Echtzeit-Spektrumanalysatoren helfen bei Abnahmetests und Marktzulassung

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Die Gefahr bei zu niedrigen Signalamplituden

Das muss nicht unbedingt zum Auslösen eines Overload-Detektors führen, sondern kann sich durch komprimiert (zu niedrig) angezeigte Signalamplituden äußern. Oft nimmt der Anwender die komprimierten Amplitudenwerte als korrekte Messwerte an. Doch selbst wenn diese vielleicht noch unterhalb der Grenzwertlinie liegen, können die nicht komprimierten Werte die Linie bereits überschritten haben. Damit wäre die Pre-Compliance-Messung erfolgreich beendet und die Überraschung bei einer Zertifizierung vorprogrammiert.

Kritische PEAK-Signale aufspüren

Bei einer Pre-Compliance-Messung an einem Schaltnetzteil zeigte sich, dass bei der Suche nach geleiteten Störungen im vorgeschriebenen Messbereich EN 55022 zwei kritische PEAK-Signale bei 197 kHz und 329 kHz auftreten, die knapp unter den Grenzwerten liegen.

Diese sind auch nach Bewertung durch den Quasi-Peak-Detektor noch im gültigen Bereich. Betrachtet der Anwender auch den Bereich unterhalb 100 kHz, dann taucht bei 65,8 kHz ein Störer mit einer hohen Signalamplitude von 110 dBuV auf. Allein diese Amplitude könnte bei manchen Spektrumanalysatoren den HF-Eingang übersteuern. Der gesamte Energieinhalt des Spektrums (bei einem 3-GHz-Analysator sind das 3 GHz) trägt zur Aussteuerung bei. In diesem Fall sind die Signale bei 197 kHz (3x) und 329 kHz (5x) Harmonische der Grundfrequenz des Schaltnetzteils und zudem übersteuert, also komprimiert. Betrachtet man allein den vorgeschriebenen Messbereich ist das auf den ersten Blick nicht zu erkennen.

Eine Übersteuerung mit einem steilen Hochpass-Filter vermeiden

Expertentipp: Ein vorgeschalteter Hochpassfilter mit 150 kHz schützt den HF-Eingang vor einer Übersteuerung

Aus diesem Grund wird empfohlen, bei geleiteten EMI-Diagnose-Messungen mit einem Spektrumanalysator zur Sicherheit einen steilen 150-kHz-Hochpass-Filter einzusetzen. Das Gleiche gilt generell bei einem unbekannten Messobjekt. Dieser Hochpassfilter hätte die Grundfrequenz bei 65,8 kHz um etwa 60 dB unterdrückt. Die Übersteuerung wäre vermieden und das Messergebnis richtig.

Um genaue Pegelmessungen auch an kurzzeitigen oder impulsartigen Signalen zu gewährleisten, wird eine hohe zeitliche Auflösung benötigt. Der Spektrumanalysator muss alle Daten ohne Unterbrechung verarbeiten, damit dem Anwender kein Signal entgeht. Dann ist mit einer Nachleuchtfunktion möglich [2]. Hierzu schreibt der Spektrumanalysator alle gemessenen Spektren in einen Speicher und zeigt sie dann in einem Diagramm übereinander an.

Schnelle Einschwingvorgänge und Spikes erkennen

Je nach Häufigkeit, mit der ein Signal mit einem Amplitudenwert auftritt, erhält es eine andere Farbe. Signale, die kontinuierlich vorkommen, sind beispielsweise rot, sehr seltene blau. Taucht ein Signal in einer vorher eingestellten Nachleuchtzeit nicht mehr auf, verschwindet es.

Damit können Anwender schnelle Einschwingvorgänge und Spikes erkennen und analysieren. Die lückenlose Darstellung sämtlicher auftretender Frequenzen und Amplituden mit Wahrscheinlichkeitsgewichtung vermittelt einen neuen Eindruck vom dynamischen Verhalten des Systems im Frequenzraum.

Der Anwender sieht, ob bei einem Sender schnelle Frequenzsprünge vorkommen oder ob sich die Amplitude kurzzeitig stark verändert. Effekte wie diese können das Verhalten eines Gesamtsystems stark beeinflussen, sind aber ohne Nachleuchtfunktion nur schwer zu erfassen.

Wie das Pulsspektrum sichtbar wird

EMV-Messung mit breitbandigem Störer: Bei herkömmlichen Darstellungsfunktionen von Spektrumanalysatoren erkennt man zwar über einen Max-Hold-Detektor (blaue Kurve) den breitbandigen Störer. Über die Auto-Peak-Kurve (gelb) sind ansonsten aber nur vereinzelte Schmalbandsignale erkennbar.(oben) Erst mit der Nachleuchtfunktion wird ein Pulssignal sichtbar, das bei der herkömmlichen Anzeige überdeckt war. (unten)

In dem dargestellten Messbeispiel überlagert ein Breitbandstörer, hier ein nicht korrekt entstörten Scheibenwischermotor, ein Pulsspektrum. Das Pulsspektrum ist mit herkömmlichen Darstellungsfunktionen von Spektrumanalysatoren nicht erkennbar.

Doch mit der Nachleuchtfunktion das Pulsspektrum deutlich sichtbar. Kann der Anwender das Signal in dieser Darstellung zudem markieren und herausvergrößern, so lässt sich in kürzester Zeit die Ursache der Störung herausfinden und beheben.

Ergänzendes zum Thema

Spektrumanalyse in der EMV

Mit EMV-Funktionen wie beispielsweise CISPR- und MIL-Bandbreiten, CISPR-Detektoren, Grenzwertlinien, beachten der Korrekturwerttabellen und logarithmischer Sweepdarstellung lassen sich mit den Spektrumanalysatoren EMV-Messungen auf Diagnose- und Pre-Compliance-Ebene realisieren.

Die Ursachensuche sporadisch auftretender Fehler ist mit einem herkömmlichen gesweepten Spektrumanalysator oft zeitraubend und aufwändig.

Hier bieten Echtzeit-Spektrumanalysatoren einen echten Vorteil. Entscheidend ist dabei, dass sie sehr schnelle Messgeschwindigkeiten aufweisen, um kurzzeitige oder extrem seltene Störsignale zu erfassen. Zusammen mit einer Nachleuchtfunktion wird das Aufspüren von sporadisch auftretenden Störungen sehr erleichtert.

Literatur

[1] CISPR 16-1-1, 2010 (Ed.3): Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods

[2] Dr. Wolfgang Wendler: „Echtzeit Spektrumanalysator FSVR: Nichts bleibt ihm verborgen“, Magazin Neues von Rohde & Schwarz Nr. 202 (2010/III), S. 14-17.

* * Volker Janssen ist als Ingenieur der Nachritentechnik für das Produktmanagement EMV-Messtechnik bei Rohde & Schwarz zuständig.

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