低频抗扰度信号发生器的研制

周竞恒 叶志武

（广东省江门市质量计量监督检测所，广东江门 529000）

在工业或居家环境中，公共的网络相连设备会产生很多连续或瞬态低频干扰信号，范围在DC 到300 kHz 内，通过连接线缆或空间传递到智能电器、车辆及零部件等电子电器产品，干扰其正常工作，从而导致设备失稳、失控，甚至损坏。因此，对电子电器产品进行干扰度检测非常必要。

目前，国内还没有针对智能电器、车辆及零部件等在DC～300 kHz 范围内的低频复杂环境信号发生器；国外提供低频复杂环境信号发生器的厂家主要有TESEQ、EM TEST、EMC PARTNER 等，产品主要有以下特点：TESEQ 只有符合GB/T 17626.16《电磁兼容 试验和测量技术 0 Hz～150 kHz共模传导骚扰抗扰度试验》[1]标准的产品，其它标准产品目前没有涉及，产品标准覆盖性不够全面；EM TEST 产品市场占有率高，性能稳定，但产品标准覆盖性不够齐全，产品价格比较昂贵；EMC PARTNER 产品可以瞬态发生器上扩展，产品集成度高，但市场占有率低，不能覆盖电表、智能马桶等产品的标准测试要求。因此，根据检测平台能力建设和相关行业科研需要，研发一款符合标准的智能仪表，提高国内智能电器、车辆及零部件等行业检测自给能力，从而缩短投入周期，降低设备投入成本。

1 仪器设计

低频复杂环境信号发生器是通过任意波形发生器模拟供电系统DC～300 kHz 范围内的各种连续或瞬态噪声，经功率放大器将信号进行放大，达到标准要求的信号强度，并通过变压器注入干扰电压或宽带环天线转换成磁场来检测被测试设备抗低频干扰能力。

该仪器设计难点需要解决宽频带功率放大器，并且放大器的线性要求非常高，这样才可以确保信号输出的精度，该仪器信号输出精度需要达到0.5%。本设计首先需要研发1 Hz～300 kHz 宽频放大器、可编程电源、输出控制单元等硬件；通过嵌入式软件设计，设计出兼容Lunix 或Windows的自动测试软件，实现集成多种低频抗扰度测试于一体的一款设备，其主要有以下特点：（1）信号频率DC～300 kHz；（2）电压或电流输出，电压幅度≤300 V（AC 和DC），电流幅度≤16 A（持续）；（3）支持工频磁场、低频磁场、低频传导抗扰度三大类型的民用、军用、汽车、航空标准测试。

仪器与外界连接关系如图1 所示。低频干扰发生器仪器中的工控机扮演测试主控角色。除了本仪器（低频干扰发生器）以外，对于不同测试，可能会有其他一个或两个仪器（万用表、示波器、频谱仪）通过仪器后面板上的通信接口（USBA、LAN、RS232）与工控机连接并受控进行参数测量（有些测试可选使用内部测量或者外部仪器测量，有些是必须要外部仪器测量）。专用的远程LAN 口可连接其他电脑，通过Web 页面或者应用程序远程控制仪器工作。

图1 仪器与外界连接关系

2 测试标准分析

2.1 工频磁场测试

工频磁场发生器通过给线圈通电源频率的交流或直流电流来产生磁场，其电路原理如图2 所示，由可调压或调流的电源产生所需频率的电源，然后通过变压器降压升流，最后输出到线圈产生磁场。

图2 工频磁场发生器原理

磁场和电流的关系是H=Fcoil×I（其中H 是磁场强度，Fcoil 是线圈因子，I 为线圈中的电流）。考虑源和线圈中间有n:1 变压器，则有H=Fcoil×nI。发生器工作时，通过设定的H、Fcoil、n 来计算电流I，则输出计算的电流值即对应产生所需的磁场强度。

2.2 DC～300 kHz 低频传导测试

低频传导测试基本电路模型如图3 所示，试验中将产生的低频干扰信号通过耦合网络注入被测件的电源、地线、通信端口或壳体等位置，耦合网络有阻容耦合、线缆感性耦合、变压器耦合几种方式。通常可以在被测端测量注入的信号电压和电流大小。

图3 低频传导测试基本电路模型

注入方式分为共模和差模两种。不同标准按测试等级标定参数类型可分为电压注入和电流注入。电压标定类型中，一部分测试标定对象为源开路输出电压（图中的Uo）或者定义耦合网络的输出电压（图中的Un，即将耦合网络和源看作整体源），因此此类标准（民标差模和共模）测试时不需要进行校准；另一类测试标定被测件线路电压UL或IL，此类测试（军车航标）需要进行校准或者采用闭环调整方式。电流注入型测试均为闭环调整方式，军车航标电源测试均使用变压器耦合注入，军车航标信号线测试均使用线缆耦合注入。

2.3 DC～150 kHz 低频磁场测试

低频磁场发生基本电路模型如图4 所示，由电压源Ui产生正弦波干扰电压，经过合适的内阻Zi，输出到发射线圈UL,磁场传感器将磁场信号转换为电压信号，输出给传感器电压测量单元，测得电压，经计算确认是否达到目标值，如果没有达到目标值继续调整电压源Ui，直到传感器电压测量装置测得电压计算结果达到目标值，此时标定目标场强值时线路电流测量结果为测试发射目标。装置进行试验时，根据目标场强值和线圈因子的反比例关系，得到目标电流值，当线路电流测量到的电流与目标电流一致时，则输出场强达到目标场强。

图4 低频磁场发生基本电路模型

3 仪器结构

仪器结构如图5 所示。系统主要由测试主机和可编程电源两个仪器组成，其间通过串口线缆连接，电源输出接入主机的电源输入端。开关板完成信号输入通道（来自电源或者功放）以及输出通道（香蕉头或同轴头）的选择，同时实现us开关功能。函数发生板实现DDS 函数发生器功能。探头板实现信号输入隔离及增益调整，两路测量分别对线路电流及外部输入的电压进行测量。主控板作为功放、开关、电源、函数发生控制，通过串口与工控机相连。

图5 仪器结构图

主控采用x86+Windows/Linux 平台，成品固态继电器开关时间通常最快在100 us 级别，采用半导体开关器件；除us开关外，其余通道切换均在信号输出前，采用具有接触电阻低、交直流可用、控制与信号隔离的优势的继电器进行通道切换；信号发生器采用ADI 的单片函数发生器，其具有片内14 bit DDS发生器，另外带有4096 bit 任意波发生器，输出最高采样率可达180 MSPS，片内24 bit 分频器在分辨率为0.01 Hz 时最高频率为167.78 kHz，需要额外采取措施做频率扩展；功率放大器使用市售现有产品，需要拆除外壳，机械增益旋钮用电调替代；程控电源采用定制方式，满足频率分辨率优于0.1 Hz，精度优于±0.2%，电流最大值不小于10 A，分辨率优于0.01 A，精度优于±0.5%设定值，承受冲击电流倍数≥5，电压：0 V～330 V，分辨率优于0.1 V，精度优于±1%设定值。

4 测试仪主机环境及安全

EMC 满足标准IEC 61326-1:2020 Electrical equipment for measurement,control and laboratory use–EMC requirements–Part 1:General requirements[2]要求；安规满足标准IEC 61010-1-2011 This Test Report Form applies to IEC 61010-1 (Third Edition):2010[3]要求，震动满足标准IEC 60068-2-6 Environmental testing-Part 2-6:Tests-Test Fc:Vibration (sinusoidal)[4]要求，冲击满足标准IEC 60068-2-27 Environmental testing -Part 2-27:Tests-Test Ea and guidance:Shock[5]要求，温湿满足标准IEC 60068-2-30 Environmental testing-Part 2-30:Tests-Test Db:Damp heat,cyclic (12 h+12 h cycle)[6]要求，外壳防护满足标准IEC 60529-2013 Degrees of protection provided by enclosures (IP Code)[7]要求。

5 工控机软件功能

软件由MCU 部分程序和工控机部分程序组成，MCU 部分程序负责将底层硬件控制转换成串口SCPI 指令。工控机部分程序基于现有软件底层，设计适合于触屏的UI 实现。示波器控制使用厂家提供的SDK，其余控制通过SCPI 指令，页面层级如图6 所示。

图6 页面层级图

软件主要实现以下功能：

（1）实现对仪器内MCU、函数发生器、示波器的指令控制。

（2）实现对外部指定型号的可编程电源的指令控制，以及可选的其他仪器的指令控制（方式与内部仪器类似），支持SCPI 指令或其他需要的类型指令。

（3）实现仪器界面操作，包括系统设置、测试参数设置、测试、文件操作。

（4）实现远程Web 服务器或应用程序访问接口（LAN）。

6 结论

低频抗扰度信号发生器的研制，可以提高自给检测能力，缩短检测能力建设时间，降低检测能力投入成本，加强对相关产品的监管，更好地保障消费者权益，指导智能电器、汽车零部件等行业的研发和生产，促进产业升级和高质量发展。