Rohde & Schwarz H M 8 1 1 2 - 3 User Manual [ml]
Near Field Probes
HZ530
Handbuch / Manual / Manual
Deutsch / English / Español
CE Konformität
CE marking
Conformidad CE .................................. 3
Deutsch ................................................ 4
English................................................ 23
Español............................................... 47
290601-zim/tke
Printed in Germany
Allgemeine Hinweise zur CE-Kennzeichnung
HAMEG Meßgeräte erfüllen die Bestimmungen der EMV Richtlinie. Bei der Konformitätsprüfung werden von HAMEG die gültigen Fachgrund- bzw. Produktnormen zu Grunde
gelegt. In Fällen wo unterschiedliche Grenzwerte möglich sind, werden von HAMEG die
härteren Prüfbedingungen angewendet. Für die Störaussendung werden die Grenzwerte
für den Geschäfts- und Gewerbebereich sowie für Kleinbetriebe angewandt (Klasse 1B).
Bezüglich der Störfestigkeit finden die für den Industriebereich geltenden Grenzwerte
Anwendung.
Die am Meßgerät notwendigerweise angeschlossenen Meß- und Datenleitungen beeinflussen die Einhaltung der vorgegebenen Grenzwerte in erheblicher Weise. Die verwendeten Leitungen sind jedoch je nach Anwendungsbereich unterschiedlich. Im praktischen
Meßbetrieb sind daher in Bezug auf Störaussendung bzw. Störfestigkeit folgende Hinweise und Randbedingungen unbedingt zu beachten:
1. Datenleitungen
Die Verbindung von Meßgeräten bzw. ihren Schnittstellen mit externen Geräten (Drukkern, Rechnern, etc.) darf nur mit ausreichend abgeschirmten Leitungen erfolgen. Sofern
die Bedienungsanleitung nicht eine geringere maximale Leitungslänge vorschreibt, dürfen
Datenleitungen (Eingang/Ausgang, Signal/Steuerung) eine Länge von 3 Metern nicht
erreichen und sich nicht außerhalb von Gebäuden befinden. Ist an einem Geräteinterface
der Anschluß mehrerer Schnittstellenkabel möglich, so darf jeweils nur eines angeschlossen sein.
Bei Datenleitungen ist generell auf doppelt abgeschirmtes Verbindungskabel zu achten.
Als IEEE-Bus Kabel sind die von HAMEG beziehbaren doppelt geschirmten Kabel HZ72S
bzw. HZ72L geeignet.
2. Signalleitungen
Meßleitungen zur Signalübertragung zwischen Meßstelle und Meßgerät sollten generell
so kurz wie möglich gehalten werden. Falls keine geringere Länge vorgeschrieben ist,
dürfen Signalleitungen (Eingang/Ausgang, Signal/Steuerung) eine Länge von 3 Metern
nicht erreichen und sich nicht außerhalb von Gebäuden befinden.
Alle Signalleitungen sind grundsätzlich als abgeschirmte Leitungen (Koaxialkabel - RG58/
U) zu verwenden. Für eine korrekte Masseverbindung muß Sorge getragen werden. Bei
Signalgeneratoren müssen doppelt abgeschirmte Koaxialkabel (RG223/U, RG214/U) ver-
wendet werden.
3. Auswirkungen auf die Meßgeräte
Beim Vorliegen starker hochfrequenter elektrischer oder magnetischer Felder kann es
trotz sorgfältigen Meßaufbaues über die angeschlossenen Meßkabel zu Einspeisung unerwünschter Signalteile in das Meßgerät kommen. Dies führt bei HAMEG Meßgeräten
nicht zu einer Zerstörung oder Außerbetriebsetzung des Meßgerätes.
Geringfügige Abweichungen des Meßwertes über die vorgegebenen Spezifikationen hinaus können durch die äußeren Umstände in Einzelfällen jedoch auftreten
Dezember 1995
HAMEG GmbH
2
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
KONFORMITÄTSERKLÄRUNG
DECLARATION OF CONFORMITY
DECLARATION DE CONFORMITE
Name und Adresse des Herstellers HAMEG Instruments GmbH
Manufacturer´s name and address Industriestraße 6
Nom et adresse du fabricant D - 63533 Mainhausen
Die HAMEG Instruments GmbH bescheinigt die Konformität für das Produkt
The HAMEG Instruments GmbH herewith declares conformity of the product
HAMEG Instruments GmbH déclare la conformite du produit
Bezeichnung / Product name / Designation:
Typ / Ty pe / Typ e:
mit / with / avec:
Optionen / Options / Options:
mit den folgenden Bestimmungen / with applicable regulations / avec les directives suivantes
EMV Richtlinie 89/336/EWG ergänzt durch 91/263/EWG, 92/31/EWG
EMC Directive 89/336/EEC amended by 91/263/EWG, 92/31/EEC
Directive EMC 89/336/CEE amendée par 91/263/EWG, 92/31/CEE
Niederspannungsrichtlinie 73/23/EWG ergänzt durch 93/68/EWG
Low-Voltage Equipment Directive 73/23/EEC amended by 93/68/EEC
Directive des equipements basse tension 73/23/CEE amendée par 93/68/CEE
Angewendete harmonisierte Normen / Harmonized standards applied / Normes harmonisées utilisées
Sicherheit / Safety / Sécurité
EN 61010-1: 1993 / IEC (CEI) 1010-1: 1990 A 1: 1992 / VDE 0411: 1994
Überspannungskategorie / Overvoltage category / Catégorie de surtension: II
Verschmutzungsgrad / Degree of pollution / Degré de pollution: 2
Elektromagnetische Verträglichkeit / Electromagnetic compatibility / Compatibilité électromagnétique
EN 50082-2: 1995 / VDE 0839 T82-2
ENV 50140: 1993 / IEC (CEI) 1004-4-3: 1995 / VDE 0847 T3
ENV 50141: 1993 / IEC (CEI) 1000-4-6 / VDE 0843 / 6
EN 61000-4-2: 1995 / IEC (CEI) 1000-4-2: 1995 / VDE 0847 T4-2: Prüfschärfe / Level / Niveau = 2
EN 61000-4-4: 1995 / IEC (CEI) 1000-4-4: 1995 / VDE 0847 T4-4: Prüfschärfe / Level / Niveau = 3
EN 50081-1: 1992 / EN 55011: 1991 / CISPR11: 1991 / VDE0875 T11: 1992
Gruppe / group / groupe = 1, Klasse / Class / Classe = B
Near Field Sniffer Probes
HZ530
-
-
Datum /Date /Date Unterschrift / Signature /Signatur
23.01.1996
Dr. J. Herzog
Technical Manager
Directeur Technique
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modifi cación
3
Inhaltsverzeichnis
Bedienungsanleitung
HZ530-Sondensatz für EMV-Diagnose ................................... 5
Bedienungsanleitung .............................................................. 7
Allgemeines ............................................................................. 7
Symbole ................................................................................... 7
Sicherheit.................................................................................. 7
Betriebsbedingungen ............................................................. 8
Gewährleistung ........................................................................ 8
Grundlagen der Meßtechnik mit Nahfeldmeßsonden .......... 9
Die H-Feld-Sonde ..................................................................... 9
Die Hochimpedanzsonde ........................................................ 9
Der E-Feld-Monopol ...............................................................10
Inbetriebnahme .......................................................................10
Sicherheitshinweis! ................................................................12
Applikationen für die Nahfeldsonden HZ 530 ......................13
Messung der Schirmdämpfung von Abschirmgehäusen ... 20
mit der E-Feld-Sonde ............................................................. 20
Operating instruction .......................................................... 23
4
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
HZ530-Sondensatz für EMV-Diagnose
Technische Daten
Frequenzbereich:
100 kHz – ≥ 1000 MHz
(untere Grenzfreq. abhängig von Sondentyp)
Ausgangsimpedanz: 50Ω
Anschluß: BNC-Buchse
Eingangskapazität: ca. 2pF (Hoch-
impedanzsonde)
Max. Eingangspegel: +10dBm
(Zerstörungsfrei)
1dB-Kompressionspunkt: -2dBm
(frequenzabhängig)
Max. DC-Eingangsspg.: 20V
Versorgungsspannung: 6V DC
Versorgungsspanung aus 5010/5011
oder 4 X 1.5 V Mignon Zelle
Stromaufnahme:
ca. 8mA; H-Feld Sonde
ca. 15mA; E-Feld Sonde
ca. 24mA; Hochimpedanzsonde
Sondenmaße: 40x19x195 mm (BxHxL)
Gehäuse: Kunststoff
innen elektrisch geschirmt.
Lieferumfang: Transportkoffer
1 H-Feld Sonde
1 E-Feld Sonde
1 Hochimpedanzsonde
1 BNC-BNC Kabel
1 Spannungsversorgungskabel
Typischer Frequenzverlauf Hochimpedanz
Sonde
Batterien (Typ Mignon) gehören
nicht zum Lieferumfang
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
Typischer Frequenzverlauf E-Feld-Sonde Typischer Frequenzverlauf H-Feld-Sonde
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación
5
Der HZ530-Sondensatz besteht aus drei aktiven Breitbandsonden
für die EMV-Diagnose bei der Entwicklung elektronischer Baugruppen und Geräte auf Laborebene. Er enthält eine aktive Magnetfeldsonde (H-Feld-Sonde), einen aktiven E-Feld-Monopol und eine
aktive Hochimpedanzsonde. Die Sonden sind zum Anschluß an
einen Spektrum-Analyzer vorgesehen und haben daher einen koaxialen Ausgang mit einem Wellenwiderstand von 50 Ω.
H-Feld Sonde
Die H-Feld-Sonde gibt einen der magnetischen Wechsel-Feldstärke
proportionalen Pegel ab. Mit ihr können Störquellen in elektronischen Baugruppen relativ eng lokalisiert werden und Abschirmungen auf „undichte“ Stellen untersucht werden.
E-Feld Sonde
Der E-Feld-Monopol wird z.B. verwendet, um die Wirkung von
Abschirmmaßnahmen zu prüfen. Mit ihm kann auch die Gesamtwirkung von Filtermaßnahmen beurteilt werden, soweit sie etwa das
Gerätegehäuse verlassende Kabel und Leitungen betreffen. Ferner
kann man mit dem E-Feld-Monopol Relativmessungen zu Abnahmeprotokollen durchführen.
High-Impedanz Sonde
Die Hochimpedanzsonde ermöglicht eine Untersuchung des Störpegels auf einzelnen Kontakten oder Leiterbahnen. Sie belastet den
zu prüfenden Meßpunkt mit nur 2pF. Dadurch kann direkt in der
Schaltung gemessen werden, ohne nennenswerte Veränderungen
der Verhältnisse durch den Meßeingriff.
Allgemeines
Die Sonden haben je nach Typ eine Bandbreite von 100kHz bis über
1000MHz. Sie sind in modernster Technologie aufgebaut, und
GaAsFET sowie monolitische integrierte Mikrowellen Schaltungen
(MMIC) sorgen für Rauscharmut, hohe Verstärkung und Empfindlichkeit. Der Anschluß der Sonden an Spektrumanalysator, Meßempfänger oder Oszilloskop erfolgt über ein ca. 1,5m langes BNCKoaxial Kabel. Die in den Sonden schon eingebauten Vorverstärker
(Verstärkung ca. 30 dB) erübrigen den Einsatz von externen Zusatzgeräten.
Die Sonden werden entweder durch einsetzbare Batterien/Akkus
betrieben oder können direkt aus dem HAMEG Spektrumanalysator
HM5010 mit Spannung versorgt werden. Die schlanke Bauform
erlaubt guten Zugang zur zu prüfenden Schaltung auch in beengter
Prüfumgebung. Mittels eines Akkusatzes hat jede Sonde eine
Betriebsdauer von ca. 20 - 30 Stunden.
6
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
Bedienungsanleitung
Allgemeines
Sofort nach dem Auspacken sollten die Sonden auf mechanische
Beschädigungen und lose Teile im Innern überprüft werden. Falls
ein Transportschaden vorliegt, ist sofort der Lieferant zu informieren. Die Sonden dürfen dann nicht in Betrieb gesetzt werden.
Symbole
Sicherheit
Die Sonden haben das Werk in sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand verlassen. Sie entsprechen damit auch den Bestimmungen der europäischen Norm EN 61010-1 bzw. der internationalen Norm IEC 1010-1. Um diesen Zustand zu erhalten und einen
gefahrlosen Betrieb sicherzustellen, muß der Anwender die Hinweise und Warnvermerke beachten, die in dieser Bedienungsanleitung, im Testplan und in der Service-Anleitung enthalten sind.
Wenn anzunehmen ist daß ein gefahrloser Betrieb nicht mehr
möglich ist, so ist so sind die Sonden außer Betrieb zu setzen und
gegen unabsichtlichen Betrieb zu sichern. Diese Annahme ist
berechtigt,
Bedienungsanleitung beachten
Hochspannung
Erde
• wenn die Sonden sichtbare Beschädigungen hat,
• wenn die Sonden lose Teile enthalten,
• wenn die Sonden nicht mehr arbeiten,
• nach längerer Lagerung unter ungünstigen Verhältnissen
(z.B. im Freien oder in feuchten Räumen),
• nach schweren Transportbeanspruchungen
(z.B. mit einer Verpackung, die nicht den Mindestbedin
gungen von Post, Bahn oder Spedition entsprach).
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación
7
Betriebsbedingungen
Der zulässige Umgebungstemperaturbereich während des Betriebs
reicht von +10°C... +40°C. Während der Lagerung oder des Transports darf die Temperatur zwischen -40°C und +70°C betragen. Hat
sich während des Transports oder der Lagerung Kondenswasser
gebildet, müssen die Sonden ca. 2 Stunden akklimatisiert werden,
bevor sie in Betrieb genommen werden. Die Sonden sind zum Gebrauch in sauberen, trockenen Räumen bestimmt. Die Betriebslage
ist beliebig.
Gewährleistung
Jede Sonde durchläuft vor dem Verlassen der Produktion einen
Qualitätstest.
Dennoch ist es möglich, daß ein Bauteil erst nach längerer Betriebsdauer ausfällt. Daher wird auf alle Sonden eine Funktionsgewähr-
leistung von 2 Jahren gewährt. Voraussetzung ist, daß im Gerät
keine Veränderungen vorgenommen wurden. Für Versendungen
per Post, Bahn oder Spedition wird empfohlen, die Originalverpakkung zu verwenden. Transport- oder sonstige Schäden, verursacht
durch grobe Fahrlässigkeit, werden von der Gewährleistung nicht
erfaßt.
Bei einer Beanstandung sollte man am Gehäuse der Sonde eine
stichwortartige Fehlerbeschreibung anbringen. Wenn dabei gleich
der Name und die Telefon-Nr. (Vorwahl und Ruf- bzw. Durchwahl-Nr.
oder Abteilungs bezeichnung) für evtl. Rückfragen angegeben wird,
dient dies einer beschleunigten Abwicklung.
8
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
Grundlagen der Meßtechnik mit Nahfeldmeßsonden
Die H-Feld-Sonde
Die H-Feld-Sonde gibt einen der magnetischen Wechsel-Feldstärke
proportionalen Pegel an das angeschlossene Meßsystem ab. Mit
ihr können Störquellen in elektronischen Baugruppen relativ eng
lokalisiert werden. Dies hat seine Ursache darin, daß moderne
elektronische Baugruppen als Störer meist niederohmig wirken
(relativ kleine Spannungsänderungen bei entsprechend großen
Stromänderungen). Die abgestrahlten Störungen beginnen daher
an ihrer Quelle zunächst überwiegend mit einem magnetischen
Wechselfeld. Da beim Übergang vom Nah- zum Fernfeld das
Verhältnis vom magnetischen zum elektrischen Feld die 377 0hm
Wellenwiderstand des freien Raumes erreichen muß, nimmt das HFeld zunächst mit der dritten Potenz des Abstandes vom Störer ab.
Eine Verdoppelung des Abstandes bedeutet ein Abnehmen des
Feldes auf ein Achtel.
Beim praktischen Gebrauch der H-Feld-Sonde bemerkt man deshalb ein sehr starkes Ansteigen des Pegels bei Annäherung an den
Störer. Beim Absuchen einer Baugruppe mit der H-Feld-Sonde
fallen die Störer daher sofort auf. Es kann z.B. schnell festgestellt
werden, welcher IC stark stört und welcher nicht. Ferner kann
hierbei auf einem Spektrumanalysator erkannt werden, wie sich
die Störleistung über den Frequenzbereich verteilt. Somit kann
man Bauelemente, die aus EMV-Gründen weniger geeignet sind,
schon früh in der Entwicklung eliminieren. Die Wirkung von Gegenmaßnahmen läßt sich qualitativ gut beurteilen. Man kann Abschirmungen auf „undichte“ Stellen untersuchen, und Kabel oder
Leitungen auf mitgeführte Störleistungen absuchen.
Die Hochimpedanzsonde
Die Hochimpedanzsonde ermöglicht eine Untersuchung des Störpegels auf einzelnen Kontakten oder Leiterbahnen. Sie ist sehr
hochohmig (Isolationswiderstand des Leiterplattenmaterials) und
belastet den zu prüfenden Meßpunkt mit nur 2pF. Dadurch kann
direkt in der Schaltung gemessen werden, ohne nennenswerte
Veränderungen der Verhältnisse durch den Meßeingriff.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación
9
Es kann z.B. die Wirkung von Filter- und Abblockmaßnahmen
quantitativ gemessen werden. Es können einzelne Anschlüsse von
IC’s als Störer identifiziert werden. Innerhalb von Leiterplatten
können problematische Leiterbahnen ermittelt werden. Mit dieser
Sonde kann man jeden einzelnen Punkt einer Schaltung direkt dem
Spektrumanalysator zugänglich machen.
Die niedrige Eingangskapazität und der flache Amplitudenverlauf
der Hochimpedanzsonde macht sie auch hervorragend zur Meßung
von Frequenzen und Signalanteilen bis in den GHz-Bereich mittels
eines Oszilloskopes nutzbar. Die geringe Belastung wird unter
Anderem durch Einsatz eines kapazitiven Spannungteilers am Eingang der Sonde und den nachfolgenden Verstärker erreicht. Trotz
des eingebauten Verstäkers hat die Sonde jedoch eine Abschwächung von ca. 30dB auf.
Der E-Feld-Monopol
Der E-Feld-Monopol hat von allen drei Sonden die höchste Empfindlichkeit. Er ist so empfindlich, daß man ihn ohne weiteres als
Antenne zum Radio- oder Fernsehempfang benutzen könnte. Daher kann man mit ihm die Gesamtabstrahlung einer Baugruppe oder
eines Gerätes beurteilen.
Er wird z.B. verwendet, um die Wirkung von Abschirmmaßnahmen
zu prüfen. Mit ihm kann auch die Gesamtwirkung von Filtermaßnahmen beurteilt werden, soweit sie etwa das Gerätegehäuse
vorlassende Kabel und Leitungen betreffen, und damit die Gesamtabstrahlung beeinflussen. Ferner kann man mit dem E-Feld-Monopol Relativmessungen zu Abnahmeprotokollen durchführen. Dies
macht es möglich, erforderliche Nachbesserungen so gezielt auszuführen, daß man bei der Abnahmeprüfung nicht ein zweites Mal
durchfällt. Ferner können Abnahmeprüfungen so gut vorbereitet
werden, daß man im allgemeinen vor Überraschungen sicher ist.
Inbetriebnahme
10
Vor Beginn der ersten Messung mit den Sonden HZ530 sind die
Hochimpedanzsonde und die E-Feld-Sonde mit den notwendigen
Antennen zu versehen. Diese befinden sich in Form von ca. 0.8mm
starken, geraden Drähten in einem kleinen Plastikbeutel im Transportkoffer des Sondensatzes. Das Einstecken der Antennen erfolgt
mittels einer Zange und unter Anwendung von sanfter Gewalt. Die
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
Öffnung zur Aufnahme der Antenne befindet sich jeweils im verjüngten vorderen Teil der Sonde. Die kurze Tastspitze ist für die
Hochimpedanzsonde vorgesehen. Die zwei längeren Antennen
werden für die E-Feld-Sonde verwendet. Je nach vorgesehenem
Frequenzbereich kommt die kürzere (ca. 6.5cm) oder längere (9.5cm)
Antenne zum Einsatz.
Anschließend wird die Spannungsversorgung der Sonden sichergestellt. Beim Einsatz eines HM5010/5011 kann dies direkt, mittels des mitgelieferten Spezialkabels, aus dem Spektrumanalysator
geschehen. Batterien sind dann nicht erforderlich. Wird ein anderer
Spektrumanalysator, ein Oszilloskop oder ein Meßempfänger für
die Messungen verwendet, so erfolgt die Versorgung durch 4
Mignon-Zellen entweder in Form von Batterien oder entsprechender wiederaufladbarer Akkus.
Zu Beginn der Messung ist die jeweils verwendete Sonde mittels
des neben dem BNC-Anschluß befindlichen Schalters in Betrieb zu
nehmen. Dies ist unabhängig davon ob die Sonde durch Batterien
oder den Spektrum-Analysator versorgt wird. Auf jeden Fall sollte
man bei Verwendung von Batterien bei Nichtgebrauch der Sonden
die Spannungsversorgung abschalten. Im Normalfall hat ein Satz
Batterien eine Lebensdauer von ca. 20-30 Stunden.
Der Anschluß der Sonden an Spektrumanalysator, Meßempfänger
oder Oszilloskop erfolgt durch ein mitgeliefertes BNC-Kabel von ca.
1.5m Läge. Dies ermöglicht im Allgemeinen genügend Spielraum
für die notwendigen Messungen. Sollte aus besonderen Gründen
ein längeres Kabel verwendet werden, sind Abweichungen des
Amplitudenganges bei höheren Frequenzen möglich.
Im Normalfall werden die Sonden in Verbindung mit einem
Spektrumanalysator betrieben. Diese Geräte besitzen üblicherweise eine Eingangsimpedanz von 50
ter Abschluß der Sonden gewährleistet. Wird ein Oszilloskop
oder ein Messempfänger mit abweichendem Eingangswiderstand angeschlossen, so ist unbedingt auf korrekten Abschluß der Sonden zu achten. Ansonsten ergeben sich erhebliche, nicht abschätzbare Beeinflussungen des Frequenzganges.
Die Sonden sind auf Grund Ihrer elektrischen Charakteristika für
unterschiedliche Prüfungen vorgesehen. Die E-Feld-Sonde wird im
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación
ΩΩ
Ω
. Dadurch ist ein korrek-
ΩΩ
11
Allgemeinen für Messungen im Abstand von 1m bis 1.5m vom zu
untersuchenden Objekt eingesetzt. Die dabei ermittelten Störfrequenzen lassen sich mit der H-Feld-Sonde im Nahbereich der
Störquelle lokalisieren. Die Hochimpedanzsonde ermöglicht anschließend die exakte Eingrenzung der Störquelle und die gezielte
Beurteilung der getroffenen Maßnahmen.
Die E-Feld-Sonde ist auf Grund Ihrer Eigenschaften nicht für Messungen innerhalb eines Gerätes oder direkt an spannungsführenden
Teilen einer Schaltung vorgesehen. Elektrischer Kontakt der Antenne mit spannungsführenden Schaltungsteilen (DC max. 20V; AC
max. +10dBm) kann zur Zerstörung des eingebauten Vorverstärkers
führen. Die genannten Grenzwerte gelten auch für die Hochimpedanzsonde, hier ist jedoch elektrischer Kontakt für die Messung im
Rahmen der vorgegebenen Grenzwerte vorgesehen.
Sicherheitshinweis!
Grundsätzlich ist die Messung an spannungsführenden
Schaltungsteilen mit Spannungen höher als 40V mit den
Sonden nicht zulässig. Da zu einem erheblichen Teil am
geöffneten Gerät gemessen wird, ist Voraussetzung,
daß der Benutzer mit den dabei auftretenden Gefahren
vertraut ist. Netzbetriebene Geräte müssen bei der Messung über einen Sicherheitstrenntransformator galvanisch vom Netz getrennt werden (erdfrei) .
12
Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß mit den
Sonden keine quantitativen Messungen durchgeführt werden können. Eine auf den Meßergebnissen direkt beruhende Berechnung
der Störstrahlung zur Verwendung bei Abnahmeuntersuchungen
ist nicht möglich. Der Sondensatz ist als Hilfsmittel zur qualitativen
Erfassung von Störfrequenzen im Rahmen von entwicklungsbegleitenden Messungen entwickelt worden. Die Aussagekraft
der erzielten Meßergebnisse ist stark von den jeweiligen Randbedingungen der Messungen abhängig.
Denken auch Sie an unsere Umwelt. Zur Spannungsversorgung
der Sonden sollten Sie möglichst das mitgelieferte Versorgungskabel einsetzen. Ist dies nicht möglich, sollten wiederaufladbare
Akkus verwendet werden. Bei der Verwendung von Batterien
stellen Sie bitte die sachgerechte Entsorgung sicher.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
Applikationen für die Nahfeldsonden HZ 530
Praxisorientierte Auswahl von Signalleitungsfiltern
Die durch die ständig steigende Arbeitsgeschwindigkeit moderner
Digitallogik überproportional wachsenden EMV-Probleme werden
seit dem 01.01.1996 allen Anbietern elektrischer und elektronischer Produkte drastisch vor Augen geführt. Die neue Gesetzgebung verschärft zwar nicht die Störstrahlungsproblematik, macht
aber die Auseinandersetzung mit diesen Gegebenheiten zur Pflicht
für jeden Entwickler.
Die Zeiten, in denen man die Lösung der Störstrahlungsproblematik
einfach der EMV-Abteilung überlassen konnte, oder ein Produkt,
welches nicht direkt durch Störstrahlungsprobleme auffiel unter
EMV-Gesichtspunkten als quasi in Ordnung einstufte, sind längst
vorbei. Jeder Entwickler muß heute schon vom Beginn des Entwurfs an EMV-Gesichtspunkte mitverfolgen, wenn später bei der
Abnahme ein Erfolg überhaupt möglich sein soll. Leiterplatten
müssen heute anders entworfen werden als noch vor wenigen
Jahren. Eine vernünftige Breitbandentkopplung der Versorgungsspannung muß schon als Stand der Technik angesehen werden.
Aber auch der Bereich der Signalleitungen kann nicht mehr so
bleiben wie früher. Digitale Signale haben Spektren, deren Bandbreite ungefähr
entspricht. Die Flankenzeit tr ist also der bestimmende Faktor. Je
kürzer die Flankenzeit, desto größer die Bandbreite. Hierbei ist nicht
die tabellarisch angegebene Bandbreite entscheidend, sondern nur
die tatsächlich vorhandene. Diese kann sich von der angegebenen
sehr erheblich unterscheiden. Das hat seinen Grund darin, daß der
tabellarische Wert sich meistens auf kapazitive Vollast bezieht. In
den meisten praktischen Fällen liegt diese Last aber nicht vor. Eine
überschlägige Umrechnung ist recht einfach: Halbe kapazitive Last
bedeutet doppelte Flankengeschwindigkeit.
Ein Beispiel möge dies verdeutlichen: ein Mikroprozessor ist mit
2ns Anstiegszeit der Flanke angegeben. Die zugrunde gelegte Last
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación
B = 1/(tr •
π)
13
ist 150pF. Wenn nun ein Signal dieses Prozessors mit nur einem
CMOS-Gatter, also ca. 12,5pF, belastet wird, heißt dies, daß die
Flanke etwa zwölfmal schneller wird. Es muß ein Wert von unter
200ps erwartet werden. Rechnet man dies in die entsprechende
Bandbreite des Spektrums um, so erhält man 1,6GHz. Auch in
praktischen Aufbauten, in denen noch etwas Schaltungskapazität
hinzukommt, kann man tatsächlich Bandbreiten von über 1000MHz
messen.
Unter EMV-Gesichtspunkten betrachtet ist dies natürlich äußerst
schädlich. Die tatsächliche Flankengeschwindigkeit kann man aber
auch bei modernen CMOS - Schaltungen in den meisten digitaltechnischen Labors nicht messen. Hierfür müßten Oszilloskope
bereitstehen, die Zeiten von 100ps auflösen können. Diese sind
jedoch nur zu sehr hohen Kosten erhältlich.
Für die Auflösung der digitalen Systemfunktionen braucht man
diese Geschwindigkeit auch nicht, weshalb in den o.g. Labors meist
wesentlich langsamere Geräte verwendet werden. Diese täuschen
dem Benutzer Flankenzeiten vor, die in Wirklichkeit nicht existieren.
Im allgemeinen sieht man nur die Anstiegszeit des Oszilloskops.
Dies legt ein meßtechnisches Problem offen: Die für die Beurteilung der EMV-relevanten Eigenschaften des Systems erforderlichen Messungen sind mit der existierenden Ausrüstung meist nicht
möglich, erforderliche Oszilloskope aber sehr teuer.
14
Eine brauchbare Lösung besteht im Ausweichen in den Frequenzbereich: Die Beurteilung der digitalen Funktion geschieht weiterhin
mit einem mittelschnellen Oszilloskop, die Untersuchung der EMVrelevanten Eigenschaften im Frequenzbereich mittels eines
Spektrumanalysators. Da die Spektrum-Analyse entsprechender
Frequenzbereiche technisch einfacher ist als die Auflösung im
Zeitbereich, sind Geräte welche die Grundvoraussetzungen erfüllen
schon vergleichsweise preisgünstig erhältlich. Für die Beurteilung
von CMOS - Schaltungen reicht eine Bandbreite von 1000MHz.
Entsprechende Oszilloskope sind sehr teuer.
Da Spektrumanalysator hochfrequenztechnische Geräte sind, haben sie üblicherweise einen 50Ω Eingang. Dies macht sie zur
Messung in Digitalschaltungen ungeeignet, weil der Anschluß
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
einer solchen Last in der Regel von der Schaltung nicht verkraftet
wird. Zumindest würde das Meßergebnis stark verfälscht. Deshalb
benötigt man für die Messung in Digitalschaltungen eine Hochimpedanz-Sonde, die das Meßobjekt nicht nennenswert belastet
und das Signal breitbandig auf 50Ω umsetzt.
Im Prinzip könnte man auf den Gedanken kommen, Signalleitungsfilter nach Katalog auszusuchen. Namhafte Hersteller bieten zu
ihren Filtern die entsprechenden Meßergebnisse in Zeit- und
Frequenzbereich in ihren Katalogen an. Leider sind diese Messungen in der Regel in bezug auf eine ohmsche Last vorgenommen
worden. Sie sehen dann auch immer recht gut aus. In der Praxis der
Digitalelektronik liegt eine solche Last selten vor. Deshalb kann die
verbindliche Beurteilung der Wirkung der Filter nur im realen
Anwendungsfall gemessen werden. Es zeigt sich dann, daß die
Filter nicht immer die erwarteten Ergebnisse erbringen.
Dies soll im folgenden an einer Reihe von Beispielen, die alle an der
Logikfamilie 74ACT gemessen wurden, gezeigt werden. Die Gatter
wurden stets mit 5MHz Takt betrieben.
SCALE = 10dB/DIV.
Bild 1 zeigt die Ergebnisse an einem solchen Gatter, welches auf
einer Leiterplatte bestückt ist und dessen Ausgang im Leerlauf
arbeitet. Das Spektrum deckt den gesamten Bereich bis 1000MHz
ab. Tatsächlich reicht es noch darüber hinaus, aber die Spektren in
den vorliegenden Bildern sind alle bis 1000MHz skaliert, um einen
besseren Vergleich zu ermöglichen. Im Zeitbereich zeigen sich
relativ starke Über- und Unterschwinger sowie steile Flanken. Das
Signal ist in Bezug auf die EMV als sehr ungünstig einzustufen. Die
hohe Bandbreite ermöglicht Abstrahlung schon aus relativ kleinen
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación
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Leiterplatten. Insbesondere, wenn Signale Leiterplatten verlassen
sollen, wird die Eingrenzung solcher Spektren unerläßlich, will man
nicht erhebliche Abschirmmaßnahmen treffen.
Eine erste Maßnahme in dieser Richtung, die häufig empfohlen
wird, ist das Einfügen eines Widerstandes zwischen Gatterausgang
und Leitung. Die Leitung ist bei dieser Messung durch einen
einzelnen Gattereingang abgeschlossen, um realistische Verhältnisse zu haben. Der Abschluß und auch die Leitungslänge müssen
bei solchen Messungen immer den Verhältnissen entsprechen, die
im tatsächlichen Anwendungsfall auch vorliegen, weil die Wirkung
der Signalleitungsfilter stark von deren Abschluß beeinträchtigt
wird.
SCALE = 10dB/DIV.
Bild 2 zeigt die entsprechenden Ergebnisse für einen 47Ω Wider-
stand. Im Zeitbereich erkennt man eine deutliche Verbesserung:
Die Überschwinger sind gemindert, die Flanken weniger steil.
Leider täuscht das Ergebnis. Die geringe Dynamik der linearen
Darstellung des Oszilloskops kann die EMV-relevanten Eigenschaften des Signals nicht richtig darstellen. Das Spektrum zeigt nur eine
sehr geringe Dämpfung oberer Frequenzbereiche. Zum Teil ist an
der Täuschung auch der Tastkopf des Oszilloskops beteiligt, da er
immerhin mehr als 6pF kapazitive Last mitbringt. Die HochimpedanzSonde weist dagegen nur eine Belastungskapazität von 2pF auf.
Mit der Auswahl des Widerstandswertes kann man an dem vorliegenden Ergebnis noch einiges ändern, aber ein durchschlagender
Erfolg kann von einer so einfachen Maßnahme, wie sie das Einfügen des Widerstands darstellt, nicht erwartet werden.
16
Eine weitere Verbesserung läßt sich erzielen, wenn man den
Widerstand mit einem Kondensator zu einem RC-Glied ergänzt.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
SCALE = 10dB/DIV.
Bild 3 zeigt die Resultate für eine Bestückung mit 47Ω und 100pF.
Auch hier erfolgt die Belastung des Aufbaus, wie bisher, mit der
Leiterbahn und dem einzelnen Gattereingang. Im Zeitbereich ist im
Vergleich zu Bild 2 kaum eine Veränderung erkennbar. Der Frequenzbereich zeigt aber besonders im mittleren und oberen Abschnitt
eine deutliche Verbesserung. Besonders bei der Verwendung eines
langsameren Oszilloskops würde die Veränderung im Zeitbereich
überhaupt nicht mehr wahrnehmbar sein. Hier zeigt sich sehr
deutlich die Schwäche einer reinen Zeitbereichsmessung: Man
übersieht die EMV-Relevanz der Maßnahme.
SCALE = 10dB/DIV.
Bild 4
Der nächste Schritt besteht in dem Ausbau des Signalleitungsfilters
zu einem R-C-R-Glied. Es wurde mit 47Ω, 100pF und 47Ω bestückt.
Die Veränderung in Bezug zum vorherigen Zustand ist massiv. Der
Frequenzbereich ist praktisch auf 200MHz eingeschränkt. Allerdings ist im Zeitbereich auch ein langsamer Verlauf der Flanke
erkennbar. Hier muß die Frage gestellt werden, ob die logische
Funktionalität der Digitalschaltung durch eine solche Flanke bereits
beeinträchtigt wird. Man kann in einem solchen Falle aber durch
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eine entsprechende Anpassung der Bestückung des R-C-R-Gliedes
den günstigsten Kompromiß zwischen Eingrenzung des Spektrums und der logischen Funktionalität aufsuchen. Dies ist ein
besonders schönes Beispiel für die Wirksamkeit des hier vorgeschlagenen meßtechnischen Verfahrens.
Im Handel sind verschiedene komplette Signalleitungsfilter im
Angebot. Auch die Wirksamkeit dieser Filter läßt sich meßtechnisch in der gleichen Weise verifizieren.
SCALE = 10dB/DIV.
Bild 5 zeigt den Einsatz eines Dreipol - Kondensators als Signalleitungsfilter in dem Aufbau, der auch bei den anderen Messungen
verwendet wurde. Das Ergebnis ist enttäuschend: Trotz starker
Verlangsamung der Flanken des Signals, ist das Spektrum mangelhaft eingegrenzt. Dies hängt damit zusammen, daß der Masseanschluß solcher Dreipol - Kondensatoren oftmals nicht so induktionsarm ausführbar ist, wie der eines R-C-R-Gliedes in SMD - Technik.
Es werden sogar Dreipol - Kondensatoren angeboten, die in diesem
Bereich fehlkonstruiert sind.
Als weiteres Beispiel soll eine einzelne Breitband - Chip - Drossel als
Signalleitungsfilter dienen.
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SCALE = 10dB/DIV.
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In Bild 6 ist das Resultat zu sehen: Auch hier eine mangelhafte
Begrenzung des Spektrums trotz starker Verlangsamung der Flanken. Man beachte: Hier würde eine ausschließliche Betrachtung
des Zeitbereichs leicht zu völlig falschen Schlüssen führen: Eine
teure Maßnahme, welche die digitale Funktion bereits erheblich
belastet, mit enttäuschendem Ergebnis auf der Seite der EMV.
SCALE = 10dB/DIV.
Bild 7
Schlußendlich soll einer der modernen SMD - Chip - Filter, die aus
zwei Ferritperlen und einem Durchführungskondensator bestehen,
betrachtet werden. Das Ergebnis, das in Bild 7 dargestellt ist,
erscheint als recht gut. Das Spektrum ist sauber begrenzt, die
Flanken sind noch erstaunlich steil. Lediglich die Über- und Unterschwinger trüben das sonst so gute Bild. Das ist leider ein Problem,
das Filter begleitet, die neben kapazitiven auch induktive Komponenten aufweisen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß für den Digitalelektroniker, der für EMV - Probleme bereits sensibilisiert ist, der
Einblick in den Frequenzbereich eine unerläßliche Maßnahme ist,
da die reine Betrachtung des Zeitbereichs leicht Anlaß zu Täuschungen gibt. Theoretisch ist zwar alles in der Darstellung im Zeitbereich
enthalten, was im Frequenzbereich nur anders beschrieben wird.
Die praktisch verfügbaren Meßgeräte lösen dies aber nur unvollkommen auf. Insbesondere die schwache Dynamik der linearen
Darstellung im Oszilloskop und die oftmals zu geringe Geschwindigkeit desselben stehen dem Erreichen der theoretischen optimalen Lösung entgegen.
Für die in dieser Applikation dargestellten Meßergebnisse
der Freqenzspektren diente die Hochimpedanz-Sonde aus
dem Nahfeld-Sondensatz HZ530 als Aufnehmer.
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