Бюджетные приборы и комплектные решения компании GW Instek — гарантия успеха при предварительной проверке РЭА на соответствие требованиям по ЭМС

Компания GW Instek

Компания Good Will Instrument Co., Ltd (далее — GW Instek) [1], основанная в 1975 году, стала первым профессиональным производителем на Тайване, специализирующимся на контрольно-измерительных приборах (КИП). GW Instek начинала как изготовитель источников питания и тестеров, позднее расширив номенклатуру более сложными средствами измерений.

Сегодня GW Instek предлагает свыше 300 наименований продукции, от осциллографов, анализаторов спектра, источников сигналов, базовых контрольно-измерительных приборов до систем видеонаблюдения. Компания имеет дочерние предприятия в континентальном Китае, Америке, Японии, Корее, Малайзии, Европе и Индии, ее продукция продается более чем в 80 странах мира, в том числе и в Российской Федерации и других странах бывшего СССР.

Для гарантии надежности поставок и послепродажного обслуживания поставка продукции от компании GW Instek осуществляется через доверенных реселлеров. В России таким авторизованным поставщиком является АО «ПриСТ» [2].

Проблемы измерения уровня ЭМП и тестирования на соответствие требованиям ЭМС

Измерение уровня электромагнитных помех (ЭМП) и связанной с ними оценкой и подтверждением соответствия в части электромагнитной совместимости — обширная тема, которая всегда была важна для разработчиков и производителей самой разнообразной РЭА. При современных сложных схемах модуляции, возросшей популярности беспроводных технологий передачи и импульсных режимов связи, необходимость точного и эффективного измерения уровня излучаемых и кондуктивных ЭМП, а также устойчивости аппаратуры к внешним излучениям мощности стала критически важной для получения оптимальных характеристик РЭА и ее компонентов. Прежде чем перейти к представлению продуктов компании GW Instek, предназначенных для оценки уровня ЭМП и подтверждения ЭМС, давайте зададим себе несколько вопросов и уточним ряд важных моментов.

Итак, когда вы должны выполнить некоторые требования, как вы докажете, что ваш продукт соответствует им? Обычно вы подтверждаете это испытанием продукта. Хорошо, а что это означает? Какими могут быть такие испытания? Что, как и, главное, чем должно проверяться?

Нас, как разработчиков РЭА, будут интересовать собственное излучение или наводка электромагнитных помех (в стандартах это называется индустриальные радиопомехи, которые делятся на наводимые, или кондуктивные, и излучаемые) и устойчивость к воздействию внешних электромагнитных помех (или восприимчивость, если это касается военного и аэрокосмического оборудования). Задача испытаний — установить, сколько радиочастотной энергии излучает продукт и наводит на линии питания, и каков уровень его устойчивости к внешним электромагнитным воздействиям разного типа. Ограничения, касающиеся излучения радиочастотной энергии продукта, в коммерческом мире обычно предназначены для обеспечения разумного уровня защиты радио- и телевизионных приемников, которые могут находиться поблизости, или более высокого уровня защиты от помех соседнего оборудования в военном или аэрокосмическом мире. Испытания на устойчивость к электромагнитным помехам проводятся для определения, будет ли продукт сам источником ЭМП и станет ли он работать должным образом в то время, когда подвергается воздействию различных источников электромагнитной энергии в предполагаемых условиях эксплуатации. Наглядное пояснение взаимного воздействия на различную аппаратуру излучаемых и кондуктивных ЭМП пояснена в видеоролике с сайта компании GW Instek [3] и представлено на рис. 1.

Рис. 1. Взаимное воздействие на различную аппаратуру излучаемых Air (Radiation) и кондуктивных Power (Conductive) ЭМП [3]

Стандарты в части требований по ЭMC постоянно меняются, причем в сторону ужесточения. А ужесточение норм предусматривает для оценки ЭМС использования более точных, а значит, и более современных КИП. Стандарты, регламентирующие требования по ЭМС на конкретный тип оборудования, включают ограничения на предельные уровни индустриальных радиопомех и содержат методы испытаний, а также нормативы по испытательному оборудованию. Требования могут различаться, в частности, для медицинского и автомобильного оборудования они предельно ужесточены. Тем не менее, все стандарты в части испытаний на выполнение требований по ЭМС коммерческого оборудования имеют несколько общих черт и подпадают под регламенты международных стандартов серии IEC 61000 и CISPR [4], согласно которым проводится оценка как собственных генерируемые помех, так и устойчивость к внешним — электромагнитной восприимчивости, то есть оценка способности устройства, оборудования или системы функционировать без ухудшения качества при наличии электромагнитной помехи. Именно эти характеристики в совокупности и подразумевают соответствие требованиями по электромагнитной совместимости (рис. 2).

Рис. 2. Влияние излучения и наводки ЭМП

Уровни кондуктивных помех, наведенных на линиях подключения электропитания, измеряются испытательным приемником, обычно селективным вольтметром, с помощью эквивалента сети. В качестве таких эквивалентов используется схема стабилизации полного импеданса линии, известная как LISN (англ. LISN — Line Impedance Stabilization Network), или эквивалента сети AMN (англ. AMN — Artificial Mains Network). В русскоязычной технической литературе и стандартах типа ГОСТ Р, чаще встречается термин «эквивалент полного сопротивления сети» (ЭПСС) и реже — LISN. Схема испытательной установки для измерения кондуктивных помех показана на рис. 3.

Рис. 3. Подключение испытательного оборудования для настольного оборудования при измерении кондуктивных помех в линиях электропитания

Для измерения в качестве «испытательного приемника» в сертификационных лабораториях применяется автоматическая установка, для которой регламентирована величина отношения синусоидального напряжения к спектральной плотности напряжения импульсов на входе, вызывающих одинаковое показание измерительного прибора, содержащего инерционные детекторы.

Проверка излучаемых ЭМП сложнее в организационном плане, поскольку из-за необходимости устранить внешнее влияние предполагает наличие специальных антенн и испытательных площадок, но, как правило, аппаратура широкого применения может быть испытана в особых экранированных камерах. Здесь при сертификации РЭА также используются селективные вольтметры, но для НИОКР и для испытаний вне сертификационного центра здесь предпочтительны анализаторы спектра. Кроме того, анализатор спектра, оснащенный набором специальных приспособлений — пробников электромагнитного поля, может выявить локальные источники ЭМП на печатных платах, что значительно облегчает доводку конечного продукта до норм, определенных стандартами. Подробная информация по теме ЭМП и ЭМС доступна в сборниках «Электромагнитная совместимость в электронике» [5, 6], где, кроме общетеоретических вопросов, вы найдете рекомендации, практические решения и примеры недопущения и решения проблем. Однако мало знать. Для оценки и решения возникающих проблем с ЭМП и ЭМС, а они возникают чаще, чем того бы хотелось, необходимо соответствующее доступное по ценам оборудование.

Поскольку использование «стандартной» установки для предварительных испытаний при выполнении НИОКР и для испытаний вне сертификационного центра неудобно, компания GW Instek предложила ускорить и упростить процесс оценки ЭМП с помощью анализатора спектра и полного комплекта сопутствующей к нему аппаратуры и принадлежностей. Рассмотрим предлагаемый комплект и его применение для предварительного тестирования РЭА.

Предложения от компании GW Instek для тестирования на ЭМС в ходе выполнения НИОКР и решения проблем при производстве РЭА

Для разных категорий тестов по идентификации и решению проблем ЭМП и ЭМС компания предоставляет испытательные комплекты, выполненные на основе анализатора спектра GSP‑79330A, комплекта пробников GKT‑008, эквивалента сети GLN‑5040A, изолирующего трансформатора GIT‑5060 и ряда дополнительных аксессуаров. Назначение и состав сформированных на базе этих приборов испытательных комплектов приведены в таблице 1.

Анализатор спектра GSP‑79330A

Анализатор спектра GSP‑79330A от компании GW Instek (рис. 4) [7] совместно с датчиком ближнего поля или антенной предназначен для обнаружения источников ЭМП и предварительного тестирования по ЭМС. С его помощью может проводиться количественная оценка (то есть не по принципу «было-стало») как кондуктивных, так и излучаемых ЭМП. Кроме того, датчик ближнего поля и следящий генератор из GSP‑79330A применяется для генерации радиочастотных сигналов при проверке РЭА на электромагнитную восприимчивость.

Рис. 4. Анализатор спектра GSP-79330A от компании GW Instek

Предварительное тестирование на соответствие требованиям ЭМС выполняется нажатием всего двух клавиш. Для запуска этого процесса необходимо, нажав соответствующую кнопку на панели, выбрать режим EMC Pretest, затем клавишей F1 выбрать на дисплее «EMC ON», причем можно указать необходимый стандарт для тестирования и формат представления результатов. Руководство пользователя и руководство по программированию анализатора доступны по ссылкам [8, 9]. Кроме того, анализатор спектра GSP‑79330A поддерживает работу с программным обеспечением SpectrumShot от компании GW Instek [10]. SpectrumShot — это внешнее программное обеспечение, предназначенное для персональных компьютеров. Благодаря данному ПО пользователи могут оперативно проводить конфигурирование в соответствии с требуемым стандартом для измерения кондуктивных и излучаемых ЭМП и сделать текущую и последующую оценку хода предварительных испытаний на соответствие требованиям по ЭМС.

Основные технические характеристики анализатора спектра GSP‑79330A:

• частотный диапазон: 9 кГц — 3,25 ГГц;
• цифровая ФАПЧ;
• средний уровень собственных шумов: от –134 дБм (с включенным предусилителем);
• максимальный входной уровень сигнала: +30 дБм, постоянный уровень 50 В;
• фазовый шум: –113 дБн/Гц при отстройке 1 МГц от несущей 1 ГГц;
• измерение мощности в канале и соотношение мощностей в смежных каналах, измерение полосы по уровню, анализ модуляции;
• полоса пропускания: 10 Гц — 3 кГц (шаг 1–3–10), 10 кГц — 1 МГц (шаг 10%), фильтры ЭМС: 200 Гц, 9 и 120 кГц, 1 МГц (–6 дБ);
• демодулятор АМ/ЧМ;
• маркерные измерения, запись спектрограмм с временными метками, пределов допусков, пользовательских АЧХ, последовательностей тестов, профилей во внутреннюю память и на внешний носитель;
• интерфейсы USB, LAN (LXI), опция GPIB, выход VGA, MicroSD;
• опции: трекинг генератор, батарейное питание, интерфейс GPIB;
• универсальное питание: от сети напряжения переменного тока 110–220 В (50/60 Гц), опционально — батарейное, Li-Ion­-аккумулятор, 10,8 В/5200 мА•ч, время непрерывной работы до 3 ч;
• габариты: 350×210×100 мм;
• вес: 4,5 кг.

Комплект пробников ближнего поля GKT‑008 к анализатору спектра GSP‑79330A для оценки уровня составляющих ЭМП

Комплект пробников ближнего поля GKT‑008 [11] — это совершенно новая концепция датчиков электромагнитных помех. Пробники специально сконструированы и предназначены для совместной работы с анализатором спектра GSP‑79330A. Комплект состоит из четырех пробников: PR‑01, PR‑02, ANT‑04 и ANT‑05 и необходимых к нему аксессуаров. Характеристика комплекта GKT‑008 представлена в таблице 2.

Рис. 5. Комплект пробников ближнего поля для электромагнитных помех GKT-008 от компании GW Instek в условиях поставки

Внешний вид комплекта в условиях поставки показан на рис. 5, а на рис. 6, 7 приведено сравнение пробников от компании GW Instek с конкурирующими решениями.

Рис. 6. Внешний вид пробников ANT­04 и ANT-05 из комплекта GKT-008 от компании GW Instek и сравнение с обычными предложениями на рынке

Рис. 7. Сравнение чувствительности пробников ANT-04 от компании GW Instek и типовых решений от сторонних производителей при смещении от объекта излучения ЭМП на 1 см

Коэффициенты антенны этих четырех пробников встроены в функцию предварительного тестирования ЭМС анализатора спектра GSP‑79330A. Для того чтобы избежать повреждения анализатора спектра при проведении измерении для исключения постоянной составляющей, пробники магнитного поля ANT‑04 и ANT‑05, а также пробник электрического поля PR‑02 необходимо использовать совместно с адаптером ADB‑008. Во избежание повреждения анализатора спектра при оценке кондуктивных помех пробник переменного напряжения PR‑01 необходимо использовать с ограничителем переходных процессов GPL‑5010 и адаптером BNC (M) — SMA (F).

Ограничитель переходных процессов GPL‑5010 к анализатору спектра GSP‑79330A для оценки уровня кондуктивных ЭМП

Ограничитель переходных процессов GPL‑5010 [12], кроме ограничения выбросов напряжения, связанных с переходными процессами, вызванных отключением электроэнергии или, например, отключением клеммы от источника питания, выполняет еще и роль фильтра нижних частот (ФНЧ). Характеристики ограничителя переходных процессов GPL‑501 представлены в таблице 3.

Рис. 8. Ограничитель переходных процессов GPL-5010 от компании GW Instek

Внешний вид устройства показан на рис. 8, а графики, описывающие его амплитудно-частотную характеристику (характеристику вносимых потерь в зависимости от частоты) и характеристику ограничения в зависимости от входной мощности приведены на рис. 9.

Рис. 9. Амплитудно-частотная характеристика и кривая ограничения ограничителя переходных процессов GPL-5010 от компании GW Instek

Дополнительные принадлежности

Для того чтобы избежать повреждения анализатора спектра и входной ВЧ-клеммы испытуемого приемника, датчики из комплекта пробников ближнего поля для электромагнитных помех GKT‑008 необходимо использовать с адаптером (DC-block) ADB‑008, отсекающим постоянную составляющую (рис. 10). Входное сопротивление адаптера 50 Ом, полоса пропускания 0,1 МГц — 8 ГГц. Полный перечень аксессуаров, предлагаемых компанией GW Instek к анализаторам спектра, доступен по ссылке [13]. Для комплекта, предназначенного для оценки кондуктивных помех, потребуется еще переходник адаптером BNC (M) — SMA (F).

Рис. 10. Адаптер (DC-block) ADB-008 от компании GW Instek

Двухпроводной V‑образный эквивалент сети GLN‑5040A LISN

Эквивалент сети — это электротехническое приспособление, которое используется как эквивалент сети низкого напряжения при измерениях и испытаниях на ЭМС при оценке кондуктивных ЭМП.

Эквивалент сети решает следующие задачи:

1. Снабжение проверяемого устройства «чистым» сетевым напряжением.
2. Подавление высокочастотных составляющих сетевого напряжения.
3. Предоставление проверяемому устройству стандартного импеданса со стороны сети.
4. Сопряжение проверяемого устройства и измерительного прибора.

Двухпроводной V‑образный эквивалент сети GLN‑5040A LISN [14], показанный на рис. 11, соответствует стандарту CISPR16–1-2: 2006 и является необходимым компонентом испытательной установки для проверки изделий на уровни кондуктивных ЭМП и комплексных испытаний по требованиям ЭМС. Эквивалент предназначен для совместной работы с анализатором спектра GSP‑79330A от компании GW Instek и может использоваться с изолирующим трансформатором. Выходное сопротивление эквивалента сети GLN‑5040A LISN равно 50 Ом, полоса рабочих частот 9 кГц — 30 МГц, для подключения к анализатору спектра предусмотрен разъем типа BNC.

Рис. 11. Двухпроводной V-образный эквивалент сети GLN-5040A LISN от компании GW Instek

Для эффективной защиты анализатора спектра эквивалент сети GLN‑5040A LISN имеет встроенный ограничитель переходных процессов и фиксированный аттенюатор на 10 дБ, а также встроенный переключаемый фильтра высоких частот с частотой среза 150 кГц, используемый для предотвращения перегрузки анализатора спектра или приемника тестируемого устройства, низкочастотными сигналами высокой амплитуды. Эквивалент сети GLN‑5040A LISN обеспечивает функцию искусственной руки, необходимой при измерениях импеданса для имитации руки человека, например, электродрели.

Изолирующий трансформатор GIT‑5060

С помощью эквивалента сети пользователи могут дополнить схему изолирующим трансформатором GIT‑5060 [15] (рис. 12). Схема подключения, позволяющая сбалансировать фазный ток и реализовать функцию защитного заземления и автоматического выключателя с функцией защиты при утечке на «землю» (устройство защитного отключения, УЗО), показана на рис. 13.

Рис. 12. Изолирующий трансформатор GIT-5060 от компании GW Instek

Изолирующий трансформатор GIT‑5060, если требуется гальваническая развязка, можно применять и для других целей. Он способен выдерживать максимальный рабочий ток 4 А (для защиты предусмотрен предохранитель 5 А), максимальное рабочее напряжение 250 В, а его максимальная мощность составляет 900 В•А, что удовлетворяет большинству практических приложений.

Рис. 13. Схема включения изолирующего трансформатора GIT-5060 от компании GW Instek

Выбор компонентов, схема подключения и измерения

Требуемая для испытаний на уровень излучаемых и кондуктивных помех комплектация и конфигурация рассмотренного оборудования компании GW Instek показана на рис. 14, а пример измерительной установки — на рис. 15.

Рис. 14. Комплектация анализатора спектра GSP-79330A и аксессуаров, необходимых при проведении испытаний по ЭМС (комплекты, соответствующие типу испытания, выделены голубым цветом)

Тестирование проводится предельно просто, для этого можно воспользоваться подготовленным компанией «ПриСТ» видеороликом [16]. Результат будет представлен в виде привычного для разработчиков РЭА графика с линией ограничения и таблицей пиковых значений, соответствующих выбранному для тестирования стандарту и типу представления (рис. 15) и сохранен на внешний носитель (флэш-диск), подключаемый непосредственно к анализатору.

Рис. 15. Схема испытательной установки для измерения уровня кондуктивных ЭМП на основе комплекта аппаратуры

Заключение

Технологии, используемые в процессе разработки и производства РЭА, достигли очень высокого уровня. Однако, для того чтобы вовремя выйти на рынок, требуется соблюдать очень жесткий график проектирования. Соответственно, инженеры-разработчики должны быстро ориентироваться в вопросах выбора приборов для измерения ЭМП и оценки ЭМС, которые смогут обеспечить необходимую точность и, главное, воспроизводимость результатов при серийном выпуске конечной продукции, а также пройти сертификации такой продукции, в том числе и по требованиям ЭМС [4].

Представленная в статье информация касается лишь части продуктов от компании GW Instek, полные сведения с детальной документацией приведены на сайте компании в каталогах, доступных по ссылке [17]. Кроме того, вы можете получить всю необходимую информацию и техническую консультацию у авторизованного ресселера продуктов от компании GW Instek в Российской Федерации — компании «ПриСТ» [2].

Помните, электромагнитная совместимость — это та проблема, от решения которой не уйти и решать ее нужно с самых ранних этапов НИОКР, в этом вам несомненно помогут приборы компании GW Instek. Дополнительная информация от компании GW Instek по проблемам измерений и принятию решений в вопросах ЭМС доступна по ссылке [18] в виде небольших по времени видеороликов. Также вам будут полезны публикации в сборниках по вопросам ЭМС [5, 6].