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使用数字频谱分析仪,轻松测量无线胎压检测系统

一般的ABS除可改善煞车系统的强制性控制性能之外,也可运用轮胎与地面的摩擦力信息减少停车距离,由于目前的ABS无法直接测量到摩擦力,往往须间接靠监测各个轮胎的转速而造成时间上的延迟效应与测量误差,因此只有直接监测轮胎应变才能直接测量精确的摩擦力,进而提升ABS的效能。

自从配备传感器以监测应变量、气压与温度的智能型轮胎问世以来,汽车的安全性能便大幅提升,也使配有能传输应变数据到反锁煞车系统(ABS)的传感器或电子稳定程序系统的轮胎应变监测系统需求水涨船高,同时其规格需求也进一步以提升胎压监测系统(TPMS)之轮胎安全性与降低成本为主要考虑的重点

然而,在胎压传感器装载到智能型轮胎上仍受诸多必要的规范限制。首先,在轮胎转动下难以采用接线式传感器,使无线监测成为无可避免的方式;其次,由于轮胎上的橡胶具有较低的硬度,倘若直接在上面以镶嵌或贴上传感器容易造成轮胎应力测量上的干扰与形变问题;第三,由于传感器与轮胎橡胶的硬度差异性较大,往往会造成在长期使用下的脱落问题,故须设法降低两者之间的硬度差异性;最后,只有低价的传感器才能搭配低价的轮胎。

实际上,通常搭配智能型轮胎上的传感器总是无法完全满足上述各项规格上的需求,如采用表面声波传感器的胎压侦测往往由于在不易控制轮胎形变量下产生轮胎形变而引起的干扰问题;而微机电的无线应变测量系统则是镶嵌于智能型的复合式结构中,由于传感器与轮胎橡胶的硬度差异性较大,往往造成在长期使用下的脱落问题,故其耐用性备受考验。

利用频谱分析仪测量TPMS工作信号

长间隔高频瞬时信号广泛应用于无线传感器、无线通讯等领域。由于数字频谱分析仪受扫描时间的制约,在撷取2毫秒(ms)以下的瞬时信号时往往遇到很大困难,扫描时间越短的数字频谱分析仪价格越昂贵。工业生产讲求高质量、低成本、高效率(QCE),运用性价比高的频谱分析仪完成这类长间隔高频瞬时信号在生产在线的测试则相当重要。本文以TPMS工作信号为例,首先介绍此类信号特性,而后从单一的对信号功率、频率分别测试的方法入手,介绍测试仪器的基本设置;最后介绍生产在线实用的综合测试方案。

TPMS主要用于汽车行驶时,实时的对轮胎气压进行自动监测,对轮胎漏气和低气压进行警报,以保障行车安全。目前,TPMS主要分为两种类型,一种是间接式TPMS(Wheel-Speed Based TPMS, WSB TPMS),这种系统是透过汽车ABS系统的轮速传感器比较轮胎之间的转速差别,以达到监视胎压的目的,此类型系统的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过每小时100公里的情况进行判断。

另一种是直接式TPMS(Pressure-Sensor Based TPMS, PSB TPMS)(图1),从功能和性能上均优于间接式TPMS。直接式TPMS系统在每一个轮胎里安装压力传感器直接测量轮胎的气压,并对各轮胎气压进行显示及监视,当轮胎气压太低或有渗漏时,系统会自动提出警告。安装在每一个轮胎里的远程轮胎压力监测模块由智能传感器系统单芯片(SoC)、微控制器(MCU)、射频(RF)发射芯片、锂电池、天线等部分组成,完成测量后,透过无线电频率调制发射一个瞬时信号给安装在驾驶台的中央监视器。中央监视器接收远程轮胎压力监测(RTPM)模块发射的信号,将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上,监视器随时显示各轮胎气压、温度,驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况,当轮胎气压太低、渗漏、太高、或温度太高时,系统就会自动提出警告。


图1 直接式TPMS工作状态示意

RTPM与中央监视器之间透过RF信号通讯,此信号的良莠直接关系TPMS的安全质量,透过频谱分析仪对此信号进行撷取、测量和分析是在TPMS产品的设计和生产检测中必不可少的。TPMS的RTPM并非不间断地对轮胎胎压进行检测并向中央监视器发送RF信号,而是有一定的时间间隔,在某些TPMS中,此时间间隔可以人为设定,但最快的不低于800毫秒,一般为2秒以上,大多为几秒到几十秒。RTPM每次发送的信号持续时间却短得多,一般在2毫秒以内,所以TPMS工作信号的特点是间歇长、发送时间短,同时频率较高,其工作频率北美标准为315MHz,欧洲标准为433.92MHz,韩国为448MHz,另有新标准为868MHz,其发射功率不能超过10dBm,否则要接受无线电管制,工作模式有幅度键控(ASK)、频移键控(FSK),其中FSK抗干扰较好。

信号撷取与基本测量循序渐进

由于目前大多数数字频谱分析仪的扫描时间都比TPMS工作信号的发送时间长,而扫描时间快到微秒级的频谱分析仪价格相当昂贵,所以使用一般的频谱分析仪对信号进行准确的撷取须对频谱分析仪进行一些设置,操作上要有一定的熟练度。以下先用信号产生器模拟一个类似TPMS工作信号的长间隔高频瞬时信号,然后具体介绍如何使用厂商生产的频谱分析仪,以撷取、测量信号,并辅助使用数字示波器。

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待测长间隔高频瞬时信号

 

用信号产生器产生一个FSK信号,调制脉冲信号的周期设为2秒,占空比为0.1%(即瞬时信号持续2毫秒,载波信号频率设为2MHz的正弦,在示波器上可以看到信号的时域波形如图2所示。图2(a)(b)(c)三个图是在不同大小的时基下观察到的信号波形,从图中不难理解这种类似TPMS工作信号的长间隔、高频率、瞬时特性,类似这样的信号,在无线传感器、无线射频辨识系统(RFID)等许多领域都很常见。

图2 (a)(b)(c)分别代表不同时基下的工作信号示意图

 信号采集与测量

 

将FSK信号送进频谱分析仪后,按下自动设定(Autoset)键,将发现信号很难撷取;打开峰值保持,也看不到信号撷取留下的波形,由于FSK信号难于撷取,一次性较精准测得其频率和功率有较大困难,因此先分别测量功率和频率,从而较准确地获得信号的参数。

测量信号频率时,可以打开峰值保持,将中心频率设在2MHz。频率跨度的选择须考虑与解析频宽(RBW)的搭配,若测量范围(SPAN)和RBW相差很大,加上信号撷取困难,测得频率所需时间会非常长;若SPAN和RBW相差很小,则容易造成频率测量不准确。可选择30kHz的RBW和1MHz的SPAN,在这种情况下,频谱分析仪不能保证对每一个瞬时信号都能成功撷取,所以在频谱分析仪上看到的频谱变化间隔往往大于2秒,这是由于SPAN大于RBW时,若信号进入频谱分析仪时其实时扫描的频率偏离信号真实频率,则信号将无法被撷取,但经过稍长的一段时间(取决于SPAN和RBW之差)后,依然能在峰值保持的模式下观察到信号累积的频谱情况,根据此一图像可轻易透过搜索峰值读出信号频谱中心点的频率,精准度可以达到kHz的级别,如图3所示,测得信号频率为2.0MHz。

图3 透过峰值读出信号频谱中心点频率

若测量FSK信号的重点在于精确了解其功率,并且希望尽可能多撷取到每一个送入频谱分析仪的信号,则可重新调整SPAN和RBW,使其相等,或SPAN略小于RBW,如将SPAN设为200kHz,RBW设为300kHz。此时,因为RBW的频宽覆盖了整个扫描范围,所以在此范围内的每一个进入频谱分析仪的信号都能被撷取,透过MARK的峰值检测,其功率也能方便、准确地读出,如图4所示,其功率读值为-8.1dBm。

图4 透过MARK峰值检测读出功率读值

经过多次撷取后不难发现,每次撷取的功率相差非常小,这也说明此方法测得的功率值具有较高的可靠性。

生产在线通过测试

生产在线的通过测试分为单一参数的通过测试与综合测试两种,以下将分别介绍:

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单一参数通过测试

 

若要通过测试,首要的要求是每一次信号都要被撷取,亦即RBW须大于等于SPAN,若产线对频率的准确度要求在几十kHz的范围内,而对功率要求较高,如零点几dBm,则可设置对于信号功率要求的通过测试。

另外,可在频谱分析仪上设置通过/失败(Pass/Fail)的功率限制线(Limit Line),如图5所示,使功率满足限制范围的信号(产品)通过。这一应用只须在2.2.2的设置基础上进入限制线菜单进行Pass/Fail功能设置即可,厂商分析仪产品限制线菜单的设置灵活,可以方便地编辑使用者须设定的功率上限和下限。限制线透过表格形式编辑在线的各点,各点连成的限制曲线可满足使用者在不同频率点有不同功率标准的需要,而非简单的直线,透过简单几个键的设置,频谱分析仪即能帮助使用者将符合要求的信号判定为通过,而所有不符合要求的信号都将被准确无误地判定为失败,图6所示为通过测试时频谱仪显示的画面。

图5 设置工率限制线

 

图6 通过测试示意图

由于前述功率测量设置测得的频率并不十分准确,所以对于信号频率的通过测试则不能用上述方法。若对功率的显示没有要求,则可利用触发的功能检测信号频率,在频谱分析仪的触发菜单中,可设置触发频率和触发电平(功率),满足频率和功率条件的信号才能被触发,每次触发频谱仪都会重新扫描一次,人眼可观察到屏幕的闪动,不过由于触发延时,因此无法在屏幕上看到撷取的信号图像,而没有触发的时候,屏幕图像固定不动,这样就可根据触发的情况判断产品的质量。

 

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综合测试方法

 

一般产线对信号的频率和功率同时都有较严格的要求,分别进行功率、频率通过测试的方法在实际运用中还是稍显繁琐,这里推荐另外一种综合测试的方法,其特点是首先将SPAN设置为零频跨,将撷取的信号的持续时间设为500微秒、频率设为3MHz的信号、功率1dBm与发送间隔为1秒,然后利用信号产生器将信号的频率在3MHz附近调整。由于中心频率3MHz,零频跨的频谱分析仪扫描的范围只在3MHz这一点上,根据滤波器的特性,有微小频率偏移的信号撷取后的功率会被衰减,分别将信号的频率以3MHz为中心左右调偏50kHz、100kHz、200kHz和500kHz,信号衰减后的功率幅度如图7所示。

图7 信号衰减后的功率幅度

 

据此,产在线的通过测试可以按照图7中的设置,将标准理想信号的频率设为中心频率,将SPAN设为零频跨,而后根据需要设置功率限制线,如此一来,频率不够准确的信号在撷取后,功率会下降到下限制线以下,将会被判定为失败,同时,若信号本身的功率不够准确,在上下限制线之外的,也会被判定为失败,若需要更准确的频率判定精度,可选取小一些的RBW,如图8所示,30kHz的RBW可非常明显的区分±5kHz的频率误差。

图8 利用30kHz的RBW区分正负5kHz频率误差

这种零SPAN的通过测试设置方法唯一有可能疏漏的信号是功率偏大,同时又有频偏的信号。频偏造成的撷取衰减若刚好将其功率过大的部分衰减到标准功率范围,则会被测试判为通过,从而造成误判,若能先用之前所述的单纯测试功率方法判断信号功率,再用零频跨的方法判断其频率,这样就能将所有在功率或频率上不符合标准的信号全部被判为失败,使通过测试高效而准确。

然而,并不须在产在线用两台频谱分析仪先后做测试,厂商推出的频谱分析仪为用户提供了一套简便实用的自动测量系统(SEQ),只须从前面板设置好测量顺序设定,再经过一键操作,仪器会方便地单次或连续运行不同的测量设定,抑或由使用者指令一步步地运行整个测量步骤。

如图9所示,画面所显示的内容即是频谱分析仪SEQ菜单下的编辑接口。在接口下方的编辑方块中,可以逐步设定频谱仪测量的具体步骤及每一步的参数设置,并通过延迟时间的设置设定每一步测量等待时间。由于本文范例须做产在线的通过测试,所以在进行SEQ测量之前首先要将设置好的限制线打开。图9中编辑完成SEQ的测试程序后,点击执行按钮,选择重复测试并立即执行,频谱仪就开始运行自动测量。

图9 SEQ菜单下之编辑接口

在TPMS的测试中,信号的频率比本文的范例高,但实际的测量方法没有区别,测量的功率精度可以达到0.1dBm、频率精度可以达到1kHz。在几百兆Hz频率的信号测量中,kHz级别的精度一般能满足绝大多数测量需求,在工业生产和日常生活当中,类似TPMS工作信号的长间隔高频瞬时信号很常见,应用也非常广泛。如何利用射频工程师手边常见的频谱分析仪对此类信号进行准确可靠的测量,在产在线能低成本、高效率地完成相关产品此类信号的质量检测,本文从参数测量、单一测量试、直至综合测试,提出一系列操作的参考方法,所涉及的大都是诸如RBW、SPAN等常用设置,较为实用也较易操作。

 

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