电磁兼容设备的校准
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1．引言
电磁兼容性（emc）是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。自从发明无线电通讯和广播以来，电磁干扰问题就成为专业人事关注的对象。随着技术的发展，特别是人们环境保护意识的增强，对产品的电磁兼容性越来越重视。1989年欧洲共同体委员会颁发了89/336/eec指令，明确规定，自1996年1月1日起，所有电子、电器产品须经过emc性能的认证，否则将禁止其在欧共体市埸销售。我国已将产品的电磁兼容性要求纳入了国家强制性产品认证范围，国家规定从2003年8月1日起凡列入国家强制性产品认证（ccc）目录的产品未经认证不得出厂、进口和销售。
电工委员会iec有两个专门从事电磁兼容标准化工作的技术委员会：一个就是无线电干扰特别委员会（法文简称cispr），成立于1934年，主要对保护广播接收机不受电磁干扰提出了一系列骚扰限值和测试方法，制定有关标准，近年也相应开展了一些抗扰度标准的研究；另一个是电磁兼容委员会tc77（电气设备（包括网络）的电磁兼容性委员会），成立于1981年。
我国的emc测试及标准化工作始于六十年代，当时国内的一些院所建立了相对简陋的试验室，开展无线电干扰（骚扰）测试研究，同时参考前苏联和欧美国家标准制定我们国家自已的emc标准和技术条件，自从1986年成立了全国无线电干扰标准化委员会后，我国才开始有组织有系统地对应cispr/iec开展国内emc标准化工作。目前我国已制定了近八十项emc国家标准，其中基础标准为gb4365-1995电磁兼容术语；gb/t6113-1995无线电干扰和抗扰度测量设备规范。
电磁兼容包括电磁干扰和电磁敏感度两方面。其中电磁干扰 （electromagnetic interference，简称emi） 测试主要考察产品所产生的电磁干扰是否符合相应的规范；而电磁敏感度 （electromagnetic susceptibility以下简称ems）则主要考察产品承受电磁骚扰的能力。ems中比较成熟的测量参数主要有以下项目：静电放电、无线电频率电磁辐射场、电快速瞬变脉冲群、浪涌、由射频场引起的传导、工频磁场、脉冲磁场、阻尼振荡磁场、电压跌落短期中断和电压变化、振荡波抗扰度试验。
ems测试中用到多种测试仪器。这其中包括部分常规类型的测试仪器，例如高频信号发生器、衰减器、功率放大器等，还包括多种测试仪器。这些测试仪器的校准方法在一些标准性的文件中有叙述，有些则没有明确的提及。目前国家还没有相应的计量检定规程或校准规范，以下的文章将简单介绍这些测试仪器的校准方法。
2．静电放电发生器
静电放电抗干扰试验（electrostatic discharge immunity test）标准讨论当电力和电子设备遭受直接来自操作者和邻近物体的静电放电时的抗
干扰要求和试验方法。静电放电（以下简称esd）试验设备中zui主要的部分就是esd试验发生器。
esd发生器的放电电流波形见图1。为了校验esd发生器，必须利用试验时的放电回路来验证表1所示的特性。
在iec 61000-4-2中，推荐使用了法拉第笼和标准2ω 靶来校准esd发生器的放电波形。特制的铜靶面2ω 电阻应有1ghz带宽，安装于法拉第笼侧面的铝板上，放电电极的应与电流传感器直接接触，而且发生器以接触放电方式工作，从靶上取出的电压信号送入至少1ghz带宽的示波器进行测量。其它的一些布置，包括使用与尺寸不同的实验室法拉第笼，或将与靶面分开都是允许的。但两种情况下，均应考虑传感器与esd接地点之间的距离（1m）以及放电回路电缆的布局。随着示波器测试能力越来越强，人们发现法拉第笼并非必需品，直接从铝板上的2ω 电阻上取样同样可以得到不错的测试结果。这一点仍须大量实验的证明。
esd发生器的另一个重要参数是其充电电压。输出电压的指示值是发生器储能电容两端的充电电压，并非所有的esd发生器都能够很容易地从储能电容两端接线，在不方便接线时可以从esd发生器输出端放电电阻处测量。由于放电电阻的阻值为（50~100）mω ，如果高压测量线路的输入阻抗不足够高，必须要修正测量结果。
新的esd发生器规范和其校准要求草案正在iec tc77 work group 9讨论，而ansi的新标准也即将公布，在此标准中esd模拟器的校准将与现行标准有很大的区别，作者将在其它文章中专门介绍。
3．电快速脉冲群发生器
图3 eft/b发生器接50ω负载时的单个脉冲
电快速脉冲群（electrical fast transient / burst，简称eft/b）试验的目的是验证电气和电子设备对来自操作暂态过程（诸如开断感性负载、继电器触头弹跳等）中各种类型的瞬变扰动的抗扰性。试验将一系列快速瞬变电脉冲群耦合到电气和电子设备的电源端口、信号和控制端口。试验中用到的主要设备包括快速瞬变电脉冲群发生器、交/直流主电源端口的耦合/去耦合网络（简称cdn）和容性耦合夹。电快速瞬变脉冲群发生器的输出单脉冲如。
为了能够比较由不同的eft/b发生器所得出的试验结果，应检验发生器的特性。eft/b发生器的输出通过一个50ω 的同轴衰减器接至示波器上，测试设备的带宽至少为400mhz，应该对一个脉冲群内的脉冲上升时间、脉冲持续时间和脉冲的重复率进行监视。
iec61000-4-4中存在一个阻抗匹配的问题：虽然eft/b发生器都具有50ω 的源阻抗—在50ω 的负载阻抗与之匹配时将提供标准的电压/电流波形，但实际应用中的电子产品往往不具有50ω 的输入阻抗。为解决这一问题，很早就有提议用1000ω 的负载来检验波形。iec61000-4-4 （amendment 2）将于2004年7月1日实施，此版与前面版本的主要区别就是提出对eft/b发生器的输出波形校验应分别在50ω 和1000ω 下进行。关于这一点作者将在其他文章中探讨。
4．冲击试验发生器（浪涌发生器）和振荡波发生器
冲击抗干扰试验（surge immunity test）的目的是评估设备遭受由操作和雷电瞬变过电压引起的单向冲击时的性能。标准不对绝缘耐压能力进行试验，也不考虑直接雷击的情形。设备上出现的振荡波也可能影响到设备和系统的可靠运行。振荡波抗扰性试验（oscillatory waves immunity test）只考虑振荡波的主要参数，即重复率。单次振荡波即称为振铃波，阻尼振荡瞬态群波称为阻尼振荡群波。
试验中采用的标准主要有综合波发生器（1.2/50ω s ~ 8/20ω s）、10/700ω s发生器、振荡波发生器或其它波形发生器和耦合/去耦网络。不同波形的定义不尽相同，下面是1.2/50ω s ~ 8/20ω s波形的定义。
校准试验发生器的特性时，试验发生器输出应与足够带宽和电压电流容量的测量系统相连，以监视波形特性。
在开路条件下（负载大于等于10kω ），可以将电压输出经电压探棒连接到示波器；在短路条件下（负载小于等于100ω ），可以使用电流传感器并连接到示波器。
5．辐射（射频）电磁场抗扰试验场均匀性校准
辐射（射频）电磁场抗扰性试验（radiated, radio-frequency, electromagnetic field immunity test）本试验的目的是为了建立一共同的参考，以评估电气和电子设备受无线电频率电磁场干扰的性能。
试验中用到的主要仪器及其主要性能有：无回声室，射频信号发生器，功率放大器，天线，场强探头，场强测试仪等。
辐射（射频）电磁场抗扰性试验中用到的电波暗室必须保证试验样品上的场是充分均匀的，保证试验结果有效。因为不可能建立一个靠近地参考平面的均匀场，所以校准域距离地参考面0.8m以上，eut尽可能置于同样的高度。均匀域的校正在空的暗室中进行，天线、附加吸波体的布置和位置等应记录并保持不变。发射天线的放置位置应能使1.5m×1.5m的校正域处于发射场的主瓣宽度之内。场传感器与场发射天线之间的距离至少为1m，eut与天线之间的距离为3m（指双锥形天线的中心或对数周期天线的顶端到eut的距离）。在定义的区域内75%的表面上的幅值在正常值的-0db ~ +6db以内，即可认为该场是均匀的（即若测量16个点中至少有12个点在容许范围之内）。
校正程序如下：
●将场传感器放于方格中16点上的任一点上（见）；
●对场发射天线施加一个发送功率以得到3v/m~10v/m范围的场强，并记录两种读数（功率和场强）；
●用同样的发送功率，测量并记录其它15点的场强；
●分析所有16点的结果，删除25%zui大偏差的数据点（既16个结果中的4个）；
●保留点的场强应在±3db内；
●从输入功率和场强的关系算出需要的试验场强所必需的发送功率，并作为记录；
●在垂直极化和水平极化，都要以不高于10%起始频率的步长重复以上6个步骤。
●将收集来的16个校正点在每一频率点上的场强及输入到天线去的射频功率数据装入计算机，通过软件控制自动地对场强进行校正。
6．对射频场感应的传导骚扰的抗扰性试验
本标准涉及电子和电力设备对射频发射机产生的在9khz~80mhz频率范围内传导骚扰的抗扰性要求。本标准所考虑的骚扰源是射频辐射电磁场，由于被干扰设备的尺寸通常要比骚扰信号的波长短得多，而设备引线（包括电源线、通信线和接口电缆等）的长度则可能与骚扰信号的几个波长相等，因此引线便起到了被动天线的作用，射频电磁场就可以通过引线以传导方式（zui终以射频电压和射频电流所形成的近场电场和近场磁场在设备内部）对设备产生骚扰。
试验中用到的主要仪器及其主要性能有：射频信号发生器，功率放大器，耦合和去耦装置等。
耦合和去耦装置将干扰信号合适地耦合到eut的各条电缆上，其主要参数（从eut端口处看去的共模阻抗）见下表:
表3 射频场感应的传导骚扰中cdn的阻抗
耦合和去耦装置的特性通过从eut处看去的共模阻抗 zce表现出来。
耦合和去耦装置和阻抗参考面（）应放置于一地参考平面上，该参考面的大小至少要比设备所有面的投影几何尺寸超出0.2m。网络分析仪应使用50ω参考阻抗，网络分析仪在阻抗参考平面内（用开路、短路和50ω负载）校准，在阻抗参考接头与eut端口之间需要一短连接（l≤30mm），校验 zce时使用的几何图和的原理图。 如所示，在短路和开路条件下，
当输入端口接有50ω负载，并且ae端口依次短路和开路条件加载共模阻抗时，耦合和去耦网络应满足上表的阻抗要求。
7．磁场抗扰试验
设备会受到磁场作用而影响器其可靠运行，本标准中所阐述试验的目的在于验证设备在工频、脉冲、阻尼磁场作用时的抗扰性。
试验磁场是由在一个感应线圈中通过电流得到的。试验设备包括电流源（试验发生器）、感应线圈和辅助设备。
为了校准试验发生器，必须检验输出电流的基本特性。将发生器连接于标准感应线圈，对输出电流进行检验。用长度小于3m和适当截面的双绞线或同轴电缆连接。校准工频发生器要求用一个电流探头和精度为±2％的测试仪器，由于电流为工频，故可以采用分流器采样来校准电流，被检验的特性有输出电流值、总畸变率；校准脉冲、阻尼磁场发生器要求用电流探头和zui小带宽10mhz的测量仪器（普通示波器即可），精度至少为±10％，被检验的特性有：输出电流峰值、上升时间（脉冲）、持续时间（脉冲）、阻尼特性（阻尼）、振荡频率（阻尼）、重复频率（阻尼）。
对线圈磁场的校准要在其工作条件下进行（无eut的自由空间）。一个相对于eut尺寸正确的感应线圈，要置于离实验室墙壁和任何磁性材料zui小1m的位置，采用绝缘支撑，并连接于试验发生器上。选择合适的磁场传感器用以检验感应线圈所产生的磁场强度。磁场传感器应该置于感应线圈的中心位置，同时在适当的方向上探测出磁场强度的zui大值。注入感应线圈的电流应调整到能取得试验水平所要求的磁场强度。
感应线圈因数校准工作应在工频下进行，校准程序应在带有试验发生器和感应线圈的情况下进行，感应线圈因数由上述程序确定和检验。感应线圈因数给出了为得到所需的试验磁场强度而注入线圈的电流值。
8．电压暂降、短期中断和电压变化的抗扰性试验
电气和电子设备会受到供电电源电压暂降、短时中断或电压变化的影响。电压暂降、短时中断是由电网中、变电设备中的故障或负荷出现大的突然变化引起的，在某些情况下会出现两次或多次接连的跌落或中断。电压变化是由连接到电网的负荷连续变化引起的。
在电压暂降和短时中断中，设备的额定电压ut和变化后的电压之间是突然变化的，阶跃电压能在电源电压的任意相角开始和停止。电压变化则是连续过渡的。
电压发生器应在规定时间段上校准。试验发生器的特性检验根据下列要求进行,
发生器的100%、70％和40％有效值输出电压应符合所选择的运行电压的那些百分比，如230v、120v等；
所有三种电压的有效值应在空载时测量，并且应保持在它们正常值的规定百分数内；
在三种输出时应检验负载能力，对100％输出16a时，不超过5％，对70％输出23a时，不超过7％，对40％输出40a时，不超过10％；
70％和40％输出试验下，持续时间不应超过5s
用高压衰减棒和示波器配合使用，直接测量模拟器的输出可以测量电压变化和中断的周期。示意图如下：
如果需要检验峰值冲击驱动电流能力，则当驱动一个由1700ω f的无电荷的电容器和一个合适的整流器串联组成的负载时，发生器应从满输出的0％合切换到100％，在90°和270°相角下进行试验。测量发生器冲击电流驱动能力所需要的电路如下。
图 7 测量发生器冲击电流驱动能力的电路
发生器开关特性应通过一个合适的功率耗散率的100ω 负载加以测量。上升和下降时间，和过冲和欠冲一样，应被检验条件是从0％至100％，100％至70％、100％至40％和100％至0％在90°和270°都进行切换。相位的准确性应从0％至100％ 和100％至0％、0°到360°按45°增加进行检验，也应在从100％至70％和70％至100％以及100％至40％和40％至100％在90°和180°下进行检验。
9．结束语
本文对上述仪器的校准方法和校准仪器进行了介绍。将会对相关的从事仪器校准的人员具有一定的启迪作用。
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