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详解电磁兼容测试中 EMI 接收机的几种检波器
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专栏专注介绍电磁兼容（EMC）的相关知识，算是对本人浸染 EMC 专业十余年的一个阶段小结。本文是专栏第 5 篇，前 4 篇分别见 EMC 测试类型简介 、 IEC及其EMC标准体系简介、 IEC 61000-3 系列部分标准简介 及 电磁兼容试验和测量技术标准 GB 17626 简介 。
本文目录
1. 检波器是什么？1.1 EMI 接收机原理1.2 检波器的作用1.3 检波器的不同特性
2. 峰值检波器3. 准峰值检波器3.1 QP 检波器的绝对校准3.2 QP 检波器的相对校准
4. 平均值检波器4.1 平均值检波器概述3.2 CISPR-平均值检波器
5. 均方根-平均值检波器
1. 检波器是什么？
在电磁兼容测试中，为了测量电磁发射，需要 EMI 接收机对信号进行处理度量。 作为 EMI 检波器中重要的组成部分，为了认识检波器，让我们从简要认识 EMI 接收机开始。 1.1 EMI 接收机原理满足 国标 / CISPR 标准1的典型 EMI 接收机，原理框图如下：
被测信号输入后先经过 输入衰减器（Attn） 和 预选器（Pre-selector），之后输入到 射频放大器（RF Amp） 进行放大； 之后，与 本振（Local Oscillator，LO） 混频后，进入 中频滤波器（IF Filter） 和 中频放大器（IF Amp），保证仅有中频信号通过； 最后，中频信号经过 检波器（Detector） 电路后，再经 滤波（FIlter） 和 A/D 变换 等处理后可显示结果。 上述原理的 EMI 接收机是典型的 超外差结构，但实际可能有 2～3 级下变频，以满足标准的规定。 1.2 检波器的作用 简单而言，检波器是用于对输入信号的大小进行度量的电路。 但就像统计学里有平均数、中位数、众数等概念，对信号大小进行度量也存在多个标准，如峰值、有效值、平均值，需要不同的检波器才能分别获取。按照 国标 / CISPR 标准，EMI 接收机通常包括 峰值（Peak）、准峰值（Quasi-Peak，QP） 和 平均值（Average） 等检波方式。 检波器的简化原理图如下所示。
下图左侧是输入一个脉冲信号，右侧是中频滤波后，进入到检波器前的波形示意：
对于未经调制的正弦信号，上述 3 种检波器给出的值应当是一致的。 但是对脉冲信号来说，准峰值和平均值检波器的输出，则与脉冲重复频率（Pulse Repetition Frequency，PRF）有关。
下面分别简要介绍几种检波器的区别和基本原理。 2. 峰值检波器正如上面 EMI 接收机检波器原理图，位置 1 的输出即是峰值检波器的输出。 由于没有后面的加权函数，电容 C 没有放电通道，峰值检波器就可以 “锁住” 信号的最大值，进而获得信号在所有时刻的最大值。 反映到具体参数上，峰值检波器的充电时间常数3非常短，而放电时间常数4很长（按照 国标 / CISPR 标准 规定，峰值检波器在 B 频段5的放电时间与充电时间的比值可达 1.25 × 106）。下图给出了不同 PRF 下， 峰值检波器的响应。
正如 “准峰值（Quasi-Peak，QP）” 的字面含义，准峰值检波器 与 峰值检波器 类似，但并不完全一致。 从原理上看，QP 检波器是一种通过设定适当充放电时间，对峰值检波器进行加权的电路。 QP 检波器的充电时间常数较低，充电速度较快；同时，放电时间常数虽然也较高，但并不像峰值检波器那么长。国标 / CISPR 标准 中关于 QP 检波器的时间常数规定如下： 参数A 频段 9 kHz~150 kHzB 频段 0.15 MHz~30 MHzC 频段和 D 频段 30 MHz~1000 MHz充电时间常数/ms4511放电时间常数/ms500160550 峰值检波器的引入我们好理解，是为了获得信号的最大值，那为什么要引入 QP 检波器呢？ QP 检波器的引入是为了模拟人的主观感受，比如人眼 / 听力对高幅度/低重复率的脉冲电压，与低幅度/高重复率的电压感受较为一致。举例而言，一个每秒闪烁一次的光源，给人的感觉比每 10 秒闪烁一次的光源，主观上更难受；人的听力也是如此，一般感觉更高重复率的信号更加烦人。QP 检波器的充电和放电时间参数的设置，使得检波器可以基于信号的 “烦人系数” 进行 “加权”，使得更高的 PRF 可以在 QP 检波器上产生更高的输出。 正如峰值检波器输出结果的两个图所示，较低 PRF 的脉冲信号，QP 检波器的输出结果（QP-weighted voltage）更低。 产生这种现象的原理也较为简单。随着 PRF 增加，由于电容 C 放电的时间较短，使得QP 检波器的输出更高。测量中，由于 QP 检波器的充放电时间参数较高，为了保证电容可以充分充放电，EMI 接收机的驻留时间（Dwell Time）也相对较长，使得 QP 检波器测试速度相对峰值检波器较慢。 按照 国标 / CISPR 标准 的规定，QP 检波器需要满足 2 项严格的脉冲响应要求，分别是 “绝对校准” 和 “相对校准”，下面分别介绍。 3.1 QP 检波器的绝对校准“绝对校准” 实际上是要求 QP 检波器对给定脉冲的响应，必须与相应的正弦信号输入相同。 绝对校准的测试配置如下图所示：
具体的校准过程如下： ①：将 A 点 信号发生器 产生的正弦波幅度设置为 2 mV（66 dBμV），连接到 EMI 接收机，并调谐到信号发生器的频率，读取正弦波电压（接收机读数应为 60 dBμV），将该电压设置为参考值； ②：按照标准规定，对 脉冲发生器 的参数进行设置，如在 0.15~30 MHz 的冲激脉冲面积值为 0.316 μVs，PRf 值为 100 Hz；断开 A 点的信号发生器，将 B 点的脉冲发生器接入到 EMI 接收机； ③：若第 ② 步的 EMI 接收机读数值与第 ① 步的读数差值在 ±1.5 dB，说明 QP 检波器符合绝对校准要求。 3.2 QP 检波器的相对校准“相对校准”，考察的是 QP 检波器对不同 PRF 脉冲的响应是否满足标准要求。 下图是 国标 / CISPR 标准 在不同频段下，QP 检波器对不同 PRF 的响应曲线。 在进行相对校准时，需要在 EMI 接收机输入端连接脉冲生成器，用于生成规定的幅度、脉宽和频率分布。下面，以图中的实线（ 国标 / CISPR 标准 规定的 B 频段的响应曲线）为例说明校准过程： ①：将输入信号的 PRF 设定为 100 Hz，然后将接收机的输出值作为参考值（即 “0” 值）； ②：将输入信号的 PRF 分别设置为 1 Hz，2 Hz，10 Hz，20 Hz 和 1 kHz，相应的，接收机读数应为 “-22.5”，“-20.5”，“-10”，“-6.5” 和 “+4.5”。如满足对应关系，则说明接收机满足 相对校准 的要求。 需要注意的是： 上面的读数的正负值没有错误。因为，曲线表示的是，如果为了保证 QP 检波器的输出不变，脉冲生成器的输入值需要随着 PRF 增加而减小。因此，如果输入的值保持不变，QP 检波器的输出值将随着 PRF 增加而增加。 进一步仔细观察上述曲线，对 B、C、D 频段而言，10 kHz PRF 和 1 kHz PRF 的差值可能超过 25 dB，甚至接近 40 dB；这说明，EMI 接收机应具有很强的 “线性能力”，这也是 EMI 接收机需要预选放大器的重要原因。 4. 平均值检波器国标 / CISPR 标准 中，也规定了使用 平均值检波器，来测量具有正弦或连续波等窄带信号，可以克服与调制或宽带噪声相关的一些问题。 4.1 平均值检波器概述一般的，平均值检波器是通过在峰值检波器之后增加低通滤波器（称之为 视频滤波器），来过滤宽带分量。 只有当视频滤波器的带宽比分辨率带宽更低时，才会出现 “平均” 的效应；同时，宽带噪声的抑制与分辨率带宽和视频带宽的比值相关。分辨率带宽确定时，视频带宽越窄，宽带噪声抑制效果相对越好。以国标 / CISPR 标准 B 频段（0.15 kHz~30 MHz）为例，分辨率带宽为 9 kHz，视频带宽大约在 1 Hz时，结果将如下图所示，将大幅削减宽带噪声。
在 国标 / CISPR 标准 中，还针对 “间歇的、不稳定的和漂移的窄带骚扰”，如脉冲调制正弦波，提出了与 “线性” 平均值检波器不一样的平均值检波器，称之为 “CISPR-平均值检波器”。 该检波器使得充电和放电时间可以分别设定为 A、B 频段为 160 ms，C、D 频段为 100 ms；国标 / CISPR 标准 通过使用给定参数的重复矩形脉冲对射频正弦波信号调制信号作为输入，通过考察检波结果，对 CISPR-平均值检波器 提出了相应的要求。 同时，国标/ CISPR 标准还规定了在包络检波器后增加仪表模拟网络的方式，实现 CISPR-平均值检波器 ，可以大幅降低测试时间。原理框图如下图所示：
均方根（Root Mean Square, RMS）检波器 给出测量信号的均方根值，测量的结果一般比 QP 检波器低，但比平均值和 CISPR-平均值检波器要高。 RMS-平均值 检波器，是将均方根检波器和平均值检波器进行组合实现的。
对于不同类型的信号，RMS-平均值 检波器与其他检波器的关系如下所示： 未调制的正弦信号：所有的检波器结果应当一致；高斯噪声：比平均值检波器大约高 1 dB，比 QP 检波器可能低 ~6dB，比峰值检波器可能低 ~10 dB；脉冲信号：比平均值检波器高，比 QP 检波器和峰值检波器低。一些标准，如 GB 13837 / CISPR 13 中规定可以使用 RMS-平均值 检波器确定骚扰发射的限值： 传导发射的限值，RMS-平均值 检波器的限值比平均值检波器高 4 dB，比 QP 检波器低 6 dB；辐射发射的限值，RMS-平均值 检波器的限值与 QP 检波器保持一致。本文中的 国标 / CISPR 标准，如无另行说明，均指国标GB/T 6113.1010-2016 及其等同的 CISPR 16-1-1:2010 标准。 ↩︎ 加权，是指将峰值检波的冲激脉冲电压电平转换成与脉冲重复率相关的一种指示（多数情况下减小），以对应于干扰对无线电接收的影响。 ↩︎ 充电时间常数：从恒定正弦波电压驾到检波级的输入端瞬间起，到检波器的输出电压达到其终值的 63% 为止，其间所用的时间就是充电时间常数。 ↩︎ 放电时间常数：从移去加在检波级输入端的恒定正弦波电压的瞬间起，到检波器的输出电压降至其初始值的 37% 为止，其间所用的时间就是放电时间常数。 ↩︎ GB/T 6113.1010-2016 / CISPR 16-1-1:2010 将测试频段分为了 A、B、C、D、E 等频段，具体可参考该标准。 ↩︎ |
可以看到，检波器的基础是峰值检波器。平均值和准峰值等检波器，是在峰值检波器的基础上，通过增加适当的加权函数2获得的。
直观上看，峰值检波器和准峰值检波器的检测结果（图中分别为 Peak voltage 和 QP-weighted voltage）是明显不同的。
可以看到，峰值检波器的输出（Peak voltage）与信号的 PRF 无关，而是始终给出信号的最大值。
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