So lässt sich eine leitungsgebundene Störaussendung automatisiert messen

Autor / Redakteur: Michael Mayerhofer * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit einer EMV-Precompliance-Software und einem Spektrumanalysator lässt sich eine leitungsgebundene Störaussendung messen. Vorteil: Es wird der gesamte Frequenzbereich untersucht.

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Die leitungsgebundene Störaussendung auf einer elektronischen Schaltung lässt sich mithilfe von EMV-Precompliance-Software und einem Spektrumanalysator messen.
Die leitungsgebundene Störaussendung auf einer elektronischen Schaltung lässt sich mithilfe von EMV-Precompliance-Software und einem Spektrumanalysator messen.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Misst man mit einem Spektrumanalysator die leitungsgebundene Störaussendung, so lässt sich sich die Einstellung grundsätzlich manuell vornehmen, was allerdings sehr umständlich ist. Möchte man den gesamten Frequenzbereich untersuchen, empfiehlt sich eine EMV-Precompliance-Software, die den Spektrumanalysator steuert und die Messwerte aufzeichnet und weiterverarbeiten kann.

Die meisten Hersteller von Spektrumanalysatoren bieten für ihre Geräte eine entsprechende Software an. Die Bedienkonzepte und Preise unterscheiden sich mitunter deutlich. Die leitungsgebundene Störaussendung wurde mit der EMCview-Software von Alldaq gemessen, die aktuell Spektrumanalysatoren von Rohde & Schwarz, Rigol und Siglent unterstützt. Eine Precompliance-Software für EMV sollte grundsätzlich erfüllen:

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  • Steuerung des Spektrumanalysators,
  • Aneinanderreihung der Unter-Frequenzbereiche (Segmente) zu einer Kurve, die den gesamten Frequenzbereich abdeckt,
  • Kompensierung der Frequenzcharakteristik der Netznachbildung (LISN),
  • Kompensierung des Frequenzgangs externer Komponenten wie Kabel, Dämpfungsglieder und Verstärker,
  • Konvertierung der Daten aufgrund der Transimpedanz-Charakteristik von Stromwandlern oder Antennenfaktoren,
  • Speicherung der Daten für Dokumentationszwecke und
  • Laden von Referenzkurven für Vergleichszwecke.

Sollen leitungsgebundene Störungen in Annäherung an CISPR 25 gemessen werden, ist das in wenigen Schritten erledigt. Nach dem Start der EMCview-Software werden im Menü Device via USB oder LAN verbundene Spektrumanalysatoren angezeigt. Nach entsprechender Auswahl wird über die VISA-Treiber die Verbindung hergestellt. Als nächstes muss über File – Load Project eine Projektdatei geladen werden. Die Beispieldatei „CN_CISPR_25_Class5_PK_QP.prj” lässt erahnen, dass es sich um eine leitungsgebundene Messung (CN = Conducted Noise) nach CISPR 25 Klasse 5 handelt unter Verwendung des Peak-Detektors im Pre-Scan und des Quasi-Peak-Detektors im Final-Scan. Mit dem Schalter Play wird die Messung gestartet. In der EMCview-Software kann der Anwender grundsätzlich zwei Messdurchgänge (Set 1 und Set 2) darstellen, die mit den jeweiligen Konfigurationsdatensätzen korrespondieren. Die geöffnete Projektdatei lädt automatisch alle notwendigen Konfigurationsdateien für eine Messung. Diese Dateien werden in der Oberfläche angezeigt und können bei Bedarf modifiziert werden.

Das Grundrauschen des Spektrumanalysators

Für die folgenden Messungen wird ein Spektrumanalysator vom Typ Siglent SSA3021X verwendet. Oberhalb von 30 MHz hat das Messgerät bei ausgeschaltetem Vorverstärker ein Grundrauschen von 7,8 dBµV und liegt damit deutlich unterhalb dem empfohlenen Abstand von min. 6 dB vom Grenzwert, der gemäß CISPR 25 bei 18 dBµV liegt. Um die Gefahr nichtlinearer Verzerrungen für eine erste Messung zu reduzieren, kann der Vorverstärker abgeschaltet werden.

Anwender sollten immer das Grundrauschen des Spektrumanalysators im Hinblick auf die anzuwendenden Grenzwerte der jeweiligen Messung überprüfen. Danach sollte man die Einstellungen für die interne Dämpfung vornehmen und entscheiden, ob ein Vorverstärker benötigt wird oder nicht. Es kann notwendig sein, die interne Eingangsdämpfung zu reduzieren und den Vorverstärker einzuschalten, um das Grundrauschen des Spektrumanalysators deutlich unter den Grenzwert zu drücken.

Im niedrigen Frequenzbereich sollte mit einer höheren Eingangsdämpfung gearbeitet werden, da die Störungen meist einen höheren Pegel haben und auch höhere Grenzwerte definiert sind. Außerdem ist es ratsam, den Pegel des Grundrauschens für eine Vergleichsmessung mit höherer Eingangsdämpfung zu ignorieren. Dazu können die Ergebnisse einer Messung mit 10 dB Eingangsdämpfung mit einer Messung ohne Eingangsdämpfung verglichen werden. Falls die Störimpulse beider Messungen identisch sind, gibt es kein Intermodulationsproblem, sodass man dem Messergebnis vertrauen kann. Außerdem sollte beachtet werden, dass A/D-Wandler bei starken Signalen überlastet werden können. Das wird durch eine Meldung im Display des Spektrumanalysators und einen Warnton signalisiert. In diesem Fall sollte die Messung abgebrochen und der Vorverstärker abgeschaltet bzw. die interne Dämpfung erhöht werden.

Die leitungsgebundene Störemission messen

Der elektrische Aufbau ist im Bild 1 dargestellt. Je nach Norm ist versorgungsseitig noch ein Kondensator anzubringen, der bei Anwendung von CISPR25 mit 1 µF zu dimensionieren ist. Der BNC-Messausgang der jeweils unbenutzten LISN ist mit einem Abschlusswiderstand von 50 Ohm zu terminieren. Als Prüfling wird eine bestückte Leiterplatte eines Fahrzeugblinkers verwendet.

Das Bild 2 zeigt das Messergebnis mit dem Prüfling, der hier nicht in Betrieb ist. Es sind eingestreute Signale von AM- und FM-Rundfunksendern zu erkennen, welche über die Kabel zwischen Prüfling und LISNs aufgefangen werden. Der sprunghafte Anstieg des Rauschteppichs bei 30 MHz lässt sich damit erklären, dass sich die Auflösebandbreite (RBW) von 9 kHz auf 120 kHz gemäß CISPR25 ändert. Die Umgebungsstörungen sind deutlich unterhalb der Grenzwerte des Standards, sodass die Messung erfolgen kann.

Das gesamte Equipment im Labor sollte ausgeschaltet sein. Ausnahme: Die für die Messung notwendige Hardware nicht. Der Pegel von AM-Störungen variiert im Tagesverlauf. Gemessen wurde zur Mittagszeit, in der die Pegel niedriger als am späten Nachmittag sind. Um das Spektrum der FM-Rundfunksender besser beurteilen zu können, wird mit eingeschaltetem Vorverstärker oberhalb 30 MHz gemessen.

Nachdem der Vorverstärker in der EMCview Segmentdatei „CN_CISPR25_SEGMENTS_Peak.seg“ für das Segment über 30 MHz auf „on“ gesetzt wurde, sinkt das Grundrauschen um etwa 20 dB. Die Kurve lässt nun mehr Details bezüglich der Umgebungsstörungen über 30 MHz erkennen. Beide Messungen wurden sowohl in der positiven als auch negativen Versorgungsleitung aufgenommen. Da die Werte der negativen Versorgung etwas höher als die der positiven Versorgung waren, liegt der Schwerpunkt der Betrachtung der Kurven in den Bildern 2 und 3 auf einer negativen Versorgung.

Der Aufbau im Bild 4 wird verwendet, um eingekoppelte Störsignale bei ausgeschaltetem Prüfling mit einem Stromwandler zu messen. Die interne Dämpfung des Spektrumanalysators wurde auf 0 dB gestellt und der Vorverstärker wurde für alle Segmente aktiviert. Das Bild 5 zeigt die Pegel der eingekoppelten Störsignale. Aufgrund der längeren, mäandernd verlegten Versorgungsleitung sind die Umgebungsstörungen dominanter als im Vergleich zur Spannungsmethode. Ein wesentlicher Effekt dabei ist, dass insbesondere das Rauschen von FM-Sendern die Grenzwerte übersteigt.

Validierter Aufbau und nicht-lineare Verzerrungen

Um potentielle nichtlineare Verzerrungen zu erkennen, wird dreimal mit folgenden Einstellungen gemessen:

  • Set1: Peak-Detektor, 10 dB Dämpfung und Vorverstärker ausgeschaltet für alle Segmente.
  • Set1 alternativ: Peak-Detektor, eine Dämpfung von 0 dB und Vorverstärker eingeschaltet für alle Segmente.
  • Set2: Peak-Detektor, eine Dämpfung von 0 dB und Vorverstärker ausgeschaltet für alle Segmente.
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Dazu werden drei Segment-Dateien und eine spezifische Projekt-Datei erstellt. Um alle drei Ergebnisse in einer Anzeige besser vergleichen zu können, wird zunächst nach Set1 gemessen. Die Kurve wird dann über das Menü File – Utilities – Save Chart gespeichert. Nachdem zwei weitere Messungen mit dem alternativen Set1 und Set2 abgeschlossen wurden, wird die Kurve der ersten Set1-Messung als Referenzkurve (blau) hinzugeladen um die drei Kurven besser vergleichen zu können. Die Kurven in Bild 6 zeigen keinerlei Intermodulation. Die Screenshots mit gezoomter Frequenzachse zeigen die Amplituden der verschiedenen Konfigurationen im Detail.

Die eingezoomten Kurven in Bild 7 zeigen eine Abweichung in Frequenz und Amplitude der Messung mit einer Dämpfung von 0 dB und eingeschaltetem Vorverstärker für alle Segmente (blaue Kurve). Der Frequenzoffset wird durch eine Frequenzdrift des Schaltreglers verursacht, da ohne nennenswerte Aufwärmphase gemessen wurde. Bei den zwei Messungen danach sind die Störimpulse bei genau der gleichen Frequenz. Der Amplitudenoffset wird möglicherweise durch die Aufwärmzeit des Spektrumanalysators oder durch Toleranzen in der Amplitudenmessung bei niedrigen Frequenzen verursacht.

Die eingezoomten Kurven in Bild 8 zeigen eine Frequenzabweichung der Messung mit 0 dB Dämpfung und eingeschaltetem Vorverstärker für alle Segmente (blaue Kurve). Dieser Frequenzoffset wird ebenfalls durch eine Frequenzdrift des Schaltreglers verursacht. Wenn man sich die Oberwellen des Schaltreglers näher ansieht, ist der Frequenzoffset höher als bei niedrigeren Frequenzen. Der Frequenzoffset multipliziert sich mit der Anzahl der Oberwellen. Die Amplituden der drei Konfigurationen stimmen sehr gut überein und die Messung wird durch keine nichtlinearen Verzerrungen verfälscht.

Überlasteter A/D-Wandler im Segment 1

Wenn man sich die Oberwellen des Schaltreglers näher ansieht, ist der Frequenzoffset höher als bei niedrigeren Frequenzen. Der Frequenzoffset multipliziert sich mit der Anzahl der Oberwellen. Die Amplituden der drei Konfigurationen stimmen sehr gut überein und die Messung wird durch keine nichtlinearen Verzerrungen verfälscht. Der Prüfling, der in den Bildern 6 bis 8 betrachtet wurde, sendet nur geringe leitungsgebundene Störungen aus, die sich alle unterhalb der Grenzwerte von CISPR25, Klasse 5 befinden. Zur besseren Veranschaulichung werden die Messungen mit einem schlechten Prüfling wiederholt.

Im Bild 9 ist das Messergebnis eines Prüflings mit hohem Störpegel im Segment bis 2,5 MHz. Der Spektrumanalysator reagiert mit einer Meldung, dass der A/D-Wandler überlastet ist und gibt einen Warnton aus. In diesem Fall muss die interne Dämpfung des Spektrumanalysators auf 10 dB erhöht werden (zumindest in Segment 1).

Die anderen Segmente müssen vom Anwender noch genauer betrachtet werden, um eventuelle Verzerrungen aufzuspüren. Das Einzoomen zeigt keine Hinweise auf nichtlineare Verzerrungen. Die Änderung der Dämpfung auf 10 dB im ersten Segment reicht aus. Die anderen Segmente können mit 0 dB vermessen werden mit dem Vorteil eines geringeren Grundrauschens.

* Michael Mayerhofer ist Geschäftsführer bei Tekbox, Vietnam. Übersetzung: Josef Reicherzer.

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