電氣快速瞬變(electrical fast transient,EFT)脈衝的突發能量可能會耦合至鄰近的電通道,存在破壞電子系統中數位訊號的風險,從而引起意外的閉鎖或重設等失常狀況。示波器可以用來擷取、顯示和分析EFT事件,借助該功能,即使兩個EFT事件間隔時間很長,也能被截取。但許多EMC工程師並不瞭解示波器的這種功能及其可能帶來的好處。

你還可以檢測到由EFT事件造成的「矮」脈衝,並最終計算出EFT脈衝內的能量;利用這些資訊就可以對設計進行修改以提高抗EFT干擾性能。EFT事件是在電流瞬間中斷的情況下發生的,會在觸點之間形成電弧放電,進而破壞電路和系統;電弧產生的電磁場會通過電纜、走線和連接器耦合至電路路徑。

引起EFT事件的常見原因包括繼電器觸點彈跳(relay-contact bounce)、斷路器開關、電感負載的切換及設備斷電;電觸點之間的氣隙擊穿也常常會觸發EFT脈衝的快速爆發。

連續擷取

若要擷取一連串的快速脈衝(如EFT脈衝),或被長時間間隔的事件窄片(比如EFT突發脈衝串),連續擷取(sequential capture)是一種理想的方法。在連續擷取模式下,示波器可以顯示由許多固定大小的分段組成的完整波形。透過設定想要的分段數目、最大的分段長度和可用的總記憶體,就能啟動連續擷取功能了;這些參數決定了示波器可以擷取的事件的實際數目。

連續時基模式對EFT分析有雙重好處,因為它允許精細擷取具有很長時間間隔的複雜的事件序列,同時忽略事件之間的無用週期(長間隔時間);你可以使用高精度的採集時基(timebase)在事件之間對所選分段進行定時測量。圖1顯示了連續時基擷取的運作原理圖。

20170414TA01P1 圖1 連續時基採集運作可以消除目標事件之間的「無用(dead)」時間。

連續時基擷取可以自動採集每個分段的時間戳記,幫助確認EFT突發脈衝串事件的頻率;另外,連續時基模式使用先進的觸發技術來隔離稀有事件,用這種方式可以檢測錯誤的EFT脈衝形狀。

圖2顯示了在連續擷取模式下以分段的形式採集到的一系列EFT突發脈衝串;注意,連續擷取過程消除了脈衝串之間的長間隔時間,只留下採集時想要的突發脈衝串波形。每個突發脈衝串都帶有時間戳記資訊,包括採集的日期和時間、序列開始的時間以及對應EFT突發脈衝串間隔時間的分段間隔時間。

20170414TA01P2 圖2 連續擷取模式使示波器可以顯示EFT突發脈衝串,這些突發脈衝串以帶時間戳記的分段的形式採集而得。

做為對比,圖3顯示的是EFT脈衝,而不是做為分段採集的突發脈衝串。

20170414TA01P3 圖3 示波器擷取EFT脈衝,並透過時間戳記將它們標記為分段。

示波器其實可以捕捉成千上萬個脈衝。需要注意的是,連續脈衝串擷取的時間標度是每格2ms(對應於20ms的時間擷取視窗),而連續脈衝擷取的時間標度是每格100ns(對應於1s的時間擷取窗口)。

EFT脈衝串擷取模式下的分段間時間戳記顯示突發脈衝串之間的間隔時間約為100ms,而EFT脈衝擷取模式下的分段間時間戳記則顯示脈衝之間的間隔時間約為100μs。兩種擷取的時間刻度相差1,000倍,突顯了單個EFT脈衝和EFT脈衝串的不同特性。

檢測EFT異常

判定一個設備是否具備抗EFT干擾能力需要使用產生器(圖4)來模擬快速EFT脈衝。為了確保EFT模擬器產生正確的脈衝形狀和突發脈衝串時序,必須用示波器進行測試。連續採集有助於找出潛在的問題,利用連續採集顯示模式可以檢測EFT異常(圖5)。這個案例從序列中採集了一個脈衝幅度大約只有正常值一半的EFT脈衝。

20170414TA01P4 圖4 用EFT產生器產生測試脈衝。

與正常高度的EFT脈衝相比,使用疊加顯示(左圖)和瀑布顯示(右圖)可以非常清楚地看到圖5中低矮的EFT脈衝。圖5中擷取到的EFT脈衝異常的潛在根源可能是瞬態模擬器中的壞觸點造成脈衝達不到滿幅度。

20170414TA01P5 圖5 由EFT引起的訊號異常(左)也出現在瀑布圖(右)中。

圖6顯示了在通道2上擷取到的EFT突發脈衝串(左上格中的粉色)。從Z2到Z8的7次連續放大顯示了大圖片和EFT突發脈衝串的細節,每次放大都會顯示比上次更多的細節。這些放大圖中包含單個突發脈衝串的圖和突發脈衝串中單個脈衝的圖。使用多格顯示格式,每一條線跡在各自的顯示格內的情況都清晰可見。

20170414TA01P6 圖6 參數測量可以計算突發脈衝串間隔時間和脈衝能量等。

EFT事件的數值參數測量

至此我們主要討論了用於識別EFT脈衝品質問題的可視技術。數值參數測量同樣功能強大,可描述EFT事件的特性並對EFT事件進行除錯。

圖5使用了8個測量參數,每個參數可讓你進一步瞭解所採集的EFT突發脈衝串和脈衝;測量可以限制在一個特定的區域,測量參數P1描述了單個突發脈衝串中脈衝的頻率。其他測量參數可以根據不同的興趣獨立配置。在測量表(圖5的左下方)中,參數P1顯示EFT頻率大約為10kHz。

一個突發脈衝串結束和另一個突發脈衝串開始之間的脈衝邊緣,可以看成是一個負向脈衝,因此可以使用寬度測量參數自動測量突發脈衝串之間的閒置時間。參數P2使用負極性脈衝寬度測量值來確定脈衝串間隔時間。

注意,P4使用的是另一個脈衝寬度測量參數,它選擇的是正極性脈衝,因此測量的是脈衝寬度而不是突發脈衝串間隔時間。也因為此,P4的脈衝寬度測量結果(EFT脈衝寬度)在150ns數量級,而P2的脈衝寬度測量結果(EFT間隙時間)大約是90ms,它們在量級上有顯著差異。

數學運算子(math operator)F2(右上格裡的粉色)是通道C2的平方,因此輸出的單位可以是V2。單位為焦耳的能量是用數學鏈和測量運算子F2、P6、P7和P8計算出來的。

以P6開始,將面積參數運用到平方函數F2中得到曲線下方的面積;接著,在參數P7中設定50Ω這個測量常數;最後,用P8中的比例運算子除以P6/P7可以得到以微焦耳(microjoules)為單位的能量。

總結

連續波形的採集不僅可以簡化EFT事件的擷取,還有助於觀察脈衝的異常和變化。當熟悉的測量參數以新的方式(比如用負脈衝寬度確定EFT脈衝串時間)與數學運算子和測量參數(比如計算能量)一起使用時,可以充分有效地檢測和分析電氣快速瞬變脈衝的特徵。