CN106646074A - 一种传导电磁干扰接收机的建模方法 - Google Patents

一种传导电磁干扰接收机的建模方法 Download PDF

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Abstract

一种传导电磁干扰接收机的建模方法，包括数据预处理阶段、筛选频点过窗阶段和检波与绘制图像阶段。数据预处理阶段对提取的电压波形截取出多个完整的周期并进行等间隔插值等预处理操作，筛选频点过窗阶段对预处理后的数据进行傅里叶变换，筛选出传导电磁干扰频率范围内的各频点，依次乘以各频点对应的窗函数，然后将过窗后的频点进行傅里叶反变换，得到各频点对应的时域波形，检波与绘制图像阶段将各频点对应的时域波形分别进行三种不同方式的检波，并得到对应的检波结果，然后将检波结果与检波方式对应的电磁兼容标准绘制成图像。本发明可以在无硬件接收机的前提下，通过软件实现接收机功能，评估传导电磁干扰超标与否。

Description

一种传导电磁干扰接收机的建模方法
技术领域
本发明涉及电磁兼容领域，尤其涉及一种传导电磁干扰接收机的建模方法，该软件方法能够获取传导电磁干扰频率及对应幅度，在无硬件接收机情况下实现对产品的传导电磁干扰测试。
背景技术
根据国家标准GB/T4365电磁兼容(electromagnetic compatibility，EMC)术语中的定义，电磁兼容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骚扰的能力。电磁兼容(EMC)包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)两个方面。电磁干扰(EMI)是电磁骚扰引起对设备、传输通道或系统性能的下降。电磁敏感度(EMS)是指存在有电磁骚扰的情况下，设备或系统不能避免性能降低的能力。
随着电子产品的不断发展，电磁兼容问题越来越受到公司与用户的关注。多个国家和地区都出台了相应的电磁兼容标准，产品必须达到电磁兼容标准才可上市。现阶段，通常仅在产品上市最后阶段才真正开始考虑电磁兼容问题，大大增加了设计成本。电磁兼容建模方法的引入使得在产品设计阶段解决电磁兼容问题成为了可能，从而大大降低成本。传导电磁干扰接收机是传导电磁干扰测试中的最重要仪器，用于将线路阻抗稳定网络(LISN)上提取的电压波形转换为电磁兼容标准频率范围内相应的幅度值。实际传导电磁干扰接收机的探头带宽为9kHz，扫频步长为4kHz或5kHz。用软件实现传导电磁干扰接收机时，带头带宽设置同样应为9kHz，扫频步长同样应为4kHz或5kHz。传导电磁干扰接收机的建模属于电磁兼容建模方法中的重要组成部分，可以有效地对电路板级建模系统生成的电压波形进行处理，最终转换成电磁干扰频率及对应幅度，在设计阶段实现评估电磁兼容问题。
发明内容
本发明提供一种传导电磁干扰接收机的建模方法，目的在于，在设计前期对产品进行电磁兼容评估，找出超标频点并进行优化设计，降低整个产品的电磁干扰度，从而可以降低研发周期和成本。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种传导电磁干扰接收机的建模方法，传导电磁干扰接收机通过线路阻抗稳定网络LISN与待测设备连接，提取待测设备上传导电磁干扰电压波形并将其转换为相应的传导电磁干扰的幅度值，实现对待测设备电磁兼容标准的测试，其特征在于：在无硬件接收机情况下，通过软件建模实现获取传导电磁干扰频率及对应幅度；包括数据预处理、筛选频点过窗、检波和绘制图像四个阶段：
(1)数据预处理阶段：首先将LISN上提取的传导电磁干扰电压波形截取出n个完整周期，然后根据n个完整传导电磁干扰电压周期波形的时间长度t，选择快速傅里叶变换的点数N，接着根据所截取的n个完整周期波形的分辨率t/N对所截取的n个完整周期波形进行等间隔分段插值，使得所截取的n个完整周期波形满足快速傅里叶变换要求，最后进行N点快速傅里叶变换得到传导电磁干扰电压波形的频谱分量；
(2)筛选频点过窗阶段：将传导电磁干扰频率范围[150kHz～30MHz]按照扫频步长Δ分成[(30MHz-150kHz)/Δ]个频点，对每一个频点进行筛选和过窗操作，根据探头带宽9kHz首先针对第一个频点150kHz在数据预处理阶段生成的频谱分量中筛选第一个频点左右各4.5kHz即145.5kHz～154.5kHz范围的频率分量，将筛选出的频率分量分别乘以对应的窗函数，不在筛选频率范围145.5kHz～154.5kHz内的频率分量清零，得到仅含有第一个频点的传导电磁干扰电压波形的频谱分量，最后进行N点快速傅里叶反变换得到仅含有第一个频点的传导电磁干扰时域波形；
(3)检波阶段：将筛选频点过窗阶段得到的第一个频点的传导电磁干扰时域波形分别进行峰值、准峰值和平均值三种不同方式的检波得到三种不同的结果，将三种结果保存完毕；然后进行下一个频点的筛选频点过窗阶段和检波阶段的操作，第二个频点筛选范围为(145.5kHz+Δ)～(154.5kHz+Δ)，第三个频点筛选范围为(145.5kHz+2Δ)～(154.5kHz+2Δ)，…依次类推，直至传导电磁干扰频率范围[150kHz～30MHz]内[(30MHz-150kHz)/Δ]个频点的三种检波结果都保存完毕；
(4)绘制图像阶段：将检波阶段保存的结果绘制成传导电磁干扰频率范围[150kHz～30MHz]内各频点的传导电磁干扰幅度值，同时绘制出峰值、准峰值和平均值三种不同检波方式对应的电磁兼容标准限定值，分别比较传导电磁干扰幅度值与电磁兼容标准限定值，从而进行电磁兼容问题的评估，确定传导电磁干扰超标与否。
上述筛选频点过窗阶段中，扫频步长Δ取4kHz或者5kHz，窗函数需满足在国际标准CISPR16-1-1规定的最大带宽以及最小带宽之间。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：
(1)本发明的引入可以结合电路级仿真系统，能够在设计初期，实现产品的电磁兼容评估，缩短产品研发周期，同时降低成本。
(2)本发明可在无传导电磁干扰接收机情况下，通过安装有软件编程工具的电脑就可以实现硬件电磁干扰接收机的功能，成本低，使用方便。
(3)本发明通过在筛选频点过窗阶段将筛选出的频率分量分别乘以窗函数，不在筛选频率范围内的频率分量清零这一操作，大幅减小了运算量，使得从LISN提取电压波形到最终生成各频点的传导电磁干扰幅度值时间短，精度高，速度快。
(4)本发明可以实现三种不同检波方式的测试结果与相应的电磁兼容标准值，可以清晰地评估产品的电磁兼容问题。
附图说明
图1是本发明实现的流程图；
图2是传导电磁干扰测试连接方式示意图；
图3是本发明波形截取过程示意图；
图4是本发明等间隔插值示意图；
图5是本发明国际标准CISPR16-1-1规定的窗函数示意图；
图6是本发明FFT和IFFT过程之后波形图；
图7是本发明三种不同检波方式效果图；
图8是本发明建模仿真结果与实际传导电磁干扰接收机测试结果对比图。
具体实施方式
如图1，整个传导电磁干扰接收机建模方法包括四个阶段，分别是数据预处理阶段、筛选频点过窗阶段、检波阶段和绘制图像阶段。数据预处理阶段对LISN上提取的传导电磁干扰电压波形截取多个完整的周期并进行等间隔插值后进行FFT变换。筛选频点过窗阶段按照传导电磁干扰范围[150kHz～30MHz]内各频点筛选数据预处理阶段生成的频谱分量，依次乘以各频点对应的窗函数，然后进行IFFT变换得到各频点对应的时域波形。检波阶段将各频点对应的时域波形分别进行三种不同方式的检波，并保存得到的检波结果。筛选频点过窗阶段和检波阶段循环执行，直至传导电磁干扰范围内所有频点的三种检波结果都保存完毕。绘制图像阶段将不同检波结果与不同检波方式对应的电磁兼容标准绘制成图像。本发明可以在无硬件接收机的前提下，通过软件实现传导电磁干扰接收机功能，并评估传导电磁干扰超标与否。
如图2，是传导电磁干扰测试连接示意图，待测设备(EUT)通过线路阻抗稳定网络(LISN)连接到传导电磁干扰接收机。待测设备就是需要被测试的设备；线路阻抗稳定网络是由电阻，电感，电容组成的电路网络，用于提取待测设备上传导电磁干扰的电压波形；传导电磁干扰接收机将线路阻抗稳定网路提取的传导电磁干扰的电压波形转换为传导电磁干扰幅度值。传导电磁干扰接收机是一种测试仪器，本发明用软件算法的形式完成传导电磁干扰接收机的功能。在实际操作中，EUT和LISN既可以是实际的硬件电路和设备，也可以是使用软件仿真搭建的虚拟对象。不管是实际的硬件还是软件仿真搭建的虚拟对象，本发明提供的传导电磁干扰接收机都同样使用。
数据预处理阶段用于将LISN上的电压波形归一化处理方便进行后续操作。首先提取LISN上的电压波形，存储以便进一步处理，所提取的电压波形可以是实际测量过程中LISN上的电压波形，也可以是电路级仿真系统中模型LISN上提取到的电压波形。不管所提取的电压波形是哪一种情况，数据预处理阶段使用相同的方法处理。LISN上提取到的电压波形通常不是多个完整周期，而后续FFT变换操作需要所处理数据为完整周期，因此数据预处理阶段需要将非完整周期的LISN电压波形截取成多个完整周期，以便后续处理。如图3，是波形截取过程的示意图。图3中截取了LISN上提取电压波形的10个完整周期。
传导电磁干扰范围为[150kHz～30MHz]，根据奈奎斯特采样定律，采样频率应大于60MHz，采样频率fs＝N/t，其中N为采样点数，t为截取波形时间长度。实际测试电压波形采样点数不够的情况下需要对电压波形进行插值以满足后续处理对于采样点数的要求。同样地，电路级仿真系统中模型LISN上提取到的电压波形也需要插值来满足采样点数要求。其次，电路级仿真系统为了快速得到仿真结果，通常采用变步长的方式计算仿真结果，因此得到的仿真波形通常也是不等间隔，而进行后续操作FFT变换时，要求等间隔的数据，因此需要将原不等间隔的数据通过插值的方式变为等间隔数据。如图4，是对截取的多段完整周期的LISN电压波形的等间隔插值示意图。图4中，下方部分为需要进行插值操作的LISN电压波形，上方部分为下方部分的放大图，其中实线为原LISN提取电压波形，虚线为插值后的LISN电压波形。插值后LISN电压波形满足采样点数和等间隔的要求，方便进行后续FFT变换操作。
实施例：将传导电磁干扰频率范围[150kHz～30MHz]以4kHz为步长分为7463个频率点，每一个频率点对应的频率分量乘以该频率对应的窗函数，可得到7463个过窗函数后的频率点及其频率分量。如图5，为国际标准CISPR16-1-1规定的窗函数示意图。图中，虚线表示CISPR16-1-1规定的最大带宽，实线表示国际标准CISPR16-1-1规定的最小带宽。设计的窗函数需满足在最大带宽以及最小带宽之间。7463个频率点对应7463个窗函数，每个窗函数仅中心频率不同，形状都相同，下一个频点对应的窗函数可通过对上一个频点对应的窗函数向右平移Δ得到。图5是以150kHz为中心频率的窗函数示意图。
FFT变换与IFFT变换是一对反变换，FFT变换将时域波形转换为频域波形，IFFT变换将频域波形转换为时域波形。如图6，为FFT变换和IFFT变换后对应的波形。
筛选频点过窗阶段完成后，将进行检波阶段。如图7，为三种不同的检波方式的示意图，分别是取波形的最大值(峰值检波)，取波形的准峰值(准峰值检波)以及取波形的平均值(平均值检波)。三种不同的检波方式对应三种的算法实现方式和电磁兼容标准值。峰值检波是对筛选频点过窗阶段得到的m个步长为Δ的不同中心频率对应的时域波形分别进行波形最大值检测，检测得到的最大值就是该中心频点对应的峰值检波结果；平均值检波是对筛选频点过窗阶段得到的m个步长为Δ的不同中心频率对应的时域波形分别进行带宽内平均值计算，得到的平均值就是该中心频点对应的平均值检波结果；准峰值检波是对筛选频点过窗阶段得到的m个步长为Δ的不同中心频率对应的时域波形进行二分法逼近准峰值，得到的准峰值就是该中心频点对应的准峰值检波结果。
完成检波阶段后，进行绘制图像阶段将相应的检波结果绘制成频谱，方便进一步评估电磁兼容问题。如图8，为本发明建模仿真结果与实际传导电磁干扰接收机测试结果对比图。图8以峰值检波为例，其中实线表示实际传导电磁干扰测试中硬件传导电磁干扰接收机测试得到的波形，虚线则表示使用本发明仿真得到的波形，粗实线表示欧洲标准EN55022的传导电磁干扰限值。图8清晰地表现出仿真结果无论是在较低频还是较高频都很好地符合测试结果，正面验证了本发明提出的一种传导电磁干扰接收机的建模方法的准确性。图8中，根据仿真结果，1MHz左右的频率分量超标，工程师可以根据这一事实进行相应的电磁兼容整改，从而实现在设计初期评估电磁兼容问题，大大降低产品研发的周期以及成本。

Claims (2)

1.一种传导电磁干扰接收机的建模方法，传导电磁干扰接收机通过线路阻抗稳定网络LISN与待测设备连接，提取待测设备上传导电磁干扰电压波形并将其转换为相应的传导电磁干扰的幅度值，实现对待测设备电磁兼容标准的测试，其特征在于：在无硬件接收机情况下，通过软件建模实现获取传导电磁干扰频率及对应幅度；包括数据预处理、筛选频点过窗、检波和绘制图像四个阶段：
(1)数据预处理阶段：首先将LISN上提取的传导电磁干扰电压波形截取出n个完整周期，然后根据n个完整传导电磁干扰电压周期波形的时间长度t，选择快速傅里叶变换的点数N，接着根据所截取的n个完整周期波形的分辨率t/N对所截取的n个完整周期波形进行等间隔分段插值，使得所截取的n个完整周期波形满足快速傅里叶变换要求，最后进行N点快速傅里叶变换得到传导电磁干扰电压波形的频谱分量；
(2)筛选频点过窗阶段：将传导电磁干扰频率范围[150kHz～30MHz]按照扫频步长Δ分成[(30MHz-150kHz)/Δ]个频点，对每一个频点进行筛选和过窗操作，根据探头带宽9kHz首先针对第一个频点150kHz在数据预处理阶段生成的频谱分量中筛选第一个频点左右各4.5kHz即145.5kHz～154.5kHz范围的频率分量，将筛选出的频率分量分别乘以对应的窗函数，不在筛选频率范围145.5kHz～154.5kHz内的频率分量清零，得到仅含有第一个频点的传导电磁干扰电压波形的频谱分量，最后进行N点快速傅里叶反变换得到仅含有第一个频点的传导电磁干扰时域波形；
(3)检波阶段：将筛选频点过窗阶段得到的第一个频点的传导电磁干扰时域波形分别进行峰值、准峰值和平均值三种不同方式的检波得到三种不同的结果，将三种结果保存完毕；然后进行下一个频点的筛选频点过窗阶段和检波阶段的操作，第二个频点筛选范围为(145.5kHz+Δ)～(154.5kHz+Δ)，第三个频点筛选范围为(145.5kHz+2Δ)～(154.5kHz+2Δ)，…依次类推，直至传导电磁干扰频率范围[150kHz～30MHz]内[(30MHz-150kHz)/Δ]个频点的三种检波结果都保存完毕；
(4)绘制图像阶段：将检波阶段保存的结果绘制成传导电磁干扰频率范围[150kHz～30MHz]内各频点的传导电磁干扰幅度值，同时绘制出峰值、准峰值和平均值三种不同检波方式对应的电磁兼容标准限定值，分别比较传导电磁干扰幅度值与电磁兼容标准限定值，从而进行电磁兼容问题的评估，确定传导电磁干扰超标与否。
2.根据权利要求1所述的传导电磁干扰接收机的建模方法，其特征在于：所述筛选频点过窗阶段中，扫频步长Δ取4kHz或者5kHz，窗函数需满足在国际标准CISPR16-1-1规定的最大带宽以及最小带宽之间。
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