窄带和宽带信号。图中，时域信号和频谱对应揭示出了两个开关事件FFT所对应的不同时域信号部分，分别用橙色、蓝色和红色突出显示。


将干扰信号与时间、频谱、协议和总线进行关联



图3：多个FFT——采用多达4个FFT的多频谱视图，以及选通的FFT揭示相同信号不同部分中的信号频谱内容。在图中，当发送具有ID 0630ABCDH的CAN通信信号时，可以看到由此特定通信引起的辐射。在该通信活动之外的FFT段显示没有干扰。示波器的优点是它能够对这些通信信号触发以便进行稳定的分析。
多个FFT重叠提供从未有过的排查潜力

示波器标准配置为2通道或4通道。采用应用到每个通道的FFT，会立即打开成功排查EMI故障的新天地。这基础上所提供的功能能够让人眼前一亮，包括在相同或不同组装板上跟踪关联辐射的能力，以及发现近场/远场转化因子的能力，而这些都是常规使用单台时域仪器或频谱仪所不能实现的。这就相当于使用4路同步的频谱分析仪进行EMI排查。然而，多通道间相互的隔离状态，尤其是当我们正在处理毫伏(mV)级小幅度近场探测信号时，需要我们多加考虑。在余下部分中，我们讨论一些如何高效使用多个FFT的例子。

了解对于EMI来说补救措施和解决方案的“因果”意义。在大多数时候，工程师不知道电路修改前后EMI的实际变化，并在一切结束后都归结为经验和预料。采用多通道FFT，我们能够叠加和对所作的修改进行比较，从而理解每处修改如何影响辐射。这使我们能够通过分析频谱和时域来查看因果关系。






图4和图5：从两个相同、但使用FFT做了不同电路修改的电路板，同时测量EMI；一个是应用解决方案前(右图左上角)，一个是应用解决方案后(右图右上角)。FFT可以叠加以便了解所作修改的意义(右图下面)。


关联板上不同源的辐射骚扰。如果有问题的干扰是由不止一个源，例如由天线和耦合路径所引起的，此时EMI排查就显得颇具挑战性。如果信号从不同源辐射，这两个信号极有可能有不同的辐射方向图，要么具有不同的边带频谱或带有不同的调制，这些都可以在时域和频域观察到。

根据不同信号路径上的信号强度推测，在单个屏幕上重叠的多个来自于多个近场探头耦合得到的FFT频谱可以帮助实际上全程跟踪信号路径直到源头。




图6：全程追踪信号路径直到辐射源。
来自制造的不同组装板。相同的产品不同的板子间往往有EMI上的差异。这些差异可能由于机械装配(如不同金属部件间的接触和线缆的走线方式)引起。重点聚集这些机械装配因素能够帮助识别EMI耦合路径。采用FFT重叠，可同时进行多达4块组装板的质量保证(QA)比较。

近场和远场转换。另一个用例是通过将一条通道上的远场分布和另一条通道上的近场分布相关联来确定转化因子。在用近场观察到的EMI变化预测远场结果时，转化因子十分有用；用这个预测试环境，不必花费太多的资金和往返时间，工程师就能够较好地预测实际暗室中的测试结果。

数字、模拟和不折不扣的射频分析


示波器提供将时域捕获到的波形和FFT频谱分析的结果相关联的能力，能够帮助工程师快速发现和理解EMI和系统间的关系。多通道FFT和在同一时域波形上不同时间段的多个FFT分析扩展了示波器的排查EMI能力，提高了数字、模拟和射频分析效率。