低頻抗擾度信號(hào)發(fā)生器的研制

周競(jìng)恒 葉志武

（廣東省江門(mén)市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東江門(mén) 529000）

在工業(yè)或居家環(huán)境中，公共的網(wǎng)絡(luò)相連設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很多連續(xù)或瞬態(tài)低頻干擾信號(hào)，范圍在DC 到300 kHz 內(nèi)，通過(guò)連接線(xiàn)纜或空間傳遞到智能電器、車(chē)輛及零部件等電子電器產(chǎn)品，干擾其正常工作，從而導(dǎo)致設(shè)備失穩(wěn)、失控，甚至損壞。因此，對(duì)電子電器產(chǎn)品進(jìn)行干擾度檢測(cè)非常必要。

目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有針對(duì)智能電器、車(chē)輛及零部件等在DC～300 kHz 范圍內(nèi)的低頻復(fù)雜環(huán)境信號(hào)發(fā)生器；國(guó)外提供低頻復(fù)雜環(huán)境信號(hào)發(fā)生器的廠家主要有TESEQ、EM TEST、EMC PARTNER 等，產(chǎn)品主要有以下特點(diǎn)：TESEQ 只有符合GB/T 17626.16《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 0 Hz～150 kHz共模傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)》[1]標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，其它標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品目前沒(méi)有涉及，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)覆蓋性不夠全面；EM TEST 產(chǎn)品市場(chǎng)占有率高，性能穩(wěn)定，但產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)覆蓋性不夠齊全，產(chǎn)品價(jià)格比較昂貴；EMC PARTNER 產(chǎn)品可以瞬態(tài)發(fā)生器上擴(kuò)展，產(chǎn)品集成度高，但市場(chǎng)占有率低，不能覆蓋電表、智能馬桶等產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求。因此，根據(jù)檢測(cè)平臺(tái)能力建設(shè)和相關(guān)行業(yè)科研需要，研發(fā)一款符合標(biāo)準(zhǔn)的智能儀表，提高國(guó)內(nèi)智能電器、車(chē)輛及零部件等行業(yè)檢測(cè)自給能力，從而縮短投入周期，降低設(shè)備投入成本。

1 儀器設(shè)計(jì)

低頻復(fù)雜環(huán)境信號(hào)發(fā)生器是通過(guò)任意波形發(fā)生器模擬供電系統(tǒng)DC～300 kHz 范圍內(nèi)的各種連續(xù)或瞬態(tài)噪聲，經(jīng)功率放大器將信號(hào)進(jìn)行放大，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的信號(hào)強(qiáng)度，并通過(guò)變壓器注入干擾電壓或?qū)拵Лh(huán)天線(xiàn)轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)被測(cè)試設(shè)備抗低頻干擾能力。

該儀器設(shè)計(jì)難點(diǎn)需要解決寬頻帶功率放大器，并且放大器的線(xiàn)性要求非常高，這樣才可以確保信號(hào)輸出的精度，該儀器信號(hào)輸出精度需要達(dá)到0.5%。本設(shè)計(jì)首先需要研發(fā)1 Hz～300 kHz 寬頻放大器、可編程電源、輸出控制單元等硬件；通過(guò)嵌入式軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出兼容Lunix 或Windows的自動(dòng)測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)集成多種低頻抗擾度測(cè)試于一體的一款設(shè)備，其主要有以下特點(diǎn)：（1）信號(hào)頻率DC～300 kHz；（2）電壓或電流輸出，電壓幅度≤300 V（AC 和DC），電流幅度≤16 A（持續(xù)）；（3）支持工頻磁場(chǎng)、低頻磁場(chǎng)、低頻傳導(dǎo)抗擾度三大類(lèi)型的民用、軍用、汽車(chē)、航空標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

儀器與外界連接關(guān)系如圖1 所示。低頻干擾發(fā)生器儀器中的工控機(jī)扮演測(cè)試主控角色。除了本儀器（低頻干擾發(fā)生器）以外，對(duì)于不同測(cè)試，可能會(huì)有其他一個(gè)或兩個(gè)儀器（萬(wàn)用表、示波器、頻譜儀）通過(guò)儀器后面板上的通信接口（USBA、LAN、RS232）與工控機(jī)連接并受控進(jìn)行參數(shù)測(cè)量（有些測(cè)試可選使用內(nèi)部測(cè)量或者外部?jī)x器測(cè)量，有些是必須要外部?jī)x器測(cè)量）。專(zhuān)用的遠(yuǎn)程LAN 口可連接其他電腦，通過(guò)Web 頁(yè)面或者應(yīng)用程序遠(yuǎn)程控制儀器工作。

圖1 儀器與外界連接關(guān)系

2 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 工頻磁場(chǎng)測(cè)試

工頻磁場(chǎng)發(fā)生器通過(guò)給線(xiàn)圈通電源頻率的交流或直流電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，其電路原理如圖2 所示，由可調(diào)壓或調(diào)流的電源產(chǎn)生所需頻率的電源，然后通過(guò)變壓器降壓升流，最后輸出到線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。

圖2 工頻磁場(chǎng)發(fā)生器原理

磁場(chǎng)和電流的關(guān)系是H=Fcoil×I（其中H 是磁場(chǎng)強(qiáng)度，F(xiàn)coil 是線(xiàn)圈因子，I 為線(xiàn)圈中的電流）?？紤]源和線(xiàn)圈中間有n:1 變壓器，則有H=Fcoil×nI。發(fā)生器工作時(shí)，通過(guò)設(shè)定的H、Fcoil、n 來(lái)計(jì)算電流I，則輸出計(jì)算的電流值即對(duì)應(yīng)產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2.2 DC～300 kHz 低頻傳導(dǎo)測(cè)試

低頻傳導(dǎo)測(cè)試基本電路模型如圖3 所示，試驗(yàn)中將產(chǎn)生的低頻干擾信號(hào)通過(guò)耦合網(wǎng)絡(luò)注入被測(cè)件的電源、地線(xiàn)、通信端口或殼體等位置，耦合網(wǎng)絡(luò)有阻容耦合、線(xiàn)纜感性耦合、變壓器耦合幾種方式。通?？梢栽诒粶y(cè)端測(cè)量注入的信號(hào)電壓和電流大小。

圖3 低頻傳導(dǎo)測(cè)試基本電路模型

注入方式分為共模和差模兩種。不同標(biāo)準(zhǔn)按測(cè)試等級(jí)標(biāo)定參數(shù)類(lèi)型可分為電壓注入和電流注入。電壓標(biāo)定類(lèi)型中，一部分測(cè)試標(biāo)定對(duì)象為源開(kāi)路輸出電壓（圖中的Uo）或者定義耦合網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓（圖中的Un，即將耦合網(wǎng)絡(luò)和源看作整體源），因此此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)（民標(biāo)差模和共模）測(cè)試時(shí)不需要進(jìn)行校準(zhǔn)；另一類(lèi)測(cè)試標(biāo)定被測(cè)件線(xiàn)路電壓UL或IL，此類(lèi)測(cè)試（軍車(chē)航標(biāo)）需要進(jìn)行校準(zhǔn)或者采用閉環(huán)調(diào)整方式。電流注入型測(cè)試均為閉環(huán)調(diào)整方式，軍車(chē)航標(biāo)電源測(cè)試均使用變壓器耦合注入，軍車(chē)航標(biāo)信號(hào)線(xiàn)測(cè)試均使用線(xiàn)纜耦合注入。

2.3 DC～150 kHz 低頻磁場(chǎng)測(cè)試

低頻磁場(chǎng)發(fā)生基本電路模型如圖4 所示，由電壓源Ui產(chǎn)生正弦波干擾電壓，經(jīng)過(guò)合適的內(nèi)阻Zi，輸出到發(fā)射線(xiàn)圈UL,磁場(chǎng)傳感器將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出給傳感器電壓測(cè)量單元，測(cè)得電壓，經(jīng)計(jì)算確認(rèn)是否達(dá)到目標(biāo)值，如果沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)值繼續(xù)調(diào)整電壓源Ui，直到傳感器電壓測(cè)量裝置測(cè)得電壓計(jì)算結(jié)果達(dá)到目標(biāo)值，此時(shí)標(biāo)定目標(biāo)場(chǎng)強(qiáng)值時(shí)線(xiàn)路電流測(cè)量結(jié)果為測(cè)試發(fā)射目標(biāo)。裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)場(chǎng)強(qiáng)值和線(xiàn)圈因子的反比例關(guān)系，得到目標(biāo)電流值，當(dāng)線(xiàn)路電流測(cè)量到的電流與目標(biāo)電流一致時(shí)，則輸出場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到目標(biāo)場(chǎng)強(qiáng)。

圖4 低頻磁場(chǎng)發(fā)生基本電路模型

3 儀器結(jié)構(gòu)

儀器結(jié)構(gòu)如圖5 所示。系統(tǒng)主要由測(cè)試主機(jī)和可編程電源兩個(gè)儀器組成，其間通過(guò)串口線(xiàn)纜連接，電源輸出接入主機(jī)的電源輸入端。開(kāi)關(guān)板完成信號(hào)輸入通道（來(lái)自電源或者功放）以及輸出通道（香蕉頭或同軸頭）的選擇，同時(shí)實(shí)現(xiàn)us開(kāi)關(guān)功能。函數(shù)發(fā)生板實(shí)現(xiàn)DDS 函數(shù)發(fā)生器功能。探頭板實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸入隔離及增益調(diào)整，兩路測(cè)量分別對(duì)線(xiàn)路電流及外部輸入的電壓進(jìn)行測(cè)量。主控板作為功放、開(kāi)關(guān)、電源、函數(shù)發(fā)生控制，通過(guò)串口與工控機(jī)相連。

圖5 儀器結(jié)構(gòu)圖

主控采用x86+Windows/Linux 平臺(tái)，成品固態(tài)繼電器開(kāi)關(guān)時(shí)間通常最快在100 us 級(jí)別，采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件；除us開(kāi)關(guān)外，其余通道切換均在信號(hào)輸出前，采用具有接觸電阻低、交直流可用、控制與信號(hào)隔離的優(yōu)勢(shì)的繼電器進(jìn)行通道切換；信號(hào)發(fā)生器采用ADI 的單片函數(shù)發(fā)生器，其具有片內(nèi)14 bit DDS發(fā)生器，另外帶有4096 bit 任意波發(fā)生器，輸出最高采樣率可達(dá)180 MSPS，片內(nèi)24 bit 分頻器在分辨率為0.01 Hz 時(shí)最高頻率為167.78 kHz，需要額外采取措施做頻率擴(kuò)展；功率放大器使用市售現(xiàn)有產(chǎn)品，需要拆除外殼，機(jī)械增益旋鈕用電調(diào)替代；程控電源采用定制方式，滿(mǎn)足頻率分辨率優(yōu)于0.1 Hz，精度優(yōu)于±0.2%，電流最大值不小于10 A，分辨率優(yōu)于0.01 A，精度優(yōu)于±0.5%設(shè)定值，承受沖擊電流倍數(shù)≥5，電壓：0 V～330 V，分辨率優(yōu)于0.1 V，精度優(yōu)于±1%設(shè)定值。

4 測(cè)試儀主機(jī)環(huán)境及安全

EMC 滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)IEC 61326-1:2020 Electrical equipment for measurement,control and laboratory use–EMC requirements–Part 1:General requirements[2]要求；安規(guī)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)IEC 61010-1-2011 This Test Report Form applies to IEC 61010-1 (Third Edition):2010[3]要求，震動(dòng)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068-2-6 Environmental testing-Part 2-6:Tests-Test Fc:Vibration (sinusoidal)[4]要求，沖擊滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068-2-27 Environmental testing -Part 2-27:Tests-Test Ea and guidance:Shock[5]要求，溫濕滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068-2-30 Environmental testing-Part 2-30:Tests-Test Db:Damp heat,cyclic (12 h+12 h cycle)[6]要求，外殼防護(hù)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)IEC 60529-2013 Degrees of protection provided by enclosures (IP Code)[7]要求。

5 工控機(jī)軟件功能

軟件由MCU 部分程序和工控機(jī)部分程序組成，MCU 部分程序負(fù)責(zé)將底層硬件控制轉(zhuǎn)換成串口SCPI 指令。工控機(jī)部分程序基于現(xiàn)有軟件底層，設(shè)計(jì)適合于觸屏的UI 實(shí)現(xiàn)。示波器控制使用廠家提供的SDK，其余控制通過(guò)SCPI 指令，頁(yè)面層級(jí)如圖6 所示。

圖6 頁(yè)面層級(jí)圖

軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器內(nèi)MCU、函數(shù)發(fā)生器、示波器的指令控制。

（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)外部指定型號(hào)的可編程電源的指令控制，以及可選的其他儀器的指令控制（方式與內(nèi)部?jī)x器類(lèi)似），支持SCPI 指令或其他需要的類(lèi)型指令。

（3）實(shí)現(xiàn)儀器界面操作，包括系統(tǒng)設(shè)置、測(cè)試參數(shù)設(shè)置、測(cè)試、文件操作。

（4）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程Web 服務(wù)器或應(yīng)用程序訪(fǎng)問(wèn)接口（LAN）。

6 結(jié)論

低頻抗擾度信號(hào)發(fā)生器的研制，可以提高自給檢測(cè)能力，縮短檢測(cè)能力建設(shè)時(shí)間，降低檢測(cè)能力投入成本，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的監(jiān)管，更好地保障消費(fèi)者權(quán)益，指導(dǎo)智能電器、汽車(chē)零部件等行業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展。