頻譜分析儀是射頻微波領(lǐng)域的萬用表，在產(chǎn)品可靠性、數(shù)字電路和電源設(shè)計領(lǐng)域它也有著重要的用途------無處不在的EMI測試。一般來說，電子類產(chǎn)品開發(fā)過程中EMI測試的實施常分為EMI診斷，EMI預兼容測試和EMI兼容測試這幾個階段，各階段的目的和方法都是不同的。
圖 1 EMI測試階段
EMI的診斷測試和預兼容測試，很大程度上都是為認證性的兼容測試存在的。首先，電磁兼容測試是產(chǎn)品質(zhì)量的內(nèi)在要求，每一個電子設(shè)備或系統(tǒng)都要在預定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時也不能過于影響其他電子設(shè)備或系統(tǒng)，這需要有一套規(guī)范的質(zhì)量標準。其次，幾乎所有的電子類產(chǎn)品都不得不通過電磁兼容測試認證，這是國家和組織的技術(shù)壁壘，產(chǎn)品要想進入這些市場必須有強制性認證，這方面世界各個地區(qū)都有各自的標準。
電磁兼容認證的步驟苛刻龐雜，正式的產(chǎn)品認證需要大量測試設(shè)備和測試過程，費金耗時。因此，在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計的各個階段中都應盡早發(fā)現(xiàn)和解決各個級別的電磁兼容的問題，提升產(chǎn)品的過程質(zhì)量，避免最后的產(chǎn)品認證測試不通過，導致同樣費金耗時的返工整改。（多說一句，電磁設(shè)備對人的影響屬于電磁兼容的范疇嗎？概念上講并不是，而且電磁對人的生理影響尚未有科學依據(jù)，所以還沒有劃歸到電磁兼容領(lǐng)域。）
從圖 1中可以看到，在產(chǎn)品開發(fā)的各個階段，EMI測試的重點是不同的：
? EMI診斷和調(diào)試（Diagnosis）
EMI診斷和調(diào)試在單元和產(chǎn)品設(shè)計階段，主要是遵循一些電磁兼容的設(shè)計原則，對電源/時鐘/接口線纜/主要芯片等對象，通過合理的布局/接地/屏蔽/走線/濾波等技術(shù)完成略有重點的設(shè)計和調(diào)試，不是為了測量EMI的精確結(jié)果，而是為了找出EMI的根源，從而改善產(chǎn)品設(shè)計，既是為了后期產(chǎn)品集成后通過EMI兼容認證，也是為了產(chǎn)品內(nèi)部相互穩(wěn)定的可靠性設(shè)計。
EMI診斷在實驗室使用普通的測試儀器即完成，例如帶有FFT分析功能的中高端示波器，普通的頻譜分析儀，近場探頭，手藝好的工程師還可以自己制作性能良好的近場探頭，對于很多較強的EMI輻射，例如某些回路過大的開關(guān)電源，甚至只需要一根裸露的導線即可探測到空間中的騷擾信號。這種定性分析主要針對的是硬件設(shè)計人員，目的是要快捷簡便，成本低廉，重復性好。
圖 2 使用頻譜分析儀和近場探頭進行EMI診斷
? EMI預兼容測試（Pre Compliance）
EMI預兼容測試在產(chǎn)品原型和試產(chǎn)階段，一般要在產(chǎn)品級或系統(tǒng)級進行預兼容（Pre Compliance）測試，預兼容并沒有一個明確的參考標準，就是盡量低成本地模擬兼容測試標準，對EMI狀況進行較正式的摸底，避免在正式的兼容測試中失敗。
預兼容測試會涉及到一些近似具有認證級設(shè)備功能的測試設(shè)備，例如單獨的試驗場所，具備EMI濾波器和準峰值檢波功能的頻譜分析儀或入門級EMI接收機，人工電源網(wǎng)絡(luò)或電流鉗，隔離變壓器，低端的電磁屏蔽箱，帶電流注入功能的電源（EMS測試）等，并要基本了解該產(chǎn)品需要達到的認證標準，有比較明確的測試目標，以便為產(chǎn)品留足認證通過的空間，目標就是用現(xiàn)有的設(shè)備盡量模擬真實認證環(huán)境。
圖 3 使用帶有準峰值檢波的頻譜分析儀和LISN進行傳導騷擾預兼容測試
? EMI兼容測試（Compliance）
EMI兼容測試主要針對產(chǎn)品級進行認證測試，這個階段必須需要到專業(yè)的，有認證資質(zhì)的EMC機構(gòu)，使用符合標準的專業(yè)的測試設(shè)備和環(huán)境，遵循EMI標準規(guī)定的校準過程，測試方法和執(zhí)行步驟，選擇特定產(chǎn)品的限制標準進行比較，按照標準規(guī)定的方法分析測量數(shù)據(jù)，并依照標準格式給出報告，目標就是拿到認證資格證明。兼容認證測試標準嚴格，過程昂貴，時間冗長，必須盡量減少兼容測試的次數(shù)，以節(jié)省成本和加快產(chǎn)品上市時間。
EMI兼容測試，或者往大了說EMC兼容測試，是一個獨立的大行業(yè)。IEC規(guī)定的電磁兼容標準以及衍生出的產(chǎn)品類和產(chǎn)品標準，很難由各個公司的產(chǎn)品部門執(zhí)行，由此誕生了專門的電磁兼容認證測試機構(gòu)，電磁兼容測試設(shè)備，以及由此衍生出的電磁兼容整改業(yè)務(wù)，都有一大批專業(yè)組織和人才。
圖 4 EMC兼容測試實驗環(huán)境
如果把EMC測試比作英語考試，EMC診斷就像是平時的課堂測驗，預兼容測試就像考前做模擬真題，正式的兼容測試就像是終極的四六級考試，而林林總總的整改機構(gòu)就是各種課外補習班 ---- 說句偷懶的話，最終的過級考試嚴格繁瑣，原則卻是60分萬歲，畢竟一分質(zhì)量需要一分成本，而且最終對外只看那一紙證明；不過話說回來，想要60分，至少要按照80分去學習，在模擬題上做70分才敢上考場，僥幸是不行的，不然考試費用就白瞎了。
在成本和質(zhì)量之間，無論是個人還是公司，都要做到這方面的平衡。
EMI預兼容測試系統(tǒng)
作為質(zhì)量成本的一部分，EMI測試盡量在產(chǎn)品設(shè)計早期階段的介入是必要的。上文提到，IEC標準分為三大類型，基礎(chǔ)標準，通用標準和產(chǎn)品標準，考慮到測量方法的通用性，本節(jié)從基礎(chǔ)標準和通用標準入手，介紹EMI兼容測試的系統(tǒng)。在CISPR16和IEC61000系列中，大致可以認為測量項目分為下圖的類別。在實驗室能進行的EMI預兼容測試，包括傳導騷擾和輻射騷擾兩部分，也就是下圖中的笑臉。
圖 6 EMC基礎(chǔ)標準和通用標準的內(nèi)容
傳導發(fā)射騷擾測試系統(tǒng)
傳導發(fā)射騷擾是最基本的一個電磁騷擾，主要沿著導體傳播。它主要是由于電源不合格引起的，指使用交流供電的設(shè)備在運行過程中對處在相同電網(wǎng)下其他設(shè)備的干擾信號。所有的電子產(chǎn)品在用交流電源時都會對電網(wǎng)發(fā)出騷擾信號，這類信號低頻居多，EMC標準規(guī)定的騷擾頻率范圍通常是從 9 kHz 到 30 MHz。如果傳導騷擾的信號過大，就會影響整個電網(wǎng)的供電質(zhì)量，進而干擾到同一片交流電網(wǎng)下其他設(shè)備的正常運行。傳導干擾要對設(shè)備電源連接到電網(wǎng)的三條線，紅/黃色火線L（LIVE），黃綠/黑色地線E（Earth），藍色零線N（NEUTRAL），分別獨立的測試并出具三份報告。當設(shè)備存在較長的電信連線（例如網(wǎng)線，USB線）時，也要考慮從電信連線上對對端設(shè)備的干擾信號。在某些LISN不適用的場合，可以考慮使用電流鉗。
圖 7 使用頻譜分析儀進行傳導騷擾預兼容測試的典型系統(tǒng)
傳導騷擾的EMI測試通常要帶電運行，而且需要區(qū)分測試結(jié)果中的騷擾究竟來自于被測設(shè)備還是電網(wǎng)中原來就存在的騷擾，因此需要有特定的隔離設(shè)備組合：
線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN（Line Impedance Stabilization Network）：由于電源傳導發(fā)射的強度與電網(wǎng)的阻抗有關(guān)，為了使測量具有唯一性，必須在特定的阻抗條件下測量，LISN就提供了這樣一個環(huán)境，CISPR標準規(guī)定的LISN為50?/50μH。LISN也對來自電網(wǎng)的干擾信號進行濾波，使電網(wǎng)內(nèi)的干擾與被測設(shè)備相互隔離，但是將被測試設(shè)備對電網(wǎng)的干擾耦合出來，送到LISN的輸出測試端，提供標準的共模和差模阻抗，再送出給測試設(shè)備（一般是頻譜儀或EMI接收機）。LISN是傳導測試中的核心設(shè)備，本質(zhì)上講它是一個單向高通濾波器，只將特定頻段的干擾信號篩選出來進行測試。
隔離變壓器：由于LISN的設(shè)計原理限制，它的供電存在較大的漏電流，要求實際應用時需要良好接地，必須要加隔離變壓器與電網(wǎng)隔離開使用。
瞬態(tài)限幅器：傳導騷擾可能存在很大的能量，為防止測試設(shè)備過載或燒毀，需在頻譜儀的測量端口前加限幅保護，并在結(jié)果中補償。
被測設(shè)備：測量對象一般是交流供電端的三條線，以及部分的電氣信號線。
測試設(shè)備：具有符合EMI傳導測試功能的EMI接收機或頻譜分析儀。
輻射發(fā)射騷擾測試系統(tǒng)
數(shù)字設(shè)備由于脈沖電流和開關(guān)電源的使用，具有豐富的諧波，一旦接地回路或接口處理不當就會對外產(chǎn)生較強的輻射騷擾，而芯片部分的低壓使系統(tǒng)的抗擾度降低。這些輻射騷擾的頻率沒有特定的范圍，從測試標準上看通常從 30 MHz 到 1 GHz /18 GHz。
近場測試非常適合產(chǎn)品開發(fā)階段輻射騷擾的EMI診斷。在這個階段，標準測試方法或許能給出精確的結(jié)果，但卻無法顯示問題的來源所在，近場探頭就是很合適的定位工具；然而必須認識到，近場探頭的測試結(jié)果幾乎不能給出有關(guān)設(shè)備輻射水平的準確信息，誤差和波動可達到20dB以上。使用近場探頭測試的過程中，要保證測量結(jié)果遠小于標準中規(guī)定的騷擾限值；在整改過程中，也要保證每次嘗試整改后的復測結(jié)果好于前面的各種測量。為了通過近場測試大致了解產(chǎn)品是否能通過最終的兼容測試，需要在已經(jīng)確知結(jié)果的樣品上進行多次嘗試。
圖 8 使用頻譜分析儀進行輻射騷擾預兼容測試的典型系統(tǒng)
輻射騷擾不像傳導騷擾固定在傳輸線上，它是向四面八方發(fā)射的，所以需要盡可能地測試產(chǎn)品所有的位置，這個密度和時間并沒有在標準中準確給出，需要根據(jù)產(chǎn)品的特點進行特定測試。測試的間隔越細，每個位置和角度測試的時間越長，就越能測試出真實輻射長度，但是成本也越高了。
輻射騷擾預兼容測試系統(tǒng)需要用到各種天線，各種規(guī)格的屏蔽暗室，可靈活旋轉(zhuǎn)的測試臺和可升降天線桿，能夠校準天線頻響的頻譜分析儀或EMI接收機，這些輔助設(shè)備一般公司很難備齊，所以不在這里詳述。輻射問題仍推薦使用近場探頭完成最低成本的EMI測試評估，準確度雖然不高，但是能排除大部分問題了。
經(jīng)濟型EMI預兼容測試系統(tǒng)的推薦配置
經(jīng)濟型的EMI預兼容測試系統(tǒng)方案的推薦配置：
1，接地良好的實驗室或?qū)嶒炁_：參見圖 3
2，頻譜分析儀：SSA3021X，9 kHz~2.1 GHz：參見圖 2和圖 3
作為性價比最高的國產(chǎn)頻譜分析儀，SSA3000X 系列具有便捷的操作界面和簡潔的顯示風格，采用成熟的數(shù)字中頻技術(shù)，最小分辨率帶寬（RBW）低至10Hz，標配前置放大器，顯示平均噪聲電平（DANL）達-161 dBm/Hz，具備出色的微小信號測量能力，全幅度精度<0.7 dB，測量結(jié)果精確可信，適用于研發(fā)，教育，生產(chǎn)，維修和相關(guān)領(lǐng)域，對EMI診斷和EMI預兼容測試也有相應的功能支持。
圖 9 頻譜分析儀SSA3021X
3，SSA3000X的EMI預兼容測試套件： EMI-SSA3000X，支持EMI濾波器和準峰值（QP，Quasi Peak）檢波器
基礎(chǔ)標準CISPR 16-1-1規(guī)定了測量設(shè)備的EMI濾波器和準峰值檢波器標準。EMI濾波器仍是準高斯形狀，只是其脈沖帶寬定義為-6dB，相比于傳統(tǒng)的高斯濾波器具有更好的頻率選擇性。
準峰值檢波是一種快速充電，慢速放電的檢波器，時間加權(quán)的檢波方式，它將時間上間斷出現(xiàn)的騷擾信號進行幅度的加權(quán)平均作為結(jié)果顯示，這樣即使幅度很大但是出現(xiàn)概率很低的騷擾信號可能得到較低的準峰值檢波結(jié)果，而幅度很小但是出現(xiàn)概率很高的騷擾信號也有可能得到較高的準峰值檢波結(jié)果，這種加權(quán)比較適合電子設(shè)備對騷擾信號的反應，也符合人的心理上對EMI騷擾程度的體驗。但是準峰值檢波的平均過程測試時間長，并不利于日常的診斷。因此在進行EMI與兼容測試時，可以先用峰值檢波快速發(fā)現(xiàn)EMI 問題頻點，然后針對這些峰值點專門進行準峰值測量，以節(jié)省測試時間。對每一個點的準峰值檢波測量，SSA3000X頻譜分析儀還提供了駐留時間選項，既可以快速掃描，也可以更精細的測量，反映出測試頻點的準峰值幅度。
圖 10 SSA3000X的EMI選件：EMI濾波器，QP檢波和QP檢波器的駐留時間
4，探頭選件：SRF5030，9 kHz~3 GHz近場探頭，分辨率從25mm到2mm，用于輻射騷擾測量。
如前所述，近場探頭的幅度準確度較低，誤差在10dB以上，尤其在高頻誤差將更大，僅能夠作為定性判斷工具使用，但卻是大部分輻射騷擾測試的利器。Siglent近場探頭SRF5030套裝，提供4種不同分辨率的磁場探頭，針對空間輻射，線纜，PCB等查找干擾源；同時選配30dB的前置放大器，以提高系統(tǒng)測試靈敏度。
圖 11 不同分辨率的近場探頭
5，LISN和電流鉗選件：SEM5040A和SEM5011，用于傳導測量
SEM5040A人工電源網(wǎng)絡(luò)是一款（50uH+5Ω）||50Ω V型 LISN（Line Impedance Stable Network），能在9 kHz到30 MHz射頻范圍內(nèi)為被測試設(shè)備端子和參考地之間提供穩(wěn)定的阻抗，同時將來自電網(wǎng)的無用信號與測量電路隔離開，僅將被測試設(shè)備的干擾電壓耦合到測量接收機的輸入端。該產(chǎn)品的性能符合CISPR16-1-2：2006標準要求，適用于單相設(shè)備傳導騷擾電壓測量；標準的BNC輸出接口和50歐姆輸出阻抗，可匹配任何廠家的接收機、頻譜儀等測量設(shè)備；產(chǎn)品自帶模擬手功能，可模擬手持式設(shè)備測量；可選的150kHz高通濾波器，用戶可以根據(jù)相應標準選擇低端頻率從9kHz還是150kHz開始；內(nèi)置瞬態(tài)限幅器（10dB衰減），可以有效保護接收機或頻譜儀不會因為大信號損壞，可以把EM5040A直接安全地連接到測量設(shè)備，不需要另外購買限幅器。
SEM5011射頻電流探頭是一款射頻寬帶電流互感器，適用于20 Hz到200 MHz的EMI干擾測量和屏蔽效果測量，具有300 kHz到120 MHz平坦的頻率響應曲線，性能符合CISPR 16-1-2 標準要求，常用于夾在被測設(shè)備的電源線或者控制線上測量干擾信號電流的大小，電流探頭的射頻輸出電壓正比于被測干擾信號電流的大小。SEM5011 射頻電流探頭可以非常方便地夾在被測導線上，用在那些不能使用人工電源網(wǎng)絡(luò)的 EMI 測量場合（如電流太大或接線困難等）。
圖 12 LISN：雙線電源網(wǎng)絡(luò)SEM5040A和電流鉗SEM5011
6，免費的PC機預兼容測試控制軟件：EasySpectrum
EasySpectrum是Siglent針對SSA3000X系列頻譜分析儀而開發(fā)一款PC應用軟件，該軟件包括頻譜儀基本控制和顯示功能，也可用于進行EMI預兼容測試流程。該軟件基于業(yè)界通用的標準驅(qū)動VISA設(shè)計，可以通過USB-TMC或LAN接口實現(xiàn)軟件與儀器的通信，從而實現(xiàn)對儀器的應用控制。
圖 13 EMI自動測試軟件：EasySpectrum
EasySpectrum支持完整的EMI預兼容測試自動化實施流程。上文提到由于準峰值檢波需要較長的測試時間，在全頻段掃描時使用準峰值檢波是非常耗時的，所以推薦設(shè)置中分為預掃描—尋找峰值----終掃描三部分，預掃描使用峰值檢波，可以快速的將全頻段中的極大值找出來，然后按照幅度為這些峰值排序，最后在使用準峰值檢波，對每個峰值點單獨地進行準峰值測試，可以大大節(jié)省預兼容測試的時間。該軟件支持全流程的文件配置，方便工程管理。
