CN110988490A - 一种电源滤波器差损时域测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种电源滤波器***损耗的时域脉冲测量方法,可以解决目前电源滤波器***损耗测量中,测量信号与实际工作信号类型相差较大,测量结果不能客观反映实际情况以及测量工作量庞大等问题。该方法使用脉冲信号而不是连续波信号作为测量信号,并通过时域-频域转换得到频率信息,一次测量即可完成全频段测量。本方法不仅从原理上更加贴近实际使用情况,测量结果更加客观真实;而且与原有方法相比,本测量方法的操作步骤更加简便,测量效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域,尤其涉及一种电源滤波器差损时域测量***及方法。
背景技术
电源滤波器是屏蔽室的重要部件之一,其指标性能在极大程度上决定的屏蔽室的性能指标。通常用***损耗表征滤波器的特性。然而,在实际使用时,即使电源滤波器的***损耗设计达标,也有可能因为源阻抗和负载阻抗的变化而得不到最佳的滤波效果。电源滤波器对进出线缆上干扰的抑制水平的不足将会导致外界干扰通过电源线进入屏蔽室或保护电路,造成屏蔽室或保护电路性能降低甚至失效。
如图1至图7所示,为现有技术中测量***损耗的一些方案。
电源滤波器对干扰噪声的抑制能力用IL(Insertion Loss,***损耗)来衡量。***损耗定义为:没有滤波器接入时,从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后,从噪声源传输到负载的功率P2之比,用dB表示,滤波器接入前、后的电路如图1(a),(b)所示,电源滤波器***损耗计算公式如表1所示。
表1
电源滤波器在不同的源与负载阻抗的情况下,滤波性能有很大的差异。在一般的滤波器产品说明书中,提供的***损耗值都是在源阻抗和负载阻抗均为50Ω的情况下得到的。在实际使用中,滤波器的端阻抗随着工作环境的变化而变化,因而对滤波器***损耗的影响也很大。
目前,国内及国际上电源滤波器***损耗测量方法包括共模、差模和常模测量等几种方法。
a)共模***损耗标准测量方法(Asymmetrical Measurement)
共模***损耗标准测量方法的测试电路如图2,参考电路如图3所示。将某一频率的电压信号注入输入端,根据***损耗的定义,先要过测量没有滤波器时,负载50Ω上的电压V1作为0dB的参考电压。再测量有滤波器后,负载50Ω上的电压V2,通过公式IL=20log(V1/V2)计算得到电源滤波器的***损耗,再变更输入信号的频率重复上述测量,直至测量的频率范围满足使用要求。测量时注意,滤波器的输入端和输出端是并联的,目的是取得共模***损耗的平均值。因为滤波器的Cy电容量尽管标称值和误差等级一样,其实际值也不完全一样,电感尽管绕组匝数一样,但磁芯的磁导率误差和工艺上也很难实现在绕制和装配时完全对称,因此采用平均值才有意义。
b)差模***损耗标准测量方法(Symmetrical Meausurement)
差模***损耗标准测量方法,其测试电路如图4所示,参考电路如图5所示。
由于频谱分析仪(或标准信号发生器)输出、输入均采用对地非对称结构的50Q同轴电缆,为了测量对地对称的差模***损耗,需对频谱分析仪跟踪发生器的输出信号(滤波器的输入信号)进行不对称-对称变换,对频谱分析仪输入信号(滤波器的输出信号)进行对称-不对称的逆变换,其他步骤同共模***损耗标准测量方法。
c)常模(Normal Mode)***损耗标准测量方法
常模***损耗测量方法的测试电路如图6所示,参考电路如图7所示。
与共模***损耗测量电路相比,在N和地之间接入一个50Ω电阻。常模也是经常用来表示差模的一种方法。
上述测量方法又称为50Ω/50Ω,***测量方法,即源和负载阻抗均在50Ω匹配条件下测量,它也是目前许多滤波器制造商传统沿用的测量方法。用以上共、差模***损耗测量方法时需注意:
(1)由于测量仪器输出信号幅值在不同的频率有波动,所以没***滤波器前的0dB校正,应该对所测频域的各主要频点逐点进行校对。具备条件的,可进行计算机编程进行自动校正。
(2)被测滤波器外壳应该接地良好,否则1MHz以上测得的***损耗相差很大。
(3)要确保滤波器输入,输出连接线之间有良好的隔离,以避免它们之间在高频段产生射频耦合,给高频段测量带来很大误差。
(4)没有频谱分析仪,也可以用标准信号发生器和示波器来代替,但后者动态范围小,在高频段的测量误差较大。
某一型号电源滤波器测试结果如表2所示。
表2
测试频率/MHz | ***损耗/dB |
0.01 | 24.7 |
0.014 | 48.2 |
0.02 | 68.9 |
0.05 | 73.5 |
0.1 | 74.2 |
0.5 | 79.1 |
1 | 79.9 |
5 | 93.4 |
10 | 94.6 |
50 | 95.2 |
100 | 103.4 |
500 | 102.4 |
1000 | 98.1 |
5000 | 77.8 |
100000 | 71.0 |
180000 | 62.5 |
可以看出,无论是上述任何一种测量方法均在连续波条件的前提下,即信号源发射某一特定频率的连续波信号至电源滤波器的输入端,再通过频谱仪或示波器接收电源滤波器输出端的信号。一旦电源滤波器在宽频段下工作,由于多个频率点均要进行测量,这就导致测量的工作量极为巨大。尤为重要的是,电源滤波器的现实使用中所需要隔离的信号往往不是连续波信号,而是脉冲信号。脉冲信号条件和连续波信号条件下电源滤波器***损耗将有很大的差异。
发明内容
本申请提供了一种电源滤波器***损耗的时域脉冲测量方法,可以解决目前电源滤波器***损耗测量中,测量信号与实际工作信号类型相差较大,测量结果不能客观反映实际情况以及测量工作量庞大等问题。该方法使用脉冲信号而不是连续波信号作为测量信号,并通过时域-频域转换得到频率信息,一次测量即可完成全频段测量。
根据本方案实施例的第一方面,提供了一种电源滤波器差损时域测量***,所述***包括:时域脉冲发射装置、时域脉冲接收装置和控制计算机;
控制计算机分别控制时域脉冲发射装置和时域脉冲接收装置进行直通测量和被测电源滤波器的衰减测量;
控制计算机基于两次测量的结果,计算得到被测电源滤波器的***损耗。
在一种优选地实施例中,所述时域脉冲接收装置包括:采样单元和数字采样转换器;
所述数字采样转换器分别控制计算机和采样单元连接;
所述采样单元的至少一个接收端用于与被测器件连接。
在一种优选地实施例中,所述时域脉冲发射装置包括:脉冲发生器和与脉冲头;
所述脉冲发生器的输入端与数字采样转换器连接;其输出端与脉冲头连接;
脉冲头的输出端分别与被测器件和采样单元连接。
在一种优选地实施例中,在所述电源滤波器差损时域测量***中未接入被测电源滤波器时,所述***还包括:衰减器;
所述衰减器分别与所述脉冲头和所述采样单元连接;在未接入被测电源滤波器时,***进行直通测量。
在一种优选地实施例中,在接入被测电源滤波器时,所述***还包括:前置放大器;
所述前置放大器的输入端与被测电源滤波器连接,其输出端与所述采集单元连接;
被测电源滤波器的输入端与脉冲头的输出端连接。
根据本方案实施例的第一方面,提供了一种电源滤波器差损时域测量方法,所述方法包括:
在未接入被测电源滤波器时,基于时域脉冲发射装置和时域脉冲接收装置进行直通测量,获得直通信号;
在接入被测电源滤波器时,基于时域脉冲发射装置和时域脉冲接收装置,对被测电源滤波器进行衰减测量,获得衰减信号;
根据所述直通信号和衰减信号,计算被测电源滤波器的***损耗。
在一种优选地实施例中,所述直通测量用于
确定注入电源滤波器的脉冲信号幅度V1和脉冲上升时间tr。所述衰减测量用于得到经过所述电源滤波器衰减后的脉冲信号幅度V2。
在一种优选地实施例中,所述根据所述直通信号和衰减信号,计算被测电源滤波器的***损耗的步骤中,根据所述直通信号频域和衰减信号频域的对数形式,计算电源滤波器的***损耗,包括:
根据所述V1和所述V2比值的对数形式,确定所述电源滤波器的***损耗;
根据所述tr确定注入电源滤波器的脉冲信号所覆盖的上限频率。
在一种优选地实施例中,所述根据所述V1和所述V2,确定所述电源滤波器的***损耗,包括:
通过如下公式确定所述电源滤波器的***损耗IL:
IL=20log(V1/V2)。
在一种优选地实施例中,所述根据所述tr确定注入电源滤波器的脉冲信号所覆盖的上限频率,包括:
通过如下公式确定注入电源滤波器的脉冲信号所覆盖的上限频率fmax:
fmax=0.35/tr。
有益效果如下:
本申请提供的电源滤波器***损耗的时域脉冲测量方法,不仅从原理上更加贴近实际使用情况,测量结果更加客观真实;而且与原有方法相比,本测量方法的操作步骤更加简便,测量效率更高。
附图说明
下面将参照附图描述本申请的具体实施例,其中:
图1示出了现有技术中滤波器接入前、后的电路示意图;
图2示出了现有技术中共模***损耗标准测量方法的测试电路示意图;
图3示出了现有技术中共模***损耗标准测量方法的参考电路示意图;
图4示出了现有技术中差模***损耗标准测量方法的测试电路示意图;
图5示出了现有技术中差模***损耗标准测量方法的参考电路示意图;
图6示出了现有技术中常模***损耗测量方法的测试电路示意图;
图7示出了现有技术中常模***损耗测量方法的参考电路示意图;
图8示出了本实施例提供的一种电源滤波器差损时域测量***结构示意图;
图9示出了本实施例提供的一种电源滤波器差损时域测量***直通测量时的结构示意图;
图10示出了本实施例提供的一种电源滤波器差损时域测量***直通测量时的结构示意图;
图11示出了本实施例提供的一种电源滤波器差损时域测量***衰减测量时的结构示意图;
图12示出了本实施例提供的直通接收信号示意图;
图13示出了本实施例提供的衰减接收信号示意图;
图14示出了本实施例提供的测量结果的频谱分布示意图。
具体实施方式
现有的电源滤波器***损耗测量方法中,往往在连续波条件下,如此的测量方法不仅工作量大,而且与实际使用情况有较大的偏差,测量结果将会在很大程度上误导使用者。
本申请提供一种电源滤波器差损时域测量方法,用时域脉冲方法进行电源滤波器***损耗测量。该方法采用电源滤波器***损耗时域测量方法可有效地解决以上不足,本方法使用脉冲信号进行电源滤波器***损耗的测量,通过一次脉冲注入即可完成全频段的测量。不仅测量条件和测量结果更加贴近实际使用情况,而且操作简便,工作效率高。
具体的,本申请提供的电源滤波器差损时域测量方法通过一种电源滤波器差损时域测量***实现。
如图8所示,该电源滤波器差损时域测量***包括:时域脉冲发射***,时域脉冲接收***。
时域脉冲发射***,包括脉冲发生器和脉冲头等。
时域脉冲接收***,包括采样单元和数字采样转换器等。
除此之外,该电源滤波器差损时域测量***还包括:控制计算机。
如图9所示,脉冲头分别与脉冲发生器、采样单元连接。脉冲发生器还与数字采样转换器连接。采样单元还与数字采样转换器连接。数字采样转换器还与控制计算机连接。
在进行直通测量时,该电源滤波器差损时域测量***还包括:衰减器。如图10所示,该衰减器分别与脉冲头和采样单元连接。
在进行衰减测量时,该电源滤波器差损时域测量***还包括:电源滤波器和前置放大器。如图11所示,电源滤波器与前置放大器连接。脉冲头还与电源滤波器连接。前置放大器还与采集单元连接。
基于图9、10和11所示的电源滤波器差损时域测量***进行的电源滤波器差损时域测量方法如下:
1)按图9连接设备。
2)将脉冲发生器和数字采样转换器开机预热30分钟。
3)由脉冲发生器和脉冲头发射时域脉冲信号,将信号输送至采样单元和数字采样转换器,获得直通接收信号V1和脉冲上升时间tr。
4)将被测电源滤波器接入***,如图11所示,再次由脉冲发生器和脉冲头发射时域脉冲信号,获得衰减接收信号V2。
5)本步骤中,根据直通接收信号和衰减接收信号的对数形式,计算电源滤波器的***损耗。根据tr确定注入电源滤波器的脉冲信号所覆盖的上限频率。
如:通过公式IL=20log(V1/V2)确定电源滤波器的***损耗IL。
通过公式fmax=0.35/tr确定注入电源滤波器的脉冲信号所覆盖的上限频率fmax。当时域脉冲信号输出幅度为20V,时域接收设备灵敏度为2mV时,其测量动态范围为20log(20V/2mV)=80dB;电源滤波器差损时域测量***配置中使用20dB前置放大器,求得***动态范围约为80dB+20dB=100dB。配合不同的前置放大器,电源滤波器差损时域测量***还可获得更高的测量动态范围。
为了保证注入的脉冲信号满足测量要求,一方面需根据时域脉冲波形时间参数与信号覆盖频率带宽之间的关系来选择合适的时域脉冲波形时间参数,另一方面需根据需要测量的电源滤波器***损耗动态范围的大小来选择合适的时域脉冲波形幅度参数。
在脉冲信号的分析中,信号的上升时间与频带宽度有一定的对应关系。脉冲上升时间越短,包含的频谱分量越丰富,谐波次数越高,对应的频带宽度越宽。考虑一般电源滤波器***损耗10kHz~18GHz的频率范围,根据时域脉冲上升时间与所覆盖频率带宽之间的关系式(频率带宽=0.35/脉冲上升时间)可以得出,需选择上升时间tr小于19.4ps的时域脉冲信号,覆盖带宽即可达到18GHz。
其中,频率带宽单位为GHz,脉冲上升时间单位为ns。
根据该关系式可以看出,时域脉冲波形宽度越窄,上升时间越短,波形越陡,其频谱分量中高频分量的幅度越大。暗室反射特性测量结果通常是以频谱曲线的方式表示的。因此,时域测量结果最终要变换到频域。而测量***发射的时域脉冲信号变换为对应的频域信号时,幅度最小的频谱分量决定了测量***的频域动态范围。
其测量数据如图12-14所示。图12为直通接收信号示意图,图13为衰减接收信号示意图,图14为测量结果的频谱分布示意图。
本方法测试信号的类型为窄脉冲信号;测量结果通过时域-频域转换计算得到。可以使用且仅使用一个脉冲信号完成电源滤波器***损耗的测量,而不是像现有测量方法需要进行几十次甚至上百次的测量,大大提高了测量效率。而且由于最后测量结果通过时域-频域转换计算得到,因此可以得到测量频段范围内任何一个频率点的***损耗数据;而现有测量方法无论进行多少次测量也无法达到这一效果。这在后期的使用中,对于一旦发生问题所需要的分析具有重要的意义。
以上仅为本发明的实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种电源滤波器差损时域测量***,其特征在于,所述***包括:时域脉冲发射装置、时域脉冲接收装置和控制计算机;
控制计算机分别控制时域脉冲发射装置和时域脉冲接收装置进行直通测量和被测电源滤波器的衰减测量;
控制计算机基于两次测量的结果,计算得到被测电源滤波器的***损耗。
2.根据权利要求1所述的***,其特征在于,所述时域脉冲接收装置包括:采样单元和数字采样转换器;
所述数字采样转换器分别控制计算机和采样单元连接;
所述采样单元的至少一个接收端用于与被测器件连接。
3.根据权利要求2所述的***,其特征在于,所述时域脉冲发射装置包括:脉冲发生器和与脉冲头;
所述脉冲发生器的输入端与数字采样转换器连接;其输出端与脉冲头连接;
脉冲头的输出端分别与被测器件和采样单元连接。
4.根据权利要求1所述的***,其特征在于,在所述电源滤波器差损时域测量***中未接入被测电源滤波器时,所述***还包括:衰减器;
所述衰减器分别与所述脉冲头和所述采样单元连接;在未接入被测电源滤波器时,***进行直通测量。
5.根据权利要求1所述的***,其特征在于,在接入被测电源滤波器时,所述***还包括:前置放大器;
所述前置放大器的输入端与被测电源滤波器连接,其输出端与所述采集单元连接;
被测电源滤波器的输入端与脉冲头的输出端连接。
6.一种电源滤波器差损时域测量方法,其特征在于,所述方法包括:
在未接入被测电源滤波器时,基于时域脉冲发射装置和时域脉冲接收装置进行直通测量,获得直通信号;
在接入被测电源滤波器时,基于时域脉冲发射装置和时域脉冲接收装置,对被测电源滤波器进行衰减测量,获得衰减信号;
根据所述直通信号和衰减信号,计算被测电源滤波器的***损耗。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述直通测量用于
确定注入电源滤波器的脉冲信号幅度V1和脉冲上升时间tr;所述衰减测量用于得到经过所述电源滤波器衰减后的脉冲信号幅度V2。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述根据所述直通信号和衰减信号,计算被测电源滤波器的***损耗的步骤中,根据所述直通信号频域和衰减信号频域的对数形式,计算电源滤波器的***损耗,包括:
根据所述V1和所述V2比值的对数形式,确定所述电源滤波器的***损耗;
根据所述tr确定注入电源滤波器的脉冲信号所覆盖的上限频率。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述根据所述V1和所述V2,确定所述电源滤波器的***损耗,包括:
通过如下公式确定所述电源滤波器的***损耗IL:
IL=20log(V1/V2)。
10.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述根据所述tr确定注入电源滤波器的脉冲信号所覆盖的上限频率,包括:
通过如下公式确定注入电源滤波器的脉冲信号所覆盖的上限频率fmax:
fmax=0.35/tr。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200410 |