電子設備的傳導性電磁幹擾噪聲分析儀的製作方法
2023-07-11 05:27:11 1
專利名稱：電子設備的傳導性電磁幹擾噪聲分析儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電子設備的傳導性電磁幹擾噪聲分析儀，該分析儀為傳導 性電磁幹擾噪聲的測試、分析和抑制提供前提基礎，屬於電磁幹擾噪聲的測試、 分析設備技術領域。
背景技術：
電石茲幹擾(Electromagnetic Interference筒稱EMI)，是指電》茲波與電子元 件作用後而產生的幹擾現象，有傳導幹擾和輻射幹擾兩種。傳導幹擾是指通過 導電介質把一個電網絡上的信號耦合(幹擾)到另 一個電網絡。各種運行的電力 設備之間以電磁傳導、電磁感應和電磁輻射三種方式彼此關聯並相互影響，在 一定的條件下會對運行的設備和人員造成幹擾、影響和危害。20世紀80年代 興起的電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility簡稱EMC)學科以研究和解 決這一問題為宗旨，主要是研究和解決幹擾的產生、傳播、接收、抑制機理及 其相應的測量和計量技術，並在此基礎上根據技術經濟最合理的原則，對產生 的幹擾水平、抗幹擾水平和抑制措施做出明確的規定，使處於同一電磁環境的 設備都是兼容的，同時又不向該環境中的任何實體51入不能允許的電磁擾動。 對開關電源傳導EMI噪聲的測量大部分採用頻語分析議。其只能告訴該產 品是否通過EMC標準，如果不能通過，它無法提供解決措施。傳導性電磁幹 擾噪聲分析儀主要是測量通過電源線的對外發出的傳導性電磁幹擾噪聲，同時 進行分離和分析，並建立起一整套的EMI噪聲智能分析系統。對於解決電子 設備設計中的電磁兼容性問題，保護設備安全和縮短產品開發周期、增強產品 竟爭力和節省研發經費及幫助企業通過3C認證方面具有重要意義。 發明內容
本實用新型目的是提供一種電子設備的傳導性電磁幹擾噪聲分析儀，該分 析儀不僅用來測量傳導性電磁幹擾噪聲，而且可以與計算機配套並通過軟體對 傳導性電磁幹擾噪聲進行分析，最終提出解決措施，建立一套EMI噪聲智能 分析系統。
為達到上述目的，本實用新型採用的技術方案是 一種電子設備的傳導性 電磁幹擾噪聲分析儀，其特徵在於由信號類型選擇模塊、放大倍數選擇模塊、 濾波器、A/D採樣模塊、中心控制模塊、存儲模塊、USB數據傳輸模塊和供 電模塊組成，其中信號類型選擇模塊由0。功率合成器、180°功率合成器和單刀三擲模擬開
關組成，信號第一輸入端分別與0°功率合成器和180°功率合成器的對應輸 入端相連，信號第二輸入端分別與0。功率合成器和180°功率合成器的對應 輸入端相連，O。功率合成器的輸出共模信號，180°功率合成器輸出差模信號， 信號第二輸入端給出直通信號，單刀三擲模擬開關的第一靜觸點連接差模信 號，第二靜觸點連接共模信號，第三靜觸點連接直通信號，單刀三擲模擬開關 的動觸點作為信號類型選擇模塊的輸出端；
放大倍數選擇模塊由兩個運算放大器和三個單刀雙擲模擬開關組成，第一 單刀雙擲模擬開關和第三單刀雙擲模擬開關的動觸點中 一 個作為放大倍數選 擇模塊的輸入端，另一個作為放大倍數選擇模塊的輸出端，第一單刀雙擲模擬 開關、第二單刀雙擲模擬開關和第三單刀雙擲模擬開關的第一靜觸點相連，第 一單刀雙擲模擬開關的第二靜觸點與第 一運算放大器的輸入端相連，第 一運算 放大器的輸出端與第二單刀雙擲模擬開關的第二靜觸點相連，第二單刀雙擲模 擬開關的動觸點與第二運算放大器的輸入端相連，第二運算放大器的輸出端與 第三單刀雙擲模擬開關的第二靜觸點相連，放大倍數選擇模塊的輸入端與信號 類型選擇模塊的輸出端相連；
濾波器由低通濾波器和高通濾波器串聯組成，用於濾除處理頻率範圍以外 的信號，濾波器的輸入端與放大倍數選擇模塊的輸出端相連；
A/D採樣模塊由A/D驅動晶片和A/D採樣器組成，負責將模擬信號轉為數 字信號，A/D採樣模塊的輸入端與濾波器的輸出端相連；
中心控制模塊由現場可編程邏輯器件FPGA組成，現場可編程邏輯器件 FPGA具有輸入埠和輸出埠 ，其中，輸入埠與A/D採樣模塊的輸出端相 連，輸出埠對應連接單刀三擲模擬開關和三個單刀雙擲;漠擬開關的控制端；
存儲模塊由RAM組成，RAM與現場可編程邏輯器件FPGA雙向連接，用 於緩存A/D採樣的輸出數據；
USB數據傳輸模塊由USB接口晶片和USB接口組成，USB接口晶片與現 場可編程邏輯器件FPGA雙向連接，USB接口用於向計算機傳輸數據並接收 計算機發送的命令。
本實用新型與計算機及軟體配套使用後，可以實現電子設備傳導性電磁幹 擾噪聲診斷、分離、分析、抑制一體化。測試使用時，電子設備產生的傳導噪 聲信號(該系統處理的信號頻率範圍為100kHz 30MHz),經線阻抗穩定網絡 噪聲診斷後，通過噪聲分離網絡分離，可以分別選擇對差模噪聲信號、共模噪聲信號或總噪聲信號進行採集，然後經A/D採樣後通過USB接口送入計算機，
最後對傳導性噪聲信號與EMC標準(可選歐洲標準CISPR、美國標準FCC 或中國標準GB)進行對比分析，並且可以選擇對信號進行不同倍數的放大， 採集信號的類型和放大倍數由計算機軟體進行選擇。若滿足標準，則診斷合格， 達標；否則，系統可以根據用戶選擇濾波器類型、濾波類型或餘量選擇，自動 進行濾波器設計，給出濾波器設計結果；然後對EMI噪聲抑制結果進行預觀'j, 給出電磁兼容解決方案，最後列印報告輸出。
本實用新型與現有技術相比不僅可以測量傳導EMI,而且可以對用戶提供 很多必要的服務。該軟體系統不僅可以測量分析噪聲，還可以進行相應EMI 濾波器設計，並可預測噪聲抑制結果，最終用戶根據EMI噪聲診斷報告，可 對沒有通過EMC標準的產品進行進一步的設計。
附圖1為電子設備的傳導性電磁幹擾噪聲分析儀的系統原理框附圖2為電子設備的傳導性電磁幹擾噪聲測試、分析系統附圖3為電子設備的傳導性電磁幹擾噪聲分析儀EMI軟體框架附圖4為電子設備的傳導性電磁幹擾噪聲分析儀智能診斷分析系統界面；
附圖5為噪聲抑制結果預測附圖6為EMI濾波器自動設計界面圖。
以上附圖中Ul、信號類型選擇模塊；U2、 A/D驅動晶片；U3、 A/D採 樣器；U4、現場可編程邏輯器件FPGA; U5、 RAM; U6、 USB接口晶片； Kl、單刀三擲模擬開關；K2、單刀雙擲模擬開關；K3、單刀雙擲模擬開關； K4、單刀雙擲模擬開關；Al、運算放大器；A2、運算放大器；LP1、低通濾 波器；HP1、高通濾波器；Jl、輸入接口； J2、 USB接口。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述
實施例 一種電子設備的傳導性電磁幹擾噪聲分析儀
如圖l所示，該分析儀由信號類型選擇模塊、放大倍數選擇模塊、濾波器、 A/D採樣模塊、中心控制模塊、存儲模塊、USB數據傳輸模塊和供電模塊組 成，其中各模塊內容如下
(l)信號類型選擇模塊Ul由0°功率合成器、180°功率合成器和單刀三 擲模擬開關K1組成，其中0°功率合成器採用PSC-2-l晶片(美國Mini-Circuits 公司生產)，180°功率合成器採用PSCJ-2-2晶片(美國Mini-Circuits公司生輸入端V^分別與 PSC-2-l晶片和PSCJ-2-2晶片的5腳相連，信號第二輸入端VN分別與PSC-2-l 晶片和PSCJ-2-2晶片的6腳相連，PSC-2-l晶片的1腳輸出共模信號，PSCJ-2-2 晶片的l腳輸出差模信號，信號第二輸入端Vn給出直通信號，單刀三擲模擬 開關K1的第一靜觸點連接差模信號，第二靜觸點連接共模信號，第三靜觸點 連接直通信號，單刀三擲模擬開關K1的動觸點作為信號類型選擇模塊的輸出 端。
(2 )放大倍數選擇模塊由兩個運算放大器Al 、 A2和三個單刀雙擲模擬開 關K2、 K3、 K4組成，其作用是完成信號放大，並通過才莫擬開關選擇0dB、 20dB 或40dB的放大倍數(也可以根據需要改變放大倍數的數值)。該模塊的第一 單刀雙擲模擬開關K2和第三單刀雙擲模擬開關K4的動觸點中一個作為放大 倍數選擇模塊的輸入端，另一個作為放大倍數選擇模塊的輸出端，第一單刀雙 擲模擬開關K2、第二單刀雙擲模擬開關K3和第三單刀雙擲模擬開關K4的第 一靜觸點相連，第一單刀雙擲模擬開關K2的第二靜觸點與第一運算放大器 Al的輸入端相連，第一運算放大器A1的輸出端與第二單刀雙擲模擬開關K3 的第二靜觸點相連，第二單刀雙擲模擬開關K3的動觸點與第二運算放大器 A2的輸入端相連，第二運算放大器A2的輸出端與第三單刀雙擲;溪擬開關K4 的第二靜觸點相連，放大倍數選擇模塊的輸入端與信號類型選擇模塊的輸出端 相連。兩個運算放大器A1、 A2均採用THS4271晶片，三個單刀雙擲才莫擬開 關K2、 K3、 K4均採用TS5A63157晶片。
(3)濾波器由低通濾波器LP1和高通濾波器HP1串聯組成，用於濾除處 理頻率範圍以外的信號(該系統處理的信號頻率範圍為100kHz 30MHz),低 通濾波器LP1和高通濾波器HP1可以由分立電容和分立電感構成，濾波器的 輸入端與放大倍數選擇模塊的輸出端相連。
(4 ) A/D採樣模塊由A/D驅動晶片U2和A/D採樣器U3組成，負責將模 擬信號轉為數位訊號。A/D驅動晶片U2採用AD8138晶片，A/D採樣器U3 採用AD9283BRS晶片，其中AD8138晶片的4腳與AD9283BRS晶片的7腳 相連，AD8138晶片的5腳與AD9283BRS晶片的6腳相連，AD8138晶片的8 腳作為A/D採樣模塊的輸入端與濾波器的輸出端相連。
(5)中心控制模塊由現場可編程邏輯器件FPGA U4組成，負責控制信 號類型、放大倍數的選擇，並控制採樣、數據存儲及傳輸。現場可編程邏輯器 件FPGA U4具有輸入埠和輸出埠 ，其中，輸入埠與A/D採樣模塊的輸出端相連，輸出埠對應連接單刀三擲才莫擬開關Kl和三個單刀雙擲才莫擬開
關K2、 K3、 K4的控制端。所述現場可編程邏輯器件FPGA U4採用 EP1C3T144C8晶片。
(6 )存儲模塊由RAM U5組成，RAM U5與現場可編程邏輯器件FPGA U4雙向連接，用於緩存A/D採樣的輸出數據。RAM U5採用IDT70V9169 晶片。
(7 ) USB數據傳輸模塊由USB接口晶片U6和USB接口 J2組成，USB 接口晶片U6採用CY7C68013晶片。CY7C68013晶片通過25-32腳，36-38 腳，40-47腳，8-9腳(圖中未畫出)與現場可編程邏輯器件FPGA U4雙向 連接，USB接口 J2的2腳與CY7C68013晶片的16腳相連，USB接口 J2的 3腳與CY7C68013晶片的15腳相連，USB接口 J2用於向計算機傳輸數據並 接收計算機發送的命令。
(8)供電模塊給整個系統供電，其中運算放大器Al、 A2和A/D驅動芯 片U2均使用± 5V雙電源供電；A/D採樣器U3使用3.3V供電；單刀三擲模 擬開關Kl和三個單刀雙擲;漠擬開關K2、 K3、 K4均^f吏用3.3V供電。
如圖2所示，在應用中，本實施例與計算機及軟體構成電子設備的傳導性 電磁幹擾噪聲測試、分析系統。系統對送入的模擬信號通過信號類型選擇衝莫塊 Ul變為差模和共模信號。單刀三擲模擬開關Kl從差模信號、共模信號和直 通信號中進行三選一，三個單刀雙擲模擬開關K2、 K3、 K4用於選擇信號的 放大倍數。Kl ~K4均由計算機軟體控制，計算機將選通信號通過USB接口 J2送至本實施例分析儀(採集系統)。分析儀利用USB控制晶片中集成的單片 片幾處理選通信號，並將處理結果送給FPGA，由FPGA控制Kl ~K4。不用USB 控制晶片直接控制Kl -K4是因為USB控制晶片的埠數量不足。放大後的 才莫擬信號先進行30MHz j氐通濾波，再經過100kHz的高通濾波器，去除50Hz 的工頻幹擾。此後，模擬信號經過A/D驅動變成差分信號，然後進行A/D採 樣，採樣後的信號由FPGA控制先存入RAM。最後，RAM中的數據經USB 接口送入計算機。計算機通過對接收到的數據進行分析，顯示出電子設備傳導 幹擾噪聲分析結果。
在系統初始化時，將信號放大倍數設成"0dB"。各種》文大倍數時，K2,K3，K4 的狀態，如下表1:
表l 不同放大倍數時，模擬開關K2、 K3、 K4狀態設置
^ ^ ^ ^
80dB010
20dB001
衡B111
本發明電子設備的傳導性電磁幹擾噪聲分析儀系統軟體部分是基於傳導性
EMI噪聲智能測試儀硬體設計的，商用電源輸入到線阻抗穩定網絡，將提取的 噪聲輸入到共模/差模分離網絡對噪聲加以分離，得到共模噪聲與差模噪聲， 再進行濾波、放大、A/D轉換等處理，最後輸入到計算機中，利用軟體系統進 行噪聲分析處理。從圖3軟體框架圖可看出，該軟體系統共有六個主功能噪 聲測量與分析、EMI濾波器設計、噪聲抑制結果預測、EMI噪聲診斷報告、 幫助、退出系統。具體智能診斷分析系統界面，圖4。
實際應用中被測設備以科日開關電源為例，基於本實用新型進行測試，在 開關電源正常工作時，EMI總噪聲測試結果如圖5所示，抑制前噪聲與電磁兼 容美國FCC標準對比，明顯在15MHz之前超標，根據超標量自動設計EMI 濾波器(見圖6),實現EMI調試與EMI元件的選擇差模(X電容，差模線 圏)；共才莫(共模線圏，Y電容)，見圖5中抑制後噪聲，可以明顯看出總噪聲 被抑制，滿足美國FCC標準要求。
通過實際應用可以看出，本實用新型傳導性EMI噪聲分析儀通過對噪聲的 提取、處理、然後輸入到軟體系統中，進行噪聲診斷、分析，可得出有效的噪 聲抑制措施，具有設計最有效的EMI濾波器及其元件選擇的能力，通過使用 最適合的元件對已經完成的產品進行重新設計以便最優化其性能指標，為當前 電子產品的設計提供了有效的參考，在生產線上分析電源線的噪聲，以滿足 EMC國際標準。EMI測試軟體配合EMI分析儀，經USB接口將採集信號輸 入到計算機，進行可視化操作和分析，實現對傳導性EMI的共模、差模、總 噪聲的頻譜特性分析。
上述實施例只為說明本實用新型的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此 項技術的人士能夠了解本實用新型的內容並據以實施，並不能以此限制本實用 新型的保護範圍。凡根據本實用新型精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵 蓋在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1、一種電子設備的傳導性電磁幹擾噪聲分析儀，其特徵在於由信號類型選擇模塊、放大倍數選擇模塊、濾波器、A/D採樣模塊、中心控制模塊、存儲模塊、USB數據傳輸模塊和供電模塊組成，其中信號類型選擇模塊由0°功率合成器、180°功率合成器和單刀三擲模擬開關(K1)組成，信號第一輸入端(VL)分別與0°功率合成器和180°功率合成器的對應輸入端相連，信號第二輸入端(VN)分別與0°功率合成器和180°功率合成器的對應輸入端相連，0°功率合成器的輸出共模信號，180°功率合成器輸出差模信號，信號第二輸入端(VN)給出直通信號，單刀三擲模擬開關(K1)的第一靜觸點連接差模信號，第二靜觸點連接共模信號，第三靜觸點連接直通信號，單刀三擲模擬開關(K1)的動觸點作為信號類型選擇模塊的輸出端；放大倍數選擇模塊由兩個運算放大器(A1、A2)和三個單刀雙擲模擬開關(K2、K3、K4)組成，第一單刀雙擲模擬開關(K2)和第三單刀雙擲模擬開關(K4)的動觸點中一個作為放大倍數選擇模塊的輸入端，另一個作為放大倍數選擇模塊的輸出端，第一單刀雙擲模擬開關(K2)、第二單刀雙擲模擬開關(K3)和第三單刀雙擲模擬開關(K4)的第一靜觸點相連，第一單刀雙擲模擬開關(K2)的第二靜觸點與第一運算放大器(A1)的輸入端相連，第一運算放大器(A1)的輸出端與第二單刀雙擲模擬開關(K3)的第二靜觸點相連，第二單刀雙擲模擬開關(K3)的動觸點與第二運算放大器(A2)的輸入端相連，第二運算放大器(A2)的輸出端與第三單刀雙擲模擬開關(K4)的第二靜觸點相連，放大倍數選擇模塊的輸入端與信號類型選擇模塊的輸出端相連；濾波器由低通濾波器(LP1)和高通濾波器(HP1)串聯組成，用於濾除處理頻率範圍以外的信號，濾波器的輸入端與放大倍數選擇模塊的輸出端相連；A/D採樣模塊由A/D驅動晶片(U2)和A/D採樣器(U3)組成，負責將模擬信號轉為數位訊號，A/D採樣模塊的輸入端與濾波器的輸出端相連；中心控制模塊由現場可編程邏輯器件FPGA(U4)組成，現場可編程邏輯器件FPGA(U4)具有輸入埠和輸出埠，其中，輸入埠與A/D採樣模塊的輸出端相連，輸出埠對應連接單刀三擲模擬開關(K1)和三個單刀雙擲模擬開關(K2、K3、K4)的控制端；存儲模塊由RAM(U5)組成，RAM(U5)與現場可編程邏輯器件FPGA(U4)雙向連接，用於緩存A/D採樣的輸出數據；USB數據傳輸模塊由USB接口晶片(U6)和USB接口(J2)組成，USB接口晶片(U6)與現場可編程邏輯器件FPGA(U4)雙向連接，USB接口(J2)用於向計算機傳輸數據並接收計算機發送的命令。
2、 根據權利要求1所述的分析儀，其特徵在於所述射頻功分器採用 PSC-2-l晶片，射頻功合器採用PSCJ-2-2晶片，單刀三擲模擬開關(Kl)採 用TS5A3357晶片。
3、 根據權利要求1所述的分析儀，其特徵在於所述兩個運算放大器(Al、 A2)均採用THS4271晶片，三個單刀雙擲;漠擬開關(K2、 K3、 K4)均採用 TS5A63157晶片。
4、 根據權利要求1所述的分析儀，其特徵在於所述A/D驅動晶片(U2) 採用AD8138晶片，A/D採樣器(U3 )採用AD9283BRS晶片。
5、 根據權利要求1所述的分析儀，其特徵在於所述現場可編程邏輯器件 FPGA ( U4 )採用EP1C3T144C8晶片。
6、 根據權利要求1所述的分析儀，其特徵在於所述RAM (U5)採用 IDT70V9169晶片。
7、 根據權利要求1所述的分析儀，其特徵在於所述USB接口晶片(U6) 採用CY7C68013晶片。
專利摘要一種電子設備的傳導性電磁幹擾噪聲分析儀，由信號類型選擇模塊、放大倍數選擇模塊、濾波器、A/D採樣模塊、中心控制模塊、存儲模塊、USB數據傳輸模塊和供電模塊組成，其中，信號類型選擇模塊由0°功率合成器、180°功率合成器和單刀三擲模擬開關組成，可以分別選擇對差模噪聲信號、共模噪聲信號或總噪聲信號進行採集；放大倍數選擇模塊由兩個運算放大器和三個單刀雙擲模擬開關組成，可選擇放大倍數；濾波器用於濾除處理頻率範圍以外的信號；A/D採樣模塊用來進行A/D轉換；中心控制模塊由現場可編程邏輯器件FPGA組成。該分析儀不僅用來測量傳導性電磁幹擾噪聲，而且可以與計算機配套並通過軟體對傳導性電磁幹擾噪聲進行分析，最終提出解決措施，建立一套EMI噪聲智能分析系統。
文檔編號G01R23/165GK201397367SQ200920042210
公開日2010年2月3日 申請日期2009年3月19日 優先權日2009年3月19日
發明者蔡省洋, 陽 趙, 黃學軍 申請人:蘇州泰思特電子科技有限公司