小型电磁兼容敏感度(EMS)自动测试系统的设计

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摘要：本文介绍电磁兼容敏感度自动测试系统组成、工作原理和设计方法，叙述了硬件配置、系统控制、数据采集处理等软件设计。其中较详细地介绍了光纤式场强数据采集部分的设计。 9 R! B" t0 B4 `9 S$ I 　１　前言 " O% s( S# J$ R3 S, q　电子电气或系统受电磁干扰的影响而出现性能劣化和不希望有的响应称为设备或系统对电磁干扰的敏感，所谓电磁辐射敏感度是对引起设备或系统的性能劣化或非期望响应的辐射干扰电平的一种度量。它表示设备或系统的性能对辐射电磁干扰的敏感程度。敏感度门限是指被试品呈现出最小可识别、性能劣化或非期望响应时的干扰电平，它表示致使设备／系统不能正常工作的监界干扰电平。辐射敏感度测试系统就是对设备或系统进行电磁辐射干扰试验，从而测量出设备或系统抗电磁辐射干扰的辐射敏感度门限值。 　２　电磁辐射敏感度自动测试系统的组成及工作原理 & x( s& c, |- Z/ g! ~9 a5 }3 y, A0 d 　电磁辐射敏感度自动测试系统主要由发射部分（调制源、扫源／合成信号源、功率放大器、耦合器、功率计、发射天线、GPIB卡） 、接收部分（光纤式场强测量探头、数据采集卡）和计算机等组成，自动测试系统的原理图如图一。 . C. T( J9 j  m2 _0 G" p0 Y　计算机控制合成信号源的频率和输出电平以及调制，信号经放大器放大后馈至天线发射，发射场由场强测量探头和数据采集卡测量并由计算机处理后，计算机根据场强大小调整信号源输出电平，使发射场达到某个期望值，自动测试系统可进行频率扫描和幅度扫描。 　 & T, E3 c, Z/ i- s　 5 q' k. ^: ~# W9 p　３　硬件设计：包括发射部分和接收部分 - W$ ?  l' I9 d 　１．发射部分：发射部分由发射源、调制源、功率放大器、定向耦合器、功率计、发射天线组成。由计算机（装有GPIB接口卡）控制，IEEE488总线接口。将调制的功率信号发射出去。 　发射源：可选用合成扫频源，由于有计算机控制，也可不用扫频源。如：HP83620A(10MHz～20GHz)；6060B(10kHz～1050MHz)等。 　功率放大器：可选用美国AR公司生产的功率放大器，频率范围从i0kHz～18GHz，可能要选用几台功率放大器，如果选用几台功率放大器，可用射频换开关进行波段转换。 3 V: K4 ^) G& a+ n  u2 c! `! z5 M5 Q 2 K6 l# |5 k. u9 v　定向耦合器：将发射功率耦合给功率计以监视发射功率大小。 $ h9 r6 y6 M. X: `2 f1 J  l 8 D  E+ Z2 ]7 n7 v% {) z% |% o　功率计：选用大功率计测量入射功率，选用带高灵敏度探头的功率计测反射功率，也可不测反射功率，只测入射功率来定性监视发射功率。 7 e; M& p; |$ L* d& O　发射天线：可供选择的人：环天线，双锥天线，锥形对数螺旋天线，对数周期天线，喇叭天线，根据不同的频率和要求选用不同的天线。 : t; M! P( A3 M8 s/ Z% X/ W+ h 　２．接收部分：测量某个位置的场强信号并传输给计算机进行处理。它主要由场强传感器（探头）、光纤、光电转换器、数据采集卡、计算机组成。 ! T2 Y  `- Z/ W+ Y/ k' T0 o: Y( i 　场强传感器：由小天线振子和晶体检波器、滤波器、平衡一不平衡转换器、V-F转换器和电光转换器组成，不同频段场强传感器的要求不一样。图二为场强传感器原理图 　 　[size=+0]　 ( p0 x4 G; o) `9 [　 　电光（光电）转换器：将电信号转换成光信号由光纤传输到计算机，计算机里的光电转换器再将光信号转换成电信号。 0 |+ Q; W' |" K& [& u　光纤传输的调制信号一般为的1Hz～1MHz的信号，因此须将直流转变为交流，而且交流信号的频经随直流人号的大小变化而变化，采用电压／频率（V-F）转换器。 % S" y% P& R4 O) z3 \* l 　LM331型V-F转换器是一种简单廉价的V-F（F-A）转换器，它具有很高的精度—温度特性，适用于低电源电压的数字系统，具有良好的共模抑制能力，最大线性度为0.01%，具有很好的兼容性，功耗小，典型值为15mW(5v)，满量程频率范围为1Hz～100kHz，输出频率严格地正比于输入电压，f0=(R3Vin)/(2.09RLCtRt)。f-V转换响应较慢，V0=2.09fmRlCtRt/R3，非线性度为0.06%。图三为LM３３１实现V-F和F-A转换接线图。 　 　[size=+0]　   L3 Z( W$ m* m+ g' m& S# m　 # E8 B1 U; J) O9 B- X7 ?9 U$ h　D650实现的V-F（F-V）转换器最高频率可达1MHz可靠性高，线性度好，最大为0.07%（1MHz），CMOS和TTL电平兼容，可实现单极、双极、差分F-V转换Ωσ，其接线图如图四，其中，Rin和Cos是设置满度频率和调节输入信号范围的两个参数，它们影响V-F转换的线性度，一般Cos和Rin较大时，其线性度较高，输出频度为fo=0.15kVin(Rin(Cos+4.4pF)，当输入电压为0-10V时，Rin=100KΩ，Cin＝1000pF，Ｃin对频率输出无效，仅决定积分输出锯齿波的振幅。当V20gic=5v时，R2=650Ω。图四（a）输出最大频率为100kHz，输入电压为-5～5Ｖ，双极性。 　 　[size=+0]　 　 　光电转换器：光电转换器将电信号转换为光信号或将光信号转换为电信号。光信号用光号纤维进行传输，具有很强的抗干扰能力光电转换器分发送器和接收器，发送器和接收器之间利用光纤传输，发送器由调制器，淘汰抄光耦合器组成；接收器由光耦合器，光电探测器和解调器组成，这里应用的是BURR　BROWN公司的光纤发送器FOT110和光纤接收器FOR110，FOT110和FOR110及光纤组成的通信接口，可传输数字信号的模拟信号，其电原理如下图五。 , ^3 L, S2 M0 R" f7 S　 2 W. n1 x: m4 u' s　[size=+0]　 　 8 I' q/ L& i- Y  H1 d6 |　FOT110和FOR110传输模拟信号为10Hz-1MHz的音频到高频信号，输入电夺在1.1Vpp时可达成100%调制，调节Rp可改变流过发光管的电流和输出功率。　　FOT110发送器传输速率在1-2MB/S，驱动电流在100mA左右，若使用红外型发送器，发送速度略低一些，但驱动电流要小得多。 　数据采集卡：它是基于微机扩展总线设计的12位A/D转换卡。可配接286、386、486、586计算机，卡上有12位A/D转换器，多通道（这里设计是8通道）控制器，另有多路数字量输出，这些数字量可进行多种控制或扩展。图六为数据采集卡电原理图。 　 2 P2 ?3 y7 m% t: g/ u　[size=+0]　 　 , k. _0 g; |( K3 H5 l' y1 s　A/D转换卡测量范围从0.1mV-12V其中4-12Ｖ范围衰减三倍。这里A/D转换器选择ICL7109，它是一种高精度，低噪声、低漂移，低价格的双积分式12位A/D转换器，它对工频干扰的抗干扰能力很强，量程控制容易。其内部有数据锁存器和输出寄存器，可以很方便地和微机总线接口，另外，ICL7109的数据输出模式中，还有一位极性位（POL）和一位溢出位（OR），极性位用于判断输入信号的极性，溢出位判别输入信号是否过量程。数据采集卡电线路图如图六 　由于8255的Pc口具有位控制功能，所以数据采集卡上8255芯片的Pc口用于控制模拟电子开关、数据低8位输出、高4位输出、ICL7109Ｒ　409.6mV和4096mV量程的转换。 0 p( d: a2 Z! r% z 　A/D转换12位数据线和POL线及OR线共用8根低8位数据线接8255的PA口，PB口用于扩展，8255的 ' z' o* p4 |3 I8 r. b6 y　 0 J3 [. t. t; m4 s　[size=+0]　 　 * n5 g4 l: ?  @3 k6 v( A( ^　分别接微机扩展部线的A0、A1、A8、IOR、LOW、PRSET，8255数据口接扩展总线的数据线，接口卡上电源±12V和±5V均由微机总线提供。接口卡设置8个开关（K1k2k3k4k5k6k7k8） 分别对应地址线 A2、A3、A4、A5、A6、A7、A9，这里设置A8=1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A9为零，则卡地址为0100H。 " A  i7 t) ?, X　 　４　软件设计 $ R: W# C- T; z1 t　软件设计采用BASIC和FOXBASE混和语音编程（如果GP-IB卡适用于VB，可用VB语言编程）。 ) W- M7 S% k& z* _" }1 x: |3 f 　软件设计包括主菜单、二级菜单、发射部分、接收部分、数据处理和反馈调整等。主菜单和二级菜单设计用FOXBASE语言，便于建立各种参数数据库。软件框图如图七。 　 　[size=+0]　 1 B! V! L3 v" \0 z* F　 7 |3 t9 m  S" n　主菜单：包括界面设计，测试方式选择（场强计方式、手动和自动测试、单频／扫频测试、显示／打印数据）等。 # S" b% V! L  j( ~9 H　选择测试方式后，进入二级菜单，二级菜单包括发射频率，扫频间隔（或扫频点数）以及发射场大小等参数的设置。确定好各种参数后，发射部分根据这些参数用BASIC编程。 7 W- W7 `) ^  [! y: n+ s 　接收部分：包括初始化数据采集卡，通道选择，数据采集以及数据处理结果反馈给发射部份，发射部分根据反馈结果调整发射功率或发射频率从而达到预期的场强值。 0 ?$ n7 I# C0 [9 \ / @) [8 O0 a  P3 y, }　这里主要介绍数据采休和数据处理的程序设计，其流程图如下： 　 $ f  H0 a2 J& J5 @8 K" h* e　[size=+0]　 % q: m8 U9 _) ~' u7 G" I　 7 r2 z! B7 A! x5 H( r. c/ P) s　数据处理程序是将采集到的数据根据已校准好的检波曲线转化成对应的场强值，采用曲线拟合法，检波曲线在0-10mV时按平方律变化，在10mV-12v分成不同的电压范围按直线变化。因此用下面曲线来拟合 4 ?7 ]/ [# _6 q$ z9 f　   w/ U2 q5 u9 Z7 P　　V:0～9.9mV 　　 　　E=k1.v2+b1 # n3 n$ h" f9 k3 ^* H9 |" u　　10～19.9mV　　　　　E=K2.V+b2 　　20～49.9mV　　　　　E=K3.V+b3　　　　　　　　　　　　　　　　 * A4 \: i$ {; j2 X　　50～99.9mV　　　　　E=k4.v+b4 　　100～199.9mV　　　　E=K5.V+b5 : N# k8 N& ]* r　　200～409.6mV　　　　E=K6.V+b6 　　409～999mV　　　　　E=k7.v+b7 5 P" x8 V/ F+ i: W) m5 D' ^7 B8 m& w/ K　　1000～4096　　　　　E=k8.v+b8 ( h. q" H: l& x% A" ^　　4000～12000mV　　 　E=k9.v+b9 ! \" h2 G. D& [  [ 　式中E为场强值，V为感应信号检波滤波后的直流电压，Ki和bi为检波常数，由校准确定。根据不同的典线编程就可将采集的电压转换成对应的场强值。由于篇幅的限制，这里程序清单不再列出。 + z' f" v5 s0 z; @" V: h ! R+ O$ z6 G7 b' H2 {: J  h, A　５　小结 　电磁辐射敏感度自动测式系统发射部分和接收部分均可单独使用，接收部分单独使用时就是一个光纤式电脑场强测量系统，频率范围为10kHz～18GHz，动态范围为1～2000V/m，可携带多个探头，准确度高达±0.5dB，可实现自动测量、储存、打印、数据分析、处理，测量速度快。 　本系统造价比进口的EMS（电磁辐射敏感度）测试系统要小得多，而且准确度和灵敏度高，可满足军标和民标的辐射敏感度试验要求。 ! @# N% s0 Z: ]6 R! D8 u6 Y3 N6 Z