EMC 避坑指南 · 技术笔记

两种都叫“平均值”的检波器,而限值只针对其中一种

CISPR 平均值检波器与频谱分析仪的平均值检波器在稳态信号上一致,在其他情况下则分道扬镳。二者的响应有何不同,以及 CISPR 或 FCC 的平均值限值究竟是为哪一种而写的。

一台工作在突发模式的电源在同一试验台上被测量了两次。用分析仪的平均值检波器测,传导平均值限值尚有 6 dB 裕量;用接收机的 CISPR 平均值检波器测,却超出限值 5 dB。两次测量之间没有任何漂移。两种检波器都完全按各自的定义在工作,而对该信号而言,这两个定义相差 11 dB。限值只是为其中一种而写的。

要点速览
  • CISPR 平均值检波器由 CISPR 16-1-1 第 7 条定义:对信号包络作线性平均,经由具有规定时间常数的表头指示,读数取测量时间内表头指示的最大值。
  • 频谱分析仪的平均值是在驻留时间内对采样点求平均,可以是线性、有效值或对数单位,并且没有表头时间常数。迹线平均与视频滤波又是另外两回事。
  • CISPR 限值指的就是 CISPR 平均值检波器。FCC 则自行定义平均值——依据 47 CFR 15.35(b) 的 100 ms 窗口,并通过 ANSI C63.4 与 C63.10 引用 CISPR 接收机。

CISPR 平均值检波器究竟是什么

CISPR 16-1-1 将平均值检波器定义为:通过参考带宽测量信号包络的平均值——A 频段 200 Hz,B 频段 9 kHz,C、D 频段 120 kHz,1 GHz 以上为 1 MHz 脉冲带宽。有两点使它不只是一个求平均的电路。其一,这个平均是对包络电压作线性平均,而不是对其对数取平均。其二,检波器输出要经由具有确定时间常数的表头指示——A、B 频段为 160 ms,C、D、E 频段为 100 ms——所记录的数值是测量时间内表头指示的最大值。在任何现代接收机中,这个表头都由软件模拟,但时间常数依然存在,而它正是标准所要核查的东西。

核查方法见第 7.3.3 条,即断续、不稳定和漂移的窄带骚扰。在 A、B 频段,一个每 1.6 s 通断一次、每次接通 160 ms 的正弦波(C、D、E 频段为 100 ms),其指示值应比同一正弦波持续接通时低 9 dB,容差 1 dB。这一个数字就道尽了全部差别。若对 1.6 s 周期内的包络作简单平均,读数会低 20 dB,因为信号只在十分之一的时间里存在。而 CISPR 表头凭其 160 ms 时间常数,在这段突发期间已经充电到接近稳态值,接收机记录的正是这个最大值。这种检波器的设计意图,是让短促而重复的窄带骚扰按它对接收机的实际影响计入,而不是按它的占空比计入。

窄带信号每 1.6 s 接通 160 ms,B 频段。读数相对于同一信号持续接通时的值。 接通 断开 1.44 s 接通 断开 包络随时间的变化 表头指示峰值约为稳态电平的 0.35 倍 读数 峰值:0 dB CISPR 平均值:−9 dB 整周期线性平均:−20 dB 对数平均:还要更低(噪声基底)
9 dB 这个数值是 CISPR 16-1-1 第 7.3.3 条对 A、B 频段的要求,容差为 1 dB。20 dB 则是算术结果:十分之一的时间接通,在整个周期上作线性平均。对数平均则有十分之九的周期是在以分贝为单位对噪声基底求平均,读数还要更低。

在频谱分析仪上,“平均值”指的是什么

分析仪在这个词下提供了三样东西,而它们都没有表头时间常数。

  • 平均值检波器。显示的每一个点,都是该点驻留时间内所取样本的平均值。根据设置的不同,平均可以针对电压、功率(有效值)或对数值,而结果取决于驻留时间与信号周期之比。
  • 迹线平均。将连续多次扫描逐点求平均,用以降低显示上的噪声。它不是检波器;某个信号若在这一次扫描中存在、在下一次扫描中消失,结果只是被稀释掉。
  • 视频滤波。当视频带宽窄于分辨率带宽时,检出的包络会被平滑。在线性显示模式下,这近似于线性平均检波器;在对数模式下,它平均的是分贝值,而对任何非稳态信号来说,那是另一个量。

对于稳态正弦波,上述各种方式都与 CISPR 平均值一致,因为对常数求平均得到的还是这个常数。只要信号在测量时间内发生变化,差别立刻显现——而这恰恰是 CISPR 检波器被规定出来所要应对的情形。

信号CISPR 平均值检波器,CISPR 16-1-1 第 7 条分析仪平均值,线性电压分析仪平均值,对数
稳态窄带读数相同读数相同读数相同
断续窄带,每 1.6 s 接通 160 ms−9 dB,标准要求如此若驻留时间覆盖整个周期则为 −20 dB;否则视驻留落在何处,可在 0 至 −20 dB 之间任意取值远低于 −20 dB,由断开期间的噪声基底主导
宽带脉冲,重复频率远低于带宽指示值与重复频率成正比,由第 7.3.2 条核查若为线性平均且驻留时间跨越多个脉冲,结果相近低得多;这是对一个大部分时间为零的包络取对数
漂移或被调制的窄带表头跟随变化,记录其最大值变化在驻留时间内被平滑掉同样被平滑掉,且偏低

哪一条限值对应哪一种检波器

平均值限值只有配上它所针对的检波器才有意义。而两大标准体系给出的答案并不相同。

CISPR 的限值

每一份 CISPR 产品类标准都要求使用符合 CISPR 16-1-1 的接收机,按 CISPR 16-2-1 与 16-2-3 的方法测量。当 CISPR 32、CISPR 11、CISPR 14-1、CISPR 15 或 CISPR 25 列出平均值限值时,所指的检波器就是第 7 条的 CISPR 平均值检波器,连同该频段的参考带宽与表头时间常数。30 MHz 以下是 9 kHz 带宽与 160 ms 表头;1 GHz 以上是 1 MHz 脉冲带宽、100 ms 表头和线性平均。CISPR 16-1-1 把 1 GHz 以上的对数平均要求列为“考虑中”,这意味着对数平均读数并不是标准规定的量。CISPR 16-1-1 还定义了有效值平均检波器,它有自己的加权特性,但常用的产品类标准尚未对它规定限值。

FCC 的限值

FCC 在 47 CFR 15.35(b) 中自行定义了平均值。当发射限值以平均值表示、且发射为脉冲式时,场强按一个完整脉冲串(包括其中的消隐间隔)取平均确定,前提是该脉冲串不超过 100 ms。超过时,或作为一种替代做法,测量的是场强达到最大的那个 100 ms 区间内的平均绝对电压。同一条还规定峰值限值比平均值限值高 20 dB。FCC 在方法上所引用的 ANSI C63.4 与 C63.10 都要求使用符合 CISPR 16-1-1 的接收机,而 C63.10 还允许某些发射机的平均值由峰值测量结果配合占空比因子推算。因此,FCC 的平均值就是用 CISPR 接收机、在最不利的那 100 ms 上取的 100 ms 窗口值。对多数信号而言,它与采用 100 ms 表头的 CISPR 平均值相当接近,但它终究是另一套定义,证书与报告都应说明实际采用的是哪一种。

关于 Part 15 还需要知道的另一点,是平均值到底适用于哪些范围。第 15.209 节规定,其辐射限值以 CISPR 准峰值检波器为基础, 9 kHz 至 90 kHz、110 kHz 至 490 kHz 以及 1 GHz 以上除外,这些范围的限值以平均值检波器为基础。在 1 GHz 以下、又不属于上述两个频段的范围内,用平均值读数去对照 15.209 的限值就是用错了检波器,无论是怎么平均出来的。

限值范围该限值所针对的检波器
CISPR 32、11、14-1、15 传导150 kHz 至 30 MHz准峰值与 CISPR 平均值,9 kHz 带宽,160 ms 表头
CISPR 14-1、CISPR 15 传导9 kHz 至 150 kHz准峰值与 CISPR 平均值,200 Hz 带宽,160 ms 表头
CISPR 32 辐射1 GHz 至 6 GHz峰值与 CISPR 平均值,1 MHz 脉冲带宽,100 ms 表头,线性
CISPR 25 传导与辐射150 kHz 至 2.5 GHz峰值或准峰值,以及 CISPR 平均值,按各等级表的规定
FCC 15.209 辐射1 GHz 以下CISPR 准峰值;9 至 90 kHz 与 110 至 490 kHz 除外,这两段为平均值
FCC 15.209 辐射1 GHz 以上按 15.35(b) 的平均值,100 ms 窗口,峰值限值高 20 dB
FCC 15.107 传导150 kHz 至 30 MHz准峰值与平均值,按 ANSI C63.4 用 CISPR 接收机测量;脉冲式发射适用 15.35(b)
FCC 15.247、15.407 有意辐射体按相应规则条款按 15.35(b) 与 ANSI C63.10 的平均值,并适用 C63.10 的占空比规定

会改变结果的几项设置决定

按限值选检波器,而不是按菜单选如果限值出自 CISPR 标准,那么检波器就是 CISPR 平均值检波器,仪器上可能标为 CISPR-AV、EMI average 之类。其说明中应提到表头时间常数。仅仅标着“average”的检波器是采样平均,对任何有变化的信号来说都不是标准规定的量。
让测量时间长于信号的周期CISPR 平均值读数取的是测量时间内表头指示的最大值。每 2 s 重复一次的突发,用 500 ms 的驻留时间是抓不到的。CISPR 16-2-1 与 16-2-3 要求测量时间覆盖发射中最慢的变化;接收机在短驻留下报出一个很低的 CISPR 平均值,说明它根本没有测到这个骚扰。
绝不要在分贝域内取平均对数平均只是为观察噪声而设的显示便利。对断续或脉冲式发射,它读数偏低的量取决于噪声基底,而噪声基底并不是被测产品的属性。如果只能使用分析仪的平均值检波器,就把它设为线性电压,并明白表头时间常数依然是缺失的。
1 GHz 以上要核对三项设置1 MHz 脉冲带宽、线性平均,以及足以让表头稳定下来的测量时间。用 1 MHz 分辨率带宽配上对数平均和快速扫描,得到的数字看起来像 CISPR 平均值读数,实际上并不是。

为什么这同时也是一个校准问题

把 CISPR 平均值与普通平均值区分开来的,正是表头时间常数,而它由 CISPR 16-1-1 第 7.3.3 条的断续试验来核查:即读数应低 9 dB 的那个 160 ms 或 100 ms 选通信号。若一台接收机的平均值检波器从未这样被检验过,那它的平均值检波器就是类型不明的。正弦波幅度试验无法把两者区分开来,原因与两种检波器在稳态信号上读数一致是同一个。正因如此,依据 CISPR 16-1-1 的接收机校准包含脉冲试验与断续试验,而一份频谱分析仪的校准并不能回答这个问题。前一篇笔记讲的就是这样一份证书必须包含哪些内容。

我们的立场

在我们据以校准的认可范围内,CISPR 检波器响应、脉冲响应与带宽在 9 kHz 至 1 GHz 范围内逐项验证,其中包括平均值检波器的断续响应,证书会给出每一种检波器、每一个频段的实测偏差。EMI 接收机校准指南列出了这些参数。如果某个产品在两种都叫平均值的检波器上读数不同,请把两条迹线和贵方所依据的标准发给我们,我们会告诉您限值指的是哪一个读数。

“All animals are equal, but some animals are more equal than others.”(所有动物一律平等,但有些动物比其他动物更平等。)
乔治·奥威尔,《动物农场》

所有的平均值都叫平均值,但限值只针对其中一种。

告诉我们您需要测试什么

我们会在一个工作日内回复报价或方案。

联系我们