电磁兼容测试仪器的校准

电磁兼容测试仪器的计量校准CalibrationofEMCTestingInstrument1引言电磁兼容测试中需要使用到多种测试仪器，其中包括一些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，另外还包括了多种专用的测试仪器和测试场地，如静电放电试验发生器、浪涌发生器、EMI接收机、电波暗室等。这些专用测试仪器和测试场地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，以下主要介绍这些专用测试仪器和场地的校准方法。2静电放电发生器静电放电抗干扰试验(ElectrostaticDischargeImmunityTest)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(简称ESD)发生器是试验设备中最主要的部分，主要校准的参数是放电电流波形和开路电压。ESD发生器的放电电流波形见图1。为了校准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。表1ESD波形参数在IEC61000-4-2中，推荐使用了法拉第笼和标准2Ω靶来校准ESD发生器的放电电流波形。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，放电电极的尖端应与电流传感器直接等级指示电压(V)放电的峰值电流(±10%A)放电的上升时间tr(ns)在30ns时的电流(±30%A)在60ns时的电流(±30%A)127.50.7~14224150.7~1843622.50.7~112648300.7~1168图1ESD发生器的放电电流波形接触，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（图2）。ESD发生器的输出电压的指示值是发生器储能电容两端的充电电压，但并不是所有的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，因此要求高压测量线路的输入阻抗足够高，否则必须修正测量结果。3电快速脉冲群发生器电快速脉冲群(简称EFT/B)发生器用于电快速脉冲群试验，用来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、图2ESD发生器放电电流校准继电器触头弹跳等）中各种类型的瞬变扰动的抗扰性。试验中用到的主要设备包括EFT/B发生器、交/直流主电源端口的耦合/去耦网络和容性耦合夹。国内外生产电快速瞬变脉冲群发生器的主要厂家包括Haefely、Schaffner、Keytek、NoiseKen、EMTEST、Sanki等。其主要的技术指标为单脉冲电压峰值在50Ω负载下为±10%，在1000Ω负载下为20%；脉冲电压上升时间在50Ω/1000Ω负载下为5ns±30%；持续时间在50Ω下为50ns±30%，在1000Ω负载下为35ns～150ns；脉冲重复频率5kHz±20%和100kHz±20%；脉冲群周期为15ms±20%(脉冲重复频率为5kHz时)，脉冲群周期为0.75ms±20%(脉冲重复频率为100kHz时)。校准EFT/B发生器时，发生器的输出通过一个专用衰减器（图3）连接至示波器上，示波器的带宽至少为400MHz，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频率进行校准（图4）。EFT/B发生器衰减器示波器图4EFT/B发生器的校准图350Ω、1000Ω衰减器EFT/B发生器的源阻抗为50Ω，过去IEC只要求在50Ω负载条件下校准EFT/B发生器的输出波形。但由于实际应用中的电子产品往往不具有50Ω的输入阻抗，因此从2004年7月1日起，IEC要求校准EFT/B发生器的输出波形应分别在50Ω和1000Ω两种负载条件下进行。IEC61000-4-4中关于耦合/去耦网络的要求规定:在耦合网络输出端测得的波形要与发生器输出端测得的波形一样符合规定的要求。因此也需要在耦合/去耦网络的输出端校准EFT/B发生器的输出波形。4电浪涌发生器电浪涌发生器（Surge）用于冲击抗干扰试验,其目的是评估设备遭受由操作和雷击瞬变电压引起的单向冲击时的性能。电浪涌发生器主要包括综合波发生器（1.2/50μs~8/20μs）、CCITT波（10/700μs）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，下面给出综合波发图5EFT/B发生器输出波形生器波形的参数定义。定义IEC60-1IEC469-1波头时间μs半峰时间μs上升时间(10%~90%)μs持续时间(50%~50%)μs开路电压1.250150短路电流8206.416注：现行IEC出版物中，1.2/50μs和8/20μs通常按IEC60-1定义，其它IEC推荐按IEC469-1定义的波形，如上所示。校准电浪涌发生器的特性时，发生器的输出应该与足够带宽和电压电流容量的测量系统相连。如图6和图7所示，在开路条件下电压输出经高压衰减棒连接到示波器；在短路条件下通过电流探头连接到示波器。表2综合波发生器波形参数电浪涌发生器高压棒示波器图6开路电压的校准电浪涌发生器示波器电流探头图7短路电流的校准在校准开路电压时，有时电浪涌发生器输出的负端会有电压输出，此时可以使用两个高压探头进行差分测量；校准短路电流时，由于电浪涌发生器的输出阻抗较低，因此在可能的情况下，应尽量用短线短路电浪涌发生器的输出端，短路线和电浪涌发生器输出端的连接点要紧密，以减小接触电阻。读数时，应当注意所测试脉冲波形参数的定义。例如测试1.2/50波形，其定义的波前时间为1.25×T10%~90%，这与普通的脉冲上升时间有区别。5电压暂降、中断、变化发生器电压暂降、短时中断和电压变化发生器是用于电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度测试的主要仪器，用于模拟电网供电中可能出现的电压短时降低、短时中断和电压的变化情况，考察被测试电子仪器设备的抗上述干扰的能力。发生器主要由电源、电压测试部分和时间相位控制电路组成。发生器的校准应根据下列要求进行：输出电压准确度：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百分比，如230V和110V。负载能力：100%输出16A时，电压变化不超过5%；70%输出23A时，电压变化不超过7%；40%输出时，电压变化不超过10%；70%和40%输出试验下，持续时间不应超过5s。冲击电流驱动能力、开关特性等。输出电压准确度的校准可以用满足准确度要求的电压表直接测量（图8），对于无法稳态输出70%和40%点的发生器可以设定发生器为暂降模式，设定暂降时间为50个周期或更长，在发生器的暂降时间内测量输出电压。负载能力校准以开路状态下的电压为参考值进行计算。冲击电流驱动能力的校准需要一个由1700μF的无电荷的电容器和一个合适的整流器串联组成的负载（图9），发生器从额定输出的0％切换到100％，在90°和270°相角下进行测试。根据电流探头的电压电流比，计算峰值电流。发生器电压表+-LN图8输出电压的校准图9冲击电流驱动能力的校准电流探头发生器示波器+-负载6磁场发生器磁场发生器主要用于验证设备在工频、脉冲、阻尼磁场作用时的抗扰性，它由电流发生器、磁场产生线圈和一些辅助设备所组成。我们主要校准其输出电流特性和感应线圈的线圈因数。工频的磁场发生器实际上是工频的电流发生器；而脉冲和阻尼磁场发生器是相应的脉冲和阻尼电流发生器，这通常就是前面描述的浪涌发生器，它的校准方法前面已有介绍。校准工频磁场发生器，由于电流是工频，故可以采用分流器采样来校准电流，也可以用频率特性足够好的电流传感器钳接输出回路，然后用电压表或示波器监视回路电流（图10）。对感应线圈线圈因数的校准应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最小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，置于感应线圈的中心位置，在适当的位置上探测出感应线圈所产生的磁场强度的最大值（注入感应线工频/脉冲/阻尼电流发生器电压表或示波器电流传感器工频电流发生器电压表或示波器电流分流器图10磁场发生器电流校准圈的电流应调整到能取得试验水平所要求的磁场强度）。7谐波测试仪器的校准谐波测试仪器的主要测试功能包括功率分析仪功能、谐波电流、谐波电压等。谐波测试仪器主要包括谐波分析仪（独立仪器）和含谐波测试功能的交流电源。根据IEC61000-3-2、EN61000-3-2及其它有关标准对谐波测试的要求，通常的谐波测试仪应可以达到对相电流16A以下的仪器的谐波电流进行40次以内的谐波电流的分析。按照标准的要求，谐波测试仪器的准确度应“优于0.2%的额定电流或5%读数之较大者”。对于可以独立使用且基波频率较低（50Hz、60Hz）的谐波分析仪，谐波电压和电流的校准可以通过标准交流电源（如Fluke6100A）来校准（图11）；而对于不能与可编程交流电源分开的谐波分析仪或者是基波频率较高（400Hz），可以通过可编程交流电源+标准谐波分析仪来校准（图12）。标准交流电源谐波分析仪图11谐波分析仪校准可编程交流电源标准谐波分析仪谐波分析仪图12谐波分析仪电压校准8电磁骚扰测量接收机的校准电磁骚扰测量接收机（EMI接收机）是用于测量微弱的连续波信号、幅值很强的脉冲信号等电磁骚扰信号的专用测量接收机，主要由输入衰减器、校准信号源、射频放大器、混频器、本机振荡器、中频放大器、检波器、输出指示等部分组成，它的测量动态范围大、灵敏度高，最主要的性能特点就是脉冲响应特性和多种检波方式。在CISPR16、国标GB/T6113.1-1995无线电干扰和抗扰度测量设备规范中对EMI接收机的性能指标作了详细的要求，其中正弦波电压测量准确度、衰减器、中频带宽、脉冲响应等是EMI接收机校准中的重要参数，脉冲响应值应符合表3所规定的极限值。图13和图14分别是正弦波电压测量准确度和脉冲响应的校准简图。重复频率Hz标定频段——定时，脉冲的相对等效电平dB9~150kHz0.15~30MHz30-300MHz300~1000MHz1000见注-4.51.0-8.01.0-8.01.0100-4.01.00(基准)0(基准)0(基准)60-3.01.0------------250(基准)------------20---+6.51.0+9.01.0+9.01.010+4.01.0+10.01.5+14.01.5+14.01.55+7.51.5------------2+13.02.0+20.52.0+26.02.0+26.02.0*1+17.02.0+22.52.0+28.52.0+28.52.0*孤立脉冲+19.02.0+23.52.0+31.52.0+31.52.0*注：在9~150kHz频率范围内，重复频率高于100Hz时，由于中频方法其出现脉冲重叠现象，所以不能对该频段的响应做出明确规定。当频率高于300MHz时，由于电磁骚扰测量接收机的输入过载，脉冲响应受到限制。表1中标有*的数值时任选的，不做硬性要求。表3电磁骚扰测量接收机脉冲响应9电波暗室电波暗室（Anechoicchamnber）是进行电磁兼容性试验的主要场地，主要用于射频辐射骚扰试验和抗辐射干扰的能力试验。电波暗室分半电波暗室和全电波暗室，全电波暗室是六个面均贴有吸波材料的暗室，半电波暗室是除了地面外的其他五个面贴有吸波材料的暗室。电波暗室主要校准项目是归一化场地衰减和场均匀性。归一化场地衰减：频率30MHz~1000MHz，测得值与标准值之差小于±4dB。场地均匀性：在规定的16点测试平面内，剔除4个点，剩余12个点中最大和最小的差值小于6dB。归一化场地衰减的校准采用的是宽带扫频法。具体方案是：在电波暗室中，在旋转台周围确定一个“测试空间”，将发射天线分别置于“测试空间”的中间和前、后、左、右（距中心0.75m）五个不同位置，并分别进行垂直、水平极化方向及发射天线在两种不同高度(垂直极化时1m和1.5m，水平极化时1m和2m)进行校准。当