Témakör:
Vezetett zavarok mérése „élőben és színesben”
Megjelent: 2014. április 11.
A termékfejlesztés fontos munkafázisa a vonatkozó elektromágneses összeférhetőségi szabványok szerinti vizsgálatok elvégzése. Az EMC-jellemzők fokozatos, többlépcsős javítása felgyorsítható FFT-alapú időtartománybeli letapogatással, rövidítve a forgalomba hozatalhoz szükséges időt.
A fejlesztések során gyakran kell vizsgálni egy termék frekvenciaspektrumát, összehasonlítva a zavarjelek szintjét a vonatkozó szabványok előírt határértékeivel. Ilyenkor minden korábban elvégzett, zavarelnyomást szolgáló módosítást is ellenőriznek. Általában elmondható, hogy minél gyorsabban áll elő megbízható eredmény, annál hatékonyabb lehet a zavarelnyomással kapcsolatos fejlesztés, mert adott idő alatt több mérés hajtható végre. Ideális esetben a mérővevőn „élőben” követhető nyomon egy változtatás zavarspektrumra gyakorolt hatása. Az FFT-alapú időtartománybeli letapogatás ma már mindezt lehetővé teszi. Ennek során nem egyetlen frekvencián mérjük a jelszintet, hanem egy teljes spektrumrészt dolgozunk fel. Cikkünkben egy vezetett zavar példáján keresztül mutatjuk be, hogy milyen módon aknázhatók ki az új módszer előnyei, időt megtakarítva ezzel a teljes fejlesztési folyamat során – mind az optimalizálási szakaszban, mind a megfelelőségi vizsgálatoknál. A megbízhatóbb eredményeket – és ezzel együtt jobb minőséget – eredményező időtartománybeli letapogatást ma már számos termékszabvány elfogadja.
Időtartománybeli letapogatás
Az időtartománybeli letapogatás során Fourier-átalakítással (transzformációval) nyerik ki az időtartománybeli jelből a frekvenciaspektrumra vonatkozó információkat. Az időtartománybeli jelet az A/D-átalakító mintái alkotják, a vevő ezek alapján számítja ki a spektrumképet. Az adott felbontási sávszélességbe (pl. 9 kHz-be) eső teljesítményt képviselő, egyetlen mérési adat helyett ez a módszer egyidejűleg számos amplitúdóértéket szolgáltat a felbontási sávszélesség több ezerszeresét lefedő tartományban.
Amennyiben ezen elv alapján kívánunk szabványos zavarásvizsgálatokat végezni, erre legalább egy másodperces folyamatos mérési időt kell fordítani. Emellett az előírásokban foglalt mérési sávszélességeket és összetett detektortípusokat – például „kvázicsúcsérték” jellegű súlyozást – kell alkalmazni. A leírtakon túl a párhuzamos mérésekből következő hatékonyságnövekedés teljes kihasználása érdekében az EMI-mérővevőnek a lehető legfinomabb felbontással kell működnie. Az itt felsorolt összes feltétel csak igen nagy, folyamatosan rendelkezésre álló számítási teljesítménnyel elégíthető ki, ami FPGA-áramkörökkel valósítható meg. E digitális jelfeldolgozásra tervezett integrált áramkörök segítségével, az A/D-átalakítók által szolgáltatott adatfolyamok alapján valós időben hozható létre rövid spektrumrészek folytonos sorozata. Célszerű, ha az FPGA-n belül keletkezett spektrumadatokat közvetlenül a detektorblokk dolgozza fel, ahol az egyes detektorok a beállított mérési idő alatt az igen rövid időtartamot képviselő részspektrumok felhasználásával állítják elő a tényleges mérési értékeket (1. ábra).
1. ábra Az FFT-alapú, időtartománybeli letapogatás jelfeldolgozási lánca. (forrás: Rohde & Schwarz)
Az EMI-mérővevő a legrövidebb impulzusokat is észreveszi és jelszintjüket helyesen ábrázolja. A csúcsértékdetektor könnyen megvalósítható: a vizsgált spektrumon belüli tartókon a mérési idő alatt megjelenő szintértékek közül csak a legnagyobbakat kell elmenteni, amihez elegendő egyszerű összehasonlító műveleteket végezni.
A CISPR 16-1-1 [1] alapszabvány szerinti súlyozó detektorok – azaz kvázicsúcsérték, CISPR-átlagérték és RMS-detektorok – már lényegesen összetettebbek és nagyobb számítási teljesítményt igényelnek. A 160 ms-ig terjedő időállandókat és az aluláteresztő szűrőket csak nagy memóriakapacitással lehet megvalósítani. Például a CISPR-B sávú vizsgálatok esetén a Rohde & Schwarz R&S ESR típusú EMI-mérővevője 13 267 detektort képes párhuzamosan futtatni. Ez a mennyiség a 150 kHz-től 30 MHz-ig terjedő tartománynak a 9 kHz-es mérési sávszélesség egynegyedének megfelelő lépésközzel történő letapogatásából adódik.
A fentiekből adódóan a teljes CISPR-B sávot valós időben, megszakítás nélkül képes az EMI-mérővevő letapogatni, a szabványok által előírt módon kvázicsúcsérték detektorral elemezve.
Gyakorlati előnyök
Az időtartománybeli letapogatással működő mérővevők segítségével például egy tápegység zavarszintelnyomásának hatékonysága elemezhető különféle eljárások esetén, illetve a terhelés függvényében.
A zavarspektrum változásai azonnal észrevehetők. Például, ha megváltoztatjuk a kábelezést, vagy egyéb módosításokat végzünk a vizsgált készüléken, a mérővevő azonnal megjeleníti ezek hatását a kvázicsúcsérték detektorral felvett spektrumban. Mindezeknek köszönhetően rövid idő alatt igen sokféle elrendezést lehet kipróbálni, és azonnal észrevehető, hogy melyek a leghatékonyabb változtatások.
A jelentős eredményt nem hozó zavarelnyomási módszerek ezzel rögtön kiszűrhetők és elhagyhatók. Mivel pedig a végtermékbe nem kerülnek be, nem növelik annak előállítási költségét sem.
Számos készülék zavarspektrumának eloszlása időben változik. Sok zavarjel hőmérsékletfüggő, és a működés közben bekövetkező melegedés miatt módosul. Más berendezések, például egy automata kávéfőző különféle működési állapotokon megy keresztül. Ilyen termékek esetében a CISPR-B-sáv valós időben, spektrogrammal történő megfigyelése új lehetőségek előtt nyit utat. Például ezen a diagramon egytized másodpercenként jelenik meg egy spektrumkép, a készülékek elektromágneses viselkedése pedig az idő függvényében is kirajzolódik. A mérés után jelölővel olvashatjuk le a rögzített események adatait. Az egyes spektrumképek időbélyegei alapján feleltethető meg egy zavarjel a vizsgált berendezés valamely működési állapotának, amelyből – hogy a kávéfőzőgép példájánál maradjunk – kikövetkeztethető például, hogy a zavarás a darálás, a főzés vagy a tejszín adagolása során lépett-e fel. Mindezek ismeretében elvégezhetők a nem kívánt jelek elnyomását biztosító intézkedések (2. ábra).
2. ábra Folyamatos spektrogram kvázicsúcsérték-detektorral felvéve. A vizsgált berendezés egy számítógép-tápegység. A spektrumkép a változó terhelés miatt időben módosul (forrás: Rohde & Schwarz)
Megfelelőségi vizsgálatok
A megfelelőség kvázicsúcsérték-detektorral végzett vizsgálata frekvenciapontonként legalább egy másodperces mérési időt igényel. Hagyományos, sávonkénti letapogatással egy 30 MHz-es frekvenciatartomány megmérése a 9 kHz-es mérési sávszélesség felével történő – viszonylag durva – végigléptetése esetén csaknem két óráig tart. Ennél nagyobb lépésköz nem ajánlott, mivel megnövelné a mérési sávszélességek átfedési hibája okozta bizonytalanságot. A fejlesztések során ritkán van ennyi idő a vizsgálatok elvégzésére, ezért az a gyakorlat alakult ki, hogy a bemérési folyamatot egy előzetes és egy végleges letapogatásra bontják. Az előzetes vizsgálat egy csúcsérték- és egy átlagérték-detektorral történik. Ilyenkor a frekvenciapontonkénti mérési idő például 20 ms lehet, a spektrum adatai pedig 2...3 perc múlva keletkeznek. Ezután a vevő elemzi a jelgörbét – például megkeresi a határvonalhoz legközelebbi 25 jelgörbét –, és elmenti az ezekhez tartozó frekvenciákat. A végleges mérés során a mérővevő ezeken az elmentett frekvenciákon mér szabványos kvázicsúcsérték-detektorral és a CISPR-norma szerinti átlagérték-detektorral. A vevő mérési pontonként két másodpercet igényel: minden frekvenciaváltás után a detektornak az impulzusok helyes méréséhez egy másodperc beállási időre és egy másodperc vizsgálati időre van szüksége. Két detektorral végzett 25–25 mérés esetén az időigény 2 s×2 detektor×25 érték = 100 s, a végleges analízis tehát 100 s-ig tart. A vizsgálatokat általában műhálózattal (LISN) végzik. A végleges vizsgálat ilyen paraméterekkel, egyfázisú vizsgálandó eszköz (fázis- és nullvezeték) esetén 200 s-t, háromfázisú vizsgálandó eszköznél pedig 400 s-t igényel. A mérések felgyorsításához csökkenteni lehet a végleges vizsgálat frekvenciáinak számát, ez azonban növeli annak a kockázatát, hogy figyelmen kívül hagyunk egyes zavarójeleket. Kompromisszumot kell tehát találni az időmegtakarítás és a mérés megbízhatósága között (3. ábra).
3. ábra A spektrum és a bejelölt zavarfrekvenciák. A vevő egyidejűleg veszi fel a spektrumot kvázicsúcsérték-detektorral és a CISPR-szabvány szerinti átlagérték-detektorral
Ideális esetben az, hogy a zavarás mértéke meghaladja-e valahol a határértékeket, a kvázicsúcsérték-detektorral és a CISPR-norma szerinti átlagérték-detektorral nemcsak a kritikusnak tűnő pontokon, hanem a teljes frekvenciatartományban ellenőrizhető. Ez a probléma FFT-alapú időtartománybeli letapogatás esetén nem lép fel. Például 30 MHz-es FFT-sávszélesség esetén az R&S ESR-mérővevő a CISPR-B-sávra vonatkozó mérési eredményeket 2 s alatt szolgáltatja, és ez az idő tartalmazza az 1 s-os beállási időt is. Ez a módszer sokkal elfogadhatóbb sebességgel végrehajtható: 2 s×2 detektor=4 s idő szükséges egy vonal szabvány szerinti teljes végigmérésére. A teljes mérési idő egyfázisú vizsgálandó eszköz esetén 8, háromfázisú vizsgálandó eszköz esetén pedig 16 s. Ezenkívül már a fejlesztési fázisban is mindig meg tudjuk határozni, hogy a zavarjelek időben változnak-e, és hogy vannak-e ritkán ismétlődő átmeneti zavarjelek. A rendkívül rövid teljes mérési időnek köszönhetően a megfigyelési idő könnyen megnövelhető például 5 s-ra, ami lehetővé teszi a legrosszabb esetek bekövetkezésének ellenőrzését és a szabvány szerinti határértékek kielégítését. Az 1 s-os beállási idővel együtt a vonalankénti teljes mérési idő 6 s×2 detektor=12 s. Ez kiváló vizsgálati sebesség (4. ábra).
4. ábra A legfontosabb zavarjelek táblázata. A mérővevő vezérli a műhálózatot, és eltárolja azt a vonalat, amelyen a legnagyobb értéket mérte (forrás: Rohde & Schwarz)
Szabványoknak megfelelő mérés időtartomány-beli letapogatással
A rádiózavarok vizsgálatát és a zavarvédelem mérőberendezéseit specifikáló CISPR 16-1-1 szabvány[1] 3. változatának A1:2010 jelű módosításával az FFT-alapú vételtechnika bekerült az alapszabványba. A fogyasztóelektronikai készülékekre vonatkozó CISPR 13 és a multimédia-berendezések elektromágneses összeférhetőségére vonatkozó CISPR 32 szabvány már erre az új alapszabványra hivatkozik. Az elektromos világítóberendezésekre és hasonló készülékekre vonatkozó CISPR 15 szabvány várhatóan idén, az autókra és autóipari alkatrészekre vonatkozó CISPR 12 és CISPR 25 szabvány jövőre, a további termékcsoportok szabványai pedig azt követően jelennek meg. Ennek köszönhetően az elektromágneses összeférhetőséget vizsgáló laboratóriumok – részben már ma is, részben a közeljövőben – az e csoportba tartozó összes terméket hivatalosan vizsgálhatják az időtartománybeli letapogatás módszerével, és az eredmények alapján terméktanúsítványokat bocsáthatnak ki.
Összefoglalás
Az FFT-alapú, időtartománybeli letapogatás gyorsabb és megbízhatóbb méréseket tesz lehetővé a változó és fluktuáló zavarjelek gyors és megbízható felismerésével. Maguk a vizsgálatok olyan gyorsak, hogy azok időigénye eltörpül a mérendő eszköz beállítási idejéhez képest, ezért a gyártási költségek lényeges növelése nélkül kísérletezhetünk zavarjelelnyomó megoldások kidolgozásával, a termékek előírt megfelelősége érdekében.
Hivatkozás
[1] CISPR 16-1-1:2010-01 (3. kiadás): Rádiózavar- és rádiózavartűrés-mérő berendezésekre és módszerekre vonatkozó előírások –1-1 fejezet: Rádiózavar- és rádiózavartűrés-mérő berendezések – Mérőberendezések
Szerző: Matthias Keller – termékmenedzser – EMI-mérővevők, Rohde & Schwarz
Rohde & Schwarz Budapesti Iroda
1138 Budapest, Madarász Viktor u. 47-49.
Tel.: +36 1 412 4460, fax: +36 1 412 4461
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.rohde-schwarz.hu
Még több Rohde & Schwarz