Understanding EMI debugging with oscilloscopes

В чем заключается выявление ЭМП?

Испытание на соответствие ЭМП проводится в так называемом «дальнем поле», где радиосигнал распространяется в пространстве в виде более или менее плоской волны, электрические и магнитные составляющие которой имеют примерно одинаковую величину. В зависимости от частоты сигнала, передающей антенны и т. п. дальнее поле начинается на расстоянии одной или двух длин волн от источника. Испытание на соответствие в дальней зоне выявляет существующие проблемы в виде излучений с уровнем выше заданного порогового значения.

С другой стороны, выявление ЭМП, проводится в «ближнем поле», что позволяет определить место возникновения проблемы, то есть конкретный компонент, провод, дорожку и т. п., вызывающий нежелательное излучение. Чтобы устранить нежелательные излучения и сделать устройство, которое будет соответствовать требованиям стандартов, важно знать, какая часть устройства порождает эти излучения.

Процесс выявления ЭМП состоит из трех этапов:

• Обнаружение и определение характеристик излучений
  каковы частоты и уровни нежелательных сигналов? Демонстрируют ли эти сигналы характеристики, которые могли бы помочь их идентифицировать? Например, кратны ли они тактовому сигналу?
• Определение физического источника излучений
  какие компоненты, провода, дорожки и т. п. способствуют появлению этих выбросов?
• Использование различных методов ослабления
  таких как заземление и экранирование, для удаления или, по крайней мере, снижения уровня этих излучений.

Наиболее распространенными инструментами, используемыми при выявлении ЭМП, являются пробники ближнего поля и осциллографы..

Пробники ближнего поля, используемые для выявления ЭМП

Пробники ближнего поля отличаются от пассивных или активных пробников, используемых в большинстве осциллографических измерений других типов. Пробники ближнего поля можно разделить на две основные группы: пробники магнитного поля и пробники электрического поля.

Во многих случаях уровни электромагнитного излучения могут быть довольно низкими, поэтому иногда между пробником и осциллографом также включают предусилитель. Если предусилитель не используется, необходим чувствительный осциллограф. Выбор и использование подходящего пробника критически важны для получения хороших результатов при выявлении и устранении ЭМП.

Пробники магнитного поля (пробники поля H)

Пробники магнитного поля обычно имеют форму петли (рамки). Максимальный отклик возникает, когда рамка находится под углом 90 градусов к сигналу или когда магнитное поле «пронизывает рамку». Минимальный отклик возникает, когда рамка расположена параллельно сигналу. Как правило, во время поиска неисправностей рамку вращают. Что касается размера рамки, существует компромисс между разрешением и чувствительностью:

• большая рамка более чувствительна, но имеет более низкое пространственное разрешение
• меньшая рамка менее чувствительна, но позволяет сузить диапазон поиска местоположения источника сигнала

Обратите внимание, что в крайнем случае можно сделать грубый пробник магнитного поля из обычного пассивного пробника, просто подключив заземляющий провод пробника к его наконечнику.
Существует второй тип безрамочного магнитного пробника ближнего поля, который имеет очень высокое пространственное разрешение. Его также можно использовать для определения тока на поверхности ИС или через конденсаторы. Магнитное поле обнаруживается в зазоре на наконечнике пробника, обозначенном белой линией на приведенном ниже изображении.

Пробники электрического поля (пробники поля E)

Пробники электрического поля имеют максимальный отклик при их размещении параллельно измеряемому электрическому полю. Для большинства проводников электрическое поле перпендикулярно поверхности проводника, поэтому пробники электрического поля удерживаются перпендикулярно испытуемым проводникам.

Пробники большой площади используются для измерения электрических полей, излучаемых структурами с большей площадью поверхности. Верхняя часть такого пробника электрически экранирована, и измерения проводятся с использованием нижней стороны пробника.

Меньшие по размеру пробники ближнего электрического поля экранированы с целью подавления полей от других соседних структур. Эти пробники обладают очень высокой пространственной избирательностью: как правило, менее миллиметра. Это значит, что их чаще всего используют для локализации отдельной узкой дорожки на печатной плате.

Осциллографы, используемые в частотной области

Если говорить об использовании осциллографов при выявлении и устранении электромагнитных помех, важным моментом здесь является то, что осциллографы обычно используются для наблюдения амплитуды, то есть напряжения во временной области.
В то же время, для выявления ЭМП изучается зависимость уровня нежелательных излучений от частоты. То есть, требуется проводить измерения в частотной области. Преобразование из временной области в частотную выполняется с помощью быстрого преобразования Фурье или БПФ. Большинство современных цифровых осциллографов поддерживают функцию БПФ-анализа, хотя производительность и функциональность могут значительно различаться в зависимости от осциллографа. Работа в режиме БПФ на осциллографах обычно очень схожа с работой на анализаторах спектра, например, в части таких операций, как установка центральной частоты, полосы обзора или полосы разрешения.
Помимо основных функций БПФ, в этом режиме доступны дополнительные полезные функции, такие как спектрограммы, запуск по частотной маске и списки пиковых значений.

Спектрограммы

График БПФ показывает стандартное представление сигнала в частотной области в виде зависимости мощности от частоты. Спектрограмма добавляет временное измерение, другими словами, отображает зависимость мощности от частоты и от времени. На спектрограмме по вертикальной оси откладывается время, а распределение мощности отображается с помощью цветовых уровней. В большинстве стандартных цветовых схем спектрограмм более высокая мощность обозначается красным цветом, а более низкая мощность — фиолетовым.

Обратите внимание, что используемая цветовая таблица или карта очень часто имеет возможность регулировки для более четкого или удобного отображения представляющих интерес сигналов в зависимости от предпочтений пользователя. Спектрограммы ценны тем, что помогают визуализировать такие вещи, которые иначе было бы трудно увидеть, например, изменяющиеся во времени сигналы или непрерывные сигналы низкого уровня вблизи минимального (порогового) уровня шума.

Запуск по частотной маске

Часть проблем с ЭМП вызваны постоянно присутствующими нежелательными или паразитными сигналами, но множество проблем связано с прерывистыми сигналами, которые трудно обнаружить и/или проанализировать. Одним из способов решения проблем такого типа является возможность запуска по мощности, превышающей заданный пользователем порог на заданной частоте или в заданном частотном диапазоне. Такой запуск отличается от «обычного» запуска осциллографа, основанного на изменении напряжения во времени. Так называемый запуск по частотной маске позволяет пользователю задать маску в виде зависимости мощности от частоты. При нарушении пределов этой маски функция запуска останавливает сбор данных осциллографом, и захваченные данные затем могут быть подробно проанализированы.

Список пиковых значений

В процессе выявления и устранения ЭМП сигналы более высокого уровня или «пиковые» часто являются наиболее интересными или наиболее важными. Отчасти потому, что эти сигналы могут нарушать допустимые пороговые значения, а отчасти потому, что сигналы с более высокой амплитудой имеют тенденцию вызывать больше проблем, чем сигналы с более низкой амплитудой. Идентификация «пиков» в спектре имеет очень важное значение. Эти пики можно найти несколькими способами, например, вручную, изучив график и/или используя курсоры или маркеры. И тот, и другой способы требуют времени и подвержены ошибкам. Большинство современных осциллографов имеют функцию поиска пиков или списка пиковых значений, которая автоматически возвращает список сигналов с наивысшими амплитудами и соответствующими частотами.