Przedcertyfikacyjne pomiary zaburzeń EMI analizatorem Rohde & Schwarz FPC1500

Ostre wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej sprzętu elektronicznego radykalnie zmieniły metody pracy konstruktorów. Coraz częściej ich obowiązki nie kończą się na sprawdzeniu cech funkcjonalnych projektowanego urządzenia i weryfikacji założonych parametrów technicznych. Do rutynowych zadań dochodzą również przedcertyfikacyjne badania zaburzeń elektromagnetycznych.

Zanim świeżo zaprojektowane urządzenie trafi do pomiarów certyfikacyjnych w akredytowanym laboratorium, analogiczne, chociaż znacznie uproszczone badania są coraz częściej prowadzone we własnym zakresie przez producenta. Mimo, że teoretycznie zwiększa to koszty projektowania, w wielu przypadkach w końcowym rozrachunku podejście takie może dawać wymierne korzyści ekonomiczne. Jest tak w przypadkach, gdy badania laboratoryjne EMC nie wypadną pomyślnie. Konieczne są wówczas działania mające na celu eliminację przyczyn wywołujących nadmierną emisję zaburzeń elektromagnetycznych, niezbędne przeprojektowanie urządzenia i wykonanie ponownych badań. Niestety, mimo coraz większej liczby akredytowanych laboratoriów, nadal koszty certyfikacji są bardzo wysokie. Oczywiste stają się więc działania producentów zmierzające do uzyskiwania pozytywnych wyników już w pierwszym badaniu, a w najgorszym przypadku ograniczenie do minimum liczby takich podejść. Niestety, uwzględnianie czynników mających wpływ na kompatybilność EMC urządzenia nie jest zagadnieniem prostym. Można nawet powiedzieć, że w wielu przypadkach nie jest w ogóle możliwe modelowanie zachowania się urządzenia pod tym względem. Pozostaje więc metoda prób i błędów, która przy niekorzystnych okolicznościach może generować spore koszty.

W gestii zarządów firm produkujących sprzęt elektroniczny pozostaje więc podejmowanie decyzji czy warto inwestować w środki (sprzęt i oprogramowanie), które ułatwią projektowanie i umożliwią wykonanie oceny kompatybilności EMC we własnym zakresie. Coraz częściej są to decyzje pozytywne, a to z kolei wywołuje pewną presję na producentów odpowiedniej aparatury pomiarowej, mającą na celu poprawę dostępności odpowiednich programów i sprzętu.

FPC1500 – szybka reakcja firmy Rohde & Schwarz na potrzeby rynku

Rohde&Schwarz to firma z wieloletnią tradycją, o bardzo mocnej pozycji na rynku. Znamy ją głównie z produkcji zaawansowanych przyrządów pomiarowych stosowanych w telekomunikacji, ale ma również swój udział w wyposażaniu laboratoriów certyfikujących. Ostatni model analizatora widma – FPC1500 skierowany jest jednak nie tylko do wielkich klientów dysponujących dużymi środkami finansowymi, lecz także do mniejszych producentów sprzętu elektronicznego poszukujących rozwiązań w zakresie badań precompliance EMC. To odpowiedź na duże zapotrzebowanie rynku na tego rodzaju sprzęt pomiarowy.

Charakterystyka analizatora R&S FPC1500

Wprawdzie w artykule koncentrujemy się głównie na przedcertyfikacyjnych badaniach zaburzeń EMI, jednak analizator R&S FPC1500 jest uniwersalnym przyrządem wielofunkcyjnym. Decyduje o tym jego budowa. Rozwiązania zastosowane w FPC1500 są raczej mało spotykane w wyrobach konkurencyjnych, a przyjęto je na wzór ewolucji oscyloskopów cyfrowych. W tym zakresie od wielu lat obserwujemy tendencję do łączenia wielu funkcji w jednym urządzeniu. Dziś bez problemu można na przykład kupić oscyloskop z wbudowanym multimetrem, generatorem arbitralnym i analizatorem stanów logicznych. W skrajnym przypadku spotykamy u konkurencji oscyloskop z wbudowanym klasycznym analizatorem widma w.cz. Rohde&Schwarz nie poszedł aż tak daleko, ale podobną koncepcję rozwoju, lecz w nieco innym wydaniu, zastosowano w analizatorze FPC1500.  W tym przypadku również zintegrowano kilka urządzeń w jednym. Przyjrzyjmy się zatem czym dysponuje użytkownik analizatora FPC1500?

Analizator widma. To podstawowa funkcja urządzenia. Zastosowano klasyczne rozwiązanie z przemianą częstotliwości. Kupując ten przyrząd z myślą o wykorzystywaniu go w przedcertyfikacyjnych pomiarach EMI warto decydować się na wersję z najszerszym zakresem częstotliwości: 9 kHz…3 GHz (dostępne są też wersje z pasmem do 1 lub 2 GHz). Maksymalna częstotliwość 3 GHz i tak nie pokrywa zakresów badań przewidzianych w aktualnie obowiązujących normach EMC dla niektórych grup urządzeń elektronicznych. W laboratoriach wykonywane są pomiary do 6 GHz.

Firmware analizatora zawiera gotowe funkcje pomiarowe takie jak: widmo, moc w kanale, zniekształcenia intermodulacyjne trzeciego rzędu, spektrogram, moc TDMA, zniekształcenia harmoniczne, głębokość modulacji AM, pasmo zajmowane.

Wewnętrzny mostek umożliwiający wykonywanie pomiarów VSWR (współczynnik fali stojącej) i DTF (Distance To Fault). Pierwszy pomiar (VSWR) jest wykorzystywany na przykład podczas badania dopasowania anten, drugi natomiast (DTF) jest przydatny przy lokalizacji uszkodzeń kabli. Pozwala on określać odległość uszkodzenia od miernika.

1-portowy wektorowy analizator sieci. Trzeba uznać, że połączenie analizatora wektorowego z klasycznym analizatorem widma to dość rewolucyjna propozycja ze strony R&S. Do tej pory analizatory wektorowe występowały jako samodzielne przyrządy pomiarowe, i to z górnej półki. Wprawdzie mamy do czynienia z analizatorem tylko 1-portowym, ale w połączeniu z generatorem śledzącym otwierają się nowe możliwości zastosowań przyrządu.

Generator sygnału/generator śledzący. Generatory sygnału, szczególnie generatory śledzące występowały dotychczas najczęściej również jako urządzenia zewnętrzne. Dołączenie tej funkcji do analizatora klasycznego usprawnia szereg pomiarów wzmacniaczy w.cz., kabli, filtrów, tłumików itp.

Zasada pomiarów EMI

Do badań zaburzeń elektromagnetycznych potrzebny jest jedynie analizator widma. W pomiarach zasadniczych nie pracuje on w swoim naturalnym trybie, lecz jest wykorzystywany jako odbiornik skanujący. Jedynie przed przystąpieniem do pomiarów można wstępnie przebadać zachowanie się urządzenia testowanego DUT (Device Under Test) w trybie analizatora widma. Pozwoli to na zorientowanie się o ogólnym poziomie emisji zaburzeń elektromagnetycznych, a przede wszystkim umożliwi precyzyjne zlokalizowanie miejsc, w których ta emisja jest największa. W jednym z nich powinna być stabilnie umieszczona sonda (fot. 1).

Rohde & Schwarz oferuje komplet sond pola bliskiego przeznaczonych do pomiarów zaburzeń EMI (fot. 2). W zestawie znajdują się sondy pola magnetycznego (RS H 400-1, H 50-1 i H 2.5-2), a także sondy pola elektrycznego (RS E 02 i E 10). Końcówki sond umożliwiają wykonanie niemal punktowych pomiarów bezpośrednio na wyprowadzeniach układów scalonych lub ścieżkach obwodu drukowanego badanego urządzenia. Na fot. 3 przedstawiono przykładowe zaburzenia pola elektrycznego zmierzone na jednym z wyprowadzeń procesora.

Fot. 2. Sondy do przedcertyfikacyjnych pomiarów zaburzeń EMI

Fot. 3. Zaburzenia pola elektrycznego zmierzone na wyprowadzeniu układu scalonego sondą E10

Konstruktorzy sprzętu elektronicznego przystępując do badań kompatybilności elektromagnetycznej muszą podejmować niełatwe decyzje o kwalifikacji urządzeń do poszczególnych grup zdefiniowanych w dyrektywie EMC. Wraz z szeregiem powiązanych norm określono zarówno zakres wykonywanych działań, jak i szczegóły techniczne dotyczące na przykład mierzonych częstotliwości, dopuszczalnych poziomów zaburzeń, metod pomiarowych, wymagań dotyczących sprzętu pomiarowego itd. Norm jest sporo, ich dobór nie zawsze jest intuicyjny.

Pomiary przebiegają 2-etapowo (pomiar zgrubny i dokładny). Warunkiem zaliczenia pozytywnego wyniku testu jest nieprzekroczenie linii limitów określonych dla danej normy.

O autorze

Jarosław Doliński

Jarosław Doliński jest absolwentem Wydziału Elektroniki na Politechnice Warszawskiej. Pracował w Przemysłowymi Instytucie Telekomunikacji oraz Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, gdzie zajmował się konstruowaniem urządzeń transmisji danych. Współpracował z Zakładem Urządzeń Teatralnych m.in. w zakresie konstrukcji interkomów teatralnych i urządzeń dla inspicjentów. Brał także udział w pracach projektowych rejestratorów urządzeń wiertniczych i elektroniki montowanej na żurawiach mobilnych.
Obecnie prowadzi firmę zajmująca się konstruowaniem i produkcją urządzeń elektronicznych dla rehabilitacji i wspomagania treningu sportowego.
Jest autorem czterech książek poświęconych elektronice i mikrokontrolerom, współpracuje ponadto z miesięcznikami „Elektronika Praktyczna”, „Elektronik” oraz „Świat Radio”.