Det är viktigt att kunna verifiera att en produkt uppfyller tillämpbar EMC-standard vid produktutveckling. FFT-baserad skanning i tidsdomän snabbar upp processen när man gör stegvisa förbättringar av EMC-egenskaperna. Ett färgkodat spektrum bidra till att förenkla analysen av mätresultaten.

Under utvecklingsfasen mäter testingenjören ofta frekvensspektrat och jämför nivån av störsignalerna mot de krav som definieras av applicerbar produktstandard. Hela tiden kontrolleras också de åtgärder man infört för att reducera störnivåerna.
Sambandet är enkelt: ju fortare man kan få testresultaten, dess då mer effektiva åtgärder kan man vidta för att reducera störningarna eftersom fler åtgärder kan testas inom samma tidsram. I det ideala fallet kan utvecklaren i realtid se på mätmottagaren de förändringar på störspektrum som en förändring av testobjektet ger. Detta är idag möjligt tack vare FFT-baserad skanning i tidsdomän.
I stället för att detektera nivån enbart för en frekvens, behandlar skanning i tidsdomän ett helt spektrum. Tag mätning av ledningsbundna störningar som exempel. Denna artikel beskriver vilka fördelar man får med dessa nya mätmetoder. De spar tid för användaren under hela utvecklingsprocessen, både när man håller på och optimerar produkten och när man slutligen verifierar om produkten uppfyller de krav standarden ställer.
Många produktstandarder för EMC accepterar redan idag skanning i tidsdomän. Mätresultaten är mer tillförlitliga vilket leder till bättre produktkvalitet.

Skanning i tidsdomän
Vid skanning i tidsdomän använder man Fourier-transformation, FFT, för att omvandla en signal i tidsdomän till en signal i frekvensspektrum. De insamlade värdena från A/D-omvandlingen bildar signalen i tidsdomän som mätmottagaren sedan använder för att beräkna frekvensspektra.
I stället för ett mätvärde som representerar frekvensområdet för en enda mätbandbredd (till exempel 9 kHz), genererar denna metod många mätvärden parallellt som täcker ett frekvensområde omfattande många tusen mätbandbredder.
Om denna metod används för att verifiera att störnivåerna håller sig inom de krav som anges av standard måste det vara möjligt med mättider på åtminstone en sekund utan avbrott. För att man skall följa standard krävs också att man har de bandbredder som där anges och även komplexa detektorer, exempelvis quasi-peak detektorer. Dessutom måste EMI-mätmottagaren, om man vill kunna maximera effektivitetsvinsten från de parallella mätningarna, vara kapabel att processa så många olika bandbredder som möjligt. Alla dessa förutsättningar kräver att det går att göra krävande beräkningar utan avbrott.
Lösningen på är att använda FPGA-kretsar (Field Programmable Gate Array). Dessa är utvecklade för digital signalbehandling och gör det möjligt att i realtid transformera dataströmmen från A/D-omvandlaren till många korta frekvensspektra. Dessa spektra går sedan vidare i FPGAn till detektorblocket. Från de många frekvensspektra som är uppmätta över en kort mätperiod bildar detektorerna konkreta mätvärden.

Fig 1. Processflödet för en FFT-baserad skanning i tidsdomän.

Med det här tillvägagångssättet hittar EMI-mätmottagaren de kortaste pulserna och visar dem med korrekt nivå.
Peak detektorn är lätt att implementera. Bara de högsta nivåerna inom varje mätperiod behöver sparas för varje frekvenspunkt inom spektrat. Här räcker det med en enkel jämförelse. Däremot är de detektorer som skall väga mätdata enligt grundläggande standard CISPR 16-1-1 [1] – quasi-peak, CISPR-medelvärde och RMS-medelvärde – mycket mer komplexa och kräver mer beräkningskraft.
På grund av lågpassfiltret som används och tidskonstanter på upp till 160 ms krävs mycket lagringsutrymme. För till exempel CISPR band B mätningar, kan R&S ESR EMI-mätmottagare från Rohde & Schwarz köra 13 267 detektorer parallellt. Detta antal är beräknat på frekvensområdet 150 kHz till 30 MHz, delat med frekvensdelningen som är en fjärdedel av mätbandbredden på 9 kHz.
Detta gör det möjligt för EMI-mätmottagaren att skanna hela bandet enligt CISPR band B utan avbrott i realtid och analysera det med användning av quasi-peak detektorer för att verifiera att standardens krav är uppfyllda.

Praktiska fördelar
Till exempel kan en utvecklare som använder en mätmottagare som skannar i tidsdomän utvärdera hur effektiva olika åtgärder för att undertrycka störningar från ett kraftaggregat är och hur det påverkas av olika lastfall. Effekten på störspektrum syns omgående. Om utvecklaren till exempel ändrar kabeldragningen eller gör andra ändringar på testobjektet, så visas detta med en gång på mätmottagaren i spektrum baserat på quasi-peak detektering.
På så sätt kan många olika scenarion köras igenom på kort tid. Utvecklaren inser direkt vilka förändringar som ger bäst resultat. Ineffektiva åtgärder för att begränsa störningarna kan omgående identifieras och tas bort. Och eftersom de aldrig kommer in i den slutliga produkten, behöver man inte i onödan öka tillverkningskostnaden.
Många testobjekt ändrar den spektrala fördelningen av störsignaler över tid. Många störare är temperaturberoende och ändras som ett resultat av uppvärmning under drift. Andra testobjekt, till exempel kaffeautomater, går igenom olika driftfall. För dessa typer av testobjekt öppnas nya möjligheter om man övervakar CISPR band B i realtid med hjälp av spektrogram. Till exempel kan ett nytt spektrum visas varje 100 ms och ändringen av störnivåer över tid markeras. Efter mätningen kan utvecklaren använda markörerna för att gå igenom den inspelade signalen. Då kan hen använda tidsstämpeln hos den inspelade signalen för att korrelera med testobjektets motsvarande driftfall. På så sätt kan utvecklaren se om störningen uppstod under malning, bryggning eller när grädde tillsattes. Med den vetskapen kan utvecklaren vidta rätt åtgärder för att undertrycka störningen.

Fig 2. Kontinuerligt spektrogram uppmätt med quasi-peak detektor. Testobjektet är ett kraftaggregat för en dator. Spektrat ändras över tid på grund av varierande lastfall. Klicka här för större bild.

Verifiera att kraven i standarden möts
För giltiga regulatoriska mätningar med en quasi-peak detector krävs en mättid av en sekund för varje frekvenspunkt. För den traditionella metoden där man stegar i frekvens innebär detta en sveptid av nästan två timmar för att mäta upp till 30 MHz, och då med så grova steg som halva mätbandbredden av 9 kHz. Större steg än så rekommenderas inte eftersom den minskade överlappningen mellan frekvensstegen tenderar att öka mätosäkerhet hos den uppmätta nivån.
Väldigt få utvecklare har tid att vänta så länge. Därför har man tidigare infört en metod med förtest och sluttest.
Under förtesten används peak-detektor och medelvärdesdetektor. Mättiden per frekvenspunkt blir då 20 ms och ett spektrum finns tillgängligt efter två till tre minuter. Därefter går mätmottagaren igenom alla mätvärden och väljer exempelvis ut de 25 som har minst marginal gentemot standardens krav och lägger de aktuella frekvenserna i minne.
Under sluttest används de detektorer som specificeras i standard, quasi-peak och CISPR-medelvärde, för mätningar på de sparade frekvenserna. Mätmottagaren behöver två sekunder för varje mätning: Efter varje frekvensändring behövs en sekunds stabiliseringstid för att detektron skall kunna mäta pulser korrekt och en sekunds mättid.
För två detektorer och 25 värden för varje ger detta: 2 sekunder × 2 detektorer × 25 värden = 100 sekunder. Sluttesten tar således 100 sekunder.
Denna mätning görs normalt med ett LISN nätverk (Line Impedance Stabilization Network). Det innebär att sluttestet tar 200 sekunder för ett testobjekt med enfasanslutning (ledare för fas och nolla) och 400 sekunder för ett testobjekt med trefasanslutning. För att spara tid är enda möjligheten att minska antalet frekvenser under sluttesten. Detta ökar emellertid risken för att störningar skall missas. Tidsbesparingar måste vägas mot tillförlitligheten hos mätningarna.

Fig 3. Spektrum med markerade störfrekvenser. Mätmottagaren mäter samtidigt quasi-peak spektrum och CISPR-medelvärdesspektrum. Klicka här för större bild .

I det ideala fallet skall dock quasi-peak och CISPR-medelvärdes detektorer användas över hela frekvensområdet och inte bara på uppenbart kritiska punkter. Detta är inget problem om man använder en FFT-baserad skanning i tidsdomän. Till exempel levererar R&S ESR vid en FFT-bandbredd av 30 MHz mätningar gjorda enligt standard för CISPR band B efter två sekunder och det inkluderar den nödvändiga stabiliseringstiden på en sekund.
Nu ser beräkning ut att vara mycket mer hanterbar: 2 sekunder × 2 detektorer = 4 sekunder för komplett mätning i enlighet med standard på en ledare. Det tar således 8 sekunder att mäta ett testobjekt med enfasanslutning och 16 sekunder om det har trefasanslutning.
Dessutom kan testingenjören redan under utvecklingstiden fastställa om störsignalen varierar över tid och om det finns intermittenta störsignaler med låg repetitionsfrekvens. Eftersom den totala mättiden är så kort är det enkelt att utöka mättiden till exempelvis fem sekunder, så att detta worst-case scenario kan mätas och det kan styrkas att man verkligen uppfyller kravnivån. Inklusive den nödvändiga stabiliseringstiden är då mättiden 6 sekunder x 2 detektorer = 12 sekunder per ledare. Det är en fullt hanterbar mättid.

Fig 4. Tabell som listar de mest markanta störarna. Mätmottagaren styr LISN och noterar på vilken ledare de högsta nivåerna blivit uppmätta.

Skanning i tidsdomän uppfyller standard
Efter publiceringen av Rev. A1:2010 till den tredje utgåven av ”EMC – Utrustning och metoder för mätning av radiostörningar och immunitet” CISPR 16-1-1 [1] så är tekniken med FFT-baserade mätmottagare införlivad i grundläggande standard. De olika standarder som finns för olika produktområden, CISPR 13 för konsumentelektronik och CISPR 32 för multimediautrustning refererar redan till senaste utgåva av grundläggande standard. CISPR 15 för elektrisk belysning och liknande utrustning följer efter detta år och CISPR 12 och CISPR 25 för fordon och fordonskomponenter nästa år. Dessa kommer att följas av återstående produktgrupper.
Som ett resultat av detta kan EMC-laboratorier – antingen redan nu eller i en nära framtid – officiellt testa alla produkter som faller inom en av dessa grupper med metoden med tidsdomän skanning och använda tillhörande resultat för produktcertifiering.

Minskad mättid
Metoden med FFT-baserad skanning i tidsdomän gör det möjligt att minska mättiden utan att göra avkall mätningarnas tillförlitlighet. Utvecklare kan använda metoden för att snabbt och säkert hitta störningar som driver och fluktuerar. Den faktiska mätningen görs så snabbt att den tiden är försumbar jämförbart med tiden för att sätta upp testobjektet. Som ett resultat av det kan utvecklaren sätta in åtgärder för att undertrycka störningar utan att i onödan öka kostnaderna.
Författare: Matthias Keller är produktchef för EMI mätmottagare hos Rohde & Schwarz i München, Tyskland.

Referenser:
[1] CISPR 16-1-1:2010-01 (Edition 3) Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods – Part 1-1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus – Measuring apparatus

Filed under: Avstorning