CN1743856A - 一种电子设备内电磁辐射源的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种电子设备内电磁辐射源的测量方法和装置，方法为：首先，在所有器件工作时，进行EMC辐射发射测试；然后，仅允许其中一个功能单元工作，进行EMC辐射发射测试，得到该功能单元产生的辐射发射；再分别仅允许一个功能单元中的一个器件工作，进行EMC辐射发射测试，分别得到不同器件的辐射电磁场强度曲线；通过上述方法可以得到每一个功能单元和每一个功能单元内的器件的辐射电磁场强度曲线；最后分析数据。装置包括控制界面单元、通讯接口单元、核心控制单元、供电控制单元、器件控制单元。本发明不但可以得到整个电子设备的辐射电磁场强度曲线，还可以达到快速定位电磁辐射源的目的。

Description

一种电子设备内电磁辐射源的测量方法和装置

技术领域

本发明涉及一种电子设备内电磁辐射源的测量，尤其涉及通讯领域内的大型通讯设备中许多功能单元在同时工作时对主要电磁辐射源的测量。

背景技术

EMC是电磁兼容(Electro-Magnetic Compatibility)的缩写。电磁兼容性是指电子设备和系统在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少本身对其它电子设备的电磁干扰。

电磁兼容性(EMC)测试依据标准的不同，归纳起来可分为4类：传导发射测量、辐射发射测量、传导敏感度(抗扰度)测量和辐射敏感度(抗扰度)测量。前两项是指电磁干扰(Electromagnetic Interference-EMI)部分，后两项是指电磁敏感度(Electromagnetic Sensitivity-EMS)部分。

随着电子设备的种类和数目越来越多，电磁干扰对环境的影响日益严重，因此电子设备的电磁兼容性也越来越引起人们的重视。为此，工业发达国家和地区都把对电磁干扰的控制纳入国家法制管理和环境保护的范畴。尤其是广泛开展了电磁兼容认证制度，以确保公共安全与公众利益。目前全球各地区基本都设置了EMC相应的市场准入认证，用以保护本地区的电磁环境。现在电子产品出口到美国和欧洲都必须通过电磁兼容试验，取得FCC或CE认证。

中国自2002年也开始实施3C认证，国内新的3C认证替代了原来的CCIB和CCEE认证，“CCC”是我国强制性产品认证标志——China CompulsoryCertification的英文缩写，只有取得3C认证的产品才能进入国内市场。3C认证对机电、电器产品的安全性能、EMC等方面作了详细规定。从2003年5月1日起，列入第一批实施3C认证目录内的19类132种产品如未获得3C标志就不能出厂销售、进出口和在经营性活动中使用。

随着产品复杂性和密集度的提高以及设计周期的不断缩短，在设计周期的后期解决电磁兼容性(EMC)问题变得越来越不切合实际。新产品研发阶段，如果在功能设计的同时就进行EMC设计，到样板、样机完成即通过EMC测试，比起研发阶段不考虑EMC，等到发现EMC测试不合格才进行改进，非但技术上带来很大难度、而且返工必然带来费用和时间的大大浪费，甚至由于涉及到结构设计、印制电路板设计的缺陷，无法实施改进措施，导致产品不能及时上市。因此，在设计阶段初期就把EMC问题考虑完善，排除设备内部潜在的辐射干扰等不稳定因素，避免多次去EMC场地测量，从而可节省产品开发的费用和时间，提高效率。

随着通信技术的发展，电子器件的工作速度越来越高，由此引发的电磁兼容辐射发射问题更加严重。特别是数字电路的广泛应用以及运行频率越来越高，使得数字设备的辐射发射抑制愈来愈棘手。辐射发射测量是在电磁兼容试验的多项测试中很重要的一项。目前在产品EMC认证的所有项目之中，辐射发射测量是最难通过，问题也是最难解决的一项。

目前在电子设备EMC辐射发射超标后，通常的解决办法是在工艺结构方面对机架增加屏蔽措施，如采取导体带、网状屏蔽带、EMI密封垫、导电涂料等一系列的手段。采取这些措施后，许多情况下，电子设备的确是可以通过辐射发射测试，但这仅仅是“堵”的做法，并没有从根本上找出电磁辐射源，降低电子设备内已经存在的辐射发射指标。产生辐射发射的源头习惯上被称为电磁辐射源。如果能够找出电磁辐射源，在电子设备内部改进设计，采取一系列降低电磁辐射的措施，就可以大大减少工艺结构对屏蔽的要求。

产品的EMC辐射发射测试，是将机架放入EMC暗室后进行，测试后会得到一条“辐射电磁场强度-频率”曲线。从得出的曲线中，如果有频率点超出了EMC标准所允许的范围，产品的辐射发射测试没有通过，如果全部在EMC标准所允许的范围之内，产品的辐射发射测试顺利通过。

倘若产品没有通过EMC辐射发射测试，我们从测试结果中，往往只是看到有哪些频率点“超标”了，而这些频率的电磁辐射是从哪里出来的，往往是工程师们最不容易发现、最难解决的问题。即使产品通过了EMC辐射发射测试，如果在某些频率点辐射强度也比较大的话，也应该找出电磁辐射源，做改进措施。

在大型通讯设备中，产品往往是由一块以上的功能单元组成，机架内往往有许多不同类型的功能单元同时工作，功能单元与功能单元之间往往通过背板或直连电缆相互联系，然后被机壳或机架包围、固定，最后通过通讯电缆与上游或下游设备连接。

功能单元的辐射发射超标往往是引起电子设备辐射发射超标的主要原因。电磁辐射一般是由功能单元上的有源元器件产生，通过无源的元件或互连线向四周扩散，扩散方式有两种：有线方式和无线方式，前者称为传导发射，后者成为辐射发射。

在解决辐射发射问题时，最重要的一个问题是找出电磁辐射的源头。只有准确的将电磁辐射源定位后，才能够有效的提出解决辐射发射的措施。根据信号的频率来确定电磁辐射源是最简单的方法，因为在信号的所有特征中，频率特征是最稳定的，并且设计人员往往对电路中各个部位的信号频率都十分清楚。因此，只要知道了辐射发射超标点的频率，就可以分析与推测出电子设备内哪一部分功能单元内的器件辐射发射超标，然后，从机架中拔出被推测辐射发射超标的功能单元，换上假面板，再次进行辐射发射测试，通过对两次的测试结果进行比较，可以得出一定的结论。但是，在对机架的功能单元进行更换时，即使没有移动机架的位置，也会影响到机架内部的诸多参数发生变化，使得本次测试与上次测试的测试环境有所变化，使得对两次测试结果的可对比性下降。

在通讯设备的EMC辐射发射测试中，如果能够测量出通讯设备内每一个功能单元的辐射电磁场强度曲线，将有助于改进功能单元的设计。如果能够测量出功能单元内每一个器件的辐射电磁场强度曲线，将有助于对印制电路板(PCB)上布线方法与布线长度的设计。这样，解决通讯设备辐射发射的问题将分解到对每一个功能单元、每一个器件的处理，大大降低解决问题的难度。

在多数电子设备中，电磁辐射源一般是来自于印制电路板(PCB)上的晶体振荡器、时钟驱动器、锁相环、开关电源等，而时钟电路通常是最主要的电磁辐射源，尤其是高速时钟信号的奇次谐波(像3、5、7、9次)为主要部分。因此，实际应用中，为了简化测试的复杂度，不需要测得功能单元内全部器件的辐射电磁场强度曲线，只需要得到功能单元内某些关键器件(例如晶体振荡器、时钟驱动器等)的辐射电磁场强度曲线即可。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种对电子设备内的电磁辐射源测量的方法，能较容易查找和定位主要辐射源；还提了一种用于实现该方法的装置。

本发明中的电子设备内电磁辐射源的测量方法，包括以下步骤：

第一步，在电子设备中的所有器件正常工作的情况下，进行一次EMC辐射发射测试；

第二步，通过控制仅允许其中一个功能单元工作，进行一次EMC辐射发射测试，得到该功能单元所产生的辐射发射；

第三步，通过控制分别仅允许第二步中所述的功能单元中的一个器件工作，进行EMC辐射发射测试，分别得到该功能单元中的不同器件的辐射电磁场强度曲线；

第四步，用第二步和第三步方法，对每一个功能单元和每一个功能单元内的器件进行测试，直到对所有功能单元测试完毕；

第五步，分析数据。

上述方案适用于需要得到电子设备内全部电磁辐射源的“辐射电磁场强度-频率”曲线。如果测试的目的是查找主要辐射源的位置，则可以采用下述方案：

第一步，在电子设备中的所有器件正常工作的情况下，进行一次EMC辐射发射测试；

第二步，将电子设备中的所有功能单元分为若干组，通过控制仅允许其中某一组工作，进行一次EMC辐射发射测试，若待找的主要辐射源在该组中，转第三步，否则继续对其他组进行测试，直到找到含有主要辐射源的组；

第三步，在第二步确定的含有主要辐射源的功能单元组中，按第二步类似的方法，逐步缩小含有主要辐射源的功能单元范围，直到找到含有主要辐射源的功能单元；

第四步，将第三步找到的主要辐射单元中的器件分成若干组，按第二步和第三步类似的方法逐步缩小含有主要辐射源的器件范围，直到找到是主要辐射源的器件。

本发明中的测量电子设备内电磁辐射源的装置，包括控制界面单元、通讯接口单元、核心控制单元、供电控制单元、器件控制单元；

所述控制界面单元用于用户向核心控制单元发送指令和接收所述核心控制单元发送来的信息并向用户显示；可以是运行于计算机平台上的应用程序或为EMC测试所设计的操作面板。

所述通讯接口单元是控制界面单元与核心控制单元间的连接部分；可以是RS232或RS485接口。

所述核心控制单元，接收来自控制界面的指令，经过分析处理后，分别向供电控制单元与器件控制单元下达指令；同时监测当前电子设备内的状态，通过通讯接口给控制界面单元发送状态信息；可以用8031系列单片机实现。

所述供电控制单元，实现对电子设备内各功能单元的供电控制；

所述器件控制单元，实现对器件的工作状态进行控制。

与现有技术相比，利用本发明不但可以得到整个电子设备的辐射电磁场强度曲线，还可以对电子设备内的每一个功能模块，每一个潜在的电磁辐射源进行测量。在应用中，当电子设备的辐射发射超标时，还可以达到快速定位电磁辐射源的目的，可以节省EMC测试的时间和费用，提高产品的开发速度与质量等。

附图说明

图1是本发明中电磁辐射源测量装置的框图；

图2是本发明装置中的核心控制单元工作的流程图；

图3是本发明中的电子设备辐射发射测试方案之一的流程图。

具体实施方式

本发明所述的电磁辐射源测量装置其主要构思是在电子设备内增加一小部分电路，在用户的指令下，实现对电子设备内的每一个功能模块的工作进行控制，对每一个功能模块内的每一个潜在的电磁辐射源进行测量。对功能模块工作的控制是通过对功能单元供电控制实现的。对每一个潜在的电磁辐射源控制，是通过对器件的控制引脚实现。

如图1，电磁辐射源测量装置包括以下模块：控制界面单元、通讯接口单元、核心控制单元、供电控制单元、器件控制单元。使用时，用户利用控制界面，通过通讯接口向核心控制单元下达指令，实现供电控制与器件控制。

控制界面单元101，是用户与电磁辐射源测量装置的接口部分，控制界面单元可以是运行于计算机平台上的应用程序，也可以是为EMC测试所设计的操作面板。考虑到计算机的大量普及，最好使用计算机作为控制手段。控制界面单元它向用户提供一个控制手段，实现用户通过控制界面向电磁辐射源测量装置发送指令，核心控制单元接收指令后，对供电控制单元和器件控制单元进行设置。同时，控制界面接收到由核心控制单元发送来的信息并向用户显示。

通讯接口单元102是电磁辐射源测量装置中控制界面单元与核心控制单元间的连接部分，它负责传输控制界面单元与核心控制单元之间的指令与信息。在设计通讯接口单元时，同时应考虑控制界面与核心控制单元之间的通讯协议。接口单元的复杂度应该比较低，成本应该比较便宜，又因为EMC暗室中被测设备与控制台之间的距离一般不超过15m，所以，最好采用串行通讯实现。串行通信口采用标准的RS232或者RS485方式。信息传输方式可以选为异步串行接口方式，起始位1位，数据位8位，停止位1位，有或无校验位。数据传输速率根据需求在1200、2400、4800、9600bps中选择。

采用的协议基本格式定义为：

SOI ADDRESS COMMAND DATA CHKSUM EOI

SOI为起始位标志(Start Of Information)，标志着消息体的开始。

ADDRESS为操作对象的地址，若在同一个电子设备内设计两组核心控制单元，此时，可以通过地址来区分。

COMMAND为指令类型，一般分为供电控制指令，器件控制指令，获取当前状态指令等。

DATA为指令体的内容。

CHKSUM为校验和，用于信息传输过程中的差错控制。

EOI为结束位标志(End Of Information)，标志着消息体的结束。

核心控制单元103是电磁辐射源测量装置的主要部件，是电磁辐射源测量装置的控制中心。它接收到来自控制界面的指令后，经过解析，如果是供电控制与器件控制指令，便会将信息传送给供电控制单元与器件控制单元。如果是获取当前状态指令，核心控制单元将会把当前的状态发送给控制界面单元。由于此部分要完成计算、分析、控制等功能，因此推荐采用目前普遍应用的8031系列单片机来实现。根据拟定的通讯协议，编写运行于8031的应用程序。

控制界面与核心控制单元的通信为主从方式，控制界面呼叫核心控制单元并发送指令，核心控制单元收到命令后完成相应的设置并返回信息。若控制界面在一定时间内收不到核心控制单元的响应信息，应该认为本次通信过程失败

是供电控制单元104用来对电子设备内各功能单元的供电进行控制。大型通信设备一般都是-48V分布式电源系统，每一个功能单元都是由背板单独供电。每一块功能单元的电源接口上设计了由专用IC电路和功率MOS管构成的电子开关，通过这些开关可以灵活的对各功能单元进行供电控制。可以选择仅对某一功能单元或某些供电实现允许某一功能单元或某些功能单元工作。

器件控制单元105可以对器件的工作状态进行控制。对于功能单元上的可能产生发射的电磁辐射源，例如晶振、时钟驱动器等，器件本身一般都会有使能端。在测试时，完全可以通过器件控制单元，对这些器件的使能端进行控制，仅允许功能单元上的某一部分器件工作，测量当前工作状态下的EMC曲线，经过分析，可以得出器件的辐射发射指标。

如图2，核心控制单元的工作流程如下：

电子设备上电后，核心控制单元首先完成电磁辐射源测量装置初始化，使装置处于非EMC测试状态，此时核心控制单元工作在等待状态，供电控制单元对功能单元正常供电，器件控制单元不对器件进行任何控制，整个电子设备处于正常的工作模式。为了降低对整个电子设备的干扰，进入非EMC测试状态一定时间后，所有单元将会工作在“睡眠模式”下，此时仅有核心控制单元的部分电路工作，这样可以降低功耗，减少装置本身对电子设备的影响。

当核心控制单元接收到来自控制界面的指令后，核心控制单元首先分析指令的格式，如果是无效的指令或错误的指令，核心控制单元将会把接收到的指令丢弃，重新回到等待状态；如果是EMC测试指令，核心控制单元在区分出供电控制指令或是器件控制指令后，将分别对供电控制单元和器件控制单元进行设置，完成用户对EMC测试状态的设置。完成设置后，核心控制单元会向控制界面再次发送当前的控制状态，供用户了解发出指令后的完成情况以及电子设备内部的测试状态信息。发送完毕后，核心控制单元重新工作在等待状态。

图3给出了本发明中的电子设备的辐射发射测量方法之一的流程：

假设电子设备内各功能单元定义为F1、F2、…、Fn，每个功能单元上分别有D1、D2、…、Dm个可控器件。

第一步，对电磁辐射源测量装置不加任何设置，完成一次整个电子设备的EMC辐射发射测试；

第二步，仅允许功能单元F(i)(i＝1…n)工作，此时得到功能单元Fi所产生的辐射发射；如果全部功能单元已经测试结合，则转到第五步；

第三步，仅允许F(i)板内的器件D(j)(j＝1…m)工作，此时可以得到正在工作的器件D(j)的辐射电磁场强度曲线；

第四步，如果没有完成功能单元F(i)内的全部器件的检测，则j＝j+1，回到第三步，对下一个器件进行检测；如果已经完成功能单元F(i)内全部器件的检测，则i＝i+1，回到第二步，对下一个功能单元进行检测；

第五步，测试完毕，分析数据。

当完成以上所述的一个循环后，经过处理获得的辐射电磁场强度曲线，可以得出电子设备内各个电磁辐射源对电子设备的影响情况。如果需要某几个功能单元同时工作时的辐射电磁场强度曲线，也可以通过设置后获得。

如果测试的目的只是找到主要辐射源，测试方法可以是：

第一步，对电磁辐射源测量装置不加任何设置，完成一次整个电子设备的EMC辐射发射测试；

第二步，将功能单元F(i)(i＝1…n)分成若干组，如两组，先测试一组，若发现主要辐射源在该组中，可以进一步将该组中的功能单元再分成两组，对其中一组测试，看主要辐射源是否是该组中，通过这种逐步缩小范围的方法，可以最终找到含有主要辐射源的功能单元；

第三步，找到含有主要辐射源的功能单元后，将该功能单元中的器件分成若干组，如两组，采用上述第二步的方法，逐步缩小测试范围，最终可以找到主要辐射源。

事实上，上述电磁辐射源测量装置是在产品样机研发阶段起辅助作用，一旦电子设备设计定形后，完全可以从电子设备中移除本装置，进一步降低产品的成本，但设计时应考虑相应的可拆卸兼容设计。

Claims (6)

1、一种电子设备内电磁辐射源的测量方法，包括以下步骤：

第一步，在电子设备中的所有器件正常工作的情况下，进行一次EMC辐射发射测试；

第二步，通过控制仅允许其中一个功能单元工作，进行一次EMC辐射发射测试，得到该功能单元所产生的辐射发射；

第三步，通过控制分别仅允许第二步中所述的功能单元中的一个器件工作，进行EMC辐射发射测试，分别得到该功能单元中的不同器件的辐射电磁场强度曲线；

第四步，用第二步和第三步方法，对每一个功能单元进行测试，直到对所有功能单元测试完毕；

第五步，分析数据。

2、一种电子设备内电磁辐射源的测量方法，包括以下步骤：

第一步，在电子设备中的所有器件正常工作的情况下，进行一次EMC辐射发射测试；

第二步，将电子设备中的所有功能单元分为若干组，通过控制仅允许其中某一组工作，进行一次EMC辐射发射测试，若待找的主要辐射源在该组中，转第三步，否则继续对其他组进行测试，直到找到含有主要辐射源的组；

第三步，在第二步确定的含有主要辐射源的功能单元组中，按第二步类似的方法，逐步缩小含有主要辐射源的功能单元范围，直到找到含有主要辐射源的功能单元；

第四步，将第三步找到的主要辐射单元中的器件分成若干组，按第二步和第三步类似的方法逐步缩小含有主要辐射源的器件范围，直到找到是主要辐射源的器件。

3、一种测量电子设备内电磁辐射源的装置，包括控制界面单元、通讯接口单元、核心控制单元、供电控制单元、器件控制单元；

所述控制界面单元用于用户向核心控制单元发送指令和接收所述核心控制单元发送来的信息并向用户显示；

所述通讯接口单元是控制界面单元与核心控制单元间的连接部分；

所述核心控制单元，接收来自控制界面的指令，经过分析处理后，分别向供电控制单元与器件控制单元下达指令；同时监测当前电子设备内的状态，通过通讯接口给控制界面单元发送状态信息；

所述供电控制单元，实现对电子设备内各功能单元的供电控制；

所述器件控制单元，实现对器件的工作状态进行控制。

4、权利要求3所述的测量电子设备内电磁辐射源的装置，其特征在于，所述控制界面单元是运行于计算机平台上的应用程序或为EMC测试所设计的操作面板。

5、权利要求3所述的测量电子设备内电磁辐射源的装置，其特征在于，所述通讯接口单元，是RS232或RS485接口。

6、权利要求3所述的测量电子设备内电磁辐射源的装置，其特征在于，所述核心控制单元用8031系列单片机实现。

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