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示波器在汽车电子中的EMC测试中的应用
发布日期:2020-04-01 16:05:53

消费者对汽车娱乐性、安全性和互联性的更多需求,显著增加了车内电子组件的密度以及车载有线和无线信号的数量。



其结果是,在汽车相同的固定空间内包含的信号范围不断扩大



Part.1 RF抗干扰测试


对于汽车内部使用的电子元件来说,在充满电磁波的实际环境中保持坚固耐用和正常工作是非常重要的,这些电磁波越来越多地来自手机、蓝牙耳机、卫星广播、收音机、无线互联网、RADAR和其他无数的潜在电磁干扰源。确保鲁棒性意味着要在受控环境下满足严格的EMI抗干扰标准,待测的电子控制单元(ECU)通常必须严格遵守ISO(国际标准化组织)标准以及汽车制造商和ECU供应商之间谈定的要求。


作为测试中常见的典型频率和场强测试的例子,ISO/IEC 61000-4-21中描述了辐射射频抗扰度测试,该测试使用包含机械式调谐器的混响室,当在给定测试频率处获得足够数量的调谐器位置时,调谐器在混响室的可用空间内产生统计上的统一场,测试频率范围从0.4GHz到3GHz,场强高达200V/m( CW和AM)和600Vm(雷达脉冲),无论是对监测信号的电子测试设备,还是对混响室内测试人员的安全,场强都是过高的,因此,测量仪器和测试人员要在密封室外面,光纤发射器和接收器单元以及光缆将信号从混响室内的ECU传输到混响室外的测试设备。


抗扰度测试中偏差检测的测试配置

上图显示了一个真实的抗扰度测试中偏差检测的测试配置,从混响室内拍摄(发射天线断电时),请注意,调谐器在混响室的右侧,


混响室的左侧是放置在相对介电常数小于1.4的起泡台上的CAN总线光纤发射器,在混响室的可用空间内,光纤发射器对来自被测ECU的输出信号进行光学转换, 信号通过射频硬化的光纤电缆在密闭室传送,射频硬化的光纤电缆通过波导从地板附近离开。


图2 ESD枪放电到分流目标,用示波器采集和测量脉冲波形


Part.2 抗静电测试


汽车电子元件除了要求具有抗电磁干扰能力以外,还要求具有一定的抗静电能力。ESD抗扰度的测试等级从2 kV到25 kV不等,通常电压逐步增加,直到达到设定的上限,在将ESD模拟器应用于待测ECU之前,必须先使用示波器进行校准, 图2显示了一个ESD模拟器枪,将接触放电施加到分流目标上,该分流目标通过双屏蔽电缆和内联衰减器连接到示波器的50Ω直流耦合输入。


ESD等线模拟器验证包括表征放电脉冲波形,ISO 1060规范的第二版确定了上升时间、第一峰值电流、t1电流和t2电流作为主要的测量参数,t1和t2的电流值会随着给定RC网络中的R和C的值而变化,示波器能够快速自动地表征每个测量参数。


Part.3 瞬态脉冲(EFT)测试


汽车电子产品的另一个重要测量需求是电气快速瞬变脉冲(EFT),即电流瞬间中断导致触点之间产生电弧的现象。EFT的常见原因包括继电器触点跳动,断路器的断开和闭合,感性负载的切换以及设备的断电。电触点之间的气隙击穿常常触发EFT脉冲的快速爆发,来自EFT脉冲的突然的能量突发序列可以耦合到附近的电路中,从而有可能导致汽车电子系统的数字信号问题和潜在的故障。因此,必须对电子产品进行测试,以确保在发生EFT事件时能够安全运行。


以顺序模式采集的EFT脉冲串和时间戳

图3以顺序模式采集的EFT脉冲串和时间戳


图3描述了使用示波器顺序采集模式以段的形式获取的一系列EFT脉冲串,请注意,脉冲串之间的长时间间隔已通过顺序采集模式消除掉,只采集期望的脉冲波形。


图4 以顺序模式采集的脉冲和时间戳


相比之下,图4显示了以段的形式捕获的EFT脉冲,而不是脉冲串。


可能会采集到数以万计的单个脉冲,请注意,此处的顺序脉冲串捕获的时间刻度是2ms/div(对应于20毫秒时间捕获窗口),而顺序脉冲捕获的时间刻度为100ns/div(对应于1毫秒时间捕获窗口)。


EFT脉冲串捕获模式中的段间时间戳显示脉冲之间有大约100ms的时间间隔,而EFT脉冲捕获模式中的段间时间戳显示脉冲之间大约100us的时间间隔,两次捕获的时间刻度相差1000倍,突出显示单个EFT脉冲或EFT脉冲串的特征对比。


Part.4 电压下降和中断测试


最后考虑的是电压下降和中断测试,为了验证设备在电压供应中断情况下能够正常工作,必须对电子设备进行电压骤降测试(定义为电压突然降低,然后恢复到初始电压),短暂中断(定义为短时间完全缺少电源, 然后电压恢复到初始电压)和电压变化(定义为电源电压逐渐变化到比额定电压更高或更低的电压值)。


为了确保信号发生器输出预期的条件来模拟这些效应,在将发生器连接到被测电子单元之前,必须用示波器验证信号发生器的波形特性。


符合ISO 16750-2标准的示例波形

图5


图5显示是符合ISO 16750-2标准的示例波形,该波形用于验证具有复位功能的器件(如微控制器)在不同电压跌落下的复位行为。请注意,波形开始于,在第一次跌落时,电压电平下降约10.6%至105 ms,然后电平恢复到原来的21.6%到13.55V之前停留105ms,这个电平骤降并返回初始电压的过程以固定的间隔持续直到电平达到零伏。


当依靠现场工程师在单次捕获的波形中使用光标测量时,测试每次下降的持续时间和电平是一项耗时且容易出错的工作,光标测量不仅依赖于操作者的手眼协调,而且还被认为会产的测量不准确性。此外,由于需要操作员手动将每个光标置于正确的时间和电压水平,所以会花费大量的时间,最后,结果只能表征单次采集的波形,不能提供具有统计意义的结果。


图6:欠幅触发,测量参数和直方图从电压和百分比上量化第一次下降


图6显示了解决上面列出的每个问题的测量方法,利用这种方法,我们使用负向欠幅触发来隔离特定的下跌电平。


欠幅触发是一种硬件触发,其中波形必须首先通过一个阈值,但不通过第二阈值,以满足触发标准。通过选择欠幅极性为负向,触发电路隔离符合标准的电压跌落,由于每次触发电路都可以锁定到特定的下跌电平,因此示波器可以快速累积测量统计数据。


在图6中,触发电路已经锁定在第一次下降,在余晖显示打开的情况下,可以看到第一次下降是示波器捕获得的唯一下降(图6,右侧,粉红色)直方图进一步显示具有统计特性的量化结果,在这种情况下,直方图沿着X轴绘制脉冲宽度分布,每个宽度的出现次数显示在Y轴上(图2,右侧,蓝色),显示测量结果的统计数据记录在测量参数表(图6,右侧,底部)中。


Part.5 总结


汽车EMI和ESD测试涉及多种形式的测试,配备齐全的示波器可以执行EMC抗扰度测试所需的快速参数测量以及仿真模拟器的校准,使用顺序采集模式,可以捕获和表征快速瞬态脉冲和脉冲串,而且开发了用于验证压降测试设置的新技术,提供了快速和准确的描述方法。


配备齐全的示波器