示波器檢測ECU的EMI幹擾的方法

示波器檢測ECU的EMI幹擾的方法

硬體電路基礎 發表於 2020-12-01 10:21:09

在做電磁兼容（EMC）測試時，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做電磁兼容測試。在電磁兼容測試中沒有充分利用示波器的一個應用是實時功能性性能評估，包括待測設備（DUT）在受到幹擾時做的偏差檢測。示波器可以幫助你記錄電磁幹擾如何影響你產品的工作。我們經常使用示波器，但需要與測試室內的待測設備做到電氣上的隔離。

術語「偏差」指的是一個待測設備對幹擾的響應，此時可能有一個或多個功能超過允許的容差。這些功能和容差被定義在針對特定設備單獨開發的電磁兼容測試計劃文檔中，並且在測試開始之前得到了所有相關方的一致認可。

汽車行業中的標準做法是通過元件級的測試來判斷一個器件對靜態放電（ESD）、電源和I/O線上的瞬態變化、傳導射頻和輻射的電磁場等幹擾的抵抗能力。這些測試都是在完整的車輛抗幹擾測試之前做的。抗幹擾方面的接受標準，比如待測器件必須容忍的射頻場強度，在OEM廠商的工程規範中都有定義，而測試過程一般都要符合國際標準。

對大多數元件級抗幹擾測試來說常見的測試裝置由一些線束和一個負載模擬器組成，其中的負載模擬器包含真實的和/或電氣上等效的代表待測器件與車輛接口的負載。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，並暴露在幹擾底下。在受到幹擾的條件下，監視待測器件的功能，得到超過允許容差時的響應性能。對射頻抗幹擾測試來說，偏差檢測要求首先確定器件的抗幹擾閾值，方法是先大幅降低幹擾幅度，然後緩慢地增加幹擾幅度，直到偏差發生。

如果待測器件有一條CAN通信總線，那麼涉及其功能狀態的一些信息可以通過這條總線進行傳送。遺憾的是，其它被監視的功能細節沒法通過這種總線傳送。例子包括傳感器的模擬信號或驅動致動器的脈寬調製（PWM）輸出信號。我們必須用合適的儀器來測試這些功能。

射頻抗幹擾測試一般在有屏蔽的房間內做，為的是避免實驗室人員暴露在有危險的電磁場環境中，同時避免敏感設備發生故障。ISO11452-4中描述的傳導性射頻抗幹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。這些電流會在測試平臺附近產生電磁場，其幅度足夠高到影響未屏蔽設備的正常工作。ISO/IEC61000-4-21中描述的輻射型射頻抗幹擾測試使用一個包含機械模式調諧器的反射室，當在給定測試頻率點獲得足夠數量的調諧器位置時，會在整個房間的可用體積內產生統計學上均勻的電磁場。測試頻率範圍是300MHz至3GHz，場強可以高達200V/m（CW和AM）和600V/m（雷達脈衝）。

為了保持屏蔽室的完整性，禁止將測量儀器通過傳導電纜直接連接至測試裝置。因為在屏蔽室內射頻場會耦合至電纜，露在屏蔽室外的電纜就成輻射型天線了。為了避免這個問題，我們需要使用由射頻加強型光纖收發器組成的隔離式連接。轉換後的信號通過波導方式從非傳導性光纜離開屏蔽室，這個波導具有在測試頻率範圍之上較低的截止頻率。光信號由連接至測量儀器的接收機轉換回電信號。

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

圖1：裝備了模式調諧器的反射室（右邊）。發射和接收天線沒有拍到。

一旦在屏蔽室外捕捉到信號，信號通常會被路由到數據採集系統。這個數據採集系統通常要求用定製軟體來分析信號信息，並與允許容差進行比較，判斷待測設備是否滿足規定的要求。與許多傳感器不同，電子控制單元（ECU）可以監視多個信號，並將測量值與可接受極限進行比較，所用的軟體可能有很高的開發成本。與此相反，我們使用多臺示波器組成的陣列來替代複雜的定製數據採集系統。因為示波器已經具備模板測試和參數極限測試功能，它們可以直接滿足不是全部也是大部分的測試要求，因此不需要花費很長的軟體開發時間。

圖2顯示反射室的開門處位於測試平臺的右邊。左邊是光纜、接收機和用於執行實時分析的示波器陣列。

圖2：示波器陣列用於實時分析待測設備對輻射電場的響應。

我們使用示波器中的波形模板比較受幹擾時的波形和沒有幹擾時的波形。模板的尺寸取決於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。基於保密的理由，所採用的仿真數據非常近似於用典型ECU監視到的信號。通道1和通道2顯示的是控制輸出驅動致動器信號的仿真PWM信號。通道3捕獲的是仿真的致動器信號，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閉的情況下觀察到的每個信號波形。示波器選用的是通道2上的邊沿觸發模式，所有4個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上的致動器驅動輸出信號和通道4上的

圖4顯示了模板測試功能。模板形狀可以用來驗證信號的高電平、低電平、頻率、佔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值四周的規定容差帶，用它就可以驗證每個捕獲的波形與定義好的標稱值的偏差是否超過規定的百分比。在這個例子中，所有波形都滿足全部的指定測試標準。注意，設置為邊沿觸發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上產生的邊沿觸發，並且示波器被配置為當每種偏差發生時進行識別和記錄。

圖4：仿真ECU的輸出信號表明，通道1和通道2上的PWM信號、通道3上的致動器驅動輸出信號和通道4上

在圖5中，仿真ECU展示了在受到1kHz調幅電場幹擾時超出容差的響應。PWM信號的幅度降低了，它們的佔空比變大了。另外，調製頻率在高狀態期間疊加到了信號上。驅動器輸出波形反映了來自幹擾的間接效應，因為它只響應PWM輸入信號。與其它三個信號不同，CAN分離信號不受電磁幹擾的影響，持續產生符合的結果。因此這類模板測試允許實時快速地測試多個標準。

圖5：當受到電磁幹擾時，仿真ECU的PWM信號和致動器驅動輸出信號都超過了容差模板測試標準，示波器提

除了波形模板測試外，通過/失敗極限也會應用於參數化數據，用於確保數值測量結果同樣符合規定的極限值。注意圖5中的屏幕圖形，示波器指示發生了三處偏差，在屏幕上的測試標準下方分別用紅色的「Fail」消息表示了出來。在模板故障或參數極限故障事件中，示波器還能自動執行一些動作，比如保存波形數據用於直接比較和歸檔，保存屏蔽圖形用於歸檔和評估，生成一個脈衝並從示波器輸出來用於輔助測試自動化，並在發生偏差時產生一個告警音用來提醒測試人員。

雖然示波器完全能夠執行快速的參數化測量，滿足電磁兼容抗幹擾測試中的偏差檢測要求，但它們經常被忽視，主要原因是人們缺少應有的意識，並缺少足夠的示波器通道數量。使用示波器陣列是在抗幹擾測試中判斷ECU信號和致動器輸出信號質量可能最有效和最具成本效益的方法，由於使用通過/失敗模板和參數極限測試的大多數功能已經實現，所以與實現定製數據採集系統完成同樣嚴格的電磁兼容偏差檢測測試所需的高的軟體開發時間成本相比，可以顯著節省設計工程師在功能測試上花費的成本和時間。
 責任編輯人：CC

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