Auf einen Blick

Eine entwicklungsbegleitende Entstörung kann effizienter durchgeführt werden, indem bewährte Messplätze mit LWL-Systemen verwendet werden. Man gewinnt wesentlich mehr Informationen über Fehlvorgänge und kann den Prüfling bereits in der Entwicklungsphase zielgerichtet entstören.

Der Lichtwellenleiter trennt das Oszilloskop vom Prüfling und somit vom Störgenerator (Bild 1). Unter Umständen muss das Oszilloskop beim Messvorgang zusätzlich durch eine Schirmung von den Störvorgängen getrennt werden, um es vor Beeinflussungen zu schützen. Ein Reset kann zum Beispiel ein wichtiges Signal sein, um schnell und zielführend Probleme oder Fehler auf einer Baugruppe zu erkennen. Meist handelt es sich bei einem Reset um ein vom Störgenerator ausgelöstes empfindliches Signal. Bei einer Störbeeinflussung können Fehler auch durch das Einbrechen der Versorgungsspannungen ausgelöst werden. Weiterhin ist es möglich, dass Datenübertragungen gestört werden, wie zum Beispiel der I²C-Bus. Welche technischen Möglichkeiten gibt es, Signale während ESD- oder Burststörvorgängen zum Oszilloskop zu übertragen?

Bild 1: Messaufbau mit zweikanaligem LWL-System für das Oszillografieren von Signalen unter Störeinfluss ESD.

Bild 1: Messaufbau mit zweikanaligem LWL-System für das Oszillografieren von Signalen unter Störeinfluss ESD.Langer EMV-Technik

Lichtwellenleitersysteme eignen sich dafür sehr gut aufgrund der galvanischen Trennung und des möglichen großen Entkoppelabstandes zum Oszilloskop. Während einer ESD- oder Burststörung können digitale oder analoge Signale im Prüfling beeinflusst werden. Um analoge Signale zu übertragen, werden Analog-Digital-Wandler im Lichtwellenleitersystem benötigt. Digitale Übertragungssysteme unterscheiden sich von analogen durch den einfacheren Aufbau, ohne AD-Wandler.

Bei analogen Systemen werden die zu untersuchenden Signale mit einem schnellen AD-Wandler mit entsprechender Amplitudenauflösung und zeitlicher Auflösung erfasst. Da das digitalisierte Signal bei der Übertragung mittels eines LWL-Systems durch dessen Grenzfrequenz eingeschränkt wird, ist die zeitliche Auflösung begrenzt. Geht man von einem sehr einfach handhabbaren Kunststoff-LWL aus, liegt die Grenzfrequenz des LWL-Systems je nach Kabellänge bei zirka 25 MHz. Dies lässt nur eine obere Grenzfrequenz des analogen Systems von ungefähr 5 MHz zu.

Bei digitalen Signalen wird nur ein binäres Signal übertragen, womit sich die volle Bandbreite des optischen Systems ausschöpfen lässt. Zwar hat das digitale System weniger Informationsgehalt in der Amplitude, dafür können jedoch schnellere Signale übertragen werden. Für die Praxis sind zirka 25 MHz Grenzfrequenz zu wenig. Kurze Störungen (ns) würden im LWL-Übertragungssystem verloren gehen. Dies lässt sich durch Dehnung der kurzen Impulse auf eine übertragbare Länge umgehen.

Einkanaliges digitales Optosystem

Bei einem einkanaligen digitalen Optosystem ist es in der Praxis wichtig herauszufinden, wodurch ein Mikrocontroller gestört wird. Der Mikrocontroller kann durch Beeinflussung abstürzen und in Folge selbst einen Reset auslösen. Auch kann ein Fehler im externen Resetsystem einen Reset für den Mikrocontroller auslösen. Mit einem Lichtwellenleitersystem lässt sich dies sehr gut verfolgen und unterscheiden, ob es sich um ein internes oder externes Reset handelt. Interne und externe Quellen können zum Beispiel an der Zeitdauer des Resetsignals unterschieden werden. Benötigt wird dafür ein einkanaliges digitales LWL-System. Gleiches gilt für mehrere externe Resetquellen, die sich ebenfalls meist in der Zeitdauer des Resetsignals unterscheiden. Auf diese Weise ist es möglich, die gestörte Resetquelle herauszufinden.

Ein Resetbaustein kann auch dadurch gestört werden, dass er seine Resetzeit nicht einhält. Kritisch sind in diesem Zusammenhang zu kurze Resetsignale. Wird in einem Mikrocontroller die notwendige Mindestlänge des Resetsignals unterschritten, kann bei einem nicht synchronisierten Reset intern ein unvollständiger Reset ausgelöst werden. Abstürze sind eine mögliche Folge. Mit dem Messaufbau analog Bild 1 und einem einkanaligen LWL-System lassen sich zu kurze Resetzeit ermitteln.

Zweikanaliges digitales Optosystem

Bei einem zweikanaligen digitalen Optosystem kann ein Reset durch eine Störung des Reset-Bausteins oder, wenn vorhanden, durch ein fehlendes Watchdog-Signal des Mikrocontrollers hervorgerufen werden. Überwacht wird in diesem Fall mit zwei digitalen LWL-Systemen, wovon eines das Watchdog-Signal und das andere den Reset überwacht.

Zur Messung wird der Prüfling mit Burst oder ESD-Störung beaufschlagt. Beobachtet man im Oszilloskop, dass ein Reset ausgelöst wird und der dazu passende Watchdog-Nachtriggerimpuls vom Mikrocontroller fehlt, lässt sich daraus schließen, dass der Mikrocontroller durch die Störung direkt beeinflusst wurde. In diesem Fall sind die Ursachen des Ausfalls im Mikrocontroller selbst zu suchen. Eine Beeinflussung der Versorgungsspannung des Mikrocontrollers scheidet als Problemursache aus, da die Spannungsüberwachung des Resetbausteins nicht angesprochen hat. Wäre der Resetbaustein die Ursache, hätte dies sofort einen Reset ausgelöst bei korrekter Watchdog-Signalfolge.

Bild 2: Messaufbau mit zweikanaligem analogem LWL-System für das Oszillografieren von Signalen unter Burst.

Bild 2: Messaufbau mit zweikanaligem analogem LWL-System für das Oszillografieren von Signalen unter Burst. Langer EMV-Technik

In Bild 2 ist der Messaufbau zur Erfassung analoger Signale über LWL dargestellt. Auf ein Schirmzelt für das Oszilloskop kann in diesem Fall verzichtet werden, da der Aufbau des Burstgenerators und des Prüflings auf einer großen Massefläche erfolgt, die das Oszilloskop ausreichend vor Störungen schützt. Die optischen Systeme überwachen die Versorgungsspannungen (10 und 5 V) des Prüflings. Es gilt nachzuweisen, ob die Versorgungsspannung durch einen Burst einbricht und dies den Prüfling stört.

Angeschlossen ist der Burstgenerator am Massesystem des Prüflings. Der Weg des Störstroms erfolgt vom Generator über das Massesystem des Prüflings und über den Kapazitätsbelag der Peripheriekabel (im Bild 2 rot) gegen die Massefläche. Dieser Störstrom kann das Schaltreglersystem des Prüflings stören. Im Oszilloskop ist zu erkennen, dass beide Versorgungsspannungen einbrechen, als Ursache für das Versagen der elektronischen Schaltung. Auf Basis dieser Erkenntnis ist weiter zu untersuchen, auf welche Weise die Schaltregler gestört werden. Zum Beispiel besteht die Möglichkeit, dass die Messspannungsteiler des Schaltreglers gestört werden und die Ausgangsspannung einbricht. Mit einer Feldquelle können die Spannungsteiler lokal mit Burstfeld beaufschlagt werden, um zu prüfen, ob die Teiler die Ursache sind.

Bild 3: Messanordnung mit Koppelzange zur potenzialfreien Einspeisung der Burststörung in die Schieberegisterschaltung eines Prüflings.

Bild 3: Messanordnung mit Koppelzange zur potenzialfreien Einspeisung der Burststörung in die Schieberegisterschaltung eines Prüflings.Langer EMV-Technik

Datentransfersysteme in elektronischen Geräten können einfache Daten-Clock-Systeme mit Schieberegistern sein, oder I²C-Bus-Systeme. Zur Überwachung der korrekten Datenübertragung lassen sich Clock-, Daten- und Steuerleitungen oszillografieren. Bild 3 zeigt den Messaufbau.

Zur Entkopplung des Oszilloskops werden digitale Lichtwellenleitersysteme verwendet. Bei üblicher Einspeisung mit dem Burstgenerator sind die Störstromwege über Erde geschlossen. Das erfordert meist ein großflächiges Massebezugssystem oder ein Schirmzelt für das Oszilloskop. Kommt die Koppelzange PT4 zum Einsatz lässt sich eventuell auf diese Maßnahmen verzichten.

Störempfindliche Teilnehmer ermitteln

Zur Fehlereingrenzung sind genau platzierte Störstromwege im Prüfling hilfreich. Um diese im Prüfling zu erzeugen, ist es erforderlich, sich von dem Erdbezug des Burstgenerators zu trennen. Im Bursttrafo PT4 wird die erdbezogene Störspannung des Generators in erdfreie symmetrische Störspannung gewandelt. Mit den Trafo-Anschlusspunkten lassen sich die Störstromwege gut am Prüfling platzieren, um bestimmte Bereiche gezielt mit Störstrom zu beaufschlagen. In diesem Fall wird ein Schieberegistersystem beaufschlagt. Die verschiedenen Teilnehmer des Clock-Daten- und Steuerbusses lassen sich selektiv mit Störungen belasten und ihre Wirksamkeit über das Lichtwellenleitersystem am Bussystem verfolgen. Damit ist es möglich, die Fehler auf konkrete Busteilnehmer (ICs) einzugrenzen. Zum Beispiel kann beim I²C-Bus das „Ende“-Kommando durch Störung des sendenden Teilnehmers verloren gehen, wodurch letztlich der gesamte Bus blockiert wird. Die Frage ist hierbei, welcher Teilnehmer dies verursacht hat. Sind die Teilnehmer auf verschiedenen Baugruppen platziert, besteht die Möglichkeit, die Baugruppen selektiv mit Störstrom zu beaufschlagen, um so die Baugruppe mit dem entsprechenden störempfindlichen Teilnehmer zu ermitteln. Schwierig ist die Triggerung des Ereignisses. Ein Burstdetektor bringt den Trigger genau auf den Störvorgang und das Beeinflussungsszenario (Busabbruch). Elektronische Baugruppen mit anlogen Schaltungskomponenten sind meist besonders empfindlich gegenüber hochfrequenten Störeinkopplungen.

In Bild 4 ist ein Messaufbau für entwicklungsbegleitende Untersuchungen dargestellt. Der Prüfling wird von einem Leistungsverstärker mit HF bis 1 GHz beaufschlagt. Ein Schirmzelt verhindert, dass sich die hochfrequenten Störungen in der Umgebung ausbreiten. Der Ausgang des Leistungsverstärkers ist mit einem Anschluss des Prüflings leitungsgeführt gekoppelt. Damit breiten sich HF-Störungen über das Massesystem des Prüflings aus. Der Signalgenerator und der HF-Leistungsverstärker befinden sich im Schirmzelt und werden über USB und Netzwerkverbindungen von außen gesteuert. Die Leuchtdiodenanzeigen des Prüflings werden von einer Videokamera überwacht. Auf dem Prüfling befinden sich zwei analoge LWL-Tastköpfe, die an den Ausgängen der Operationsverstärker messen. Über LWL werden die Messsignale zum Oszilloskop übertragen. Damit können Verformungen der Kurvenverläufe bei Störeinkopplung erkannt werden. Ein zweiter möglicher Prüfaufbau wäre, den Signalgenerator und den Leistungsverstärker außerhalb des Schirmzeltes aufzustellen und das HF-Signal des Leistungsverstärkers über eine BNC-Durchführung in das Schirmzelt zum Prüfling zu leiten. Diese Variante ermöglicht eine bessere Bedienbarkeit der Geräte von Hand. Mit diesem Prüfaufbau lässt sich herausfinden, welcher Operationsverstärker auf dem Prüfling gestört wird. Gegenmaßnahmen können eingebracht und sofort in ihrer Wirkung getestet werden.

Bild 5 zeigt einen Messaufbau bei dem ein Prüfling mit HF-Feld lokal beaufschlagt wird. Die Beaufschlagung des Prüflings erfolgt mit einer Nahfeldsonde. Erzeugt werden kann ein elektrisches oder magnetisches Nahfeld. Die Sonde muss so gebaut sein, dass sie der Leistungseinspeisung des Leistungsverstärkers standhält. Um HF-Einwirkung auf die Umgebung zu verhindern, wird die Messanordnung in einem Schirmzelt aufgebaut. Da die Magnetfeldsonde nicht von Hand gehalten werden kann, wird ein spezielles Stativ verwendet (Bild 5).

Störfestigkeitsschwachstellen lokalisieren

Eine Videokamera übernimmt die Beobachtung des Prüflings wie in Bild 4 dargestellt. Der Leistungsverstärker befindet sich außerhalb des Schirmzelts. Sein Ausgang wird über eine BNC-Durchführung in das Schirmzelt zur Magnetfeldsonde geführt, die lokal ein magnetisches Feld erzeugt. Mit diesem Feld lassen sich Störfestigkeitsschwachstellen, wie beispielsweise Operationsverstärker, Analogmultiplexer oder AD-Wandler, auf der Baugruppe lokalisieren. Überwachen lassen sich diese Bausteine mit dem analogen Lichtwellenleitersystem. Der Eingang eines Operationsverstärkers kann beispielsweise das HF-Signal demodulieren und stört damit das Nutzsignal. Im Allgemeinen wird das HF-Signal mit 1KHz Amplitude moduliert. Indem der Operationsverstärker das Signal demoduliert, wird dieses 1KHz in seinem Ausgangssignal gefunden. Als Gegenmaßnahme besteht die Möglichkeit, die Eingangsbeschaltung des Operationsverstärkers zu verbessern. Die Wirkung dieser Verbesserungen kann wiederum mit dem LWL-System überprüft werden. Eine entwicklungsbegleitende Entstörung kann effizienter durchgeführt werden, indem bewährte Messplätze mit LWL-Systemen verwendet werden. Man gewinnt wesentlich mehr Informationen über Fehlvorgänge und kann den Prüfling bereits in der Entwicklungsphase zielgerichtet entstören.

Literaturverweise:

elektronik industrie 3/2010, Peter Michak, Verbesserung der Puls-Störfestigkeit elektronischer Baugruppen

elektronik industrie 09/2002, Peter Michak, Der Störung auf der Spur, EMV-Problemstellen lokalisieren und beseitigen