Annons

EMC måste kunna mätas snabbare

I en omvärld där affärer genomförs allt tätare takt och där utvecklingscyklerna är allt kortare behövs det EMC-mätverktyg som ger precisa och pålitliga mätningar. Samtidigt skall de kunna ge korta testtider och hög produktivitet för att nå framgång.

Moderna EMI-mottagare och spektrumanalysatorer som används för EMC-tester (EMC, elektromagnetisk kompatibilitet) bygger på digitalteknik för att bearbeta mellanfrekvenser (MF, eng ”IF, intermediate frequency”) när de utför signalanalys. Med digital MF ökas inte bara instrumentets allmänna pålitlighet. Den ger även bättre amplitudnoggrannhet, ökad produktivitet vid mätning och minskat beroende av operatörens kunskap och erfarenhet. Dessa fördelar leder till högre effektivitet och lägre driftskostnader.
Texten nedan beskriver skillnaden mellan analoga och digitala MF-arkitekturer och förklarar hur digital MF förbättrar mätprocesser då man testar överensstämmelse mot EMC-direktivet.

Analog MF-arkitektur
Det är viktigt att förstå skillnaderna mellan analoga och digitala MF-arkitekturer.
Fig 1 visar ett grundläggande schema för en traditionell superheterodynmottagare med en analog MF-del. Högfrekvensdelen (RF) tar emot ingångssignaler över det angivna instrumentets frekvensintervall och använder de frekvenser som genereras av lokaloscillatorn (LO) för att blanda ned (eller nedkonvertera) dessa ingångssignaler till en MF. Ingångsfrekvensintervallet kan täcka upp till 40 GHz eller högre, samtidigt som MF-frekvenser brukar ligga kring hundratals MHz. Nedblandningen av ingångssignalerna till en lägre frekvens gör det enklare och billigare att utveckla kretsar som används för att digitalisera och utföra en djupare analys av ingångssignalerna.

Fig 1. Superheterodyn mottagararkitektur med analog MF.

I en analog arkitektur innehåller MF-delen flera typer av analyskretsar. Bandfiltren för att ge rätt frekvensupplösning (Resolution Band Width, RBW) är en uppsättning med valbara analysfilter (normalt från 10 Hz upp till 1 MHz eller mer) som används för att observera signalen under test med olika nivåer av frekvensupplösning. Smalare RBW-filter används för att isolera närliggande ingångssignaler och bredare RBW-filter används för att observera bredare frekvensintervall snabbare. Filterbandbredderna mäts antingen som 3 dB eller 6 dB, men kan också ha specialiserade former liksom de som krävs i CISPR 16-1-1. Analoga RBW-filter tillverkas normalt med kristaller eller andra förtätade komponenter.
MF-förstärkningssteg är växlingsbara linjära förstärkare som används för att justera signalvägen för att underlätta visning av ett intervall med signalamplituder. Du får en ytterligare förstärkning när du minskar referensnivåerna för att få lågnivåsignaler högre upp på displayen. Blockeringar för analog MF-förstärkning brukar ligga i intervallet 30 dB till 50 dB, normalt angivna i valbara steg om 10 dB.
Logaritmiska förstärkare förbättrar signalvisningen genom att du kan observera ett bredare intervall med signalamplituder på displayen. Genom att logaritmiskt utöka amplituderna för signaler på lägre nivå kan du se både stora och små signaler samtidigt.
Om du vill veta mer om mottagarens MF-kretsfunktioner, se Keysight Technologies applikationsrapport 150: Spectrum Analyzer Basics, dokumentnummer 5952-0292.

Fel i analog MF
Mottagarens och spektrumanalysatorns MF-kretsar kalibreras med referenssignaler med kända frekvenser och amplituder. Referenssignalens kvalitet påverkar hela mottagarens precision. En MF kalibreras normalt med en referens-RBW och ett referensförstärkningssteg, och alla andra inställningar för RBW och förstärkning kalibreras i förhållande till dessa referenser.
När du justerar mottagarens inställningar för att mäta signaler, antingen manuellt, med programvara, eller med en automatisk intervallfunktion, använder du normalt andra MF-inställningar än när du kalibrerar. Att använda MF-inställningar från kalibreringsinställningar bidrar nämligen till fel vid amplitudmätning:
* Att använda en analog RBW som är en annan än den RBW som används för kalibrering leder till nivåförändringar (RBW switching uncertainty).
* Att justera mottagarens känslighet från kalibreringskänsligheten leder till fel vid MF-förstärkning, som även kallas referensnivåosäkerhet.
* Dessutom bidrar icke-optimala logaritmiska prestanda i analoga logaritmiska förstärkare till mätfel när signalerna mäts vid olika nivåer på den logaritmiska displayen, något som ger sig känna som avvikelser från displayskalan. Amplitudfel ökar när signaler mäts längre ned på den logaritmiska kurvan, längre ifrån den angivna referensnivån.
Alla dessa fel vid förändring av bandbredd, av nivå och logaritmisk visning förvärras på grund av drift med temperaturvariationer.
Mottagare korrigerar dessa fel till viss grad genom att använda anpassade kalibreringsrutiner som mäter fel som en funktion av parameterförändringar. Mottagare gör sedan lämpliga justeringar under drift, baserat på de aktuella instrumentinställningarna. Dessa korrigeringar förbättrar visserligen mottagarens prestanda, men i begränsad grad.
Du kan få ytterligare fel om för mycket MF-förstärkning tillämpas vilket driver MF-signalerna över mottagarens referensnivå. Det leder till att MF-kretsen komprimerar och distorderar signalerna. Vid både manuell och datorstyrd drift är det ytterst viktig att säkerställa att analog MF används i ett linjärt område genom att hålla signalnivåer vid eller under instrumentets referensnivå.

Digital MF-arkitektur
Digital MF-arkitektur minskar de mätfel som är förknippade med analoga MF-kretsar. Som framgår av fig 2 har all analog bandbreddsbegränsning, stegvis inställd förstärkning och logaritmisk förstärkning mellan den sista blandaren och digitaliseraren (A/D-omvandlaren) avlägsnats. Alla RBW, linjära och logaritmiska IF-förstärkningar och slutlig detektion implementeras digitalt efter att signalen har digitaliserats.

Fig 2. Digital MF-arkitektur.

När en signal har digitaliserats är den inte längre en mellanfrekvens utan signalen representeras av digitala datavärden. Termen ”digital IF” beskriver den digitala bearbetning som ersätter den analoga IF-bearbetningen i traditionella mottagare och spektrumanalysatorer.
Digitalt implementerade RBW erbjuder både förbättrad switchnoggrannhet och förbättrade filterprestanda. Analoga RBW kräver justeringar av MF-förstärkningen för att korrigera för amplitudavvikelser mellan filtersteg. Denna korrigering leder till onoggrannheter vid bandbreddsomkoppling på flera tiondels decibel. Digitalt implementerad ändring av upplösningsbandbredden kan vara mindre än 0,05 dB. Detta är viktigt när du gör mätningar för överensstämmelse gentemot EMC eftersom dessa mätningar görs med CISPR- eller MIL STD-bandbredder som skiljer sig från det RBW-filter som användes vid kalibrering.
Digitalt implementerade upplösningsbandbredder erbjuder även förbättrade filterprestanda, med snävare faktorer för filterform. RBW-formfaktorn, som vanligen kallas selektivitet, definieras normalt som förhållandet mellan filterbandbredderna vid –60 dB och –3 dB dämpning.
Analoga filter har formfaktorer i storleksordningen 12:1, samtidigt som digitala IF-filter har mycket snävare formfaktorer i området 5:1. Dessutom har ett analogt RBW-filter en allmän bandbreddsprecision inom ett intervall på 10 procent och ett digitalt RBW-filter har en allmän precisionsnivå inom ett intervall på 2-3 procent. Den snävare formen förbättrar förmågan att isolera signaler på låg nivå som ligger nära större signaler.
Digital IF-förstärkning kan ge mycket precisa referensnivåer. Analoga MF-steg kan avvika några tiondels decibel på grund av konstruktion och temperatur. Digitala IF-steg är mycket precisa (0 dB avvikelse) eftersom de representeras av en multiplikator i programvaran.
Med en digital logaritmisk korrigering går det att avsevärt minska de mätfel som associeras med analoga logaritmiska förstärkare. Precisionen i den logaritmiska korrigeringen bestämmer mätfelet som funktion av ingångsnivån.
I ett exempel specificeras fel för ingångssignaler under 27 dBµV (–80 dBm) vid ingångsblandaren i ett instrument med digital MF att vara så små som ± 0,15 dB i ett intervall mellan 5 och 50°C. Detta kan jämföras med prestandan för en analog arkitektur, där felet kan vara större än ± 0,85 dB i ett temperaturintervall på bara 20-30°C.
Fig 3 ger en översikt över den förbättrade precisionen för digital IF jämfört med analog IF. Data samlades in genom att granska specifikationsguider för mottagare och spektrumanalysatorer.

Fig 3. Jämförelse av amplitudosäkerhet som associeras med digitala och analoga IF-arkitekturer.

Fördelar med digital MF
De förbättrade prestanda som en digital MF-arkitektur ger innebär avsevärda fördelar för en EMC-testanläggning.
* Förbättrad instrumentamplitudprecision
Den förbättrade noggrannheten med digital MF leder till snävare amplitudspecifikationer för mottagare och spektrumanalysatorer. Man kan inte bara göra mer precisa mätningar utan drar även fördel av den förbättrade noggrannheten över ett större spann av instrumentinställningar. Den digitalt implementerade logaritmiska korrigeringen ger bättre mätprecision för signaler på mycket låg nivå. Detta är viktigt i en miljö som mäter EMC-utstrålning eftersom låga signalnivåer påträffas regelbundet när mätningar för överensstämmelse utförs.
* Förbättrad mätning generellt
EMC-laboratorier har antagit en mätteknik för att minimera effekten av fel som är knutna till analog MF och logaritmisk förstärkning. Tekniken innebär att alltid ta toppsignalen till referensnivån före slutlig kvasitoppmätning eller medelvärdesdetektering. Denna teknik tar MF-nivån till toppen av den aktuella inställningen för referensnivå, vilket eliminerar fel vid logaritmisk visning. Mättekniken är effektiv men tar tid eftersom denna måste genomföras för varje signal.
Med en automatiseringsprogramvara är det möjligt att minska tidsåtgången. Men mätningar måste fortfarande göras för varje signal. Den totala tidsbesparingen beror därför på antalet signaler som mäts.
Den ökade precision som den digitalt implementerade logaritmiska korrigeringen ger, minskar behovet av att justera varje signal till mätningens referensnivå före den slutliga mätningen. Det sparar mycket tid vid test av enheter med ett stort antal utstrålande signaler.
* Minskat beroende av operatörens erfarenhet
I många avseenden har test av överensstämmelse mot EMC kunnat automatiserats. Men fortfarande kräver slutliga mätningar manuell interaktion – detta för att kvantifiera hastigheten av signalvariationer (enligt CISPR), finjustera för att maximera signalerna och justera mätningsmottagaren för att säkerställa amplitudnoggrannhet. Allt detta kräver en välutbildad operatör.
Att korrekt använda en mottagare för EMC-överensstämmelse kan vara svårt utan tillräcklig erfarenhet. Och att justera mottagaren för att göra en mätning på högsta precisionsnivå kräver mycket utbildning och skicklighet. Med digital IF-teknik blir det lättare för en mindre erfaren operatör att göra mätningar som uppfyller kommersiella och militära amplitudkrav.
Det är till exempel sannolikt att en oerfaren operatör oavsiktligt överbelastar instrumentet när han gör en mätning med analog MF-teknik. det resulterar i felaktiga amplitudvärden på grund av instrumentets kompression och förvrängning.
Digital MF kräver inte stegomkopplad MF-förstärkning. Därför minimeras risken för överbelastning, under förutsättning att signaler ligger under maximalt tillåten ingångsnivå för linjär drift.
Fig 4 illustrerar detta exempel. Fig 4a visar en 107 dBµV (0 dBm) CW-signal, och fig 4b visar samma signal med referenssignalen justerad med 50 dB. Observera att de indikerade markörvärdena är nästan identiska – under identiska förhållanden skulle en mottagare eller spektrumanalysator med analog IF vara allvarligt förvrängd och markörvärdena skulle vara mycket olika. Figurerna 4a och 4b visar hur digital MF minskar risken att överbelasta instrument.

Fig 4a. Testsignal nära referensnivån. Jämför markörvärdet med 4b.


Fig 4b. Samma testsignal, 50 dB över referensnivån med i praktiken identiskt markörvärde som i fig 4a.

Att utrustningen är mindre beroende av operatörens skicklighet gör det lättare för ny personal att bidra snabbare och innebär också att laboratoriets chef inte behöver oroa sig så mycket för mätprecisionen. Det minskar också utbildningstidens påverkan på mer erfarna laboratoriearbetare, vilket betyder att dessa har mer tillgänglig tid.
* Förbättrad förmåga att identifiera utstrålning på låg nivå i en miljö med starka omgivande signaler.
När du gör överensstämmelsemätningar på en öppen plats kan det vara svårt att isolera utstrålning på låg nivå när det förekommer starka omgivande signaler, t ex kommersiella radio- eller TV-sändningar, mobiltelefonsändningar och allmänna säkerhetskommunikationer.
Den kompaktare uppbyggnad som erbjuds för bandbredder med digital IF-upplösning gör att du kan isolera och identifiera utstrålning som ligger närmare de omgivande signalerna. Att noggrant kunna definiera och mäta dessa signaler minskar risken för att dolda signaler orsakar oväntade fel vid en slutmätning i en skyddad miljö. Denna kapacitet är mycket viktig för mätningar som föregår en överensstämmelsemätning, mätningar som normalt görs utomhus.

Fig 5. Digital MF RBW erbjuder mer selektivitet än analog RBW, och förbättrar detektion av utstrålning vid förekomst av starka omgivande signaler.

Digital mellanfrekvens bäst
En helt digital MF-arkitektur ger avsevärda förbättringar vad gäller testproduktivitet och mätprecision och vilken operatörsutbildning som krävs. Du kan använda dessa fördelar för att göra dina anläggningar mer effektiva, vilket ger lägre driftskostnader och högre  avkastning på dina mätningsinvesteringar.

 

 

Comments are closed.