周競恒 葉志武

（廣東省江門市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東江門 529000）

在工業(yè)或居家環(huán)境中，公共的網(wǎng)絡(luò)相連設(shè)備會產(chǎn)生很多連續(xù)或瞬態(tài)低頻干擾信號，范圍在DC 到300 kHz 內(nèi)，通過連接線纜或空間傳遞到智能電器、車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，對電子電器產(chǎn)品進(jìn)行干擾度檢測非常必要。

目前，國內(nèi)還沒有針對智能電器、車輛及零部件等在DC～300 kHz 范圍內(nèi)的低頻復(fù)雜環(huán)境信號發(fā)生器；國外提供低頻復(fù)雜環(huán)境信號發(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：TESEQ 只有符合GB/T 17626.16《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 0 Hz～150 kHz共模傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗》[1]標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，其它標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品目前沒有涉及，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)覆蓋性不夠全面；EM TEST 產(chǎn)品市場占有率高，性能穩(wěn)定，但產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)覆蓋性不夠齊全，產(chǎn)品價格比較昂貴；EMC PARTNER 產(chǎn)品可以瞬態(tài)發(fā)生器上擴展，產(chǎn)品集成度高，但市場占有率低，不能覆蓋電表、智能馬桶等產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)測試要求。因此，根據(jù)檢測平臺能力建設(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，提高國內(nèi)智能電器、車輛及零部件等行業(yè)檢測自給能力，從而縮短投入周期，降低設(shè)備投入成本。

1 儀器設(shè)計

低頻復(fù)雜環(huán)境信號發(fā)生器是通過任意波形發(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)功率放大器將信號進(jìn)行放大，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的信號強度，并通過變壓器注入干擾電壓或?qū)拵Лh(huán)天線轉(zhuǎn)換成磁場來檢測被測試設(shè)備抗低頻干擾能力。

該儀器設(shè)計難點需要解決寬頻帶功率放大器，并且放大器的線性要求非常高，這樣才可以確保信號輸出的精度，該儀器信號輸出精度需要達(dá)到0.5%。本設(shè)計首先需要研發(fā)1 Hz～300 kHz 寬頻放大器、可編程電源、輸出控制單元等硬件；通過嵌入式軟件設(shè)計，設(shè)計出兼容Lunix 或Windows的自動測試軟件，實現(xiàn)集成多種低頻抗擾度測試于一體的一款設(shè)備，其主要有以下特點：（1）信號頻率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、低頻磁場、低頻傳導(dǎo)抗擾度三大類型的民用、軍用、汽車、航空標(biāo)準(zhǔn)測試。

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扮演測試主控角色。除了本儀器（低頻干擾發(fā)生器）以外，對于不同測試，可能會有其他一個或兩個儀器（萬用表、示波器、頻譜儀）通過儀器后面板上的通信接口（USBA、LAN、RS232）與工控機連接并受控進(jìn)行參數(shù)測量（有些測試可選使用內(nèi)部測量或者外部儀器測量，有些是必須要外部儀器測量）。專用的遠(yuǎn)程LAN 口可連接其他電腦，通過Web 頁面或者應(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 測試標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 工頻磁場測試

工頻磁場發(fā)生器通過給線圈通電源頻率的交流或直流電流來產(chǎn)生磁場，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，然后通過變壓器降壓升流，最后輸出到線圈產(chǎn)生磁場。

圖2 工頻磁場發(fā)生器原理

磁場和電流的關(guān)系是H=Fcoil×I（其中H 是磁場強度，F(xiàn)coil 是線圈因子，I 為線圈中的電流）?？紤]源和線圈中間有n:1 變壓器，則有H=Fcoil×nI。發(fā)生器工作時，通過設(shè)定的H、Fcoil、n 來計算電流I，則輸出計算的電流值即對應(yīng)產(chǎn)生所需的磁場強度。

2.2 DC～300 kHz 低頻傳導(dǎo)測試

低頻傳導(dǎo)測試基本電路模型如圖3 所示，試驗中將產(chǎn)生的低頻干擾信號通過耦合網(wǎng)絡(luò)注入被測件的電源、地線、通信端口或殼體等位置，耦合網(wǎng)絡(luò)有阻容耦合、線纜感性耦合、變壓器耦合幾種方式。通常可以在被測端測量注入的信號電壓和電流大小。

圖3 低頻傳導(dǎo)測試基本電路模型

注入方式分為共模和差模兩種。不同標(biāo)準(zhǔn)按測試等級標(biāo)定參數(shù)類型可分為電壓注入和電流注入。電壓標(biāo)定類型中，一部分測試標(biāo)定對象為源開路輸出電壓（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），因此此類標(biāo)準(zhǔn)（民標(biāo)差模和共模）測試時不需要進(jìn)行校準(zhǔn)；另一類測試標(biāo)定被測件線路電壓UL或IL，此類測試（軍車航標(biāo)）需要進(jìn)行校準(zhǔn)或者采用閉環(huán)調(diào)整方式。電流注入型測試均為閉環(huán)調(diào)整方式，軍車航標(biāo)電源測試均使用變壓器耦合注入，軍車航標(biāo)信號線測試均使用線纜耦合注入。

2.3 DC～150 kHz 低頻磁場測試

低頻磁場發(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)過合適的內(nèi)阻Zi，輸出到發(fā)射線圈UL,磁場傳感器將磁場信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出給傳感器電壓測量單元，測得電壓，經(jīng)計算確認(rèn)是否達(dá)到目標(biāo)值，如果沒有達(dá)到目標(biāo)值繼續(xù)調(diào)整電壓源Ui，直到傳感器電壓測量裝置測得電壓計算結(jié)果達(dá)到目標(biāo)值，此時標(biāo)定目標(biāo)場強值時線路電流測量結(jié)果為測試發(fā)射目標(biāo)。裝置進(jìn)行試驗時，根據(jù)目標(biāo)場強值和線圈因子的反比例關(guān)系，得到目標(biāo)電流值，當(dāng)線路電流測量到的電流與目標(biāo)電流一致時，則輸出場強達(dá)到目標(biāo)場強。

圖4 低頻磁場發(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)主要由測試主機和可編程電源兩個儀器組成，其間通過串口線纜連接，電源輸出接入主機的電源輸入端。開關(guān)板完成信號輸入通道（來自電源或者功放）以及輸出通道（香蕉頭或同軸頭）的選擇，同時實現(xiàn)us開關(guān)功能。函數(shù)發(fā)生板實現(xiàn)DDS 函數(shù)發(fā)生器功能。探頭板實現(xiàn)信號輸入隔離及增益調(diào)整，兩路測量分別對線路電流及外部輸入的電壓進(jìn)行測量。主控板作為功放、開關(guān)、電源、函數(shù)發(fā)生控制，通過串口與工控機相連。

圖5 儀器結(jié)構(gòu)圖

主控采用x86+Windows/Linux 平臺，成品固態(tài)繼電器開關(guān)時間通常最快在100 us 級別，采用半導(dǎo)體開關(guān)器件；除us開關(guān)外，其余通道切換均在信號輸出前，采用具有接觸電阻低、交直流可用、控制與信號隔離的優(yōu)勢的繼電器進(jìn)行通道切換；信號發(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 時最高頻率為167.78 kHz，需要額外采取措施做頻率擴展；功率放大器使用市售現(xiàn)有產(chǎn)品，需要拆除外殼，機械增益旋鈕用電調(diào)替代；程控電源采用定制方式，滿足頻率分辨率優(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 測試儀主機環(huán)境及安全

EMC 滿足標(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，震動滿足標(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)滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 60529-2013 Degrees of protection provided by enclosures (IP Code)[7]要求。

5 工控機軟件功能

軟件由MCU 部分程序和工控機部分程序組成，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。工控機部分程序基于現(xiàn)有軟件底層，設(shè)計適合于觸屏的UI 實現(xiàn)。示波器控制使用廠家提供的SDK，其余控制通過SCPI 指令，頁面層級如圖6 所示。

圖6 頁面層級圖

軟件主要實現(xiàn)以下功能：

（1）實現(xiàn)對儀器內(nèi)MCU、函數(shù)發(fā)生器、示波器的指令控制。

（2）實現(xiàn)對外部指定型號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)部儀器類似），支持SCPI 指令或其他需要的類型指令。

（3）實現(xiàn)儀器界面操作，包括系統(tǒng)設(shè)置、測試參數(shù)設(shè)置、測試、文件操作。

（4）實現(xiàn)遠(yuǎn)程Web 服務(wù)器或應(yīng)用程序訪問接口（LAN）。

6 結(jié)論

低頻抗擾度信號發(fā)生器的研制，可以提高自給檢測能力，縮短檢測能力建設(shè)時間，降低檢測能力投入成本，加強對相關(guān)產(chǎn)品的監(jiān)管，更好地保障消費者權(quán)益，指導(dǎo)智能電器、汽車零部件等行業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級和高質(zhì)量發(fā)展。