Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
PDF download
645 MHz Echtzeitbandbreite für Full-Compliance-Messungen mit dem TDEMI X : Ausgabe 14/2016, 31.08.2016

Hohe Auflösung über den gesamten Messbereich in kurzer Scan- und Testzeit

Moderne Messgeräte erleichtern EMV-Tests nach zivilen (z.B. CISPR, EN), militärischen (MIL461) und avionischen Normen (DO160) sowie nach Funkstandards im Bereich 10 Hz bzw. 9 kHz bis 40 GHz. Analog- Digital-Wandler mit einem Topverhältnis von Signal zu Rauschleistungsdichte und schnelle FPGAs verschaffen etwa dem TDEMI X hohe Messgenauigkeit bei gleichzeitig vervielfachter Messgeschwindigkeit.

Autor: Stephan Braun, Arnd Frech, Gauss Instruments, München

Bilder: Gauss

Die elektromagnetische Verträglichkeit, EMV, misst man traditionell mittels Superheterodynempfänger. Jedoch ist es sehr aufwendig, sämtliche Frequenzpunkte des zu messenden Frequenzbereichs sequentiell zu erfassen und auszuwerten. Der Einsatz von sehr schnellen Analog-Digital-Wandlern und leistungsfähigen FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) erlaubt die Messung der elektro-magnetischen Verträglichkeit in Echtzeit über den Bandbereich von 162,5 MHz mit dem TDEMI Messempfänger. So kann man z. B. das gesamte Spektrum einer leitungsgebundenen Emissionsmessung nach CISPR 16-2-1 in Echtzeit messen und anzeigen.

Alle Frequenzpunkte werden gleichzeitig gemessen

Seit 2013 ist die Echtzeitbandbreite dank des TDEMI X auf 325 MHz erhöht, wodurch man neben der leitungsgebundenen Emissionsmessung nach CISPR 16-2-1 auch Störleistungen mit der Gleitzangenbahn gemäss CISPR 16-2-2 in Echtzeit messen kann. Durch die Weiterentwicklung der Analog-Digital-Wandlertechnik sowie der FPGA-Technologie besteht jetzt die Gelegenheit, ein Spektrum mit Quasipeak und CISPR-Average Detektoren gemäss der Norm CISPR 16-1-1 über einen Bandbereich von 645 MHz in Echtzeit gleichzeitig zu messen. Dabei werden alle Frequenzpunkte gleichzeitig gemessen und zur Anzeige gebracht. Von entscheidender Bedeutung ist, dass der Echtzeitmodus des TDEMI X an jedem Frequenzpunkt die Norm CISPR 16-1-1 2007 vollständig einhält. Bei der Anzeige der Frequenzpunkte sind alle Anforderungen der Norm CISPR 16-1-1 Ed. 3.1 erfüllt, auch die geforderte lückenlose Auswertung. Beim TDEMI X tastet eine hochlineare Analog-Digital-Wandlereinheit das Eingangssignal im Frequenzbereich von DC bis 1 GHz ab und digitalisiert es. Dabei kommt zusätzlich eine Vorselektion mit hochlinearen Vorverstärkern zum Einsatz. Für Messungen oberhalb des Basisbands braucht es eine breitbandige Frequenzumsetzung mit integrierter Vorselektion. Die spektrale Darstellung erfolgt dann digital superheterodyn oder mittels Kurzzeit-FFT. Durch das mehrstufige Analog-Digital-Wandlersystem geschieht die Digitalisierung in Gleitkommazahlarithmetik. Mehrere kombinierte 12-Bit-Analog-Digital-Wandler arbeiten dazu auf dem neusten Stand der Technik. Mit einem äquivalenten Dynamikbereich von etwa 22 Bit ist es möglich, eine hohe Sensitivität von ca. −25 dBµV (CISPR Band B) zu erreichen und gleichzeitig Pulse von mehreren Volt vollständig zu erfassen. Mittels FPGAs, deren Rechenleistung rund 200 handelsüblichen PCs entspricht, erfolgt die Auswertung in einer Bandbreite von 645 MHz lückenlos in Echtzeit – mit bis zu 64 000 gleichzeitig gemessenen Frequenzpunkten.

Echtzeit-Messempfängermodus – ­Spektrogrammmodus – ist normgerecht

Der Spektrogrammmodus vereint die Vorteile des Single-Frequency-Modus eines klassischen Messempfängers mit der Möglichkeit, die Messung an allen Frequenzpunkten über einen Bandbereich von 645 MHz durchzuführen. Die Timing-Analyse kann während oder nach der Messung an einem oder mehreren Frequenzpunkten durchgeführt werden. Alle Betriebsarten lassen sich auch fernsteuern, um z. B. Abnahmemessungen vollständig zu automatisieren und die Daten zu exportieren. Bei allem ist das TDEMI X voll normkonform.

Die typischen Scanzeiten mittels Superheterodynempfänger (klassisch) betragen zwischen 24 min (bei 9 bis 150 kHz) und 5,5 h (30 MHz bis 1 GHz). Der TDEMI X mit Option 645M-UG ist nach spätestens 3 s mit der selben Aufgabe fertig. Ähnliche Vorteile ergeben sich auch im Vergleich bei Spitzenwert- und Mittelwertdetektor parallel. Bei der Messung beispielsweise eines CISPR-B-Pulses mit 0,6 Hz Pulswiederholrate für Peak und Quasipeak beträgt die eingestellte Verweildauer 500 ms, wobei die Darstellung über den Zeitraum von 5 s lückenlos ist. Man erkennt, wie die einzelnen Pulse mit dem Spitzenwertdetektor erfasst werden und gleichzeitig mit dem Quasispitzenwertdetektor kontinuierlich bewertet werden. Ferner ist zu sehen, dass das System eine hohe Dynamik aufweist, sogar deutlich mehr als von CISPR 16-1-1 gefordert. Mittels einer hochlinearen Eingangsstufe kann der Puls somit ohne Verzerrungen gemessen werden.

Einfache Bedienung und intuitives User-Interface

Die Bedienoberfläche der TDEMI Messgeräte besitzen einen Touchscreen, über welchen die verschiedenen Betriebsarten des Messgeräts angewählt und auf einfachste Art und Weise gesteuert und bedient werden können. Grenzwertlinien, Korrekturfaktoren, Transducersets, sämtliche Einstellungen und Scanlisten können abgespeichert werden und in Verzeichnissen übersichtlich und strukturiert abgelegt und geladen werden. Leitungsgeführte Emissionsmessungen von 9 kHz bis 30 MHz kann man innert 1 s pro Phase mit den Detektoren CISPR-Average und Quasipeak parallel durchführen. Auch Messungen gemäss VG-, MIL- und DEF-STAN-Normen sind in diesen Bandbereichen sehr schnell gemacht. Beispielsweise dauert eine Messung von 10 Hz bis 10 kHz mit 10 Hz ZF-Bandbreite etwa 1 s.

Zur Störleistungsmessung im Bereich 30 bis 300 MHz eignet sich der Spektrogrammmodus. Hierbei bewegt sich die Gleitzangenbahn lediglich einmal in einer kontinuierlichen Bewegung über die gesamte Strecke von 6 m. Eine vollständige Messung dauert somit nur noch wenige Sekunden und ist deutlich reproduzierbarer im Vergleich zu anderen Verfahren mit Vor- und Nachmessung oder bei der Verwendung von Messempfängern mit geringerer Echtzeitbmandbreite. Die hohe Reproduzierbarkeit erkennt man unter anderem daran, dass bei den Messergebnissen keine Sprünge oder Artefakte auftreten.

Am Ende setzt man beide Messungen zu einem Graf zusammen

Bei gestrahlten Emissionsmessungen im Bereich 30 MHz bis 1 GHz ist es erforderlich, Messungen mit zwei Antennenpolarisationen über mehrere Höhen und über alle Winkel durchzuführen. Durch die Echtzeitbandbreite von 645 MHz misst man zunächst den Bereich 30 bis 645 MHz vollständig mit den Detektoren Quasipeak und CISPR Average. Ist der Prüfling nicht stationär, so kann an den kritischen Positionen zusätzlich länger verweilt werden. Ist die Messung abgeschlossen, wiederholt man die Messung im Bereich 645 MHz bis 1 GHz. Am Ende setzt man beide Messungen zu einem Graf zusammen. Man erhält dann die Abstrahlung des Prüflings für alle Höhen und alle Winkel bei allen Frequenzen vollständig mit Quasipeak und CISPR Average. Vergleicht man nun die gesamte Prüfzeit, so stellt man fest, dass man eine Prüfzeit erhält, die im Wesentlichen der Messzeit für die Maximierung von lediglich zwei Frequenzpunkten nach den alten Verfahren mit Vor- und Nachmessung entspricht. Darüber hinaus wird die Messqualität deutlich erhöht. Oberhalb von 1 GHz sorgt die hohe Echtzeitbandbreite für schnelle Scanzeiten und erlaubt auch wiederum im Spektrogrammmodus eine Maximierung über einzelne Frequenzbänder. Eine sehr schnelle Messung bis 1 GHz lässt sich z. B. auch zur Emissionsmessung von Schienenfahrzeugen nach EN50121 einsetzen. Die Sweepzeit beträgt etwa 40 ms. Durch Speicherung der Daten über einen Zeitbereich von mehreren Sekunden kann man weitere Auswertungen vornehmen.

Wirtschaftliche Aspekte sprechen klar für die modernen Messgeräte

Prüfverfahren, welche Vor- und Nachmessung verwenden, sind in der Regel mit hohen Kosten und hohem zeitlichen Aufwand verbunden. Bei einer Vor- und Nachmessung bleibt zusätzlich immer eine Unsicherheit bestehen, welche sich daraus ergibt, dass Prüflinge sich zwischen der Vor- und Nachmessung unterschiedlich verhalten und verändern können. Durch den Einsatz von volldigitalen Mess- geräten wie dem hoch genauen und sehr schnellen TDEMI X mit einer Echtzeitbandbreite von 645 MHz ist es heute möglich, für Störspannungsmessungen oder Störleistungsmessungen sowie gestrahlte Emissionsmessungen zum einen die Prüfzeiten deutlich zu verringern und zum anderen gleichzeitig die Prüfqualität deutlich zu erhöhen.

Der TDEMI X Echtzeitspektrogrammmodus vereint alle Vorteile der zur Maximierung verwendeten Einzelfrequenzpunktmessung eines klassischen Empfängers mit der Möglichkeit, alle Frequenzen über einen Bandbereich von 645 MHz gleichzeitig zu erfassen und zu maximieren. Weitere Einsatzbereiche sind deshalb z. B. die sehr schnelle Emissionsmessung von Schienenfahrzeugen oder neuartige Anwendungen wie z. B. im Bereich der E-Mobility und Hybridfahrzeuge. 

Datenblatt TDEMI X: 14_16.53.pdf

Infoservice

GAUSS INSTRUMENTS GmbH
Agnes-Pockels-Bogen 1, DE-80992 München
Tel. 0049 89 540 469 90, Fax 0049 89 540 469 929
info@tdemi.comwww.gauss-instruments.com



Blockschaltbild eines TDEMI eXtreme Messempfängers


Spektrogrammmodus mit Quasipeak (QP, grün) und Spitzenwert (MaxPeak, rot) parallel in Echtzeit über 30 bis 648 MHz


Emissionsmessung eines Elektromotors, Messung mit Quasipeak in Echtzeit im Bereich 30 bis 650 MHz

Firmenprofil

Die Gauss Instruments GmbH wurde 2007 von Angehörigen des Lehrstuhls für Hochfrequenztechnik der Technischen Universität München (TUM) gegründet. Die Firma entwickelt und produziert das innovative Zeitbereichsmesssystem TDEMI. Dieses Messsystem erlaubt Störemissionsmessungen und Tests im Bereich der EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) um Grössenordnungen zu beschleunigen und somit den An- und Herausforderungen heutiger moderner EMV-Untersuchungen von elektrischen und elektronischen Komponenten und Systemen von stetig zunehmender Komplexität gerecht zu werden.

3D-Spektrogrammdarstellung

Die Abbildung zeigt das Emissionsspektrum der Vorbeifahrt eines Schienenfahrzeugs. Die einzelnen Spektren – aufgenommen mit 40 ms Abstand – sind über die Zeit von 15 s dargestellt. Man erkennt deutlich, dass bei 11 s eine Breitbandstörung mit 1 GHz Bandbreite auftritt. Es folgen weitere Breitbandstörungen mit einer Bandbreite von bis zu 600 MHz. Die stationären Umgebungsstörungen sind ebenfalls zu erkennen – die FM-Rundfunksender, Funk sowie unterschiedliche GSM-Bänder sind zu sehen.