EMI-Fehlersuche mit der FFT-Funktion

Oszilloskope mit leistungsstarker Fast-Fourier-Transformation (FFT) sind ideal zur Erkennung elektromagnetischer Störungen (EMI). Dank hoher Empfindlichkeit und Messdynamik können sie selbst kleinste Störemissionen zeitkorreliert erfassen, was die Fehlersuche ­deutlich effizienter macht. 

EMI- und EMV-Vorschriften dienen dazu, den zuverlässigen Betrieb elektrischer und elektronischer Geräte sowie die Sicherheit der Benutzer zu gewährleisten. Deshalb werden sie vor der Markteinführung einer aufwändigen Konformitätsprüfung unterzogen. Entsprechend müssen die Entwickler dieser Geräte sicherstellen, dass ihre Produkte die vorgegebenen Grenzwerte einhalten. Dazu führen sie schon während der Design- und Prototyping-Phase Fehlersuchmessungen durch, um potentielle EMI/EMV-Probleme frühzeitig zu identifizieren und zu beheben. Durch diesen proaktiven Ansatz lässt sich das Risiko erheblich reduzieren, dass das fertige Produkt die Konformitätsprüfung nicht besteht. So werden vorab Emissionsquellen aufgespürt, die sich auf das Ergebnis der Konformitätstests auswirken könnten.  

Besonders hilfreich ist es, wenn ein Oszilloskop zeitsynchron die analogen Signaleigenschaften, das digitale Timing, Bus-Transaktionen sowie das Frequenzspektrum anzeigt. Bei den Oszilloskopen der MXO-Serie von Rohde & Schwarz beispielsweise wurde das über spezielle ASICs realisiert, welche die HF-Messungen in Hardware verarbeiten und so die bisherigen Einschränkungen aufgrund einer langsamen FFT-Berechnung überwinden. Denn heute unterstützen alle modernen Oszilloskope FFT, um Spektraldaten über die Signalform zu gewinnen. Der hierfür erforderliche Rechenaufwand erzwingt jedoch häufig eine niedrige Erfassungsrate. Die meisten Oszilloskope erreichen nicht mehr als 1 FFT/s bis 100 FFT/s. Dies führt zu einer längeren Blindzeit des Geräts, sodass zwischen den Erfassungen eventuell wichtige Spektralereignisse nicht miterfasst werden.  

Zudem lassen sich nicht bei allen Oszilloskopen über die Benutzeroberfläche die klassischen Spektrumanalyse-Parameter wie Mittenfrequenz, Darstellbreite und Auflösebandbreite einstellen, wie dies bei der MXO-Serie der Fall ist. Die Darstellungen können bei diesen Oszilloskopen außerdem im Zeit- und Frequenzbereich unabhängig voneinander optimiert werden. Wichtig für die vollständige Erfassung aller Spektralereignisse ist, dass die Oszilloskope eine hohe Aktualisierungsrate der Spektrumanzeige bieten. Außerdem sollten sie Signale sowohl in einer Signalform- als auch in einer Spektrumansicht darstellen können, ohne dass der Signalpfad dafür geteilt werden muss. Entwickler können dann Zeit- und Frequenzereignisse mit den HF- und Zeittriggerfunktionen der Oszilloskope einfach und genau korrelieren. Peak-Listen erleichtern darüber hinaus den EMI-Vergleich. Eine logarithmische Anzeige und dBμV-Skalen ermöglichen zudem einen einfachen Vergleich mit EMV-Testlabor-Ergebnissen und die Überprüfung mit Grenzwertlinien basierend auf CISPR-Standards. Sinnvoll sind außerdem statistische Kurven, für die das Gerät Maximal-, Minimal- und Durchschnittswert der Spektralenergie aufzeichnet. 

Hohe Messdynamik und Empfindlichkeit ausschlaggebend 

Für die EMI-Fehlersuche sind eine hohe Messdynamik und Eingangsempfindlichkeit unerlässlich, um selbst schwache Störaussendungen zu erfassen. Die MXO-Serie wurde deshalb mit einer Eingangsempfindlichkeit von 500 μV/Div über die volle Messbandbreite ausgestattet. Der 12-bit-ADC und der 18-bit-HD-Modus verbessern die vertikale Präzision. Dank spezieller ASICs für die FFT-Verarbeitung berechnen die MXO Oszilloskope bis zu 45 000 FFT/s. Das minimiert die Blindzeit und ermöglicht eine schnelle und leistungsfähige Analyse im Frequenzbereich. Hinzu kommen praktischen Funktionen wie die Farbkodierung der Spektrumanzeige nach der Häufigkeit des Auftretens. 

Korrelation zwischen Frequenz und Zeit 

Mit der gated, also zeitbeschränkten FFT-Funktion des Oszilloskops ist die FFT-Analyse in einem benutzerdefinierten Bereich des erfassten Zeitsignals möglich. Für die Analyse verschiebt der Anwender dieses Zeitfenster über das Akquisitionsintervall und sieht dank der synchronen Darstellung welche Segmente des Zeitsignals mit welchen Ereignissen im Spektrum korrelieren. So lassen sich unerwünschte Emissionen beispielsweise Schaltvorgängen zuordnen. 

Sondensatz für E- und H-Nahfeld-Messungen 

Um leitungsgebundenen Emissionen wie Rauschen zu messen, wird üblicherweise mit Netznachbildungen (auch bekannt als LISN – line impedance stabilization networks) das Ausgangssignal eines Prüflings erfasst. Darin ist jedoch das gesamte Leitungsrauschen enthalten. Emissionsquellen innerhalb des Prüflings lassen sich am besten mit Nahfeldsonden, die magnetische und elektrische Felder in unmittelbarer Nähe erfassen können, erfasst. So eignen sich zum Beispiel die R&S HZ-15-Nahfeldsonden für einen Frequenzbereich von 30 MHz bis 3 GHz. Mit einem R&S HZ-16-Verstärker kann den Frequenzbereich nach unten bis 9 kHz erweitert werden. Der Nahfeldsondensatz umfasst verschiedene elektrisch abgeschirmte Prüfspitzen mit speziellen Formen, die für unterschiedliche Messungen bestimmt sind. 

Von der Störung zur Ursache 

Wer bei einer Messung ein EMI-Problem erkannt hat, muss im nächsten Schritt die Ursache dafür ausfindig machen. Zu den häufigsten Ursachen von EMI-Problemen zählen z. B. LCD-Emissionen, Erdungsimpedanz, parasitäre Effekte von Komponenten, schlechte Kabelschirmung, Netzteile oder Kopplungsprobleme. Mithilfe einer H-Nahfeldsonde und feineren Sonden lässt sich die Energiequelle lokalisieren. Die Untersuchung des Zusammenhangs von EMI-Problemen mit elektrischen Ereignissen ist wohl der zeitaufwändigste Prozess bei der Diagnose. Die schnelle FFT erleichtert die Korrelation der spektralen und zeitlichen Ereignisse. Die Oszilloskope der MXO-5-Serie unterstützen hierzu mehrere FFTs mit separaten HF-Einstellungen, was eine weiterführende Fehlersuche durch den Vergleich von Spektralereignissen an verschiedenen Prüflingspowsitionen ermöglicht. Elektromagnetische Störungen sind oft schwer zu erfassen, und eine Verletzung der EMV-Normen kann die Produktentwicklung ausbremsen. Das EMI-Debugging zu Beginn der Entwicklung kann dazu beitragen, Probleme frühzeitig zu erkennen und die Schaltungs-Performance zu verbessern. 

Autor: Chun Soong Wong, Produktmanager für Oszilloskope bei Rohde & Schwarz