CN201397367Y - 电子设备的传导性电磁干扰噪声分析仪 - Google Patents

Abstract

一种电子设备的传导性电磁干扰噪声分析仪，由信号类型选择模块、放大倍数选择模块、滤波器、A/D采样模块、中心控制模块、存储模块、USB数据传输模块和供电模块组成，其中，信号类型选择模块由0°功率合成器、180°功率合成器和单刀三掷模拟开关组成，可以分别选择对差模噪声信号、共模噪声信号或总噪声信号进行采集；放大倍数选择模块由两个运算放大器和三个单刀双掷模拟开关组成，可选择放大倍数；滤波器用于滤除处理频率范围以外的信号；A/D采样模块用来进行A/D转换；中心控制模块由现场可编程逻辑器件FPGA组成。该分析仪不仅用来测量传导性电磁干扰噪声，而且可以与计算机配套并通过软件对传导性电磁干扰噪声进行分析，最终提出解决措施，建立一套EMI噪声智能分析系统。

Description

电子设备的传导性电磁干扰噪声分析仪

技术领域

本实用新型涉及电子设备的传导性电磁干扰噪声分析仪，该分析仪为传导性电磁干扰噪声的测试、分析和抑制提供前提基础，属于电磁干扰噪声的测试、分析设备技术领域。

背景技术

电磁干扰(Electromagnetic Interference简称EMI)，是指电磁波与电子元件作用后而产生的干扰现象，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响，在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。20世纪80年代兴起的电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility简称EMC)学科以研究和解决这一问题为宗旨，主要是研究和解决干扰的产生、传播、接收、抑制机理及其相应的测量和计量技术，并在此基础上根据技术经济最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干扰水平和抑制措施做出明确的规定，使处于同一电磁环境的设备都是兼容的，同时又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动。

对开关电源传导EMI噪声的测量大部分采用频谱分析议。其只能告诉该产品是否通过EMC标准，如果不能通过，它无法提供解决措施。传导性电磁干扰噪声分析仪主要是测量通过电源线的对外发出的传导性电磁干扰噪声，同时进行分离和分析，并建立起一整套的EMI噪声智能分析系统。对于解决电子设备设计中的电磁兼容性问题，保护设备安全和缩短产品开发周期、增强产品竞争力和节省研发经费及帮助企业通过3C认证方面具有重要意义。

发明内容

本实用新型目的是提供一种电子设备的传导性电磁干扰噪声分析仪，该分析仪不仅用来测量传导性电磁干扰噪声，而且可以与计算机配套并通过软件对传导性电磁干扰噪声进行分析，最终提出解决措施，建立一套EMI噪声智能分析系统。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种电子设备的传导性电磁干扰噪声分析仪，其特征在于：由信号类型选择模块、放大倍数选择模块、滤波器、A/D采样模块、中心控制模块、存储模块、USB数据传输模块和供电模块组成，其中：

信号类型选择模块由0°功率合成器、180°功率合成器和单刀三掷模拟开关组成，信号第一输入端分别与0°功率合成器和180°功率合成器的对应输入端相连，信号第二输入端分别与0°功率合成器和180°功率合成器的对应输入端相连，0°功率合成器的输出共模信号，180°功率合成器输出差模信号，信号第二输入端给出直通信号，单刀三掷模拟开关的第一静触点连接差模信号，第二静触点连接共模信号，第三静触点连接直通信号，单刀三掷模拟开关的动触点作为信号类型选择模块的输出端；

放大倍数选择模块由两个运算放大器和三个单刀双掷模拟开关组成，第一单刀双掷模拟开关和第三单刀双掷模拟开关的动触点中一个作为放大倍数选择模块的输入端，另一个作为放大倍数选择模块的输出端，第一单刀双掷模拟开关、第二单刀双掷模拟开关和第三单刀双掷模拟开关的第一静触点相连，第一单刀双掷模拟开关的第二静触点与第一运算放大器的输入端相连，第一运算放大器的输出端与第二单刀双掷模拟开关的第二静触点相连，第二单刀双掷模拟开关的动触点与第二运算放大器的输入端相连，第二运算放大器的输出端与第三单刀双掷模拟开关的第二静触点相连，放大倍数选择模块的输入端与信号类型选择模块的输出端相连；

滤波器由低通滤波器和高通滤波器串联组成，用于滤除处理频率范围以外的信号，滤波器的输入端与放大倍数选择模块的输出端相连；

A/D采样模块由A/D驱动芯片和A/D采样器组成，负责将模拟信号转为数字信号，A/D采样模块的输入端与滤波器的输出端相连；

中心控制模块由现场可编程逻辑器件FPGA组成，现场可编程逻辑器件FPGA具有输入端口和输出端口，其中，输入端口与A/D采样模块的输出端相连，输出端口对应连接单刀三掷模拟开关和三个单刀双掷模拟开关的控制端；

存储模块由RAM组成，RAM与现场可编程逻辑器件FPGA双向连接，用于缓存A/D采样的输出数据；

USB数据传输模块由USB接口芯片和USB接口组成，USB接口芯片与现场可编程逻辑器件FPGA双向连接，USB接口用于向计算机传输数据并接收计算机发送的命令。

本实用新型与计算机及软件配套使用后，可以实现电子设备传导性电磁干扰噪声诊断、分离、分析、抑制一体化。测试使用时，电子设备产生的传导噪声信号(该系统处理的信号频率范围为100kHz～30MHz)，经线阻抗稳定网络噪声诊断后，通过噪声分离网络分离，可以分别选择对差模噪声信号、共模噪声信号或总噪声信号进行采集，然后经A/D采样后通过USB接口送入计算机，最后对传导性噪声信号与EMC标准(可选：欧洲标准CISPR、美国标准FCC或中国标准GB)进行对比分析，并且可以选择对信号进行不同倍数的放大，采集信号的类型和放大倍数由计算机软件进行选择。若满足标准，则诊断合格，达标；否则，系统可以根据用户选择滤波器类型、滤波类型或余量选择，自动进行滤波器设计，给出滤波器设计结果；然后对EMI噪声抑制结果进行预测，给出电磁兼容解决方案，最后打印报告输出。

本实用新型与现有技术相比不仅可以测量传导EMI，而且可以对用户提供很多必要的服务。该软件系统不仅可以测量分析噪声，还可以进行相应EMI滤波器设计，并可预测噪声抑制结果，最终用户根据EMI噪声诊断报告，可对没有通过EMC标准的产品进行进一步的设计。

附图说明

附图1为电子设备的传导性电磁干扰噪声分析仪的系统原理框图；

附图2为电子设备的传导性电磁干扰噪声测试、分析系统图；

附图3为电子设备的传导性电磁干扰噪声分析仪EMI软件框架图；

附图4为电子设备的传导性电磁干扰噪声分析仪智能诊断分析系统界面；

附图5为噪声抑制结果预测图；

附图6为EMI滤波器自动设计界面图。

以上附图中：U1、信号类型选择模块；U2、A/D驱动芯片；U3、A/D采样器；U4、现场可编程逻辑器件FPGA；U5、RAM；U6、USB接口芯片；K1、单刀三掷模拟开关；K2、单刀双掷模拟开关；K3、单刀双掷模拟开关；K4、单刀双掷模拟开关；A1、运算放大器；A2、运算放大器；LP1、低通滤波器；HP1、高通滤波器；J1、输入接口；J2、USB接口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例：一种电子设备的传导性电磁干扰噪声分析仪

如图1所示，该分析仪由信号类型选择模块、放大倍数选择模块、滤波器、A/D采样模块、中心控制模块、存储模块、USB数据传输模块和供电模块组成，其中各模块内容如下：

(1)信号类型选择模块U1由0°功率合成器、180°功率合成器和单刀三掷模拟开关K1组成，其中0°功率合成器采用PSC-2-1芯片(美国Mini-Circuits公司生产)，180°功率合成器采用PSCJ-2-2芯片(美国Mini-Circuits公司生产)，单刀三掷模拟开关K1采用TS5A3357芯片。信号第一输入端V_L分别与PSC-2-1芯片和PSCJ-2-2芯片的5脚相连，信号第二输入端V_N分别与PSC-2-1芯片和PSCJ-2-2芯片的6脚相连，PSC-2-1芯片的1脚输出共模信号，PSCJ-2-2芯片的1脚输出差模信号，信号第二输入端V_N给出直通信号，单刀三掷模拟开关K1的第一静触点连接差模信号，第二静触点连接共模信号，第三静触点连接直通信号，单刀三掷模拟开关K1的动触点作为信号类型选择模块的输出端。

(2)放大倍数选择模块由两个运算放大器A1、A2和三个单刀双掷模拟开关K2、K3、K4组成，其作用是完成信号放大，并通过模拟开关选择0dB、20dB或40dB的放大倍数(也可以根据需要改变放大倍数的数值)。该模块的第一单刀双掷模拟开关K2和第三单刀双掷模拟开关K4的动触点中一个作为放大倍数选择模块的输入端，另一个作为放大倍数选择模块的输出端，第一单刀双掷模拟开关K2、第二单刀双掷模拟开关K3和第三单刀双掷模拟开关K4的第一静触点相连，第一单刀双掷模拟开关K2的第二静触点与第一运算放大器A1的输入端相连，第一运算放大器A1的输出端与第二单刀双掷模拟开关K3的第二静触点相连，第二单刀双掷模拟开关K3的动触点与第二运算放大器A2的输入端相连，第二运算放大器A2的输出端与第三单刀双掷模拟开关K4的第二静触点相连，放大倍数选择模块的输入端与信号类型选择模块的输出端相连。两个运算放大器A1、A2均采用THS4271芯片，三个单刀双掷模拟开关K2、K3、K4均采用TS5A63157芯片。

(3)滤波器由低通滤波器LP1和高通滤波器HP1串联组成，用于滤除处理频率范围以外的信号(该系统处理的信号频率范围为100kHz～30MHz)，低通滤波器LP1和高通滤波器HP1可以由分立电容和分立电感构成，滤波器的输入端与放大倍数选择模块的输出端相连。

(4)A/D采样模块由A/D驱动芯片U2和A/D采样器U3组成，负责将模拟信号转为数字信号。A/D驱动芯片U2采用AD8138芯片，A/D采样器U3采用AD9283BRS芯片，其中AD8138芯片的4脚与AD9283BRS芯片的7脚相连，AD8138芯片的5脚与AD9283BRS芯片的6脚相连，AD8138芯片的8脚作为A/D采样模块的输入端与滤波器的输出端相连。

(5)中心控制模块由现场可编程逻辑器件FPGA U4组成，负责控制信号类型、放大倍数的选择，并控制采样、数据存储及传输。现场可编程逻辑器件FPGA U4具有输入端口和输出端口，其中，输入端口与A/D采样模块的输出端相连，输出端口对应连接单刀三掷模拟开关K1和三个单刀双掷模拟开关K2、K3、K4的控制端。所述现场可编程逻辑器件FPGA U4采用EP1C3T144C8芯片。

(6)存储模块由RAM U5组成，RAM U5与现场可编程逻辑器件FPGAU4双向连接，用于缓存A/D采样的输出数据。RAM U5采用IDT70V9169芯片。

(7)USB数据传输模块由USB接口芯片U6和USB接口J2组成，USB接口芯片U6采用CY7C68013芯片。CY7C68013芯片通过25-32脚，36-38脚，40-47脚，8-9脚(图中未画出)与现场可编程逻辑器件FPGA U4双向连接，USB接口J2的2脚与CY7C68013芯片的16脚相连，USB接口J2的3脚与CY7C68013芯片的15脚相连，USB接口J2用于向计算机传输数据并接收计算机发送的命令。

(8)供电模块给整个系统供电，其中运算放大器A1、A2和A/D驱动芯片U2均使用±5V双电源供电；A/D采样器U3使用3.3V供电；单刀三掷模拟开关K1和三个单刀双掷模拟开关K2、K3、K4均使用3.3V供电。

如图2所示，在应用中，本实施例与计算机及软件构成电子设备的传导性电磁干扰噪声测试、分析系统。系统对送入的模拟信号通过信号类型选择模块U1变为差模和共模信号。单刀三掷模拟开关K1从差模信号、共模信号和直通信号中进行三选一，三个单刀双掷模拟开关K2、K3、K4用于选择信号的放大倍数。K1～K4均由计算机软件控制，计算机将选通信号通过USB接口J2送至本实施例分析仪(采集系统)。分析仪利用USB控制芯片中集成的单片机处理选通信号，并将处理结果送给FPGA，由FPGA控制K1～K4。不用USB控制芯片直接控制K1～K4是因为USB控制芯片的端口数量不足。放大后的模拟信号先进行30MHz低通滤波，再经过100kHz的高通滤波器，去除50Hz的工频干扰。此后，模拟信号经过A/D驱动变成差分信号，然后进行A/D采样，采样后的信号由FPGA控制先存入RAM。最后，RAM中的数据经USB接口送入计算机。计算机通过对接收到的数据进行分析，显示出电子设备传导干扰噪声分析结果。

在系统初始化时，将信号放大倍数设成“0dB”。各种放大倍数时，K2，K3，K4的状态，如下表1：

表1不同放大倍数时，模拟开关K2、K3、K4状态设置

本发明电子设备的传导性电磁干扰噪声分析仪系统软件部分是基于传导性EMI噪声智能测试仪硬件设计的，商用电源输入到线阻抗稳定网络，将提取的噪声输入到共模/差模分离网络对噪声加以分离，得到共模噪声与差模噪声，再进行滤波、放大、A/D转换等处理，最后输入到计算机中，利用软件系统进行噪声分析处理。从图3软件框架图可看出，该软件系统共有六个主功能：噪声测量与分析、EMI滤波器设计、噪声抑制结果预测、EMI噪声诊断报告、帮助、退出系统。具体智能诊断分析系统界面，图4。

实际应用中被测设备以科日开关电源为例，基于本实用新型进行测试，在开关电源正常工作时，EMI总噪声测试结果如图5所示，抑制前噪声与电磁兼容美国FCC标准对比，明显在15MHz之前超标，根据超标量自动设计EMI滤波器(见图6)，实现EMI调试与EMI元件的选择：差模(X电容，差模线圈)；共模(共模线圈，Y电容)，见图5中抑制后噪声，可以明显看出总噪声被抑制，满足美国FCC标准要求。

通过实际应用可以看出，本实用新型传导性EMI噪声分析仪通过对噪声的提取、处理、然后输入到软件系统中，进行噪声诊断、分析，可得出有效的噪声抑制措施，具有设计最有效的EMI滤波器及其元件选择的能力，通过使用最适合的元件对已经完成的产品进行重新设计以便最优化其性能指标，为当前电子产品的设计提供了有效的参考，在生产线上分析电源线的噪声，以满足EMC国际标准。EMI测试软件配合EMI分析仪，经USB接口将采集信号输入到计算机，进行可视化操作和分析，实现对传导性EMI的共模、差模、总噪声的频谱特性分析。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种电子设备的传导性电磁干扰噪声分析仪，其特征在于：由信号类型选择模块、放大倍数选择模块、滤波器、A/D采样模块、中心控制模块、存储模块、USB数据传输模块和供电模块组成，其中：

信号类型选择模块由0°功率合成器、180°功率合成器和单刀三掷模拟开关(K1)组成，信号第一输入端(V_L)分别与0°功率合成器和180°功率合成器的对应输入端相连，信号第二输入端(V_N)分别与0°功率合成器和180°功率合成器的对应输入端相连，0°功率合成器的输出共模信号，180°功率合成器输出差模信号，信号第二输入端(V_N)给出直通信号，单刀三掷模拟开关(K1)的第一静触点连接差模信号，第二静触点连接共模信号，第三静触点连接直通信号，单刀三掷模拟开关(K1)的动触点作为信号类型选择模块的输出端；

放大倍数选择模块由两个运算放大器(A1、A2)和三个单刀双掷模拟开关(K2、K3、K4)组成，第一单刀双掷模拟开关(K2)和第三单刀双掷模拟开关(K4)的动触点中一个作为放大倍数选择模块的输入端，另一个作为放大倍数选择模块的输出端，第一单刀双掷模拟开关(K2)、第二单刀双掷模拟开关(K3)和第三单刀双掷模拟开关(K4)的第一静触点相连，第一单刀双掷模拟开关(K2)的第二静触点与第一运算放大器(A1)的输入端相连，第一运算放大器(A1)的输出端与第二单刀双掷模拟开关(K3)的第二静触点相连，第二单刀双掷模拟开关(K3)的动触点与第二运算放大器(A2)的输入端相连，第二运算放大器(A2)的输出端与第三单刀双掷模拟开关(K4)的第二静触点相连，放大倍数选择模块的输入端与信号类型选择模块的输出端相连；

滤波器由低通滤波器(LP1)和高通滤波器(HP1)串联组成，用于滤除处理频率范围以外的信号，滤波器的输入端与放大倍数选择模块的输出端相连；

A/D采样模块由A/D驱动芯片(U2)和A/D采样器(U3)组成，负责将模拟信号转为数字信号，A/D采样模块的输入端与滤波器的输出端相连；

中心控制模块由现场可编程逻辑器件FPGA(U4)组成，现场可编程逻辑器件FPGA(U4)具有输入端口和输出端口，其中，输入端口与A/D采样模块的输出端相连，输出端口对应连接单刀三掷模拟开关(K1)和三个单刀双掷模拟开关(K2、K3、K4)的控制端；

存储模块由RAM(U5)组成，RAM(U5)与现场可编程逻辑器件FPGA(U4)双向连接，用于缓存A/D采样的输出数据；

USB数据传输模块由USB接口芯片(U6)和USB接口(J2)组成，USB接口芯片(U6)与现场可编程逻辑器件FPGA(U4)双向连接，USB接口(J2)用于向计算机传输数据并接收计算机发送的命令。

2、根据权利要求1所述的分析仪，其特征在于：所述射频功分器采用PSC-2-1芯片，射频功合器采用PSCJ-2-2芯片，单刀三掷模拟开关(K1)采用TS5A3357芯片。

3、根据权利要求1所述的分析仪，其特征在于：所述两个运算放大器(A1、A2)均采用THS4271芯片，三个单刀双掷模拟开关(K2、K3、K4)均采用TS5A63157芯片。

4、根据权利要求1所述的分析仪，其特征在于：所述A/D驱动芯片(U2)采用AD8138芯片，A/D采样器(U3)采用AD9283BRS芯片。

5、根据权利要求1所述的分析仪，其特征在于：所述现场可编程逻辑器件FPGA(U4)采用EP1C3T144C8芯片。

6、根据权利要求1所述的分析仪，其特征在于：所述RAM(U5)采用IDT70V9169芯片。

7、根据权利要求1所述的分析仪，其特征在于：所述USB接口芯片(U6)采用CY7C68013芯片。

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