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Die meisten elektrischen und elektronischen Geräte müssen von Drittlabors getestet werden, um sicherzustellen, dass sie den relevanten Standards für leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen entsprechen. Die Fehlerquote bei Konformitätstests ist häufig hoch und erfordert eine kostspielige und zeitaufwändige Neugestaltung. Mit Pre-Compliance-Tests auf elektromagnetische Interferenzen (EMI) als Teil des Designprozesses können Hersteller Probleme frühzeitig im Produktzyklus erkennen. Vorabprüfungen erleichtern die Änderung des Designs und der elektromagnetischen Eigenschaften eines Produkts und erhöhen die Wahrscheinlichkeit, die Konformitätsprüfungen gleich beim ersten Mal zu bestehen.

Geräte müssen getestet werden, um nachzuweisen, dass sie den Anforderungen verschiedener Standards wie CISPR oder MIL-STD entsprechen. Diese Standards werden von der zuständigen Regulierungsbehörde festgelegt, beispielsweise der Kommission der Europäischen Union (EU) oder der Federal Communications Commission (FCC) in den USA. Die erforderlichen Konformitätstests müssen bestanden werden, bevor ein Gerät auf den Markt gebracht werden darf.

Konformitätstests werden in der Regel von einem zertifizierten externen Testlabor oder Testhaus durchgeführt. Sie verfügen über spezielle Ausrüstung, besondere Einrichtungen (z. B. schalltote Kammern) und geschultes Prüfpersonal, was Konformitätsprüfungen teuer macht. Die Testgebühren können Tausende oder sogar Zehntausende Dollar (US) pro Versuch betragen.

Leider kommt es häufig vor, dass Konformitätstests nicht bestanden werden. Abhängig von der Art der Prüfung und den verwendeten Standards kann die Ausfallquote im Bereich von 70 bis 90 Prozent liegen. Wenn ein einzelner Teil des Tests fehlschlägt, gilt der gesamte Test als nicht erfolgreich und der Gerätehersteller muss einen neuen Test planen. Vor dem erneuten Testen muss jede erforderliche Produktneugestaltung oder -behebung durchgeführt werden, was zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand erfordert.

Formale Konformitätstests liefern nur „Bestanden/Nicht bestanden“-Ergebnisse und bieten keinen großen Einblick in die Ursachen des Scheiterns. Pre-Compliance-Tests hingegen können jederzeit gestoppt werden und die Ursachen für Probleme können gründlich analysiert, getestet und behoben werden.

Abbildung 1 veranschaulicht den Testprozess der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). EMI-Debugging und -Analyse sollten in den Designprozess selbst integriert werden. Wenn erste Messungen keine schwerwiegenden Probleme ergeben, wird das zu testende Gerät (EUT) einer Vorab-Konformitätsprüfung unterzogen. Die Pre-Compliance-Tests sollen den zugehörigen Compliance-Tests möglichst nahe kommen. Wenn ein EUT einen dieser Pre-Compliance-Tests nicht besteht, kehrt es zur Änderung in die Entwurfs- und Debugging-Phase zurück. Sobald die Pre-Compliance-Tests erfolgreich bestanden wurden, geht der Prüfling zur vollständigen Konformitätsprüfung in einem Labor oder Testhaus über. Das erfolgreiche Bestehen der erforderlichen Konformitätstests führt zu einer formellen Zertifizierung, die die Vermarktung des Geräts ermöglicht.

Abbildung 1: Der EMV-Prüfprozess (Quelle: Rohde & Schwarz)

Formale Konformitätstests erfordern spezifische Testumgebungen und spezifische Testaufbauten. Für die Beurteilung leitungsgebundener elektromagnetischer Störungen sind die erforderliche Ausrüstung und Umgebung recht einfach. Zusätzlich zu den Prüfgeräten und dem Zubehör benötigt der Prüfingenieur lediglich eine einfache Grundplatte und einen nicht leitenden Tisch. Daher sind durchgeführte Pre-Compliance-Tests oft nahezu identisch mit vollständigen Compliance-Tests.

Andererseits erfordert die Prüfung der Konformität mit Strahlungs-EMI im Allgemeinen eine abgeschirmte Kammer oder einen geeigneten Teststandort im Freien. Aufgrund der Größe, der Kosten und der Komplexität der Konfiguration dieser Art von Einrichtungen können die meisten Pre-Compliance-Tests mit Strahlung die Compliance-Testumgebung nicht genau reproduzieren.

Daher werden bei der Durchführung von Strahlungs-Pre-Compliance-Tests häufig Änderungen vorgenommen, beispielsweise das Hinzufügen von Spielräumen zu den Messergebnissen. Beispielsweise führt eine kleinere Kammer zu höheren Emissionen als im abschließenden Konformitätstest, da der Abstand zwischen Antenne und Prüfling kleiner ist. In diesem Fall müssen die Emissionsgrenzwerte angehoben werden, um den stärkeren Signalen Rechnung zu tragen. Der Übergang von einem typischen Compliance-Abstand von zehn Metern zu einem typischen Pre-Compliance-Abstand von drei Metern, wie in Abbildung 2 dargestellt, könnte etwa 10 dB höhere Emissionsgrenzwerte erfordern.

Abbildung 2: Bei abgestrahlten Pre-Compliance-Tests ist der Abstand zwischen Prüfling und Antenne für die Bestimmung geeigneter Grenzwerte relevant. (Quelle: Rohde & Schwarz)

Es gibt zwei Hauptkategorien von Testinstrumenten, die für Pre-Compliance-Tests verwendet werden. Spektrumanalysatoren und EMI-Empfänger werden am häufigsten zur Messung von Emissionsgrenzwerten verwendet, während Oszilloskope hauptsächlich zur Fehlersuche und Fehlerbehebung eingesetzt werden.

EMI-Empfänger und Spektrumanalysatoren (Abbildung 3) sind Instrumente im Frequenzbereich. Sie messen und zeigen die Leistung als Funktion der Frequenz an. Die Frequenzbereichsanalyse ist für EMI-Tests unerlässlich, da leitungsgebundene oder abgestrahlte Leistungspegel über einen durch eine Norm definierten Frequenzbereich gemessen werden. Spektrumanalysatoren und EMI-Empfänger verwenden automatisierte Routinen, die den interessierenden Frequenzbereich durchlaufen oder scannen. Diese Funktionalität ist entweder eine integrierte Funktion des Instruments oder wird durch Software implementiert.

Abbildung 3: EMI-Empfänger und Spektrumanalysatoren sind typische Testinstrumente für Pre-Compliance-Tests. (Quelle: Rohde & Schwarz)

Ein „bestandenes“ Ergebnis liegt vor, wenn alle Messwerte eine definierte Leistungs-Frequenz-Grenzlinie unterschreiten. Diese maximalen Leistungswerte können entweder direkt am Prüfgerät konfiguriert oder in das Prüfgerät geladen werden.

Detektoren bestimmen, wie Messungen während eines Intervalls zu einem einzigen Messpunkt zusammengefasst werden. In Abbildung 4 sehen Sie die Messung eines gepulsten Signals. Die Ergebnisse wurden für jedes Signalintervall mit unterschiedlichen Detektortypen berechnet. Der Durchschnittsdetektor liefert einfach den Durchschnittswert über jedes Intervall. Der Spitzendetektor wählt den Maximalwert in jedem Intervall aus. Quasi-Peak-Detektoren wurden ursprünglich entwickelt, um den subjektiven Belästigungspegel besser anzuzeigen, den ein Hörer empfindet, wenn er impulsive Störungen eines AM-Radiosenders hört. Quasi-Peak- oder CISPR-Detektoren werden heute im Allgemeinen verwendet, um die Interferenz eines Signals anhand einer Art Lade- und Entladeverhalten zu messen. Die Wirkung verschiedener Detektortypen ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Gängige Detektortypen (Quelle: Rohde & Schwarz)

Mit einem Peak-Detektor durchgeführte Messungen sind viel schneller als solche mit einem Quasi-Peak-Detektor, normalerweise um mindestens mehrere Größenordnungen. Darüber hinaus sind die Ergebnisse des Peak-Detektors immer höher als die Quasi-Peak-Ergebnisse. Wenn ein Prüfling die Pre-Compliance-Prüfung mit dem schnelleren Peak-Detektor besteht, besteht er auch die langsameren Tests mit einem Quasi-Peak-Detektor. Aus diesem Grund wird der Peak-Detektor häufiger bei Pre-Compliance-Tests und der Quasi-Peak-Detektor bei Compliance-Tests häufiger verwendet

Darüber hinaus werden bei EMI-Pre-Compliance-Tests häufig Spektrogramme eingesetzt. Ein Spektrogramm ist eine Darstellung der Leistung gegenüber der Frequenz gegenüber der Zeit. Um diese drei Größen nur in zwei Dimensionen darzustellen, wird die Signalstärke oder -intensität dem sichtbaren Farbspektrum zugeordnet, wobei Rot die maximale Leistung und Lila oder Violett die minimale Leistung anzeigt. Die aktuellsten Messwerte erscheinen in der oberen Zeile des Displays und „fließen“ dann nach unten.

Spektrogramme sind nützlich, weil sie zeigen, wie sich Signale im Laufe der Zeit und über einen Frequenzbereich hinweg verändern. Dies ermöglicht eine einfache Identifizierung von zeitlich variierendem Signalverhalten wie Driften oder Frequenzspringen. Spektrogramme machen es auch einfach, kleine Signale bei Vorhandensein größerer Signale zu erkennen. Die meisten Spektrumanalysatoren und EMI-Empfänger verfügen standardmäßig über Spektrogramme, und Spektrogramme sind auch bei Oszilloskopen üblich, wenn sie Frequenzbereichsinformationen im sogenannten FFT-Modus (Fast Fourier Transform) anzeigen.

Bei der EMI-Prüfung ist das Eingangssignal weder bekannt noch kontrollierbar. Daher ist es möglich, dass Signale außerhalb des Bandes oder „außerhalb des Bildschirms“ den ersten Mischer des Testgeräts überlasten und zu Komprimierung oder Verzerrung führen, was zu ungültigen oder irreführenden Messergebnissen führt.

Die Vorwahl schützt den ersten Mischer. Es ist als umschaltbare Filterbank implementiert, die es einem EMI-Empfänger ermöglicht, nur die interessierenden Frequenzen auszuwählen. Der jeweilige Filter wird vom Empfänger automatisch basierend auf der konfigurierten Eingangsfrequenz ausgewählt. Viele EMI-Standards erfordern eine Vorauswahl des „Messinstruments“. Aus diesem Grund werden Konformitätstests mit EMI-Empfängern und nicht mit Spektrumanalysatoren durchgeführt. Viele Spektrumanalysatoren verfügen auch über eine Funktion namens Preselection, allerdings handelt es sich dabei meist um eine Hochpassfilterung auf Basis der YIG-Technologie und nicht um eine umschaltbare Filterbank.

Das klassische Messverfahren von EMI-Empfängern ist der schrittweise Frequenzscan mit kleiner Auflösungsbandbreite. Es handelt sich um eine hochgenaue, aber langsame Methode, insbesondere für Anwendungen mit großen Spektralbereichen wie Messungen abgestrahlter Emissionen.

Moderne EMI-Empfänger unterstützen Zeitbereichsscans, indem sie den Messbereich in große Spektrumblöcke aufteilen. Das Instrument digitalisiert und verarbeitet jedes einzelne davon mittels FFT. Der Zeitbereichsscan bietet eine deutliche Geschwindigkeitsverbesserung gegenüber dem schrittweisen Scan, ohne dass die Genauigkeit darunter leidet. Der Zeitdomänen-Scan ist für die Verwendung in den meisten Arten von Compliance-Tests zugelassen und kann auch bei Pre-Compliance-Tests erhebliche Zeiteinsparungen ermöglichen.

Oszilloskope sind in erster Linie Messungen im Zeitbereich. Sie sind ein wertvolles Messinstrument zum Auffinden, Debuggen oder Beheben von Quellen fehlerhafter Emissionen. Viele moderne Oszilloskope unterstützen auch Frequenzbereichsmessungen. Darüber hinaus verfügen moderne Oszilloskope im Allgemeinen über eine große Bandbreite. Mit Oszilloskopen können sowohl leitungsgebundene als auch abgestrahlte Signale untersucht werden.

Ein potenzieller Nachteil der Verwendung von Oszilloskopen für Pre-Compliance-Tests besteht darin, dass sie Grenzwertlinien normalerweise nicht nativ unterstützen, obwohl Grenzwertlinien und andere EMI-bezogene Funktionen in externer Software implementiert werden können.

Einige Oszilloskope können zur Anzeige und Analyse von Frequenzbereichsdaten verwendet werden, indem eine FFT an erfassten Zeitbereichsdaten durchgeführt wird. Dies ist hilfreich für Pre-Compliance-Tests, da Zeit- und Frequenzbereichsdaten gleichzeitig angezeigt werden. Benutzer können Ereignisse in einer Domäne mit Ereignissen in einer anderen Domäne korrelieren. Dies ist äußerst hilfreich beim Debuggen von EMI-Problemen, insbesondere wenn die Oszilloskope mit einem Frequenzbereichstrigger ausgestattet sind. Dieser Auslöser tritt auf, wenn eine Frequenzmaske oder ein Frequenzbereich verletzt wird, wie in Abbildung 5 dargestellt. Sobald das Oszilloskop durch dieses Ereignis im Frequenzbereich ausgelöst wurde, kann das zugehörige Ereignis im Zeitbereich analysiert werden, um die Grundursache für diesen Verstoß zu ermitteln.

Abbildung 5: Ein Frequenzmaskentrigger kann verwendet werden, um die Ursache dieser Verletzung im Zeitbereich zu identifizieren. (Quelle: Rohde & Schwarz)

Dank der großen Bandbreite und der Möglichkeit, Zeit- und Frequenzbereichsdaten zu korrelieren, sind Oszilloskope sehr wertvoll für die Fehlerbehebung bei Problemen, die bei Pre-Compliance-Tests entdeckt wurden. Funktionen wie Spektrogramme und Grenzwertlinien können von allen drei Instrumenten unterstützt werden. EMI-Empfänger bieten zusätzlich Vorauswahl und Zeitbereichsscans. EMI-Empfänger werden für vollständige Konformitätstests verwendet und ihre Verwendung für Tests vor der Konformität führt zu einer engeren Korrelation mit den Ergebnissen der Konformitätstests.

Darüber hinaus gibt es eine Reihe unterschiedlicher Werkzeuge und Zubehörteile, die für Precompliance-Messungen notwendig sind.

Bei durchgeführten Emissionstests wird ein Leitungsimpedanzstabilisierungsnetzwerk (LISN) verwendet. Eine der Hauptfunktionen eines LISN besteht darin, eine stabile Impedanz am AC-Netzleitungsende des EUT-Netzkabels bereitzustellen. Da die Impedanz einer Steckdose stark variieren kann, sorgt ein LISN für konsistente, wiederholbare Ergebnisse, unabhängig davon, wo der Test durchgeführt wird. Darüber hinaus verhindert es, dass alle im Wechselstromnetz vorhandenen HF-Signale über das Netzkabel des Prüflings in den Prüfling gelangen. Dadurch wird sichergestellt, dass alle gemessenen Emissionen vom Prüfling stammen und nicht über das Wechselstromnetz eingeleitet werden.

Strahlungskonformitätstests werden immer im sogenannten Fernfeld durchgeführt, wobei die Antenne mehrere Meter vom Prüfling entfernt platziert wird. Aufgrund der breiten Frequenzbereiche, die in den meisten Strahlungsprüfnormen gefordert werden (typischerweise 1 GHz oder mehr), ist eine Breitbandantenne oder eine Kombination von Antennen erforderlich, um den gesamten Frequenzbereich effizient abzudecken. Einige gängige Beispiele sind logarithmisch-periodische Antennen oder bikonische Antennen.

Die gleichen Antennentypen können sowohl bei Konformitäts- als auch bei Vorab-Konformitätstests verwendet werden. Bedenken Sie jedoch, dass die Abstände zwischen der Antenne und dem Prüfling bei Vorab-Konformitätstests oft kürzer sind, was Änderungen an den Strahlungsgrenzlinien erfordert.

Im Hinblick auf die Fehlersuche bzw. Beseitigung von Emissionsursachen sind diese Antennentypen jedoch nicht geeignet. Sie sind zu groß und zu sperrig, um genaue Informationen darüber zu liefern, welcher Teil oder welche Komponente des Prüflings nicht konforme Emissionen erzeugt.

Nahfeldsonden sind geeignete Hilfsmittel für den Einsatz in unmittelbarer räumlicher Nähe zur Emissionsquelle. Aus praktischen Gründen liegt das Nahfeld beim EMI-Debugging in der Größenordnung von einigen Zentimetern. Aufgrund ihrer geringen Größe und der Möglichkeit, sie physisch nahe an der Quelle zu positionieren, verfügen Nahfeldsonden über eine hohe räumliche Auflösung. Sie ermöglichen es Benutzern, die Quelle einer Emission genau zu lokalisieren, beispielsweise einen Pin eines Chips oder eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte. Nahfeldsonden hingegen unterstützen nur relative Messungen. Sie können zum Auffinden von Emissionsquellen verwendet werden, können jedoch nicht zur Messung genauer Leistungspegel zur Überprüfung von Grenzwerten verwendet werden.

Abbildung 6: Typische Nahfeldsonden für Pre-Compliance-Tests (Quelle: Rohde & Schwarz)

Bei Pre-Compliance-Tests wird häufig spezielle Software verwendet, meist zur Skripterstellung oder Automatisierung von Tests. Die Software kommuniziert mit mehreren Instrumenten und Zubehörteilen oder steuert diese über eine einzige Benutzeroberfläche. Auch Antennenfaktoren, Kabeldämpfung etc. lassen sich problemlos in die Messergebnisse einbeziehen. Darüber hinaus werden die gemessenen Daten erfasst und mit erweiterten Optionen angezeigt, z. B. benutzerdefinierten Grenzwertlinien. Dies bietet eine höhere Geschwindigkeit und eine bessere Wiederholbarkeit als der manuelle Betrieb und ermöglicht die schnelle und genaue Durchführung von Pre-Compliance-Tests auch von Benutzern, die relativ neu im Bereich Pre-Compliance-Tests sind.

Pre-Compliance-Tests sparen Zeit und Geld, da potenzielle Probleme frühzeitig im Designzyklus entdeckt werden. Der Einsatz der richtigen Tools und Techniken während der Pre-Compliance-Tests erhöht die Chance, vollständige Compliance-Tests gleich beim ersten Mal zu bestehen, erheblich.

emiPaul DenisowskiPre-Compliance-Tests

Paul Denisowski ist Anwendungstechniker bei Rohde & Schwarz, wo er auf Interferenzsuche, Peilung und Mobilfunknetztests spezialisiert ist. Er verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung im Bereich Test und Messung.

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