多探测器电磁扫描系统与单手持式探测器的比较

掌握电路板电磁特性的目的是从功能性和兼容性方面优化设计,一般来说,可以采用人工扫描工具和自动化扫描工具,本文介绍了自动化多探测器电磁扫描系统的基本原理,采用电磁扫描系统,设计工程师可以将测试和除错时间压缩80%,从而腾出更多时间从事与设计相关的工作。

任何电磁扫描技术应用的主要目的都是帮助设计者尽可能地掌握其电路板的电磁特性,以便从功能性和兼容性方面优化设计。而且,设计者还希望所有他们所做的针对电路板的研究和修改行为均能被完整地存档。

上市时间对产品而言十分关键,因而设计师必须做出抉择,是采用人工扫描工具,增加设计精力的投入并牺牲上市时间,还是利用自动化扫描工具(Emscan)来降低设计精力的投入并缩短上市时间。这时,通常要考虑成本。

要想有效地将Emscan自动化电磁扫描系统和一个包含手持式近场探测器的人工扫描系统进行比较,必须考虑以下几个因素:

1． 确定重要频率。人工扫描系统和自动扫描系统均允许由设计者来确定重要频率。人工扫描系统十分复杂,使用起来比较困难。因为很多使用人工扫描系统的设计者都必须首先找到一个开阔的区域(这是一项高成本的任务),然后利用开阔地这一条件来确定重要频率,接着才能用人工单探测器来寻找被测设备上出问题的区域。

2． 寻找被测设备表面上流过的RF电流。人工和自动两种扫描系统均允许设计者寻找被测设备(DUT)上RF电流的热点,但只有Emscan才允许设计者高速实现准确和可重复的分离热点和电流环的定位。

3． 扫描速度。Emscan使用电子开关,因而能够以比人工方法快几千倍的速度捕获其1280个探测器在每个频率上的得到的信号幅度。

4． 可视化。Emscan能够立即提供光谱分析和图像分析结果的可视化图形。光谱分析即分析探测器在所有频率上的峰值信号幅度以确定重要频率,而图像分析是指将对DUT表面的分析逐单元连续合成,以得到热点和RF电流环路。

5． 准确性和可重复性。Emscan提供的是恒定定位的探测器,以保证测量的准确性和可重复性。而在人工扫描系统中,探测器的定位绝不可能恒定不变。这样,定位误差就会引起高达每位置6dB的幅度误差。而且,在人工测量时,测量位置的不确定性也很高。只有Emscan受专利保护的Fastscan算法和重复采样技术才能提高光谱分析仪的测量准确性,从而分析出信号的正确频率。

6． 错误分析功能。Emscan 的实时可视化功能可以为设计者提供立即反馈,让设计者马上知道他所采用的解决问题的方法效果如何,并立即验证其解决方案。这一功能可以节约大量时间。

7． 报告功能。Emscan的文件管理结构、注释功能、导出功能以及可比较的特性使得报告功能更容易实现。

8． 存档功能。Emscan具备一种独特的能力,可捕获被测电路板电磁特性的完整数据组。其中包含对扫描所得数据的图形表示和有关扫描描述的记录。Emscan的系统结构使设计者可以使用这些数据组来实现下列目的:(1) 用做参考；(2) 用于产品今后的修订；(3) 用于比较采用替换元件前后的效果；(4) 作为产品的自我声明；(5)用于减轻产品责任。

9．捕捉瞬态事件。只有Emscan能够捕捉瞬态事件并创建瞬态报告。其峰值保持功能使设计者可以捕捉随机事件,非连续事件以及极罕见事件。一旦这些事件被捕捉到之后,就可以对其进行深入研究和比较。

可比较的图像扫描

Emscan的连续扫描功能会重复扫描每个探测器,并以每秒几次的速度刷新屏幕上的图像。而PCB上流过的EMI电流能够立即反映设计者为了消除该电流所采取的补救措施效果如何。这一功能对设计者而言十分有用,因为他们可以通过实时查看连续扫描模式下的图像扫描结果以确定其减少辐射源的措施是否有效,从而节约大量时间,如图1所示。

如果使用手持式探测器,那么每次设计者实施补救措施之后都必须重新进行扫描,从而浪费许多时间。

有了Emscan技术,设计者就能在产品开发的早期进行PCB的电磁性能评估,并且评估可直接由PCB设计师进行,而无须依靠专门的EMC人员和EMC工具。

此外,Emscan的Overlay功能使设计者能够同时查看图像扫描结果和电路布线图,从而更容易将图像扫描图中感兴趣区域与被扫描的实际器件关联起来。

报告功能

Emscan的文件管理结构、注释结构、导出功能和可比较特性使其报告功能更容易实现。Emscan系统在光谱扫描、图像扫描、光谱和图像比较以及光谱/图像扫描时创建了电磁扫描结果的形象的表示。

存档功能

Emscan所具备的捕捉电路板电磁特性数据组的功能为设计者提供了一组详尽的电子数据和可视档案。这一档案对于记录设计者的补救措施,并评估设计者在后期兼容性设计上所做的改变对设计的兼容合法性的影响如何,均有无法估计的价值。同时,它也为技术构造文件提供了极有价值的补充。

在标准Nexus系统中,所有与设计者做出的评估和补救措施相关的光谱扫描和图像扫描均会被存档。

有了Nexus软件,设计者就可以选择一个频率范围(例如10KHz或者1MHz或10MHz),并在该范围内以给定的时间间隔进行扫描,寻找峰值幅度。一旦找到了这些频率上的峰值幅度,设计者就可以在其中选择一些特定的频率,并在这些频率上做进一步研究。系统会将设计者进行的扫描存档。

Nexus Plus扫描工具

Nexus Plus的最主要的优点就在于它能够为设计者保存一份全面的档案。在比Nexus更强大的Nexus Plus系统中,进行光谱/图像扫描时,可以进行飞速的大范围频率扫描(为每个探测器保存成千上万个频率上的幅度数据)。这种扫描可以对所有探测器进行高效的全光谱和全图像扫描,而且对每个探测器均进行全频率扫描。它所产生的大量的数据组就能全面反映一块PCB的电磁兼容性能。

Nexus能够为设计者提供所有他在研究中进行过的扫描所得到的数据,而Nexus plus则能为设计者提供一组全面的数据组(其中的数据跨越了一个宽广的频率范围),以及所有探测器在所有频率上的幅度数据。

这一点尤其重要,因为有些最初并没有问题的频率很可能在产品修订或元件替换后出现问题,而Nexus plus则能提供这些频率上的数据。设计者通过对后来的扫描与这些档案进行比较,就能迅速发现他所做出的所有改变带来的效果。

检测间歇性辐射或基于时间的辐射

只有Emscan能够捕捉瞬态事件并创建瞬态报告。用手持式探测器捕捉瞬态事件根本就是天方夜谈。

其峰值保持功能使设计者可以捕捉随机事件,非连续事件以及极罕见事件。一旦这些事件被捕捉到之后,就可以对其做进一步的研究和比较。峰值扫描功能在工作时会以设计者要求的频率连续扫描选定的探测器,并将每个探测器上的最大幅度保存下来。然后,对同样的探测器,可以将保存下来的峰值保持数据与该探测器的几个数据样本进行比较,二者之间的差异就是该频率上的瞬态报告。

通过连续进行峰值保持模式下的光谱扫描,就能将每个频率上的最大信号幅度保存下来。接着将这一数据与光谱扫描数据的几个样本进行比较,就能得到多频率上的交叉瞬态报告。瞬态事件的出现常常会跨越一个频率范围,因此这一工具颇有实用价值。

Nexus Plus的同步扫描功能使设计者能够捕获一组已经与一个外部事件同步了的光谱和图像扫描数据。利用这一功能可以保证在电路的工作周期内,所有的数据都在同一时刻获得,从而增强了设计者捕捉瞬态信号的能力。

缩短上市时间

如果一个产品的设计周期延长几周,那么根据产品生命周期利润理论(Theory of Life Cycle Profits),该产品总利润的减少量就等于该产品收益最高的那几个星期的利润,这一利润值远高于购买一套Emscan扫描系统所需的成本,如图2所示。

Emscan能够让设计者找到产品中引发问题的区域,并在做出补救措施后立即看到补救效果,因而毫无疑问能够对设计过程提供帮助。这种帮助可以减少设计者必须使用兼容性工具的次数,从而将开发时间缩短几周。

成本

通过缩短查错周期并帮助设计者实现设计的兼容性,Emscan能够减小劳动开销,减小使用兼容性工具的次数并降低兼容性服务的成本,通过缩短上市时间来提高利润,保证无须额外的补救元件,从而节省开销。

一家日本大公司在使用Emscan后,去除了其PCB设计中的一个昂贵并且多余的滤波器,每年节约成本1500万美元。相对于使用手持式探测器而言,Emscan的成本效益相当可观,只要完成一个项目就可以收回其成本。

供稿:EMScan公司

成功的经验

在S.J. Ettles的一篇名为“一种高效低成本的电磁兼容解决方法”("A Cost Effective Path To Electromagnetic Compatibility")的论文中,英国电信研究实验室EMC工程小组的一位EMC开发工程师说:“对设计者而言,它(Emscan)提供了一个机会,使设计者在将一块PCB集成到最终的设备中之前,就能够形象地显示其RF性能,从而能对所有的修改立即进行量化,并从中受益。”

在1994年的EMC学报第5卷第4号(EMC Journal Vol. 5 No. 4 - 1994)上一篇名为“通过测量近场辐射评估布线质量”("The Assessment of Layout Quality by Measuring Near-Field Emissions") 的文章中,西门子慕尼黑EMC实验室的一位测试工程师说:“对一件新产品的EMC(电磁兼容)质量进行快速的早期评估已经变得越来越重要,因为影响硬件开发的时间和成本压力日趋紧迫。于是,能用于对一组印制电路板(PCP)的EMC质量进行评估的测量工具就将是一件十分有益的工具。EMSCAN就是一件这样的工具。与传统的测量方法(尝试法)比较而言,EMSCAN有一个最基本的优势,那就是它能够快速定位某个PCP或某些传输路径上的多余的紧耦合。然后,重新设计就会十分容易。”

在设计师采取补救措施的过程中,他们所采用的替换元件与原始元件的电特性通常相同,但电磁特性则往往不同。产品工程师可以通过使用Emscan来保证使用了替换元件之后,产品的电磁完整性不会受损。

一位从事汽车工业的EMC测试经理曾说:“在使用Emscan之前,我们只能用20%的精力来设计电子设备的电磁性能,而必需将80%的精力用于分析错误以及解决在设计后期发现的电磁兼容问题。然而使用了Emscan之后,我们竟可以将80%的精力投入到设计中去,而只留20%用于分析错误和解决设计后期发现的电磁兼容问题。”