Як використовувати аналізатори спектру SIGLENT для випробувань на відповідність критеріям EMC
У цій статті обговорюємо параметри попереднього тестування приладів на відповідність критеріям електромагнітної сумісності (EMC) та те, яким чином різні налаштування впливають на результати вимірювань, які ви проводите. Окремо зупинимось на аспектах чутливості та низці порад щодо захисту аналізатора спектру під час тестування.
Зміст
- Вступ
- Застосовні стандарти
- Вимоги стандартів
- Вбудований атенюатор/попередній підсилювач
- Окремі нюанси, пов’язані зі спотворенням
- Загальні міркування щодо чутливості
- Захист входів
Вступ
Аналізатор спектру – це основний інструмент для тестування електромагнітної сумісності (ЕМС). Останніми роками аналізатори зі спеціалізованими функціями ЕМС стали надзвичайно доступними і переважно вони продаються як "опції ЕМС", які, на додаток до стандартних функцій аналізаторів спектру, зазвичай включають фільтри CISPR та квазіпікові (КП) детектори.
Аналізатори спектру пропонують широкий діапазон налаштувань параметрів та потребують правильного налаштування, щоб максимально наблизити вимірювання до відповідності вимогам конкретних стандартів ЕМС, які стосуються конструкції піддослідного приладу та кінцевого використання. Вимоги стандарту EMC визначають правильні інструментальні параметри для фільтра смуги пропускання, смуги відеосигналу, типу детектора, частотного діапазону та часу розгортки.
Обмеження випромінювання та характеристики перетворювача також впливають на передбачені вимогами налаштування. Для досягнення хорошого балансу між високою чутливістю та низьким рівнем спотворення необхідна оптимізація інструменту.
Діаграми вимірювань, задокументовані в цій статті, створені за допомогою SIGLENT SSA3021X Plus – аналізатора спектру електромагнітних завад початкового рівня з чудовим співвідношенням ціни та якості.
Застосовні стандарти
Тестові налаштування ЕМС та вимоги до вимірювального обладнання визначаються низкою стандартів. Найвідомішими є серії CISPR 16 та EN 61000-4. Крім цього, існують додаткові застосовні стандарти на кшталт CISPR 25, Mil-461, DO 160 тощо. Щоб максимально обмежити обсяг цієї публікації ми зосередимося головним чином на стандарті CISPR 16.
Вимоги стандартів
Одиниці вимірювання амплітуди
У радіочастотних застосуваннях основною одиницею вимірювання амплітуди є [дБм]. [дБм] – це логарифмічна одиниця потужності, що має сенс, оскільки вхідний і вихідний опір РЧ будівельних блоків зазвичай розрахований на 50 Ом.
У програмах попереднього тестування на відповідність критеріям ЕМС опір піддослідного обладнання та джерел живлення фактично непередбачуваний. Отже, обмеження випромінювання переважно вказуються в одиницях амплітуди [дБмкВ] та [дБмкА]. Для встановлення інтерфейсів із визначеним опором з метою подальшого підключення вимірювального обладнання з опором 50 Ом використовуються стандартизовані перетворювачі, такі як мережі стабілізації опору лінії (LISN), мережі зв’язку/розв’язки (CDN), давачі радіочастотного струму тощо.
Смуга пропускання
Як правило, на фільтрах смугового діапазону на аналізаторах спектру використовуються фільтри проміжної частоти (ПЧ) у вигляді графіку функції Гауса з регульованою смугою пропускання, які відповідають послідовності 1-3-10, наприклад, 100 Гц, 300 Гц, 1 кГц, 3 кГц, 10 кГц, 30 кГц і т.д.
Для сумісності зі стандартами CISPR аналізатор спектру повинен додатково мати так звані CISPR-фільтри.
На багатьох аналізаторах спектру фільтр Гауса використовується за замовчуванням, тому за потреби користувачеві слід вибрати опцію фільтра електромагнітних завад.
На малюнку 1 нижче наведено порівняння графіків фільтрів Гауса та CISPR:
Малюнок 1:Графіки фільтрів Гауса та CISPR
Окрім визначення графіку фільтра, імпульсної характеристики та пригнічення бічних пелюсток, CISPR визначає смуги частот та відповідні смуги пропускання фільтра, які необхідно використовувати:
| Частотний діапазон | Смуга пропускання фільтра CISPR |
|---|---|
| 9 кГц – 150 кГц | 200 Гц |
| 150 кГц – 30 МГц | 9 кГц |
| 30 МГц – 1 ГГц | 120 кГц |
| Понад 1 ГГц | 1 МГц |
Чим менша смуга пропускання, тим нижчий базовий рівень шуму. Базовий рівень шуму є похідним від відображеного середнього рівня шуму (DANL) вимірювальних приладів, вимірювального перетворювача/антени/давача та радіочастот навколишнього середовища на момент вимірювання. Можливо, вам вже доводилося спостерігали кроки зміни на діаграмах випробувальних центрів, викликані перемиканням смуги пропускання фільтра.
На малюнку 2 нижче показано приклад такого кроку зміни, коли смуга пропускання змінилася з 9 кГц у першій частині розгортки на 120 кГц після 12 МГц:
Малюнок 2:Перехід від смуги пропускання 9 кГц до 120 кГц при 30 МГц – Зверніть увагу на кроки зміни базового рівня шуму.
Малюнок 3:Залежність між рівнем DANL та смугою пропускання аналізатора спектру.
Частотна роздільність
Аналізатори спектру здійснюють розгортку в діапазоні частот дискретними кроками. Як правило, кількість частотних кроків на розгортку дорівнює кількості пікселів дисплея в напрямку осі X. SIGLENT SSA3021X, наприклад, має роздільну здатність 751 еквідистантних частотних точок на розгортку. Інші поширені аналізатори спектру мають 601 точку вимірювання на розгортку.
Аналізатори спектру зазвичай вмикаються із заводськими налаштуваннями за замовчуванням, в яких розгортка встановлена на повний діапазон, а смуга пропускання – на 1 МГц.
При подачі сигналу на аналізатор може спостерігатися неправильне відображення частоти та амплітуди. Причина цього стає очевидною після короткого розрахунку та аналізу кривих фільтра та відстані між суміжними частотними точками. Якщо, скажімо, ми розділимо діапазон вимірювання 2,1 ГГц на 751 частотну точку, проміжки між суміжними частотними точками становитимуть приблизно 2,8 МГц:
Вхідні сигнали можуть опинятися між двома суміжними кривими фільтра або на проміжній частині графіку фільтра. Як наслідок, сигнал зазнаватиме загасання, а на дисплеї аналізатора відображатиметься нижче значення амплітуди – тобто, значення вимірювання буде неправильним. Відображена частота відповідатиме центральній частоті найближчої частотної точки, тож зміщення також буде неправильним.
Візьмімо інший приклад і розгляньмо типове вимірювання кондуктивного випромінювання. У більшості випадків це вимірювання охоплює діапазон частот до 30 МГц та вимагає смуги пропускання 9 кГц за CISPR. Спроба зробити повну розгортку по всіх 30 МГц дає в результаті наступний інтервал: 30 МГц / 751 = 39,9 кГц. При цьому значна частина спектру не вимірюватиметься взагалі:
Щоб охопити весь спектр у діапазоні частотної розгортки, CISPR 16 визначає, що суміжні частотні точки не повинні розташовуватися одна від одної з інтервалом, який перевищує половину смуги пропускання. У випадку наведеного вище прикладу інтервал не повинен перевищувати 9 кГц / 2 = 4,5 кГц.
Враховуючи цю інформацію, необхідно вибрати параметри частотного діапазону, які б відповідали характеристикам частотного інтервалу та смуги пропускання за CISPR 16:
Кількість точок вимірювання на розгортку: 751 (Siglent SSA3021X)
| Частотний діапазон | Смуга пропускання фільтра CISPR | Максимальний частотний діапазон |
|---|---|---|
| 9 кГц – 150 кГц | 200 Гц | 75 кГц |
| 150 кГц – 30 МГц | 9 кГц | 3,38 МГц |
| 30 МГц – 1 ГГц | 120 кГц | 45 МГц |
| Понад 1 ГГц | 1 МГц | 375 МГц |
Отже, вимірювання кондуктивного випромінювання для частотного діапазону від 150 кГц до 30 МГц повинне бути розділене принаймні на 29,85/3,38 = 9 сегментів з інтервалом 3,38 МГц.
Виконання такого вимірювання вручну було б виснажливим процесом. Різні аналізатори дозволяють збільшити стандартну кількість точок вимірювання до вищого значення. Новіші аналізатори також пропонують можливість вибору процедур вимірювання електромагнітних завад, відповідних стандартам, які також гарантують, що суміжні точки вимірювання мають правильний інтервал між частотними точками. Недоліком є те, що отриманий таким чином графік все ж обмежений кількістю доступних пікселів дисплея.
Компанія Tekbox пропонує програмне забезпечення для вимірювання електромагнітних завад EMCview, яке розбиває вимірювання на послідовні сегменти розгортки. Значення вимірювань усіх розгорток згодом зшиваються в єдиний графік для легкого аналізу та звітування. EMCview також спрощує вимірювання електромагнітних завад, забезпечуючи великий перелік вимірювань з попередньо заданими налаштуваннями.
Малюнок 4:Вимірювання кондуктивного шуму за допомогою EMCview.
Розгортка 30 МГц складається з 12 сегментів з інтервалом 2,5 МГц кожен.
Час розгортки
У CISPR 16 існує відмінність між широкосмуговим і вузькосмуговим шумом. Вузькосмуговий шум зазвичай спричинений тактовими сигналами. Широкосмуговий шум натомість спричинений сигналами даних. Оскільки спектр сигналів даних обумовлений більш-менш довільною послідовністю бітів, він є динамічним та широкосмуговим. Крім цього, сигнали можуть бути присутніми або відсутніми залежно від завдань, що виконуються на контролері. Занадто швидка розгортка призведе до пропускання імпульсів та неправильного вимірювання спектру широкосмугових шумів.
Відповідно, CISPR 16 визначає мінімальний час розгортки залежно від частотного діапазону та детектора:
| Частотний діапазон | Піковий детектор | Квазіпіковий детектор |
|---|---|---|
| 9 кГц – 150 кГц | 100 мс / кГц | 20 с / кГц |
| 150 кГц – 30 МГц | 100 мс / МГц | 200 с / МГц |
| 30 МГц – 1 ГГц | 1 мс / МГц | 20 с / МГц |
CISPR 25 визначає мінімальний час розгортки як вказано нижче:
| Частотний діапазон | Піковий детектор | Квазіпіковий детектор |
|---|---|---|
| 150 кГц – 30 МГц | 10 с / МГц | 200 с / МГц |
| 30 МГц – 1 ГГц | 100 мс / МГц | 20 с / МГц |
| понад 1 ГГц | 100 мс / МГц | не застосовується |
Довший час розгортки створює ефект усереднення, знижуючи рівень шуму:
Малюнок 5:DANL аналізатор із часом розгортки 500 мс та 10 с
Детектори
Більшість тестів кондуктивного та емісійного випромінювання мають обмеження, передбачені для детектора середніх значень та квазіпікового детектора.
У той час як вимірювальне сканування за допомогою детекторів середніх значень та пікових детекторів можна виконати досить швидко, час вимірювання, необхідний квазіпіковим детекторам, становить 1 секунду на точку вимірювання для вимірювальних приймачів та стільки ж для аналізаторів спектру. Одне повне вимірювальне сканування може тривати кілька годин, якщо воно виконується за допомогою квазіпікових детекторів.
Однак існує обхідний шлях, який дозволяє значно скоротити час вимірювання:
Результат вимірювання пікового детектора завжди вищий за результат вимірювання детектора середніх значень.
Результат вимірювання квазіпікового детектора завжди перебуватиме приблизно посередині між результатами детектора середніх значень та додатного пікового детектора. Результат вимірювання квазіпікового детектора ніколи не перевищуватиме результату вимірювання додатного пікового детектора.
Малюнок 6:Приклад відмінностей між додатнім піковим детектором та детектором середніх значень.
Отже, повне сканування виконується за допомогою пікового детектора, а результати порівнюються з квазіпіковими граничними межами. Якщо результати вимірювання пікового детектора знаходяться в квазіпікових межах, обладнання пройшло випробування. Якщо результати пікового детектора мають кілька паразитних піків, які виходять за граничну лінію, все ж існує ймовірність, що квазіпікові результати знаходяться в заданих межах. Однак, якщо паразитні піки перевищують граничні межі на 10 дБ або більше, ймовірність цього досить невисока.
Для перевірки необхідно провести вибіркове повторне вимірювання за допомогою квазіпікового детектора лише в тих частотних точках, де результати вимірювання пікового детектора виходять поза граничну межу.
Під час вибіркового повторного вимірювання паразитних піків із критичними амплітудами також необхідно враховувати, що за час, який минув між вимірюванням піковим детектором і вибірковим повторним вимірюванням квазіпіковим детектором, паразитні піки могли дрейфувати за частотою. Піки, що виникають від імпульсного реле, можуть суттєво дрейфувати за часом та температурою.
Вибіркове повторне вимірювання згодом може призвести до цілковитої втрати з поля зору імпульсів або до зміщення частоти імпульсу настільки, що буде отримано неправильний результат вимірювання. EMCview пропонує опцію вибіркового вимірювання з урахуванням дрейфу частоти. Замість простого вимірювання на одній частоті квазіпікове вимірювання можна проводити в кількох суміжних частотних точках. Після цього EMCview виконує пошук піків у цих частотних точках, щоб зафіксувати правильну квазіпікову амплітуду.
Малюнок 7:Приклад дрейфу паразитних коливань за часом. Обидва вимірювання проводилися з однаковими налаштуваннями, але з різницею в часі в 15 хв.
На знімку екрана нижче показано діаграму випробувального центру, що демонструє концепцію вибіркового квазіпікового вимірювання. Помаранчева крива показує вимірювання пікового детектора з синіми мітками на частотах, де порушуються квазіпікові граничні межі. Червоними маркерами показано результати вибіркового повторного вимірювання за допомогою квазіпікового детектора.
Малюнок 8:Приклад звіту випробувального центру, що показує вибіркове квазіпікове сканування.
Вбудований атенюатор, попередній підсилювач
Під час налаштування аналізатора спектру для проведення будь-якого вимірювання ЕМС ключове значення має ретельний вибір налаштувань вбудованого атенюатора.
На знімку екрана нижче показано вплив налаштувань вбудованого атенюатора та попереднього підсилювача на DANL аналізатора спектру.
Малюнок 9:Залежність DANL від налаштувань внутрішнього атенюатора/попереднього підсилювача. Радіочастотний вхід має навантаження 50 Ом.
Малюнок 10:Залежність потужності від налаштувань вбудованого атенюатора/попереднього підсилювача. На радіочастотний вхід подається неперервний сигнал; амплітуда постійна, але зміщена на 5 МГц при кожному налаштуванні для покращення видимості.
При проведенні тестування на наявність кондуктивного випромінювання існує висока ймовірність виникнення високоамплітудних імпульсів. Загасання 0 дБ з подальшим одночасним ввімкненням попереднього підсилювача може спричинити інтермодуляційні спотворення та/або насичення АЦП.
Відповідно, параметрами за замовчуванням для більшості тестів на наявність кондуктивного випромінювання в EMCview є внутрішнє загасання 20 дБ з вимкненим попереднім підсилювачем. Однак деякі стандарти, зокрема Клас 5 – Вимірювання кондуктивних випромінювань: Метод напруги CISPR 25, передбачають вкрай низькі граничні рівні та вимагають нижчого внутрішнього загасання.
Вимірювання емісійного випромінювання вимагають надзвичайно високої чутливості. Відповідними проектними параметрами EMCview за замовчуванням зазвичай є внутрішнє загасання 0 дБ з ввімкненим попереднім підсилювачем.
CISPR 16 визначає, що базовий шум вимірювальної установки повинен бути принаймні на 6 дБ нижчим граничних ліній, щоб мати достатній динамічний діапазон для надійного вимірювання критичних паразитних коливань.
Окремі нюанси, пов’язані зі спотворенням
Аналізатор спектру може сам створювати продукти спотворення та потенційно порушувати результати вимірювань, якщо на радіочастотний вхід подаються сильні сигнали. Оскільки аналізатори спектру містять компоненти з нелінійною поведінкою, такі як змішувачі та підсилювачі, вони завжди створюватимуть деякі продукти спотворення. У гіршому випадку це внутрішнє спотворення може повністю приховати спотворення, створені піддослідним обладнанням.
Щоб визначити, чи вплинуть спотворення, викликані аналізатором, на результати кожного конкретного вимірювання, користувач повинен розуміти, яким чином спотворення пов’язані з вхідним сигналом.
Переважними нелінійними спотвореннями є гармоніки другого та третього порядку.
Спотворення другого порядку зростає як квадрат амплітуди основного сигналу, а спотворення третього порядку зростає як куб. Тобто, зі збільшенням/зменшенням основної потужності на 1 дБ спотворення другого порядку зростає/зменшується на 2 дБ. Зі збільшенням/зменшенням основної потужності на 1 дБ спотворення третього порядку зростає/зменшується на 3 дБ.
Визначити, надходять паразитні коливання від джерела сигналу чи генеруються вони аналізатором спектру, можна за допомогою атенюаторів.
| Спотворення – внутрішнє чи зовнішнє? | |
|---|---|
| Тестування атенюатора: Переключіть потужність на змішувачі |
Сигнал з початковим спотворенням Сигнал з вхідним загасанням 10 дБ |
| 1. Переналаштуйте вхідний атенюатор на 10 дБ |  |
| 2. Спостерігайте за амплітудою спотворень на дисплеї | |
| Амплітуда не змінюється: Спотворення є частиною вхідного сигналу (зовнішнє) |
|
| Амплітуда змінюється: Принаймні частина спотворень генерується всередині аналізатора (внутрішнє) |
|
Загальні міркування щодо чутливості
Вимірювання кондуктивного шуму за допомогою мережі стабілізації опору лінії (LISN)
Вибираючи налаштування амплітуди аналізатора спектру, порівняйте граничні межі з відображеним середнім рівнем шуму (DANL) аналізатора. На малюнку 10 нижче показано, що за умови, що аналізатор встановлено на максимальну чутливість, між граничними межами та DANL існує 80 дБ динамічного діапазону. З іншого боку, CISPR 16 вимагає мінімального інтервалу 6 дБ між DANL та граничними межами.
Налаштування аналізатора слід змінити на Загасання/Att = 20 дБ та Попередній підсилювач/PreAmp = ВИМКНЕНО/OFF. Це підвищить рівень шуму приблизно на 40 дБ, проте залишить 40 дБ динамічного діапазону нижче граничних меж. Таким чином чутливість залишається більш ніж достатньою, а ризик створення нелінійних спотворень або насичення АЦП значно знижується.
Малюнок 11:Приклад вимірювання кондуктивного випромінювання від портів мережі змінного струму згідно з CISPR 32, Клас A.
Щоразу під час вибору налаштувань аналізатора спершу необхідно враховувати граничні межі і лише тоді визначати налаштування амплітуди.
Більшість стандартів передбачають достатньо високі обмеження для параметрів кондуктивного шуму для роботи з загасанням принаймні у 20 дБ без попереднього підсилювача.
Виняток становлять стандарти автомобілебудівної галузі, такі як CISPR 25, Клас 5 або загальні стандарти виробників автомобілів, які вимагають вищого рівня чутливості:
Малюнок 12:Приклад розгортки базового рівня кондуктивного шуму за CISPR 25, Клас 5.
У разі проблем із нелінійними спотвореннями можна вимкнути попередній підсилювач, щоб залишити достатній динамічний діапазон для діапазону частот понад 60 МГц.
Вимірювання кондуктивного шуму за допомогою давачів радіочастотного струму
Під час виконання вимірювань кондуктивного шуму за допомогою давачів моніторингу радіочастотного (РЧ) струму віднімання значення трансімпедансу в дБОм від значення вимірювання в дБмкВ дає радіочастотний струм у дБмкА.
У випадку давача моніторингу РЧ струму з трансімпедансом 0 дБОм показання на виході давача в дБмкВ еквівалентні РЧ струму, що проходить через поперечний переріз давача, в дБмкА.
На малюнку 13 нижче показано обмеження для вимірювання методом струму за CISPR 25, Клас 5. Зауважте, що обмеження наведено в дБмкА.
Крива, що відображається, відповідає налаштуванням максимальної чутливості аналізатора: Загасання/Att = 0 дБ, Попередній підсилювач/PreAmp = ВИМКНЕНО/ON
Малюнок 13:Приклад вимірювання методом струму за CISPR 25, Клас 5.
Якщо для проведення цього вимірювання використовуватиметься давач РЧ струму з трансімпедансом 0 дБОм, базовий шум перевищуватиме межі понад 25 МГц, навіть за максимальних налаштувань чутливості.
Щоб провести ефективне вимірювання, потрібен давач моніторингу РЧ струму з трансімпедансом принаймні від 15 дБОм до 20 дБОм.
На малюнку 14 нижче показаний базовий шум за результатами вимірювання методом струму згідно з CISPR 25, Клас 5 за допомогою давача моніторингу радіочастотного струму TBCP2-500 від Tekbox із вбудованим атенюатором аналізатора спектру встановленим на 0 дБ та ввімкненим попереднім підсилювачем. Це налаштування забезпечує достатній динамічний діапазон для виконання ефективного вимірювання:
Малюнок 14:Приклад вимірювання методом струму згідно з CISPR 25, Клас 5 за допомогою РЧ давача Tekbox TBCP2-500.
Вимірювання випромінюваного шуму за допомогою поперечних електромагнітних комірок (TEM)
Поперечні електромагнітні комірки (TEM комірки) – це смуговий пристрій для проведення випробувань на наявність емісійних випромінювань та перешкодостійкість електронних приладів.
Випробування на наявність випромінюваного шуму в TEM комірках можна розпочати з максимальним налаштуванням чутливості аналізатора. Суттєвий ризик перевантаження або пошкодження аналізатора зазвичай відсутній. У разі високої амплітуди випромінювання параметри можна відкоригувати відповідним чином.
На малюнку 15 нижче показані граничні значення для TEM комірки згідно з CISPR 25, Клас 5 порівняно з базовим шумом аналізатора спектру при внутрішньому загасанні аналізатора спектру, встановленому на 0 дБ, та увімкненому попередньому підсилювачі.
Малюнок 15:Приклад вимірювання методом ТЕМ комірок згідно з CISPR 25, Клас 5.
Вимірювання випромінюваного шуму за допомогою антен
У більшості випадків межі випромінюваного шуму наведено в дБВ/м. Щоб перетворити результат вимірювання з напруги при 50 Ом [дБмкВ] в напруженість поля [дБмкВ/м], необхідно знати характеристики антени залежно від частоти. Вимірювальні антени завжди постачаються з таблицею коефіцієнтів калібрування антени. Щоб отримати напруженість поля, коефіцієнт калібрування антени потрібно додати до значення напруги, що відображається на аналізаторі:
Таким чином, коефіцієнт калібрування антени також додає до базового шуму та зменшує динамічний діапазон вимірювання.
Вимірювальні антени ЕМС зазвичай мають велику смугу пропускання. Чим ширша смуга пропускання, тим нижчий коефіцієнт підсилення та вищий коефіцієнт калібрування антени.
На малюнку 16 нижче показано межі емісійного випромінювання згідно з CISPR 32, Клас A в дБмкВ/м для відстані вимірювання 3 м.
Темно-зелена крива показує базовий шум аналізатора спектру в дБмкВ із внутрішнім загасанням, встановленим на 0 дБ, та ввімкненим попереднім підсилювачем.
Блакитна крива показує базовий шум у дБмкВ/м при використанні разом із біконічною антеною Tekbox TBMA1 з діапазоном 30 МГц – 1 ГГц.
Синя крива показує базовий шум у дБмкВ/м при використанні разом із біконічною антеною Tekbox TBMA2 з діапазоном 30 – 300 МГц.
Світло-зелена крива показує базовий шум у дБмкВ/м при використанні разом із логарифмічною періодичною антеною Tekbox TBMA3 з діапазоном 250 МГц – 1,3 ГГц.
Малюнок 16:Вимірювання емісійного випромінювання згідно з CISPR 32, Клас A за допомогою різних типів антен
Виходячи з наведеного вище аналізу базового шуму, може видаватися, що існує достатній динамічний діапазон для проведення вимірювань випромінюваного шуму згідно з CISPR 32, Клас A за допомогою аналізатора спектру Siglent SSA3021X та будь-якої зі згаданих вимірювальних антен ЕМС від Tekbox.
Однак наведені вище графіки будуть реалістичними лише за умови проведення вимірювання в екранованій безеховій камері. Насправді ж попередні випробування ЕМС на наявність емісійного випромінювання часто проводяться в неекранованому середовищі, наприклад, у розробницькій лабораторії або на промисловому майданчику.
На малюнку 17 показано вихід вимірювальної антени Tekbox TBMA1 в умовах промислового майданчика.
Малюнок 17:Приклад вимірювання в умовах навколишнього середовища на промисловому майданчику
Однак існує низка рішень для боротьби з проблемою навколишнього шуму. Спробуйте знайти місце з меншим рівнем навколишнього шуму. Наприклад, плоский дах або випробувальний майданчик у польових умовах часто менш шумні, ніж промисловий майданчик. Під час проведення вимірювань в лабораторії вимкніть усе обладнання поблизу, щоб усунути шум від імпульсних джерел живлення.
Перемістіть антену ближче до піддослідного обладнання. Зменшення відстані вимірювання з 3 м до 1 м еквівалентно втраті передачі сигналу у вільному просторі приблизно на 10 дБ або підвищенню граничного значення на 10 дБ. Однак враховуйте, що на нижчих частотах антена може потрапляти в ближню зону поля.
Використовуйте вимірювальну антену з нижчою смугою пропускання з нижчими коефіцієнтами калібрування антени.
Проведіть вимірювання на вашому піддослідному обладнанні в TEM комірці, щоб отримати графік критичних випромінювань. Знаючи частоти критичних паразитних коливань, повторіть вимірювання з антеною, але знизьте діапазон та смугу пропускання. Збільште критичні частоти, так би мовити.
Виконуйте вимірювання вночі, коли рівень навколишнього шуму зазвичай нижчий.
Захист входів
Працюючи з аналізаторами спектру, слід мати на увазі, що надмірна вхідна потужність, перехідні процеси напруги або електростатичний розлад можуть пошкодити радіочастотний інтерфейс. Діапазон максимального вхідного неперервного сигналу аналізаторів спектру зазвичай становить від +20 дБм до +30 дБм. На відміну від осцилографів, входи аналізатора спектру не захищені або захищені лише мінімально. Нижче показано спрощений радіочастотний інтерфейс:
| РЧ-вхід | GaAs-перемикач | Попередній підсилювач | GaAs-перемикач | Атенюатор | Змішувач |
Діоди на вході зазвичай слугують діодами захисту від електростатичного розряду. Щоб повністю захистити вхід за допомогою обмежувача, шунтові діоди потрібно під’єднати до послідовного резистора, щоб обмежити прямий струм у разі надмірної потужності вхідного сигналу. Відповідно, класичний резистор обмеження струму не може бути реалізовано, оскільки це збільшить вхідний опір аналізатора.
Обмежувач можна реалізувати, поєднавши його з атенюатором, однак це погіршило б чутливість аналізатора та обмежило б його використання.
Першою слабкою ланкою вхідного кола є радіочастотний перемикач. Типові аналізатори спектру електромагнітних завад використовують вбудовані арсенід-галієві (GaAs) перемикачі. GaAs перемикачі за своєю природою слабкі на низьких частотах. Для багатьох GaAs перемикачів навіть не вказують максимальної вхідної потужності на низьких частотах до 9 кГц.
Нижче наведено приклад "об’єктивної" таблиці даних для типового GaAs перемикача:
| HMC221B | |
|---|---|
| Абсолютні максимальні показники | |
| Характеристика | Показник |
| Діапазон напруги керування | від -0,2 В DC до 12 В DC |
| Потужність РЧ входу (CW пік, В контрол. = 0 В/5 В) | 0,36 Вт |
| 10 кГц – 10 МГц | 8 дБм |
| 10 МГц – 20 МГц | 10 дБм |
| 20 МГц – 30 МГц | 11 дБм |
| 30 МГц – 250 МГц | 14 дБм |
| 250 МГц – 3 ГГц | 31 дБм |
| Потужність РЧ входу з гарячим перемиканням (CW пік, В контрол. = 0 В/5 В) | |
| 10 кГц – 250 МГц | 6 дБм |
| 250 МГц – 3 ГГц | 20 дБм |
Максимальна потужність РЧ входу залежно від частоти чітко демонструє погіршення на низьких частотах.
При проведенні випробувань імпульсних джерел живлення на наявність кондуктивного шуму найвищі паразитні коливання виникають на відносно низьких частотах. Субгармоніки ще більш критичні. Зазвичай вони трапляються на частотах значно нижчих за 100 кГц і часто залишаються непоміченими, оскільки нижній поріг чутливості для більшості випробувань становить 150 кГц. Ви можете проводити вимірювання кондуктивного шуму і дивуватися, чому аналізатор видає звуковий сигнал і відображає попередження про переповнення АЦП, незважаючи на те, що всі паразитні коливання значно нижчі за допустимі межі. Призводити до насичення атенюатора може саме високоамплітудна субгармоніка на рівні 6 кГц.
Якщо ви помітили, що ваші сигнали на 20 дБ нижчі, ніж насправді, катастрофа вже трапилася. Перший GaAs перемикач вже пошкоджений. У більшості випадків він виходить з ладу через коротке замикання на радіочастотному тракті та захищає подальші компоненти, але в крайніх випадках пошкодження досягне першого змішувача.
Щоб запобігти подібним випадкам, ви завжди повинні починати дослідження будь-якого нового обладнання з використанням зовнішніх атенюаторів або комбінованого атенюатора/обмежувача, обидва також доступні від Tekbox. Проаналізуйте спектр на дуже низьких частотах за допомогою зовнішнього атенюатора або обмежувача на 20 дБ, підключеного до входу аналізатора, та переконайтеся у відсутності сигналів із критично високою амплітудою.
Як альтернатива, ви можете спершу підключити осцилограф до РЧ виходу LISN та перевірити випромінювання піддослідного обладнання у часовій області. Щоб встановити такий самий рівень опору, як у підключеного аналізатора спектру, подайте на вхід осцилографа прохідне навантаження у 50 Ом або перемкніть вхід на 50 Ом, якщо на осцилографі передбачена ця функція.
Нижче наведена низка вказівок стосовно виконання вимірювань кондуктивних випромінювань за допомогою LISN:
- Залиште РЧ вихід LISN без підключення
- Підключіть піддослідне обладнання до LISN
- Підключіть LISN до розподільного трансформатора
- Увімкніть піддослідне обладнання
- Перевірте РЧ вихід LISN за допомогою осцилографа та/або аналізатора із зовнішнім атенюатором на 20 дБ або комбінованого атенюатора/обмежувача
- Підключіть РЧ кабель від виходу LISN до входу аналізатора спектру
- Проведіть сканування кондуктивного шуму
- Від’єднайте РЧ кабель
- Вимкніть піддослідне обладнання
ПРИМІТКА: Метою від’єднання аналізатора під час увімкнення/вимкнення піддослідного обладнання є уникнення перехідних процесів напруги через зворотну електрорушійну силу, особливо високоіндуктивних навантажень, таких як двигуни або імпульсні джерела живлення. Ці сигнали можуть бути достатньо великими за значенням та швидкими, щоб спричинити незворотне пошкодження чутливого радіочастотного інтерфейсу аналізатора.
У випадках, коли піддослідне обладнання генерує субгармоніки, розташуйте відповідний фільтр високих частот на РЧ вході аналізатора спектру. Обмежувач перехідних процесів Tekbox TBFL1 оснащений не лише комбінованим атенюатором/обмежувачем, а й фільтром високих частот до 9 кГц. Якщо частота субгармонік перевищує 9 кГц, підключіть фільтр високих частот на 150 кГц.
