隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，帶來了很大的便利，但同時也帶來了不容忽視的電磁干擾(EMI)問題，這就要求必須對EMI特性進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，這對提高電力電子裝置的電磁兼容性(EMC)具有重要意義。近幾年，在整個電磁兼容測量技術(shù)及所屬服務(wù)領(lǐng)域不斷出現(xiàn)許多新的測試儀器和測試方法，最基本且有效的測試設(shè)備還是頻譜分析儀和EMI接收機。

1 頻譜分析儀
    談到測量電信號，電氣工程師首先想到的可能就是示波器。示波器是一種將電壓幅度隨時間變化的規(guī)律顯示出來的儀器，它相當(dāng)于電氣工程師的眼睛，使你能夠看到線路中電流和電壓的變化規(guī)律，從而掌握電路的工作狀態(tài)。但是示波器并不是電磁干擾測量與診斷的理想工具。這是因為：
    (1)最關(guān)鍵的是動態(tài)范圍，干擾頻譜不同分量的差別有5個量級以上，需要100 dB以上的動態(tài)范圍；而八位的示波器僅有40 dB左右的動態(tài)范圍，不能滿足電磁干擾的測量要求。
    (2)所有電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中的電磁干擾極限值都是在頻域中定義的，而示波器顯示出的是時域波形，因此測試得到的結(jié)果無法直接與標(biāo)準(zhǔn)比較。為了將測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)相比較，必須將時域波形變換為頻域頻譜。
    (3)電磁干擾相對于電路的工作信號往往都是較小的，并且電磁干擾的頻率往往比信號高，而當(dāng)一些幅度較低的高頻信號疊加在一個幅度較大的低頻信號時，用示波器無法進(jìn)行測量。
    (4)示波器的靈敏度在毫伏級，而由天線接收到的電磁干擾的幅度通常為微伏級，因此示波器不能滿足靈敏度的要求。
    測量電磁干擾更合適的儀器是頻譜分析儀，頻譜分析儀是一種將電壓幅度隨頻率變化的規(guī)律顯示出來的儀器，它顯示的波形稱為頻譜。頻譜分析儀克服了示波器在測量電磁干擾中的缺點，它能夠精確測量各個頻率上的干擾強度。
    對于電磁干擾問題的分析而言，頻譜分析儀是比示波器更有用的儀器，用頻譜分析儀可以直接顯示出信號的各個頻譜分量。
1．1 頻譜分析儀的原理
    頻譜分析儀是一臺在一定頻率范圍內(nèi)掃描接收的接收機，它的原理圖如圖1所示。

 頻譜分析儀采用頻率掃描超外差的工作方式?；祛l器將天線上接收到的輸入信號與本振產(chǎn)生的信號混頻，當(dāng)混頻的頻率等于中頻時，這個信號可以通過中頻放大器，被放大后，進(jìn)行峰值檢波。檢波后的信號被視頻放大器進(jìn)行放大，然后顯示出來。由于本振電路的振蕩頻率隨著時間變化，因此頻譜分析儀在不同的時間輸出的頻率是不同的。當(dāng)本振蕩器的頻率隨著時間進(jìn)行掃描時，屏幕上就顯示出了被測信號在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號的幅度記錄下來，就得到了被測信號的頻譜。根據(jù)這個頻譜，就能夠知道被測設(shè)備是否有超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的干擾發(fā)射，或產(chǎn)生干擾的信號頻率是多少。
1．2 頻譜儀的使用方法
    要獲得正確的測量結(jié)果，必須正確地操作頻譜分析儀。本節(jié)簡單介紹頻譜分析儀的使用方法。正確使用頻譜分析儀的關(guān)鍵是正確設(shè)置頻譜分析儀的各個參數(shù)。下面解釋頻譜分析儀中主要參數(shù)的意義和設(shè)置方法。
    (1)頻率掃描范圍
    規(guī)定了頻譜分析儀掃描頻率的上限和下限。通過調(diào)整掃描頻率范圍，可以對感興趣的頻率進(jìn)行細(xì)致的觀察。在頻率分辨率一定的情況下，掃描頻率范圍越寬，則掃描一遍所需要時間越長，頻譜上各點的測量精度越低，因此，在可能的情況下，盡量使用較小的頻率范圍。在設(shè)置這個參數(shù)時，可以通過設(shè)置掃描開始頻率和終止頻率來確定，例如：startfrequency=l MHz，stop frequency=ll MHz。也可以通過設(shè)置掃描中心頻率和頻率范圍來確定，例如：center frequency=6 MHz，span=10 MHz。這兩種設(shè)置的結(jié)果是一樣的。
    (2)中頻分辨帶寬
    規(guī)定了頻譜分析儀的中頻帶寬，這項指標(biāo)決定了儀器的選擇性和掃描時間。調(diào)整分辨帶寬可以達(dá)到兩個目的，一個是提高儀器的選擇性，以便對頻率相距很近的兩個信號進(jìn)行區(qū)別。另一個目的是提高儀器的靈敏度。因為任何電路都有熱噪聲，這些噪聲會將微弱信號淹沒，而使儀器無法觀察微弱信號。噪聲的幅度與儀器的通頻帶寬成正比，帶寬越寬，則噪聲越大。因此減小儀器的分辨帶寬可以減小儀器本身的噪聲，從而增強對微弱信號的檢測能力。
    分辨帶寬一般以3 dB(或者6 dB)帶寬來表示。當(dāng)分辨帶寬變化時，屏幕上顯示的信號幅度可能會發(fā)生變化。若測量信號的帶寬大于通頻帶帶寬，則當(dāng)帶寬增加時，由于通過中頻放大器的信號總能量增加，顯示幅度會有所增加。若測量信號的帶寬小于通頻帶寬，如對于單根譜線的信號，則不管分辨帶寬怎樣變化，顯示信號的幅度都不會發(fā)生變化。信號帶寬超過中頻帶寬的信號稱為寬帶信號，信號帶寬小于中頻帶寬的信號稱為窄帶信號。根據(jù)信號是寬帶信號還是窄帶信號能夠有效地鑒別干擾源。
    (3)掃描時間
    儀器接收的信號從掃描頻率范圍的最低端掃描到最高端所使用的時間叫做掃描時間。掃描時間與掃描頻率范圍是相匹配的。如果掃描時間過短，頻譜儀的中頻濾波器不能夠充分響應(yīng)，結(jié)果幅度和頻率的顯示值變?yōu)椴徽_。
    (4)視頻帶寬
    視頻帶寬至少與分辨帶寬相同，最好為分辨帶寬的3至5倍。視頻帶寬反映的是測量接收機中位于包絡(luò)檢波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的視頻放大器的帶寬。改變視頻帶寬的設(shè)置，可以減小噪聲峰一峰值的變化量，提高較低信噪比信號測量的分辨率和復(fù)現(xiàn)率，易于發(fā)現(xiàn)隱藏在噪聲中的小信號。
1．3 頻譜儀的種類
    頻譜儀通?？梢苑譃槌Ｒ?guī)掃頻分析儀和實時頻譜分析儀，通過比較可以知道實時頻譜分析儀適用性更強。
    (1)常規(guī)掃頻分析儀
    圖2是常規(guī)掃頻分析儀的框圖。此例涉及兩個RF輸入信號。RF信號通過掃描定位振蕩器被轉(zhuǎn)化為IF(中間頻率)。IF輸出通過帶通濾波器，此處頻譜分析儀分辨率被定義。

濾波器由Fstart掃至Fstop，見圖3。此時僅觀察到濾波器帶寬內(nèi)的一個點的信號。信號A首先被探測和顯示，然后是信號B(間歇信號，如突發(fā)現(xiàn)象一般不會被探測到，除非在濾波器掃過時，在某一準(zhǔn)確時間出現(xiàn))。

 (2)實時頻譜分析儀
    實時頻譜分析儀是由一系列帶通濾波器組成，如下圖4所示。信號通過這些濾波器觀察和連續(xù)紀(jì)錄。信號A和B同時采集和顯示，如圖5。

2 EMI接收機
    由電力電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁發(fā)射通常是寬帶、連續(xù)的，其頻率范圍從工頻到幾十兆赫。通常傳導(dǎo)EMI應(yīng)在這一頻率范圍被測量。由于許多國家和國際標(biāo)準(zhǔn)只在O．15 MHz～30 MHz的頻率范圍內(nèi)確定傳導(dǎo)發(fā)射，傳導(dǎo)EMI的測量也僅僅在這一范圍內(nèi)討論信號的測量方法。
    在O．15 MHz～30 MHz頻率乃至低至10 kHz范圍內(nèi)的EMI分量，由EMI接受裝置測量。EMI接收機測得的是一個被測設(shè)備的輸出電壓。實質(zhì)上EMI接收機是可調(diào)諧的、有頻率選擇的、具有精密的振幅響應(yīng)的電壓計，如圖6所示。

各部分功能如下：
    (1)傳感器?？捎呻妷禾筋^、電流探頭、各類天線等部件組成。根據(jù)測量的目的，選用不同部件來提取信號。
    (2)輸入衰減器?？蓪⑼獠窟M(jìn)來的過大信號或干擾電平給予衰減，調(diào)節(jié)衰減量高低，保證測量接收機輸入的電平在測量接收機可測范圍之內(nèi)，同時也可避免過電壓或過電流造成測量接收機損壞。
    (3)校準(zhǔn)信號源。與普通接收機相區(qū)別，測量接收機本身提供內(nèi)部校準(zhǔn)信號源，可隨時對測量接收機的增益加以自我校準(zhǔn)，以保證測量值的準(zhǔn)確。
    (4)射頻放大器。利用選頻放大原理，僅選擇所需的測量信號進(jìn)入下級電路，而外來的各種雜散信號(包括鏡像頻率信號、中頻率信號、交調(diào)諧波信號等)均排除在外。
    (5)混頻器。將來自射頻放大器的射頻信號和來自本機振蕩器的信號合成產(chǎn)生一個差頻信號輸入到中頻放大級，由于差頻信號的頻率遠(yuǎn)低于射頻信號頻率，使得中頻放大級增益得以提高。
    (6)本機振蕩器。提供一個頻率穩(wěn)定的高頻振蕩信號。
    (7)中頻放大器。由于中頻放大器的調(diào)諧電路可提供嚴(yán)格的頻率帶寬，又能獲得較高的增益，因此保證接收機的總選擇性和整機靈敏度。
    (8)檢波器。測量接收機的檢波方式與普通接收機的檢波方式有著重大差異。測量接收機除可接收正弦波信號外，更常用于測量脈沖騷擾電平，因此測量接收機除了通常具有的平均值檢波功能外還增加了峰值檢波和準(zhǔn)峰值檢波功能。

3 頻譜儀和接收機原理差異
    頻譜分析儀是當(dāng)前頻譜分析的主要工具，尤其是掃頻外差式頻譜分析儀是當(dāng)今頻譜儀的主流，應(yīng)用掃頻測量技術(shù)，通過掃頻信號源得到外差信號進(jìn)行頻域動態(tài)分析。接收機是進(jìn)行EMC測試的主要工具，以點頻法為基礎(chǔ)，應(yīng)用本振調(diào)諧的原理測試相應(yīng)頻點的電平值。接收機的掃描模式應(yīng)當(dāng)是以步進(jìn)點頻調(diào)諧的方式得到的。
3．1 基本原理圖
    根據(jù)工作原理，頻譜分析儀和接收機可分為模擬式和數(shù)，字式兩大類。外差式分析是當(dāng)前使用最為廣泛的接收和分析方法。下面就外差式頻譜分析儀與接收機之間的主要差別作一分析。
    原理圖如7所示，頻譜儀與接收機類似，但是頻譜儀與接收機在以下幾方面差別較大：前端預(yù)選器、本振信號掃描、中頻濾波器、測量精度。

3．2 輸入RF信號的前端處理
    接收機與頻譜儀在輸入端對信號進(jìn)行的處理是不同的。頻譜儀的信號輸入端通常是較為簡單的低通濾波器，而接收機要采用對寬帶信號有較強的抗擾能力的預(yù)選器。通常包括一組固定帶通濾波器和一組跟蹤濾波器，完成對信號的預(yù)選。由于RF信號的諧波、交調(diào)和其它雜散信號的影響，造成頻譜儀和接收機測試誤差。相對于頻譜儀而言，接收機需要更高的精度，故在接收機的前端比普通頻譜儀多出一個預(yù)選器，提高選擇性。接收機的選擇性在GB／T6113(CISPRl6)中有明確規(guī)定。
3．3 本振信號的調(diào)節(jié)
    現(xiàn)在的EMC測量，人們不止要求能手動調(diào)諧搜索頻率點，也需要快速直觀觀察EUT(Equipment under test一被測設(shè)備)的頻率電平特性。這就是要求本振信號既能測試規(guī)定的頻率點，也能夠在一定頻率范圍掃描。
    頻譜儀是通過掃頻信號源實現(xiàn)掃頻測量的。通常通過斜波或鋸齒波信號控制掃頻信號源，在預(yù)設(shè)的頻率跨度內(nèi)掃描，獲得期望的混頻輸出信號。接收機的頻率掃描是步進(jìn)的，離散的，是離散的點頻測試。接收機按照操作者預(yù)先設(shè)定的頻率間隔，通過處理器的控制，在每一個頻率點進(jìn)行電平測量，顯示的測試結(jié)果曲線實際是單個點頻測試的結(jié)果。
3．4 中頻濾波器
    頻譜儀和接收機的中頻濾波器的帶寬是不同的。通常定義頻譜儀分辨率帶寬是幅頻特性的3 dB帶寬，而接收機的中頻帶寬是幅頻特性的6 dB帶寬。當(dāng)頻譜儀與接收機設(shè)定相同級別的帶寬時，它們對信號的實際測試值是不同的。具體的表示如圖8和圖9所示。

從頻譜儀和接收機中頻濾波器的幅頻特性可以看出，當(dāng)頻譜儀3 dB帶寬BW與接收機6 dB帶寬BW值設(shè)為一樣時，實際通過兩種濾波器的信號幅頻特性是不一樣的。依據(jù)EMC標(biāo)準(zhǔn)，無論是民用還是軍用標(biāo)準(zhǔn)，帶寬均應(yīng)為6 dB。
3．5 檢波器
    依據(jù)EMC標(biāo)準(zhǔn)，要求測試接收機帶有峰值、準(zhǔn)峰值和平均值檢波器，通用頻譜分析儀一般帶有峰值和平均值檢波器，沒有準(zhǔn)峰值檢波器。
3．6 精度
    從接收機對信號的處理方式以及EMC測試要求看，接收機要比頻譜儀有更高的精度，更低的亂真響應(yīng)。