示波器可用于电磁干扰(EMI)排查？真的吗？(第1部分) 设计工程师, 电磁兼容, 电磁干扰, 测试结果, 实验室

Bazinga

随着能够提供强大FFT分析和具有杰出噪声性能的高性能示波器的出现，排查EMI问题有了新的工具。根据一致性测试结果，示波器被证明是快速理解有害辐射和识别其来源的有价值工具。在同一台仪器内既可以观察时域波形又可以分析频谱为快速分析有害辐射创造了条件。由于示波器是设计工程师在工作台上最常用的仪器，示波器有助于在研发阶段排查EMI问题，并允许在去电磁兼容(EMC)实验室前先做测试，从而显著提高一致性测试成功的可能性。
这是一系列讨论示波器EMI测试用例文章中的第一篇，在这里高性能示波器展现出其强大FFT功能，突破了传统示波器产品的局限性。

新的数字示波器，如在这个用例分析中所使用的罗德与施瓦茨公司的RTO，将EMI排查能力直接带到设计工程师的工作台。这款示波器提供堪比频谱分析仪模拟前端的灵敏度，并且允许同时访问时域和频域。

数字示波器不能取代EMI接收机，因为数字示波器缺少频率预选器、前置放大器、EMI加权检波器、EMI测试要求的带宽定义和动态范围。然而，当您需要识别有害EMI辐射和分析辐射根源时，该数字示波器被证明是高效的。



图1：这个例子显示使用近场探头捕获的频谱辐射。采用100kHz分辨率带宽，在605MHz中心频率，RTO示波器进行测量时的本底噪声大约-105dBm。这表明该设备具备微弱信号的分析能力。


EMI排查的关键要素是示波器的频谱分析功能。传统示波器FFT实现相当不灵活，因为频谱参数通常由时域设置控制；这使得在频域设置分析很困难，因此难以在EMI排查中加以应用。此外，缺乏将频谱分析功能与时域结合的智能手段，示波器用于EMI排查的关键优势(在时频域中分析有害辐射从而更快识别出问题根源的可能性)丧失。

对此RTO可以提供更直观的方法。范例是频谱分析仪应用模式，该模式使用户能够直接控制频谱仪典型参数，诸如起始和截止频率、分辨率带宽或检波器类型。通过如超长的存储深度、强大的信号处理和重叠FFT等先进算法等功能，示波器能够智能地控制时域设置。这使得当既要分析被捕获信号的时域波形又要分析频谱时，可相对独立地设置部分时域和频谱参数，极其灵活。

这一理念在EMI排查领域的主要优点是示波器用一次采集捕获整个带宽信号。这为高效分析整个感兴趣频谱创造了条件。此外，可灵活配置的示波器FFT选项使得同时查看时域波形不同部分对应的频谱成为可能。重叠FFT和灰度等级能够可视化频谱的瞬时特征，洞察信号本质。
重叠FFT

重叠FFT算法的主要优点是对杂散信号有高灵敏度。在进行FFT分析处理前，捕获到的信号会被分割成许多重叠部分，在这基础上，对于时间信号的每个重叠部分，进行新的频谱计算。这确保让携带少量能量的突发信号能够被分析并在相应谱线上显示出来；接着，灰度等级通过颜色的深浅或不同的色温将信号的瞬时特性和概率特性显露出来。
常规频谱特性，如时钟信号线产生的辐射，在频谱中用一种颜色显示，该颜色不同于开关电源毛刺信号所对应的间歇性辐射的显示颜色。通过这种方式，能够轻松地将稳定的干扰信号和偶发的间歇性干扰区分开来，而且实现此，不需要改变FFT的任何参数。



图2：重叠FFT处理在进行FFT分析前将记录的信号在时域分割成几部分。这确保分析结果对杂散事件具有高灵敏度，以及能够对各个频谱部分按照它们的发生频率进行灰度分级。




图3：用近场探头靠近开关电源所捕获到的辐射(上部：时间信号，下部：频谱)。蓝色谱线对应时间信号中的尖峰脉冲，而黄色谱线则是来自时钟信号的常规频谱部分。


结合选通的FFT分析(它能够将频谱分析限制在用户定义的时间窗内)您现在能够轻松找出时域信号的哪个部分引起频谱显示的哪些特征。这就为分析有害辐射与被捕获时间信号各部分间的相关性创造了条件，从而使您更接近EMI问题的根源。
众多特性，如采用模板测试和违规停止条件等捕获间歇辐射，或者在采集已经停止后改变频域设置的可能性，为排查EMI问题提供了额外的工具。在这个系列的后面部分我们将讨论这些特性和它们的用例。