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測試與測量  

多探測器電磁掃描系統與單手持式探測器的比較

上網時間: 2003年12月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:EMI  電磁相容  Emscan  hand hold probe  手持式探測器 

掌握電路板電磁特性的目的是從功能性和相容性方面最佳化設計,一般來說,可以採用人工掃描工具和自動化掃描工具,本文介紹了自動化多探測器電磁掃描系統的基本原理,採用電磁掃描系統,設計工程師可以將測試和除錯時間壓縮80%,因而騰出更多時間從事與設計相關的工作。

任何電磁掃描技術應用的主要目的都是幫助設計者盡可能地掌握其電路板的電磁特性,以便從功能性和相容性方面最佳化設計。而且,設計者還希望所有他們所做的針對電路板的研究和修改行為均能被完整地存檔。

上市時間對產品而言十分關鍵,因而設計師必須做出抉擇,是採用人工掃描工具,增加設計精力的投入並犧牲上市時間,還是利用自動化掃描工具(Emscan)來降低設計精力的投入並縮短上市時間。這時,通常要考慮成本。

要想有效地將Emscan自動化電磁掃描系統和一個包含手持式近場探測器的人工掃描系統進行比較,必須考慮以下幾個因素:

1. 確定重要頻率。人工掃描系統和自動掃描系統均允許由設計者來確定重要頻率。人工掃描系統十分複雜,使用起來比較困難。因為很多使用人工掃描系統的設計者都必須首先找到一個開闊的區域(這是一項高成本的任務),然後利用開闊地這一條件來確定重要頻率,接著才能用人工單探測器來尋找被測設備上出問題的區域。

2.圖1:採用Emscan進行掃描的結果比較。 尋找被測設備表面上流過的RF電流。人工和自動兩種掃描系統均允許設計者尋找被測設備(DUT)上RF電流的焦點,但只有Emscan才允許設計者高速實現準確和可重覆的分離焦點和電流環的定位。

3. 掃描速度。Emscan使用電子開關,因而能夠以比人工方法快幾千倍的速度擷取其1280個探測器在每個頻率上的得到的訊號幅度。

4. 可視化。Emscan能夠立即提供光譜分析和影像分析結果的可視化圖形。光譜分析即分析探測器在所有頻率上的峰值訊號幅度以確定重要頻率,而影像分析是指將對DUT表面的分析逐單元連續合成,以得到焦點和RF電流迴路。

5. 準確性和可重覆性。Emscan提供的是?定定位的探測器,以保證測量的準確性和可重覆性。而在人工掃描系統中,探測器的定位絕不可能?定不變。這樣,定位誤差就會引起高達每位置6dB的幅度誤差。而且,在人工測量時,測量位置的不確定性也很高。只有Emscan受專利保護的Fastscan演算法和重覆採樣技術才能提高光譜分析儀的測量準確性,因而分析出訊號的正確頻率。

6. 錯誤分析功能。Emscan的即時可視化功能可以為設計者提供立即反饋,讓設計者馬上知道他所採用的解決問題的方法效果如何,並立即驗證其解決方案。這一功能可以節約大量時間。

7. 報告功能。Emscan的文件管理結構、注釋功能、導出功能以及可比較的特性使得報告功能更容易實現。

8. 存檔功能。Emscan具備一種獨特的能力,可擷取被測電路板電磁特性的完整數據組。其中包含對掃描所得數據的圖形表示和有關掃描描述的記錄。Emscan的系統結構使設計者可以使用這些數據組來實現下列目的:(1) 用做參考;(2) 用於產品今後的修訂;(3) 用於比較採用替換元件前後的效果;(4) 作為產品的自我聲明;(5)用於減輕產品責任。

9.捕捉瞬態事件.只有Emscan能夠捕捉瞬態事件並製作瞬態報告。其峰值保持功能使設計者可以捕捉隨機事件,非連續事件以及極罕見事件。一旦這些事件被捕捉到之後,就可以對其進行深入研究和比較。

可比較的影像掃描

Emscan的連續掃描功能會重覆掃描每個探測器,並以每秒幾次的速度刷新螢幕上的影像。而PCB上流過的EMI電流能夠立即反映設計者為了消除該電流所採取的補救措施效果如何。這一功能對設計者而言十分有用,因為他們可以透過即時查看連續掃描模式下的影像掃描結果以確定其減少輻射源的措施是否有效,因而節約大量時間,如圖1所示。

如果使用手持式探測器,那麼每次設計者實施補救措施之後都必須重新進行掃描,因而浪費許多時間。

有了Emscan技術,設計者就能在產品開發的早期進行PCB的電磁性能評估,並且評估可直接由PCB設計師進行,而無須依靠專門的EMC人員和EMC工具。

此外,Emscan的Overlay功能使設計者能夠同時查看影像掃描結果和電路佈線圖,因而更容易將影像掃描圖中感興趣區域與被掃描的實際元件關聯起來。

報告功能

Emscan的文件管理結構、注釋結構、導出功能和可比較特性使其報告功能更容易實現。Emscan系統在光譜掃描、影像掃描、光譜和影像比較以及光譜╱影像掃描時製作了電磁掃描結果的形象的表示。

存檔功能

Emscan所具備的捕捉電路板電磁特性數據組的功能為設計者提供了一組詳盡的電子數據和可視檔案。這一檔案對於記錄設計者的補救措施,並評估設計者在後期相容性設計上所做的改變對設計相容合法性的影響如何,均有無法估計的價值。同時,它也為技術構造文件提供了極有價值的補充。

在標準Nexus系統中,所有與設計者做出的評估和補救措施相關的光譜掃描和影像掃描均會被存檔。

有了Nexus軟體,設計者就可以選擇一個頻率範圍(例如10KHz或者1MHz或10MHz),並在該範圍內以特定的時間間隔進行掃描,尋找峰值幅度。一旦找到了這些頻率上的峰值幅度,設計者就可以在其中選擇一些特定的頻率,並在這些頻率上做進一步研究。系統會將設計者進行的掃描存檔。

Nexus Plus掃描工具圖2:產品設計周期如果延長幾周,根據產品生命周期利潤理論,總利潤減少量遠高於購買一套Emscan掃描系統所需的成本。

Nexus Plus的最主要的優點就在於它能夠為設計者保存一份全面的檔案。在比Nexus更強大的Nexus Plus系統中,進行光譜╱影像掃描時,可以進行極快速的大範圍頻率掃描(為每個探測器保存成千上萬個頻率上的幅度數據)。這種掃描可以對所有探測器進行高效的全光譜和全影像掃描,而且對每個探測器均進行全頻率掃描。它所產生的大量的數據組就能全面反映一塊PCB的電磁相容性能。

Nexus能夠為設計者提供所有他在研究中進行過的掃描所得到的數據,而Nexus plus則能為設計者提供一組全面的數據組(其中的數據跨越了一個寬廣的頻率範圍),以及所有探測器在所有頻率上的幅度數據。

這一點尤其重要,因為有些最初並沒有問題的頻率很可能在產品修訂或元件替換後出現問題,而Nexus plus則能提供這些頻率上的數據。設計者透過對後來的掃描與這些檔案進行比較,就能迅速發現他所做出的所有改變帶來的效果。

檢測間歇性輻射或基於時間的輻射

只有Emscan能夠捕捉瞬態事件並製作瞬態報告。用手持式探測器捕捉瞬態事件根本就是天方夜談。

其峰值保持功能使設計者可以捕捉隨機事件,非連續事件以及極罕見事件。一旦這些事件被捕捉到之後,就可以對其做進一步的研究和比較。峰值掃描功能在工作時會以設計者要求的頻率連續掃描選定的探測器,並將每個探測器上的最大幅度保存下來。然後,對同樣的探測器,可以將保存下來的峰值保持數據與該探測器的幾個數據樣本進行比較,二者之間的差異就是該頻率上的瞬態報告。

透過連續進行峰值保持模式下的光譜掃描,就能將每個頻率上的最大訊號幅度保存下來。接著將這一數據與光譜掃描數據的幾個樣本進行比較,就能得到多頻率上的交叉瞬態報告。瞬態事件的出現常常會跨越一個頻率範圍,因此這一工具頗有實用價值。

Nexus Plus的同步掃描功能使設計者能夠擷取一組已經與一個外部事件同步了的光譜和影像掃描數據。利用這一功能可以保證在電路的工作周期內,所有的數據都在同一時刻獲得,因而增強了設計者捕捉瞬態訊號的能力。

縮短上市時間

如果一個產品的設計周期延長幾周,那麼根據產品生命周期利潤理論(Theory of Life Cycle Profits),該產品總利潤的減少量就等於該產品收益最高的那幾個星期的利潤,這一利潤值遠高於購買一套Emscan掃描系統所需的成本,如圖2所示。

Emscan能夠讓設計者找到產品中引發問題的區域,並在做出補救措施後立即看到補救效果,因而毫無疑問能夠對設計過程提供幫助。這種幫助可以減少設計者必須使用相容性工具的次數,因而將開發時間縮短幾周。

成本

透過縮短查錯周期並幫助設計者實現設計相容性,Emscan能夠減少勞動開銷,減少使用相容性工具的次數並降低相容性服務的成本,透過縮短上市時間來提高利潤,保證無須額外的補救元件,因而節省開銷。

一家日本大公司在使用Emscan後,去除了其PCB設計中的一個昂貴並且多餘的濾波器,每年節約成本1500萬美元。相對於使用手持式探測器而言,Emscan的成本效益相當可觀,只要完成一個計畫就可以收回其成本。

供稿:EMScan公司

成功的經驗

在S.J. Ettles的一篇名為《一種高效低成本的電磁相容解決方法》("A Cost Effective Path To Electromagnetic Compatibility")的論文中,英國電信研究實驗室EMC工程小組的一位EMC開發工程師說:“對設計者而言,它(Emscan)提供了一個機會,使設計者在將一塊PCB整合在最終的設備中之前,就能夠以影像顯示其RF性能,因而能對所有的修改立即進行量化,並從中受益。”

在1994年的EMC學報第5卷第4號(EMC Journal Vol. 5 No. 4 - 1994)上一篇名為《透過測量近場輻射評估佈線品質》("The Assessment of Layout Quality by Measuring Near-Field Emissions")的文章中,西門子慕尼黑EMC實驗室的一位測試工程師說:“對一件新產品的EMC(電磁相容)品質進行快速的早期評估已經變得越來越重要,因為影響硬體開發的時間和成本壓力日趨緊迫。於是,能用於對一組印刷電路板(PCP)的EMC品質進行評估的測量工具就將是一件十分有益的工具。EMSCAN就是一件這樣的工具。與傳統的測量方法(嘗試法)比較而言,EMSCAN有一個最基本的優勢,那就是它能夠快速定位某個PCP或某些傳輸路徑上的多餘的緊耦合。然後,重新設計就會十分容易。”

在設計師採取補救措施的過程中,他們所採用的替換元件與原始元件的電特性通常相同,但電磁特性則往往不同。產品工程師可以透過使用Emscan來保證使用了替換元件之後,產品的電磁完整性不會受損。

一位從事汽車產業的EMC測試經理曾說:“在使用Emscan之前,我們只能用20%的精力來設計電子設備的電磁性能,而必需將80%的精力用於分析錯誤以及解決在設計後期發現的電磁相容問題。然而使用了Emscan之後,我們竟可以將80%的精力投入到設計中去,而只留20%用於分析錯誤和解決設計後期發現的電磁相容問題。”





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