 |
|
|
|
ARTYKUŁY Elektronika Badania EMC pre-compliance z zastosowaniem przyrządów Rohde&Schwarz |
|
1 stycznia 1996 r. weszła w życie dyrektywa Unii Europejskiej określająca wymogi dla urządzeń elektronicznych w zakresie kompatybilności elekromagnetycznej (EMC – ElectroMagnetic Compability). W Polsce kwestię tę reguluje ustawa z dnia 13 kwietnia 2007. Dyrektywa ta wymusiła na konstruktorach radykalną zmianę metod projektowania. Mimo upływu lat problematyka EMC nadal nie jest łatwa do opanowania.
Trudność projektowania urządzeń zgodnych z dyrektywą EMC polega na dużej złożoności zjawisk, z którymi konstruktor musi zmierzyć się już w pierwszej fazie pracy nad projektem. Na domiar złego, mimo stosowania reguł zgodnych ze sztuką projektowania, często dopiero w końcowej fazie przekonujemy się, że podjęte działania wykazały małą skuteczność.
W czasach dominacji techniki analogowej nie przywiązywano większej wagi do zagadnień EMC. Masowe wprowadzenie układów cyfrowych zmieniło ten stan. Okazało się, że szerokie widmo generowanych przez nie zaburzeń może zakłócać pracę urządzeń. Konieczne więc było podjęcie środków, które by temu zapobiegały. Samo wprowadzenie rygorystycznych przepisów byłoby oczywiście nieskuteczne, gdyby nie było narzędzi wykorzystywanych do projektowania, skutecznie wspomagających konstruktorów w minimalizowaniu zaburzeń EMI (Electromagnetic Interference). Potrzebne też były odpowiednie przyrządy i metody ich pomiaru. Taką możliwość stworzył boom komputerowy datowany mniej więcej na połowę lat 80.
Postęp cywilizacji w dużym stopniu zawdzięczamy zrozumieniu zjawisk fizycznych zachodzących w otaczającym nas świecie. Niestety, w wielu przypadkach dają one o sobie znać w sytuacjach, w których chcielibyśmy, aby niektóre prawa fizyki nie działały. Tymczasem zawsze gdy przez przewodnik płynie prąd, powstaje wokół niego pole magnetyczne. A jeśli z jakichkolwiek przyczyn, ulega ono zmianom, powstaje pole elektromagnetyczne. Dziś, bez jego wykorzystania nie potrafilibyśmy sobie wyobrazić współczesnego świata, ale też w wielu przypadkach trudno w pełni nad nim zapanować. Problemy ujawniają się, gdy zewnętrzne pole elektromagnetyczne wytwarzane na przykład przez jedno urządzenie zaczyna oddziaływać na inne, znajdujące się w pobliżu. Czasami szkodliwe może być nawet własne pole.
W 1996 roku międzynarodowy komitet zajmujący się ochroną radiową (CISPR - Comité International Spécial des Perturbations Radio) sformułował dyrektywę określającą zasady konstruowania urządzeń elektronicznych zapewniających kompatybilność elektromagnetyczną. Urządzenia takie w minimalnym (dopuszczalnym) stopniu wpływają na pracę innych, a jednocześnie zachowują wystarczającą do poprawnej pracy odporność na zakłócenia zewnętrzne. Dyrektywa określa też metody pomiaru zaburzeń radioelektronicznych, a także definiuje parametry przyrządów pomiarowych.
Normy zawarte w dokumencie CISPR 16 rygorystycznie określają związane z EMC parametry urządzeń, nie podając niestety żadnych wskazówek jak je uzyskiwać. Nie może to jednak dziwić, gdyż normy nie temu mają służyć. Konstruowanie urządzeń zachowujących kompatybilność elektromagnetyczną stanowi nawet dzisiaj swego rodzaju wiedzę tajemną. Nawet stosowanie ogólnie poznanych reguł i narzędzi inżynierskich nie zapewnia pełnej skuteczności prac projektowych. Koszty badań prowadzonych na tym etapie w akredytowanych laboratoriach okazują się bardzo wysokie.
Wprowadzenie dyrektywy EMC spowodowało wzrost zainteresowania laboratoriami i możliwością wykonywania wymaganych w normach CISPR16 badań. Ku zadowoleniu producentów sprzętu elektronicznego, w Polsce obserwujemy wzrost liczby takich jednostek. Trend ten jest szczególnie wyraźny po wejściu naszego kraju do Unii Europejskiej. Lepszy dostęp do laboratoriów skutkuje wprawdzie obniżeniem cen za usługi, ale nadal nie są to kwoty bagatelne. Prawdziwy dramat zaczyna się wtedy, gdy pierwsze badania nie zakończą się pomyślnie. Koszty wówczas lawinowo rosną. Konieczne staje się przeprojektowanie urządzenia, a następnie powtórzenie badań. Czy można temu zaradzić?
Pierwszy pomysł, jaki się nasuwa, to: stosować odpowiednie narzędzia już na etapie projektowania. Problem polega na tym, że cena programów symulujących zjawiska radioelektryczne na PCB również jest bardzo wysoka i w wielu wypadkach trudna do zaakceptowania, szczególnie przez mniejszych wytwórców. Poza tym, jak już wiadomo, programy te nie dają wystarczająco wysokiej gwarancji na uzyskiwanie pozytywnych wyników badań certyfikacyjnych. Wydaje się, że rozsądniejsza jest inwestycja w sprzęt pomiarowy, za pomocą którego można we własnym zakresie wykonywać pomiary zbliżone do tych, które są prowadzone w akredytowanych laboratoriach. Podstawową trudność stanowi zagwarantowanie odpowiednich warunków pomiarowych, rozdzielczości i dokładności oraz zakresu pomiarowego aparatury. Pamiętajmy, że laboratoria dysponują drogimi komorami bezechowymi, specjalnymi antenami i obrotowymi stołami pomiarowymi. Takich warunków z pewnością nie da się osiągnąć bez dużych inwestycji.
Metodą dającą wyobrażenie o tym, jak będzie zachowywało się badane urządzenie w laboratorium są pomiary bliskich pól. Stosuje się je do szacowania poziomu zaburzeń EMI emitowanych przez urządzenie. Niestety, tak uzyskiwane dane tylko w pewnym stopniu odzwierciedlają wyniki pomiarów laboratoryjnych. Przyczyną są zgoła odmienne zjawiska zachodzące w obszarze pól bliskich i pól dalekich. Pomiary bliskich pól pozwalają natomiast precyzyjnie, niemal punktowo, lokalizować ewentualne źródła emisji. W przypadku stwierdzenia takich miejsc warto pomyśleć o dokonaniu odpowiednich modyfikacji konstrukcji przed przekazaniem urządzenia do badań laboratoryjnych. Przykładowym środkiem zapobiegawczym jest np. dodanie elementów mogących wpłynąć na minimalizację zaburzeń (terminatorów, koralików ferrytowych, filtrów itp.), ale nierzadko konieczne są zmiany polegające np. na przeprojektowaniu całego obwodu drukowanego.
Przyrządy pomiarowe wraz z akcesoriami oferowane do realizacji badań przedcertyfikacyjnych umożliwiają wykonywanie pomiarów emisji promieniowanej i przewodzonej. W podstawowych zestawach zwykle nie ma jednak generatorów i anten przeznaczonych do mierzenia wrażliwości urządzeń na zaburzenia zewnętrzne.
Rohde&Schwarz oferuje zestaw EMC-SET przeznaczony do przedcertyfikacyjnych badań EMC. W jego skład wchodzą:
W trakcie pomiarów zaburzeń elektromagnetycznych analizator jest sterowany przez program HM-Explorer generujący także raport zawierający końcowe zestawienie wyników.
W skład zestawu przeznaczonego do pomiarów zaburzeń EMI wchodzą sondy aktywne serii HZ550. Są one zasilane napięciem 6 V za pośrednictwem gniazda dostępnego na płycie czołowej analizatora HMS-X (fot. 1), można też zasilać je z zasilacza zewnętrznego. Przewód jest zakończony wtykiem typu Jack.
Fot. 1. Gniazdo zasilania sond aktywnych HZ550
Sonda HZ551 (fot. 2) jest przeznaczona do pomiaru pola elektrycznego. Charakteryzuje się bardzo dużą czułością. Za jej pomocą identyfikowane są emisje zaburzeń EMI w zakresie częstotliwości od ≤1 MHz do 3 GHz. Sonda jest wykorzystywana m.in. do ogólnego wykrywania niepożądanych emisji EMI z badanych urządzeń, a także np. do weryfikacji skuteczności ekranowania. Jest też dobrym narzędziem do sprawdzania, czy poprawki wykonane po negatywnych badaniach laboratoryjnych można uznać za skuteczne. Zalecane jest więc archiwizowanie wszystkich pomiarów tak, aby można je było wykorzystywać do oceny porównawczej.
Fot. 2. Sonda pola elektrycznego HZ551
Sonda HZ552 (fot. 3) jest przeznaczona do pomiarów pola magnetycznego. Zwykle jest ona wykorzystywana do dokładniejszych pomiarów po wstępnej lokalizacji zaburzeń sondą pola elektrycznego. Budowa sondy i jej parametry predestynują ją do bardzo precyzyjnego lokalizowania zaburzeń EMI, z dokładnością do pojedynczych elementów elektronicznych, kabli, gniazd, przepustów itp.
Fot. 3. Sonda pola magnetycznego HZ552
Sonda HZ553 (fot. 4) to sonda wysokoimpedancyjna, przeznaczona do pomiarów z bezpośrednim kontaktem ze ścieżkami przewodzącymi na PCB. Można uznać, że trudno byłoby uzyskać większą precyzję lokalizacji zaburzeń innymi metodami. Sonda ma bardzo małą pojemność wejściową wynoszącą zaledwie 2 pF i tłumi sygnał w stosunku od 10:1 do 30:1. Dzięki specjalnej, opatentowanej konstrukcji sondy nie jest wymagane stosowanie końcówki dołączanej do masy układu mierzonego.
Fot. 4. Sonda wysokoimpedancyjna HZ553
Przed rozpoczęciem pomiarów z użyciem sond bliskiego pola należy starannie przygotować stanowisko pomiarowe. Sondy charakteryzują się wysoką czułością, co daje o sobie znać szczególnie w przypadku sondy pola elektrycznego. Należy więc zadbać o to, by w pobliżu urządzenia mierzonego (DUT – Device Under Test) nie było innych pracujących urządzeń, które mogłyby zakłócić pomiary. Mogą to być np. komputery, zasilacze, oświetlenie lub inne przyrządy pomiarowe. Na skutek dużej czułości sondy pola elektrycznego zwykle trudno jest całkowicie wyeliminować składniki widma pochodzące od lokalnych stacji radiowych i telewizyjnych, telefonii komórkowej czy sygnałów pochodzących z sieci WiFi, Bluetooth itp. Dobrą metodą jest wstępny pomiar tła i zapisanie takiego wyniku w pamięci. Będzie on następnie wykorzystywany jako odniesienie do pomiarów pracującego DUT.
Wiemy już, że pomiary pola bliskiego są prowadzone z użyciem sond ręcznych. Długie przemiatanie częstotliwości w przyjętym zakresie, szczególnie wtedy, gdy zostanie wybrana niska częstotliwość filtru RWB wyklucza wykonywanie szybkich ruchów sondy. Łatwo wówczas ominąć „punkty zapalne”. Remedium może być zwiększenie częstotliwości filtru RBW. Spowoduje to skrócenie czasu przemiatania, ale wówczas analizator może pominąć częstotliwości, przy których mogłyby ewentualnie wystąpić zaburzenia. Skutek będzie więc podobny.
Przedcertyfikacyjne pomiary zaburzeń EMI wykonuje się wykorzystując oprogramowanie „HM PreCom EMC” z pakietu „HMExplorer”. Zawiera ono predefiniowane parametry i standardowe procedury pomiarowe opracowane w oparciu o normy EMC. Pomiar w całym zakresie częstotliwości trwa bardzo długo. Z tego względu warto zadbać o mały statyw, na którym można by było stabilnie umocować sondę. Przed pomiarem zasadniczym można wykonać wstępny pomiar z użyciem samego analizatora widma (bez oprogramowania), co pomoże zorientować się, jak w przybliżeniu będą wyglądały wyniki ostateczne. Przed rozpoczęciem badań należy ustawić w analizatorze wszystkie parametry, które decydują o przebiegu pomiaru, a więc: zakres częstotliwości (częstotliwość początkową i końcową lub częstotliwość centralną i span), poziom referencyjny i czułość toru pomiarowego (opcjonalnie zastosować odpowiednio dobrane tłumienie lub wzmocnienie), wybrać z listy parametry RBW i VBW, a także tryb pracy detektora (pomiar wartości maksymalnych lub minimalnych, uśrednianie itp.). Ewentualne pomiary szczegółów widma prowadzi się zwykle z zastosowaniem markerów ekranowych. W analizatorze HMS-X może być ich 8.
Na kilku zamieszczonych dalej rysunkach przedstawiono wyniki pomiarów popularnej płytki ewaluacyjnej wykonane analizatorem HMS-X. Płytka taka z założenia jest przeznaczona do różnych prób i doświadczeń, nie zawiera elementów minimalizujących zaburzenia EMI. Co więcej, w prezentowanym przykładzie celowo zademonstrowano w jakim stopniu może być groźne np. niefrasobliwe pozostawienie odcinka przewodu dołączonego do aktywnej linii mikroprocesora. Na rys. 5 przedstawiono widmo zaburzeń EMI pracującej płytki zmierzone sondą pola elektrycznego (HZ551). Płytka była zasilana, ale procesor nie wykonywał żadnego programu. Przez cały czas trwania testu linia RESET pozostawała w stanie aktywnym. Widoczne są wyraźne artefakty wynikające z odbierania sygnału radia FM oraz telewizji, a także prążek podstawowy i harmoniczne generatora taktującego procesor (ok. 8 MHz + harmoniczne).
Rys. 5. Widmo zaburzeń EMI zasilanej płytki ewaluacyjnej w stanie gdy procesor nie wykonuje żadnego programu
Na rys. 6 przedstawiono widmo zaburzeń EMI podczas wykonywania programu przez procesor. Zadaniem procesora było generowanie przebiegu prostokątnego o częstotliwości 591,7 kHz. Do wyjścia portu wyprowadzającego ten sygnał dołączono przewód o długości ok. 25 cm, którego drugi koniec pozostawał niepodłączony. Jak widać, przewód taki jest źródłem silnych zaburzeń EMI. Aby odnieść otrzymane wyniki do poziomu tła dokonano jeszcze jednego pomiaru, w którym płytka była odłączona od zasilania (rys. 7).
Rys. 6. Widmo zaburzeń EMI płytki ewaluacyjnej podczas generowania przebiegu prostokątnego o częstotliwości 591,7 kHz
Rys. 7. Widmo tła (płytka ewaluacyjna nie jest zasilana)
Po stwierdzeniu obecności zaburzeń EMI o poziomie zagrażającym przekroczeniu norm można przystąpić do dokładniejszej lokalizacji źródła wycieku. W tym celu w opisywanym eksperymencie zastosowano sondę wysokoimpedancyjną. Jej grot przyłożono do pinu, na którym występował przebieg wyjściowy, a także do kilku pinów sąsiednich. Poziomy zmierzone na gorącym wyprowadzeniu są wyraźnie wyższe od poziomów w innych punktach. Wynik pomiaru przedstawiono na rys. 8.
Rys. 8. Wyniki pomiarów sondą wysokoimpedancyjną HZ553
Badania przedcertyfikacyjne wykonuje się wyłącznie wykorzystując oprogramowanie „HM PreCom EMC”. Zawarto w nim procedury pomiarowe, które wprawdzie nie są dokładnymi odpowiednikami procedur określonych w normach CISPR stosowanych w pomiarach certyfikacyjnych, ale na nich bazują. W analizatorach widma instalowane są różne typy detektorów: Peak, Quasi Peak, RMS i Average. W pomiarach EMC w zakresie do 1 GHz wykorzystywane są detektory „Quasi Peak”. Są one automatycznie wybierane przez program po uruchomieniu pomiaru. Niestety, niekorzystną cechą detektora „Quasi Peak” jest wolna praca, przez co badanie zaburzeń z jego użyciem znacznie się wydłuża. Detektory „Quasi Peak” mierzą wartość szczytową ważoną, dzięki czemu pojedyncze impulsy przekraczające poziom dozwolony są ignorowane. Wraz ze wzrostem częstotliwości powtarzania takich impulsów rośnie ich waga, a więc w coraz większym stopniu wpływają na końcowy wynik pomiaru.
Podstawowym pytaniem, które powinien sobie zadać każdy konstruktor przed wykonaniem badań, dotyczy zakresu pomiarowego. Odpowiedź nie jest prosta, gdyż zakres ten zależy od rodzaju badanego urządzenia. Liczba norm obejmujących zagadnienia kompatybilności EMC jest bardzo pokaźna. Ich wykaz można pobrać np. ze strony https://pzn.pkn.pl/kt/info/published/9000128890. Na domiar złego to nie laboratorium, lecz sam zainteresowany wybiera odpowiednie pomiary oraz normy, które powinno spełniać jego urządzenie. Wyboru nie ułatwiają ponadto systematyczne modyfikacje przepisów, mające na celu dostosowywanie ich do aktualnych technologii. W ostatniej zmianie na przykład dość znacznie poszerzono zakres badanych częstotliwości.
Jako przykład niech posłuży badanie zaburzeń EMI opisywanej wcześniej płytki eksperymentalnej. Pomiar wykonujemy za pomocą programu „HM PreCom EMC” w przyjętym zakresie częstotliwości od 30 MHz do 1 GHz z krokiem 120 kHz i filtrem RBW zgodnym z CISPR 120 kHz (rys. 9). Możliwe jest wybranie z listy dostępnego przetwornika, wzmacniacza lub tłumika, a także linii ograniczeń umieszczanej później w raporcie na wykresie. Linia taka w czytelny sposób ilustruje granicę między poziomami dozwolonymi i niedozwolonymi, określonymi w przyjętych normach. Po ustawieniu takich parametrów uruchamiany jest pomiar Pre Measure. Jak można sądzić, nie uzyskuje się w nim jeszcze wyników końcowych. Stanowią one jedynie podstawę do wyznaczenia punktów, dla których w kolejnym kroku zostanie powtórzony pomiar ostateczny. Punkty są wyznaczane automatycznie za pomocą komendy Detect!. Można też dopisywać je do listy przez wskazanie ręczne (Add Manually). Dla tak utworzonej listy wykonywany jest teraz pomiar ostateczny uruchamiany komendą Final Measure.
Rys. 9. Okno ustalania parametrów pomiaru
Gdyby okazało się, że pomiar wstępny nie powiódł się, lub trzeba zmienić konfigurację DUT, można go powtórzyć komendą Re-Measure zachowującą wszystkie ustawione wcześniej parametry. Do określania niektórych szczegółów widma wykorzystywane są markery, podobnie jak w analizatorze.
Ostatnim etapem badań jest utworzenie raportu. Tworzy się go przez bezpośredni wydruk na drukarce, lub eksportując wyniki do pliku PDF (rys. 10). Widoczne na wykresie niejednorodności widma nie wynikają z emitowanych przez DUT zaburzeń lecz są to wykrywane przez sondę pomiarową sygnały stacji radiowo-telewizyjnych, sieci komórkowej, WiFi itp.
Rys. 10. Raport z pomiarów LISN (sztuczna sieć)
Badania kompatybilności elektromagnetycznej obejmują nie tylko zaburzenia radiowe. Urządzenia zasilane z jednofazowej sieci elektrycznej o napięciu do 240 V powinny być poddawane dodatkowo badaniom zaburzeń przewodzonych, a więc takich, które są przenoszone przez sieć zasilającą. Mierzone są zaburzenia zarówno w przewodzie fazowym (L1), jak i neutralnym (N). Do przeprowadzenia takich badań niezbędny jest stabilizator sieci zasilającej (LISN), zwany też potocznie sztuczną siecią (fot. 11). Urządzenie to może być traktowane jako filtr górnoprzepustowy, przez który DUT jest dołączany do sieci zasilającej. Zadaniem filtru jest niedopuszczenie do ewentualnego przedostawania się zakłóceń z sieci zasilającej do DUT, a jego specjalna konstrukcja umożliwia jednocześnie pomiar zaburzeń generowanych przez DUT. Zaburzenia w wybranej przełącznikiem linii L1 lub N są mierzone analizatorem widma dołączonym do LISN za pośrednictwem gniazda BNC.
Fot. 11. Stabilizator sieci zasilającej (LISN) HM6050-2
W artykule omawiamy przedcertyfikacyjne pomiary zaburzeń EMI wykonywane przez konstruktora lub producenta. Charakter tych pomiarów zwalnia zainteresowanego z tak rygorystycznego przestrzegania zasad, jakie są wymagane w akredytowanych laboratoriach. Niemniej, badań zaburzeń przewodzonych nie powinno się prowadzić na zwykłym biurku. Muszą być spełnione pewne warunki, które można jednak względnie łatwo spełnić. Stanowisko takie przedstawiono na rys. 12. Jak widać wymagany jest drewniany (nieprzewodzący) stół o wysokości 80 cm ustawiony na poziomej płaszczyźnie przewodzącej w odległości 40 cm od płaszczyzny pionowej, także przewodzącej. Obie płaszczyzny uziemiające powinny mieć wymiary co najmniej dwa razy większe od wymiarów badanego urządzenia. Analizator widma powinien znajdować się poza przewodzącą podłogą w odległości większej niż 1 metr. Sztuczną sieć należy połączyć z powierzchnią uziemiającą z zachowaniem jak najmniejszej rezystancji. W tym celu na tylnej ścianie LISN umieszczono metalową listwę, do której jest dokręcana dwoma śrubami linka uziemiająca.
Rys. 12. Stanowisko do badania zaburzeń przewodzonych z zastosowaniem stabilizatora sieci HM6050-2 i analizatora widma HMS-X
Częstotliwości określone w normach dla zaburzeń przewodzonych obejmują zakres od 9 kHz do 30 MHz. I w tym przypadku w końcowym pomiarze wykorzystywany jest detektor „Quasi Peak”.
Wykonywane we własnym zakresie pomiary przedcertyfikacyjne zaburzeń EMI nie dają gwarancji uzyskiwania pozytywnych wyników badań certyfikacyjnych. W wielu przypadkach pomagają jednak przewidywać potencjalne zagrożenia i lokalizować punkty wycieków, które mogą przyczynić się do niepowodzeń w laboratorium. Można uznać, że badania przedcertyfikacyjne wykonywane przez użytkownika po raz pierwszy będą stanowić tylko pewien mniej lub bardziej trafiony punkt odniesienia. Miarodajnej interpretacji trzeba się dopiero nauczyć przez porównanie wyników badań przedcertyfikacyjnych z badaniami laboratoryjnymi. Tak zdobyta wiedza będzie natomiast przydatna w kolejnych badaniach, niekoniecznie dotyczących tego samego urządzenia. Ocenę zasadności inwestycji w pomiarowy zestaw przedceryfikacyjny musi dokonać sam konstruktor/producent. Nie ma tu generalnej recepty.
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
