Auf einen Blick

In moderner Elektronik kommen Taktraten vor, die früher als Mikrowellenfrequenzen galten. Im Zeitalter des Internet der Dinge hingegen erhalten selbst Alltagsgeräte Funkschnittstellen. Deshalb sind frühzeitige EMV-Messungen ein absolutes Muss. Entwickler würden dafür gerne ein Messgerät verwenden, das sie gewöhnlich sowieso auf dem Tisch haben: ein Oszilloskop. Dieser Artikel betrachtet die Tauglichkeit eines hochauflösenden digitalen Speicheroszilloskops High Definition (HD) DSO-S im Vergleich zu einem Signalanalysator.

Bisher war der Kauf zumindest eines Einstiegsmodells eines Signalanalysators (SA) mehr oder weniger alternativlos. Oszilloskope sind aber vielseitiger einsetzbar und in vielen Elektronik-Entwicklungsabteilungen bereits vorhanden. Gleichzeitig hat die Verbreitung schneller serieller Busse zur Ablösung der einst typischen 100- oder 300-MHz-Entwickler-Scopes durch Geräte mit 1 GHz oder mehr Bandbreite geführt. Es wäre also wünschenswert, auch für EMV-Messungen ein solches Gerät zu verwenden.

Bild 1: HD-Scopes wie das DSO-S 404A können schnelle Digitalsignale und Busprotokolle, aber auch die HF-Emissionen für die EMV messen.

Bild 1: HD-Scopes wie das DSO-S 404A können schnelle Digitalsignale und Busprotokolle, aber auch die HF-Emissionen für die EMV messen.Keysight Technologies

Gegen diese Anwendung sprachen bisher die fehlende Eingangsempfindlichkeit und der eingeschränkte Dynamikbereich. Obwohl eine FFT-Funktion mittlerweile zum Standardumfang eines modernen Scopes gehört, war es doch mühsam, im Zeitbereich die Parameter richtig zu setzen, um im Frequenzereich die richtige Darstellung und Auflösung zu erhalten. Für die EMV sind jedoch viele Einstellungen im Frequenzbereich definiert und man muss Parameter wie zum Beispiel Start- und Stopp-Frequenz sowie die Auflösebandbreite (Resolution Band Width; RBW) am besten direkt eingeben können.

Bild 2: Vorverstärkte Nahfeldsonde für das DSO-S 404A-Scope.

Bild 2: Vorverstärkte Nahfeldsonde für das DSO-S 404A-Scope.Keysight Technologies

Nahfeldsonden sind die typischen Antennen, die für entwicklungsbegleitende Messungen zum Einsatz kommen. Diese Sonden wandeln in einer kleinen Spule das im Nahbereich dominante magnetische Feld der elektromagnetischen Welle in eine messbare Spannung. Es gibt rein passive Sonden und solche, die einen Verstärker direkt nach der Spule in der Spitze der Sonde verwenden.

Das „richtige“ Oszilloskop

Mit der Einführung der Scopes der DSO-S- oder S-Serie von Agilent gibt es mehr Möglichkeiten. Diese sogenannten HD-Scopes können nun sowohl schnelle Digitalsignale und Busprotokolle als auch für die EMV die HF-Emissionen messen. Die eingebaute 10-Bit-Abtastung ist bis zu Bandbreiten von 8 GHz verfügbar und sorgt zusammen mit einem besonders rauscharmen Front-End für einen ausreichenden HF-Messbereich. Dabei erfolgt die Eingabe der Frequenzbereichsparameter wie beim SA. Darüber hinaus stehen für EMV-Messungen hilfreiche Marker- und Peak-Search-Funktionen zur Verfügung (Bild 3, Bild 4).

Bild 3: Einstellmöglichkeiten wie beim Signalanalysator direkt am großen Touchscreen; farbcodierte Häufigkeitsverteilung wie bei einem Echtzeit-SA.

Bild 3: Einstellmöglichkeiten wie beim Signalanalysator direkt am großen Touchscreen; farbcodierte Häufigkeitsverteilung wie bei einem Echtzeit-SA.Keysight Technologies

Durch die verfügbaren sehr hohen Sample-Raten lässt sich ohne zeitliche Mittelung durch Überabtastung eine höhere Auflösung von 11 oder gar 12 Bit erreichen. Eine wählbare Bandbreitenbegrenzung sorgt dafür, dass hiervon so wenig wie möglich im Rauschen verloren geht. Als Resultat bekommt man ein Messfenster mit 60 bis 65 dB Dynamik und ein angezeigtes Eigenrauschen bei typisch 10 dBµV (-97 dBm) oder besser. Das reicht aus zum Vermessen der meisten Elektronik, in der keine Leistung geschaltet wird oder sehr hohe Ströme fließen. Zudem erleichtert die Verwendung des vertrauten Oszilloskops vielen Entwickler den Einstieg in die Welt der zunehmend wichtigeren HF-Messungen.

Bild 4: Niedriges Eigenrauschen und großer nutzbarer Messbereich.

Bild 4: Niedriges Eigenrauschen und großer nutzbarer Messbereich.Keysight Technologies

Wenn immer mehr Gerätschaften mit drahtlosen Schnittstellen wie WLAN, Bluetooth 4.0 oder NFC ausgestattet sind, dann ist die Verwendung eines DSO-S ein erster Schritt in Richtung HF. Bei steigender Zahl der Anwendungen lässt sich das DSO durch den Kauf eines Signalanalysators mit erweiterten Fähigkeiten ergänzen.

Vorverstärkte Nahfeldsonden

Vorverstärkte Nahfeldsonden wie die hier gezeigte der Firma Allice Systec aus Frankfurt a.M. (Bild 2) erfassen genug H-Feld vom Prüfling, um eine Messung bei anständigem Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu ermöglichen. Insofern sind sie besser für die Verwendung mit dem HD-Scope geeignet als rein passive Sonden.

Bild 5: EMV-Spektrum eines Breitband-Störsignals gemessen mit einem Signalanalysator PXA.

Bild 5: EMV-Spektrum eines Breitband-Störsignals gemessen mit einem Signalanalysator PXA.Keysight Technologies

Zur Nachweisführung wurden Vergleichsmessungen durchgeführt mit einem PXA-N9030A-Performance-Signalanalysator mit N6141A-EMV-SW-Erweiterung und einem DSO-S 404A (4 GHz, 20 GSa/s) an einem Demo-Prozessorboard mit einem langsamen 40-MHz-Mikroprozessor, aber pulsmodulierten Signalen, die als Breitbandstörer vor allem im genormten CISPR Band B (Störspannungen 150 kHz bis 30 MHz) auftauchen.

Während der PXA wie alle SA-Modelle der X-Serie eine vollständige Abdeckung aller EMV-relevanten Messaufgaben bietet – inklusive logarithmischer Plots, Vergleich gegen Norm-Grenzwertkurven, EMV-Detektionsarten wie Quasi-Spitzenwert und RMS –, bietet das Oszilloskop mehr die Benutzerführung und Möglichkeiten eines klassischen Spektrumanalysators mit automatischem Peak-Vergleich gegen einen Schwellwert. Damit deckt es gerade die für schnelle entwicklungsbegleitende Messungen nötigen Anforderungen ausreichend ab.

Bild 5a: EMV-Spektrum eines Breitband-Störsignals gemessen mit einem High Definition DSO-S.

Bild 5a: EMV-Spektrum eines Breitband-Störsignals gemessen mit einem High Definition DSO-S.Keysight Technologies

Vollständige Abdeckung aller EMV-relevanten Messaufgaben

Sowohl hinsichtlich der gemessenen Frequenzen, der Signalform und der Amplitude stimmen die erzielten Ergebnisse sehr gut überein. Die gemessenen Peak-Amplituden unterscheiden sich nur um zirka 1 dB (Bild 4) und dies beinhaltet sogar die Messunsicherheit durch die Verwendung verschiedener Adapter (APC 3,5 mm – BNC beim Scope, APC 3,5 mm – N beim SA). Die Bandbreite des Oszilloskops war hierbei auf 1 GHz beschränkt und die Abtastrate auf 5 GSa/s eingestellt, damit nicht unnötig Rauschen in den Messbereich fällt. Ein Agilent DSO-S (verfügbar ab 500 MHz bis 8 GHz Bandbreite) eignet sich also sehr gut für EMV-Precompliance-Messungen und erlaubt Digital-Entwicklern ein problemloses Herantasten an mögliche HF-Probleme im Schaltungsdesign.