EMV: Spektrum-Analyzer für die Vorab-Konformitätsanalyse

| Autor / Redakteur: Boris Adlung * / Hendrik Härter

EMV-Tests: Die Spektrum-Analyzer der Serien RSA3000/RSA5000 von Rigol bieten die Möglichkeit, vorab die Konformität am zu untersuchenden Objekt zu prüfen.
EMV-Tests: Die Spektrum-Analyzer der Serien RSA3000/RSA5000 von Rigol bieten die Möglichkeit, vorab die Konformität am zu untersuchenden Objekt zu prüfen. (Bild: Rigol)

Wer im Rahmen der EMV auf eine Vorab-Konformitätsanalyse angewiesen ist, kann einen Spektrum-Analyzer verwenden. Spitzenwerte lassen sich bereits im frühen Design-Stadium ermitteln und verbessern.

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) hat sich in den letzten 23 Jahren zu einem wichtigen Thema entwickelt. EMV-Maßnahmen sind nicht nur zwingend erforderlich, um die Funktionalität der Eigenentwicklung und den Schutz der Umwelt vor Elektrosmog zu gewährleisten. Bei einer Neuentwicklung muss auch in einem Prüflabor nach genormten Standards getestet werden, um das CE-Zeichen für den Verkauf des neuen Produktes zu erhalten. Ohne die Einhaltung der vorgegebenen Grenzwerte kann und darf man ein Produkt nicht vertreiben. Eine Nachentwicklung hat zur Folge, dass nicht nur ein zweiter Gang in das EMV-Labor finanziert werden muss, sondern eine Nachentwicklung hat außerdem deutliche Mehrkosten und einen nicht einkalkulierten zusätzlichen Zeitaufwand zur Folge.

Um dieses Szenario zu vermeiden, sind erste EMV-Analysen und Maßnahmen bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium notwendig und sind über die gesamte Entwicklung einschließlich Vorabkonformitätsprüfungen durchzuführen. Laut einer Umfrage [1] beziffern sich EMV-Aktivitäten während einer Entwicklung auf etwa 3 bis 5% der gesamten Entwicklungskosten. Bleiben die Aktivitäten aus und eine Abnahme wird nicht bestanden, können die Kosten der Nachentwicklung auf bis zu 50 bis 100% der eigentlichen Kosten belaufen.

Für die EMV-Analyse und Vorabkonformitätskontrolle bietet Rigol speziell für die Entwicklung Spektrum-Analysatoren der Serie DSA800 einschließlich eines Filters mit 6 dB und Quasi-Spitzenwertdetektor [QP] und der PC-Software S1210 sowie einen Nahfeldsondensatz NFP-3 an. Die messtechnische Lösung wurde für die Serie RSA3000/RSA5000 erweitert und optimiert.

Messempfänger oder Spektrum-Analyzer für die EMV

Während einer Konformitätsprüfung mit Emission, Absorbtion, Leitungsgebunden und Abstahlung wird generell ein Messempfänger (ME) eingesetzt. Ein ME hat allerdings den Nachteil, dass er sehr teuer und ausschließlich für EMV-Messungen eingesetzt werden kann. Ein Spektrum-Analyzer (SA) hingegen misst schneller und kann für unterschiedliche Applikationen eingesetzt werden. Ein ME bietet in der EMV-Messung deutliche Vorteile gegenüber einem SA. Durch die Vorabselektion kann beim ME der Dynamikbereich für jede Teilmessung separat eingestellt werden.

Außerdem wird die gewünschte Frequenzauflösung (meist RBW/2) in einem ME ohne weiteres erreicht. Um diese Nachteile des SA zu kompensieren, ist in der EMI-Lösung von Rigol die Grundeinstellung der wichtigsten Frequenzbänder inklusive dessen geforderte 6 dB RBW vorab in einer Scantabelle (Bild 1) in Einzelbereiche, sogenannte Ranges, hinterlegt. Alle Parameter kann man pro Bereich separat nach den eigenen Wünschen anpassen.

Beispielsweise lassen sich pro Bereich bis zu 10.000 Messpunkte verwenden, wobei die Grundeinstellung der Messpunkte sich auf eine Frequenzauflösung von RBW/2 bezieht. Für eine höhere Auflösung lassen sich auch unterschiedliche Ranges miteinander kombinieren um eine noch höhere Frequenzauflösung zu erzielen. Pro Range kann der integrierte Vorverstärker (Option) und die interne Dämpfung variiert werden.

Werden unterschiedliche Ranges verknüpft, lässt sich der Dynamikbereich der kompletten Messung erweitern, ohne die Messung selber zu unterbrechen. Somit lassen sich diese beiden Schwachstellen des SA gegenüber der ME kompensieren. Bei der Familie RSA mit EMI-Lösung lassen sich nicht nur die 6-dB-Filter mit Frequenzen von 200 Hz, 9 kHz und 120 kHz einstellen, sondern auch bis 1 MHz.

Unterschiedliche Limits nach Standards zuordnen

Nachdem der gewünschte Frequenzbereich ausgewählt wurde, kann man in dem abgelegten Speicher ein oder mehrere Limits des gewünschten Standards, wie EN55022, Class B, AV oder/und QP, laden und auf der volllogarithmischen Darstellung anzeigen. Jedem Limit kann eine Messkurve zugewiesen werden. Für jedes Pass-/ Fail-Limit lässt sich eine Messkurve mit einer separaten Detektoreinstellung aktivieren. Unterschiedliche Messkurven lassen sich auch gleichzeitig vermessen. Bei einem Limit kann man einen zusätzlichen Sicherheitsabstand zuschalten, der in der Pass-/Fail-Betrachtung berücksichtigt wird. Gerade in der Vorabkonformitätsprüfung sollte darauf geachtet werden, mindestens 5 bis 6 dB unter dem definierten Limit zu liegen um zu gewährleisten, das die Konformitätsprüfung bestanden wird.

Bild 1: In der Scantabelle sind vorab die Grundeinstellungen der wichtigsten Frequenzbänder inklusive dessen geforderte RBW von 6 dB in Einzelbereiche (Ranges) hinterlegt.
Bild 1: In der Scantabelle sind vorab die Grundeinstellungen der wichtigsten Frequenzbänder inklusive dessen geforderte RBW von 6 dB in Einzelbereiche (Ranges) hinterlegt. (Bild: Rigol)

Mit einer zusätzlichen Erweiterung können bis zu drei Mess-Anzeigen (-Meter) mit unterschiedlichen Detektoren und separaten Grenzwerten eingesetzt werden. Hier kann man unter anderem den Spitzenwertdetektor (Peak) für das erste Meter, den QP-Detektor für das zweite Meter und den neuen CISPR-Average (C-AV) als Drittes einstellen. Die jeweiligen Mess-Meter kann man dann auf den gewünschten Peak setzen. Die Meter messen kontinuierlich. Bei einem erhöhten Peak-Wert lässt sich das Design noch nacharbeiten und sofort der Einfluss auf diesem Wert darstellen. Eine Verbesserung lässt sich hier umgehend anzeigen. Dadurch, dass drei unterschiedliche Detektoren für die Anzeige gleichzeitig eingesetzt werden können, lässt sich neben der Peak-Messung (Worst Case) auch eine Aussage über die Wiederholrate (QP) und die Bewertung von gepulsten sinusförmigen Signalen mit niedriger Wiederholrate (C-AV) durchführen.

Die Meter lassen sich mit dem gerade ausgewählten Signalpuls koppeln und ohne weitere Feinabstimmung der Meterfrequenz für diesen nutzen. Alternativ könnten die Meter an einen Marker gekoppelt werden. Im Analysator lassen sich auch für Zusatzkomponenten (Netznachbildung, Transienten-Begrenzer oder externe Dämpfung) Korrekturwerte eingeben und als Datei im Format *.csv abspeichern. Diese können auch im PC erzeugt und in das Gerät geladen werden.

Bild 2: Darstellung der Messung, der Messmeter (rechte Seite) und der Signal Tabelle (unten).
Bild 2: Darstellung der Messung, der Messmeter (rechte Seite) und der Signal Tabelle (unten). (Bild: Rigol)

Für die eigentliche Messung lassen sich unterschiedliche Konditionen einstellen. Zum einen können der oder die Messverläufe mit einem oder unterschiedlichen Detektoren gleichzeitig aufgenommen werden. Alternativ kann man auch nur den Messverlauf mit dem Peakdetektor erfassen. Je nach Einstellung wird dann die Signaltabelle abgearbeitet. Dazu werden die erfassten und dargestellten Signalspitzen mit den bewerteten Detektoren QP und C-AV vermessen, verglichen und dargestellt. Wesentliche Informationen werden in deutlich kürzerer Zeit vermessen und dargestellt als wenn ein kompletter Messverlauf wie dem QP-Detektor. aufgezeichnet wird. Die Anzahl der Messwerte in der Signaltabelle kann man beliebig definieren. Um eine Detailansicht über einen Spitzenwert zu erhalten, lässt sich ein Teilbereich vergrößert darstellen und danach wieder zur Ursprungsansicht zurückkehren.

Bild 3: Darstellung eines vergrößerten Signals in der Zoomdarstellung.
Bild 3: Darstellung eines vergrößerten Signals in der Zoomdarstellung. (Bild: Rigol)

Spitzenwerte im sehr frühen Design-Stadium ermitteln

Im RSA5065-TG können die Messungen auf unterschiedliche Varianten abgespeichert werden. Beispielsweise lässt sich der komplette Signalverlauf als *.csv-Datei abspeichern oder es lässt sich im Format PDF oder HTML als ein Testbericht inklusive der Einstellung, der Verwendeten Limits, der Abbildung des Graphen und der Meter sowie die Signaltabelle in dem Analyzer oder auf einem USB-Stick ablegen. Bei dem Testbericht kann man die Kopfzeile nach Bedarf mit dem Temperaturwert, dem Test-Ort oder der Test-Person bearbeiten.

Der Messtechnik-Hersteller Rigol bietet mit der EMV-Lösung in seinen Serien RSA3000/RSA5000 eine Möglichkeit der Vorabkonformitätsprüfung an. Durch die zusätzliche Metermessmethode lassen sich bereits Spitzenwerte in einem sehr frühen Design-Stadium ermitteln und verbessern. Eine PC-Testsoftware ist nicht notwendig. Bedient wird das Messgerät über ein Touchdisplay oder Bedienerpanel sowie USB-Maus oder -Tastatur. Zusätzlich eröffnen die Echtzeitkapazitäten (Echtzeit integriert) der RSA-Serie noch einmal einen erweiterten Einblick in der EMV Analyse.

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Referenz

[1] Quelle: „NF- und HF Messtechnik, Herbert Bernstein, ISBN: 978-3-658-07377-0, Ausgabe: 2015, §4.2.1 (Seite: 269)“

* Boris Adlung ist Applikations-Ingenieur bei Rigol in München.

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