頻譜分析儀是射頻微波領域的萬用表，在產品可靠性、數字電路和電源設計領域它也有著重要的用途------無處不在的EMI測試。
EMI通常指電子設備對外產生的電磁干擾，當電子設備存在突然變化的電壓或電流，即dV/dt或dI/dt很大，便會產生交變的電磁場，從空間輻射或導體傳導出去，影響到周邊其他的電子設備。它和EMS同為EMC的一部分，
EMC（Electro Magnetic Compatibility 電磁兼容性）=EMI（干擾度）+EMS（抗擾度）
這里Compatibility常譯為“兼容性“，許多文章講EMI“一致性”測試，說的都是同一個詞。

一、EMI概述
一般來說，電子類產品開發過程中EMI測試的實施常分為EMI診斷，EMI預兼容測試和EMI兼容測試這幾個階段，各階段的目的和方法都是不同的。
 

                                                            圖 1 EMI測試階段

EMI的診斷測試和預兼容測試，很大程度上都是為認證性的兼容測試存在的。首先，電磁兼容測試是產品質量的內在要求，每一個電子設備或系統都要在預定的電磁環境中能夠正常工作，同時也不能過于影響其他電子設備或系統，這需要有一套規范的質量標準。其次，幾乎所有的電子類產品都不得不通過電磁兼容測試認證，這是國家和組織的技術壁壘，產品要想進入這些市場必須有強制性認證，這方面世界各個地區都有各自的標準。
電磁兼容認證的步驟苛刻龐雜，正式的產品認證需要大量測試設備和測試過程，費金耗時。因此，在產品研發設計的各個階段中都應盡早發現和解決各個級別的電磁兼容的問題，提升產品的過程質量，避免最后的產品認證測試不通過，導致同樣費金耗時的返工整改。（多說一句，電磁設備對人的影響屬于電磁兼容的范疇嗎？概念上講并不是，而且電磁對人的生理影響尚未有科學依據，所以還沒有劃歸到電磁兼容領域。）
從圖 1中可以看到，在產品開發的各個階段，EMI測試的重點是不同的：

• EMI診斷和調試（Diagnosis）
EMI診斷和調試在單元和產品設計階段，主要是遵循一些電磁兼容的設計原則，對電源/時鐘/接口線纜/主要芯片等對象，通過合理的布局/接地/屏蔽/走線/濾波等技術完成略有重點的設計和調試，不是為了測量EMI的精確結果，而是為了找出EMI的根源，從而改善產品設計，既是為了后期產品集成后通過EMI兼容認證，也是為了產品內部相互穩定的可靠性設計。
EMI診斷在實驗室使用普通的測試儀器即完成，例如帶有FFT分析功能的示波器，普通的頻譜分析儀，近場探頭，手藝好的工程師還可以自己制作性能良好的近場探頭，對于很多較強的EMI輻射，例如某些回路過大的開關電源，甚至只需要一根裸露的導線即可探測到空間中的騷擾信號。這種定性分析主要針對的是硬件設計人員，目的是要快捷簡便，成本低廉，重復性好。 

                                                   圖 2 使用頻譜分析儀和近場探頭進行EMI診斷

• EMI預兼容測試（Pre Compliance）
EMI預兼容測試在產品原型和試產階段，一般要在產品級或系統級進行預兼容（Pre Compliance）測試，預兼容并沒有一個明確的參考標準，就是盡量低成本地模擬兼容測試標準，對EMI狀況進行較正式的摸底，避免在正式的兼容測試中失敗。
預兼容測試會涉及到一些近似具有認證級設備功能的測試設備，例如單獨的試驗場所，具備EMI濾波器和準峰值檢波功能的頻譜分析儀或入門級EMI接收機，人工電源網絡或電流鉗，隔離變壓器，低端的電磁屏蔽箱，帶電流注入功能的電源（EMS測試）等，并要基本了解該產品需要達到的認證標準，有比較明確的測試目標，以便為產品留足認證通過的空間，目標就是用現有的設備盡量模擬真實認證環境。

                                 圖 3 使用帶有準峰值檢波的頻譜分析儀和LISN進行傳導騷擾預兼容測試

• EMI兼容測試（Compliance）
EMI兼容測試主要針對產品級進行認證測試，這個階段必須需要到專業的，有認證資質的EMC機構，使用符合標準的專業的測試設備和環境，遵循EMI標準規定的校準過程，測試方法和執行步驟，選擇特定產品的限制標準進行比較，按照標準規定的方法分析測量數據，并依照標準格式給出報告，目標就是拿到認證資格證明。兼容認證測試標準嚴格，過程昂貴，時間冗長，必須盡量減少兼容測試的次數，以節省成本和加快產品上市時間。
EMI兼容測試，或者往大了說EMC兼容測試，是一個獨立的大行業。IEC規定的電磁兼容標準以及衍生出的產品類和產品標準，很難由各個公司的產品部門執行，由此誕生了專門的電磁兼容認證測試機構，電磁兼容測試設備，以及由此衍生出的電磁兼容整改業務，都有一大批專業組織和人才。

                                                           圖 4 EMC兼容測試實驗環境
如果把EMC測試比作英語考試，EMC診斷就像是平時的課堂測驗，預兼容測試就像考前做模擬真題，正式的兼容測試就像是四六級考試，而林林總總的整改機構就是各種課外補習班 ---- 說句偷懶的話，最終的過級考試嚴格繁瑣，原則卻是60分萬歲，畢竟一分質量需要一分成本，而且最終對外只看那一紙證明；不過話說回來，想要60分，至少要按照80分去學習，在模擬題上做70分才敢上考場，僥幸是不行的，不然考試費用就白瞎了。
在成本和質量之間，無論是個人還是公司，都要做到這方面的平衡。

二、EMC標準
IEC作為電工電子類國際標準組織，其下屬的CISPR和TC77制定了大部分EMC基礎標準和產品標準：IEC 6xxxx和CISPR xx。其他各國和組織都在IEC的基礎上引申或直接使用，如下圖中所示，中國的GB，歐盟的EN，美國的FCC和事實上的國際標準MIL-STD。
 

                                                          圖 5 EMC國際和國家地區標準

CISPR和TC77規定了EMC的基礎標準，通用標準和產品（類）標準三大類型。
基礎標準：CISPR 16/17，IEC61000-4等，描述了EMC現象、規定了EMC測試方法、設備，定義了等級和性能判據，不涉及具體產品；
通用標準：IEC 61000-6，按照設備使用環境來劃分，所有產品必須首先符合通用標準，當產品沒有特定的產品類標準可以遵循時，直接使用通用標準來進行EMC測試；
產品標準：CISPR 11~15，CISPR20~25等，針對某種產品系列的EMC測試標準。往往引用通用標準，但根據產品的特殊性提出更詳細的規定。例如CISPR 11規定了工業科學醫學設備的測量方法和限值，CISPR22規定了信息產品的測試方法和限值，產品標準涵蓋了現有絕大部分電子類產品。
對于某一個特定產品，應怎樣知道應選取哪個合適的標準進行測試？首先要明確產品的使用場景以及要選取的地區標準，比如中國、美國、歐洲、日本？信息科技設備 (ITE)，工醫科 (ISM)？家用、商用、輕工業、重工業？室內、室外？選取對應的產品標準或產品類標準，確定測試項目的限值；如果沒有合適的產品類標準，則按相應的通用標準確定測試項目限值；最后，按基礎標準的要求進行每個測試項目，場地、測試方法、測試儀器必須滿足基礎測試框架的要求。
看下基礎標準CISPR16（對應GB6113/EN55016）的內容，

CISPR16分為四個部分：第一部分為測量設備的規范，包括EMI接收機，人工電源網絡，吸收鉗，天線場，夾具校準等測量設備的規范；第二部分為測量環境，測量方法，校準場地和測量程序等；第三部分為術語和報告等；第四部分為數據統計方法等。
對于頻譜分析儀來說，其用于EMC預兼容測試時的功能和性能應遵循CISPR 16-1-1測試設備中的相關規定進行設計和校準，由于測量結果讀數與檢波方式有關，因此該標準中明確規定了準峰值，峰值，平均值等幾種檢波方式；測量過程應遵循CISPR16-2-x中的相關規定；而測量數據和報告應遵循CISPR16-3以及4中的相關規定。但是頻譜分析儀和標準的EMI接收機仍是不同的，因為頻譜分析儀并不能滿足標準中的所有規定。


三、EMI預兼容測試系統
作為質量成本的一部分，EMI測試盡量在產品設計早期階段的介入是必要的。上文提到，IEC標準分為三大類型，基礎標準，通用標準和產品標準，考慮到測量方法的通用性，本節從基礎標準和通用標準入手，介紹EMI兼容測試的系統。在CISPR16和IEC61000系列中，大致可以認為測量項目分為下圖的類別。在實驗室能進行的EMI預兼容測試，包括傳導騷擾和輻射騷擾兩部分，也就是下圖中的笑臉。

                                                                圖 6 EMC基礎標準和通用標準的內容

傳導發射騷擾測試系統
傳導發射騷擾是最基本的一個電磁騷擾，主要沿著導體傳播。它主要是由于電源不合格引起的，指使用交流供電的設備在運行過程中對處在相同電網下其他設備的干擾信號。所有的電子產品在用交流電源時都會對電網發出騷擾信號，這類信號低頻居多，EMC標準規定的騷擾頻率范圍通常是從 9 kHz 到 30 MHz。
如果傳導騷擾的信號過大，就會影響整個電網的供電質量，進而干擾到同一片交流電網下其他設備的正常運行。傳導干擾要對設備電源連接到電網的三條線，紅/黃色火線L（LIVE），黃綠/黑色地線E（Earth），藍色零線N（NEUTRAL），分別獨立的測試并出具三份報告。當設備存在較長的電信連線（例如網線，USB線）時，也要考慮從電信連線上對對端設備的干擾信號。在某些LISN不適用的場合，可以考慮使用電流鉗。
 

                                   圖 7 使用頻譜分析儀進行傳導騷擾預兼容測試的典型系統

傳導騷擾的EMI測試通常要帶電運行，而且需要區分測試結果中的騷擾究竟來自于被測設備還是電網中原來就存在的騷擾，因此需要有特定的隔離設備組合：
線性阻抗穩定網絡LISN（Line Impedance Stabilization Network）：由于電源傳導發射的強度與電網的阻抗有關，必須在特定的阻抗條件下測量，LISN就提供了這樣一個環境，CISPR標準規定的LISN為50?/50μH。
LISN也對來自電網的干擾信號進行濾波，使電網內的干擾與被測設備相互隔離，但是將被測試設備對電網的干擾耦合出來，送到LISN的輸出測試端，提供標準的共模和差模阻抗，再送出給測試設備（一般是頻譜儀或EMI接收機）。LISN是傳導測試中的核心設備，本質上講它是一個單向高通濾波器，只將特定頻段的干擾信號篩選出來進行測試。
隔離變壓器：由于LISN的設計原理限制，它的供電存在較大的漏電流，要求實際應用時需要良好接地，必須要加隔離變壓器與電網隔離開使用。
瞬態限幅器：傳導騷擾可能存在很大的能量，為防止測試設備過載或燒毀，需在頻譜儀的測量端口前加限幅保護，并在結果中補償。
被測設備：測量對象一般是交流供電端的三條線，以及部分的電氣信號線。
測試設備：具有符合EMI傳導測試功能的EMI接收機或頻譜分析儀。
 
輻射發射騷擾測試系統
數字設備由于脈沖電流和開關電源的使用，具有豐富的諧波，一旦接地回路或接口處理不當就會對外產生較強的輻射騷擾，而芯片部分的低壓使系統的抗擾度降低。這些輻射騷擾的頻率沒有特定的范圍，從測試標準上看通常從 30 MHz 到 1 GHz /18 GHz。
近場測試非常適合產品開發階段輻射騷擾的EMI診斷。在這個階段，標準測試方法或許能給出精確的結果，但卻無法顯示問題的來源所在，近場探頭就是很合適的定位工具；然而必須認識到，近場探頭的測試結果幾乎不能給出有關設備輻射水平的準確信息，誤差和波動可達到20dB以上。使用近場探頭測試的過程中，要保證測量結果遠小于標準中規定的騷擾限值；在整改過程中，也要保證每次嘗試整改后的復測結果好于前面的各種測量。為了通過近場測試大致了解產品是否能通過最終的兼容測試，需要在已經確知結果的樣品上進行多次嘗試。 

                                              圖 8 使用頻譜分析儀進行輻射騷擾預兼容測試的典型系統

輻射騷擾不像傳導騷擾固定在傳輸線上，它是向四面八方發射的，所以需要盡可能地測試產品所有的位置，這個密度和時間并沒有在標準中準確給出，需要根據產品的特點進行特定測試。測試的間隔越細，每個位置和角度測試的時間越長，就越能測試出真實輻射長度，但是成本也越高了。
輻射騷擾預兼容測試系統需要用到各種天線，各種規格的屏蔽暗室，可靈活旋轉的測試臺和可升降天線桿，能夠校準天線頻響的頻譜分析儀或EMI接收機，這些輔助設備一般公司很難備齊，所以不在這里詳述。輻射問題仍推薦使用近場探頭完成低成本的EMI測試評估，準確度雖然不高，但是能排除大部分問題了。

四、經濟型EMI預兼容測試系統的推薦配置
經濟型的EMI預兼容測試系統方案的推薦配置：
1，接地良好的實驗室或實驗臺：參見圖 3
2，頻譜分析儀：SSA3021X，9 kHz~2.1 GHz：參見圖 2和圖 3
頻譜分析儀SSA3000X 系列具有便捷的操作界面和簡潔的顯示風格，采用成熟的數字中頻技術，最小分辨率帶寬（RBW）低至10Hz，標配前置放大器，顯示平均噪聲電平（DANL）達-161 dBm/Hz，具備出色的微小信號測量能力，全幅度精度<0.7 dB，測量結果精確可信，適用于研發，教育，生產，維修和相關領域，對EMI診斷和EMI預兼容測試也有相應的功能支持。

                                                              圖 9 頻譜分析儀SSA3021X

3，SSA3000X的EMI預兼容測試套件： EMI-SSA3000X，支持EMI濾波器和準峰值（QP，Quasi Peak）檢波器
基礎標準CISPR 16-1-1規定了測量設備的EMI濾波器和準峰值檢波器標準。EMI濾波器仍是準高斯形狀，只是其脈沖帶寬定義為-6dB，相比于傳統的高斯濾波器具有更好的頻率選擇性。
準峰值檢波是一種快速充電，慢速放電的檢波器，時間加權的檢波方式，它將時間上間斷出現的騷擾信號進行幅度的加權平均作為結果顯示，這樣即使幅度很大但是出現概率很低的騷擾信號可能得到較低的準峰值檢波結果，而幅度很小但是出現概率很高的騷擾信號也有可能得到較高的準峰值檢波結果，這種加權比較適合電子設備對騷擾信號的反應，也符合人的心理上對EMI騷擾程度的體驗。
但是準峰值檢波的平均過程測試時間長，并不利于日常的診斷。因此在進行EMI與兼容測試時，可以先用峰值檢波快速發現EMI 問題頻點，然后針對這些峰值點專門進行準峰值測量，以節省測試時間。對每一個點的準峰值檢波測量，SSA3000X頻譜分析儀還提供了駐留時間選項，既可以快速掃描，也可以更精細的測量，反映出測試頻點的準峰值幅度。

                           圖 10 SSA3000X的EMI選件：EMI濾波器，QP檢波和QP檢波器的駐留時間

4，探頭選件：SRF5030，9 kHz~3 GHz近場探頭，分辨率從25mm到2mm，用于輻射騷擾測量。
如前所述，近場探頭的幅度準確度較低，誤差在10dB以上，尤其在高頻誤差將更大，僅能夠作為定性判斷工具使用，但卻是大部分輻射騷擾測試的利器。Siglent近場探頭SRF5030套裝，提供4種不同分辨率的磁場探頭，針對空間輻射，線纜，PCB等查找干擾源；同時選配30dB的前置放大器，以提高系統測試靈敏度。

                                                 圖 11 不同分辨率的近場探頭

5，LISN和電流鉗選件：SEM5040A和SEM5011，用于傳導測量
SEM5040A人工電源網絡是一款（50uH+5Ω）||50Ω V型 LISN（Line Impedance Stable Network），能在9 kHz到30 MHz射頻范圍內為被測試設備端子和參考地之間提供穩定的阻抗，同時將來自電網的無用信號與測量電路隔離開，僅將被測試設備的干擾電壓耦合到測量接收機的輸入端。
該產品的性能符合CISPR16-1-2：2006標準要求，適用于單相設備傳導騷擾電壓測量；標準的BNC輸出接口和50歐姆輸出阻抗，可匹配任何廠家的接收機、頻譜儀等測量設備；產品自帶模擬手功能，可模擬手持式設備測量；可選的150kHz高通濾波器，用戶可以根據相應標準選擇低端頻率從9kHz還是150kHz開始；內置瞬態限幅器（10dB衰減），可以有效保護接收機或頻譜儀不會因為大信號損壞，可以把EM5040A直接安全地連接到測量設備，不需要另外購買限幅器。
SEM5011射頻電流探頭是一款射頻寬帶電流互感器，適用于20 Hz到200 MHz的EMI干擾測量和屏蔽效果測量，具有300 kHz到120 MHz平坦的頻率響應曲線，性能符合CISPR 16-1-2 標準要求，常用于夾在被測設備的電源線或者控制線上測量干擾信號電流的大小，電流探頭的射頻輸出電壓正比于被測干擾信號電流的大小。SEM5011 射頻電流探頭可以非常方便地夾在被測導線上，用在那些不能使用人工電源網絡的 EMI 測量場合（如電流太大或接線困難等）。  

                                 圖 12 LISN：雙線電源網絡SEM5040A和電流鉗SEM5011 

6，免費的PC機預兼容測試控制軟件：EasySpectrum
EasySpectrum是Siglent針對SSA3000X系列頻譜分析儀而開發一款PC應用軟件，該軟件包括頻譜儀基本控制和顯示功能，也可用于進行EMI預兼容測試流程。該軟件基于業界通用的標準驅動VISA設計，可以通過USB-TMC或LAN接口實現軟件與儀器的通信，從而實現對儀器的應用控制。
 

                                                     圖 13 EMI自動測試軟件：EasySpectrum

EasySpectrum支持完整的EMI預兼容測試自動化實施流程。上文提到由于準峰值檢波需要較長的測試時間，在全頻段掃描時使用準峰值檢波是非常耗時的，所以推薦設置中分為預掃描—尋找峰值----終掃描三部分，預掃描使用峰值檢波，可以快速的將全頻段中的極大值找出來，然后按照幅度為這些峰值排序，最后在使用準峰值檢波，對每個峰值點單獨地進行準峰值測試，可以大大節省預兼容測試的時間。該軟件支持全流程的文件配置，方便工程管理。
 

                                              圖 14 EasySpectrum的EMI預兼容測試流程
 
Tips
1，如何使用標準中的準峰值限制標準？
適用于產品的限制線標準須提前找到，然后再頻譜分析儀中制作一條限制線，也是很方便的。參見擴展閱讀部分內容。

2，峰值掃描的結果包含了哪些信息？
峰值掃描結果會比準峰值結果要高。在有限制線的情況下，如果峰值掃描都沒有達到限制線，那么準峰值一定不會超過限制，這些頻率點就可以從終掃的表格中去除，以節省終掃時間，因為終掃一般使用準峰值檢波，測試時間較長。

3，準峰值掃描的駐留時間設置為多長比較合適？
駐留時間越長，能夠接收到的騷擾的概率就越高，結果就越接近真實情況，但是會耗費更多時間。這是一個折中，需要用戶自己根據實際的需求判斷駐留時間設置多少，SSA3000X的準峰值檢波駐留時間默認500ms，可以在0-1s內設置，代表每一個頻點進行準峰值檢波的時間。

4，想測試一下產品的輻射騷擾，可是沒有EMI接收機，頻譜儀上也沒有EMI測試功能，怎么辦？
要清楚當前階段的主要目的是什么。如果只是EMI診斷，普通的頻譜分析儀峰值掃描就可完成，沒有必要進入預兼容測試的過程。

5，頻譜分析儀具有EMI濾波器和準峰值檢波功能，是不是可以進行產品的EMI預兼容測試了？
普通的頻譜分析儀可以進行EMI診斷，不需要配置EMI和準峰值檢波器。具有EMI濾波器和準峰值檢波功能的頻譜分析儀只是EMI預兼容測試系統的一部分，要想進行較完整的EMI預兼容測試，還需要有其他配套設備，環境和方法，例如LISN，合適的實驗臺等?？蓞⒁姷谌澋膬热荨?/span>

6，請問頻譜儀測量輻射騷擾的功能是否遵循CISPR16-1-4標準？
SSA3000X頻譜分析儀中的EMI濾波器和準峰值檢波器，是根據CISPR16-1-1：2006測試設備規范設計的，而CISPR16-1-4內容是輻射騷擾輔助設備的規范，例如場地，天線等環境參數，需要額外配置，和測試主設備頻譜分析儀沒有關系。

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