Faride Akretch, Tektronix
תכנוני מערכות משובצות חדישות מציגים אתגרים לגבי הבדיקה ואיתור תקלות EMI שלא היו קיימים לפני מספר שנים. אתגרים אלה כוללים ספקי כוח ממותגים, שעוני מערכת ואפיקי נתונים מהירים, העברות מידע פתאומיות, סוגיות של קווי תמסורת וסיומות, מדידות זמן בספקטרום מורחב (spread spectrum), כמו גם שילוב של ממשקי אלחוט וקישוריות. בנוסף לאתגר, רוב הטכנולוגיות האלו מובילות לסוגיות פוטנציאליות שהן ארעיות, תלויות בעומס ומשתנות מאוד בזמן.
עם תקציבים ולחצי זמן גדולים מאי-פעם, זהו מצב קריטי שמתכננים הפועלים במערכות משובצות יהיו מסוגלים לבדוק בצורה יעילה סוגיות EMI פוטנציאליות ולבטל אותן מוקדם ככל האפשר בתהליך התכנון. לכלים מסורתיים יש לעתים קרובות קשיים בזיהוי מקור בעיות ה-EMI באלקטרוניקה עכשווית. למרבה המזל, השילוב של גישה מעשית לבדיקות וכלים חדשים כדוגמת האוסילוסקופ של תחום מעורב
(Mixed Domain Oscilloscope – MDO) מסייעים לבטל ניחושים. MDO כולל נתח ספקטרום רחב-פס, ביחד עם אוסילוסקופ לאותות מעורבים, ועוזר להפוך את איתור התקלות של אותות מעבר RF ו-EMI למהיר ויעיל יותר.
תפוס את בעיות ה-EMI בהקדם
תאימות EMI היא למעשה עובדת חיים עבור כל מערכת משובצת, עם שינויים משמעותיים על-פי המדינה והתעשייה. המפרטים מגדירים רמות עבור פליטות מובלות ומוקרנות בלתי-רצויות, כמו גם תקני רגישות
(susceptibility)/חסינות עבור ההתקן. פליטות מובלות (conducted emissions) נעות בין 9 קילו-הרץ ל-30 מגה-הרץ בשעה שפליטות מוקרנות נעות בין 30 מגה-הרץ ל-6 גיגה-הרץ.
מדידות תאימות אופייניות הן מורכבות ולכן יקרות ומנוהלות במתקן בדיקה תוך שימוש במקלט EMI מדורג (stepped) בתוך תא ללא-הד (anechoic). אין ויכוח על הערך של הצורך לגשת למתקן הבדיקה רק פעם אחת, ולחסוך בכך זמן והוצאות. הדרך להבטיח ביקור יחיד – או לפחות לשפר את סיכויי ההצלחה שלך – היא לנהל בזהירות מדידות תרום-תאימות. אם כי יהיה עליך עדיין לגשת למתקן הבדיקה, אתה יכול לזהות בעיות מוקדם או במשך מהלך התכנון. יתר על כן, הסריקה אינה חייבת להימשך זמן רב.
לשם סריקת תרום-תאימות
(Pre Compliance), רוב המתכננים בוחרים להשתמש בנתח ספקטרום לשימוש כללי במקום להשקיע במקלט EMI ייעודי. המפתח הוא בהבנת ההבדלים בין נתח ספקטרום לבין מקלט ה-EMI. גורמים שיש להתחשב בהם כוללים רוחב-פס של הרזולוציה
(resolution bandwidth – RBW), מספר נקודות העקבה, זמן השהיה, התמיכה בגלאי CISPR וגורמי אנטנה. בהתקנה פיזיקלית, אנטנה דו-חרוטית (biconical) ואנטנה רחבת-תחום לוגריתמית
(log-periodic) מהוות שתיהן בחירות טובות, ביחד עם חצובה ואולי קדם-מגבר. בהיעדר תא ללא-הד, אתה יכול למצוא לעתים קרובות אתר RF שקט דוגמת חדר-ישיבות או חניון תת-קרקעי. אם כי מאוד קשה להעתיק תנאי מעבדת EMI במלואם, אפשר לערוך קירוב מדויק, עד כמה שניתן, על-ידי תשומת-לב רבה לכמה שיותר פרטים.
בחירת המכשיר
כלי מקובל לבדיקת תרום-תאימות EMI הוא נתח ספקטרום swept-tune. הארכיטקטורה המסורתית מציעה תחום דינמי טוב, רגישות טובה, אולם היא מוגבלת לשתי מדידות: תדר לעומת אמפליטודה ואמפליטודה לעומת זמן. דבר זה חשוב מאחר שכאשר אתה מבצע סריקת-שיא ומוצא תדר בעל עניין, ניתן למקם את נתח הספקטרום swept-tune במוד זמן-אפס (zero span mode) כדי לבחון את ההספק כנגד הזמן של האות לשם קביעת המחזוריות.
מאחר שמדידה זו מובחנת דרך העיניים של המסנן RBW, אתה יכול להרחיב אותה רק עד כמה שה-RBW מאפשר. כמתואר בארכיטקטורה של נתח ספקטרום swept-tune באיור 1, מסנן רוחב-הפס של הוידיאו הוא מסנן מעביר-נמוכים לאחר גילוי אשר משטח את העקיבה. לגבי מפרטי EMI אחדים, תיאלץ לשים לב לתחום התדר ומספר נקודות העקיבה שהמכשיר מספק. נתחי ספקטרום זולים אחדים מספקים כ-500 נקודות עקיבה – לא מספיק עבור ספקטרום של גיגה-הרצים. כאשר בוחרים נתח ספקטרום swept-tune לשם בדיקת ה-EMI, מספר זה חייב להיות אידאלי בתחום האלפים לשם רזולוציית תדר טובה יותר.
כמתואר באיור 2, נתח ספקטרום בזמן-אמת (real-time spectrum analyzer – RTSA) משתמש ב-ADC כדי ליצור דגימות במישור הזמן המופחתים דיגיטלית כדי ליצור I-Q בשעה שהם מועברים למכונה בזמן-אמת. ה-RTSA מציע רוחב-פס ללכידה רחב מאחר שהוא איננו מוגבל ב-RBW ביחד עם רגישות ותחום דינמי דומה. מבחינת המהירות, RTSAs הם מהירים באופן משמעותי יותר מאשר נתחי ספקטרום swept-tune עבור רוחב-פס לרזולוציה צרה. מאחר שאת האות ניתן לבחון ממבט של I-Q, ניתן לבצע ניתוח רב-תחומי בצורה מקושרת (correlated) כולל תדר, אמפליטודה ומופע כנגד זמן. לדוגמה, אם אתה מסמן תחום כלשהו, הוא מעוקב אוטומטית לאחר. דבר זה איננו מועיל עבור סריקת EMI, אך הוא מסייע באבחון ה-EMI.
מכשיר אחר לשם ניפוי סוגיות EMI פוטנציאליות ותרום-תאימות EMI הוא אוסילוסקופ בעל תחום מעורב
(MDO .(MDO משלב נתח ספקטרום מיוחד, ערוצי אוסילוסקופ אנלוגיים וערוצי נתח לוגי דיגיטלי בעלי קישוריות בזמן על-פני כל המבואות. שלא כמו נתח ספקטרום swept-tune הסורק משמאל לימין ומביט על הספקטרום דרך העיניים של מסנן RBW, ה-MDO מציג real-time capture BW עד טווח מלא של 3.75 גיגה-הרץ ומאפשר תיחולים (triggers) גלובליים של כל הערוצים עם בקרת רכישה משותפת. היכולת לתחל על מבואות ה-RF, הדיגיטליים או האנלוגיים ולשמור על קישוריות מדויקת עם המבואות האחרים היא שימושית מאוד לשם אבחון EMI.
ניפוי סוגיות EMI
בשעה שפליטות בלתי-רצויות יכולות להופיע מכל מיני מקומות במערכת משובצת, המקום הראשון בו יש לחפש סוגיות הוא בספקי הכוח, במיוחד אלה בעלי פעולה במוד מיתוג היוצר לעתים קרובות צלצול (ringing). בתלות באמפליטודת הצליל, זהו מקום בשל כדי להשיג מקור של אנרגיית RF. משם, המקום הסביר ביותר הבא בו ניתן לחפש סוגיות הוא השעון והנתונים. אם אתה משתמש בשעון בעל ספקטרום מורחב, חשוב לדעת כמה טוב הדבר פועל.
מועמד ראשי אחר ליצירת סוגיות EMI מוגדר תחת השם תהודות. אלה יכולות לנבוע מהכרטיס עצמו, מגיאומטריות חיווט, כבלים וסיכוך לקוי, סיכוך לא מתאים וסוגיות חיבור מכניות. כל אתר בו האותות מגיעים או יוצאים יכול לשמש כתחומים בעייתיים פוטנציאליים.
כלי ה-go-to-tool לשם בידוד מקורות האנרגיה על כרטיס הוא גשש (near-field)שדה ליד גוף קורן. חיישן שדה E או גדם (stub) הוא שימושי עבור מקורות בעלי מתח גבוה, זרם נמוך ומספק רגישות מרבית כאשר הוא מונח ניצב למקור. חיישן שדה H או לולאה מתאים יותר למקורות בעלי מתח נמוך, זרם גבוה ומספק רגישות מרבית כאשר הוא מונח במקביל למקור. ככלל, חיישני שדה-קרוב לא ניתנים באמת לכיול. אולם זאת איננה בעיה מבחינת האבחון מאחר שאתה מתרכז יותר בשינויים יחסיים. למשל, אם יש לך תדר נקודתי שאתה יודע שמהווה בעיה ומבקש למתן אותו על-ידי סיכוך או שינוי בתכנון, אתה יכול למדוד לפני ואחרי כדי למצוא באיזו מידה השפעת על האות.
ניפוי מהירות בתחומים מקושרים-בזמן מרובים
אוסילוסקופ בתחום מעורב אשר הוצג קודם משלב ערוצי אוסילוסקופ אנלוגיים של נתח ספקטרום מיוחד וערוצים דיגיטליים עם קישור בזמן על-פני כל המבואות. כל מי שעבד עם נתח ספקטרום מכיר את הצגת תחום הזמן ותחום התדר, אך כיצד אלה קשורים יחד? הפיתרון המשמש ב-MDO הוא להכניס את מושג זמן הספקטרום. (כפי שניתן לראות באיור 3, כאשר הפס הכתום מראה מתי הופיע הספקטרום המוצג). זמן הספקטרום מאפשר למשתמש לכוון זמן ספקטרום דרך זמן אנלוגי. נתח ספקטרום מקובל לוקח צילום-בזק אחד של אות ה-RF בנקודה אחת בזמן. MDO לוקח הרבה צילומים, כל אחד מכוון בהתאם לאותות האנלוגיים והדיגיטליים. דבר זה מאפשר למהנדסי התכנון לראות כיצד אות ה-RF שלהם משתנה במשך הזמן. חשוב לציין שזה איננו רק FFT בסקופ, אלא ערוץ עצמאי בעל אורך רישום מקושר בזמן אל הערוצים האנולוגיים והדיגיטליים.
דוגמה: מגבר מיתוג
מסוג (switch class D)
במערך המתואר באיור 4 הכולל מגבר מיתוג מסוג D, נתח הספקטרום של ה-MDO מסתכל על תדר מרכזי של כ-250 מגה-הרץ בעל מפתח (SPAN) של 500 מגה-הרץ. תמונה זו צולמה בעזרת חיישן שדה-H במישרין על ה-IC הממתג. ישנם שני סמני תחום המכוונים בין 12 מגה-הרץ ו-108 מגה-הרץ. זה איננו מפתח אפס כמו בנתח ספקטרום swept-tune רגיל אשר יכול היה להסתכל על הספק במשך הזמן רק דרך העיניים של מסנן ה-RBW. העוצמה כפונקציה של זמן ב-MDO מסתכלת למעשה על הספק המפתח, או הספק המפתח בזמן. מופיעות בליטות (spikes) עקביות באמפליטודה כנגד הזמן. במקרה זה, יש תכן ספקטראלי מלא בין 80 ל-108 מגה-הרץ. זה לא דבר טוב מאחר שתוכן ספקטראלי זה מקושר עם תחום השידור FM.
באיור 5, אנחנו בוחנים את תדר הבקרה על הממתג בעצמו. יש לשים לב שכאשר אנחנו מבצעים רכישה אחת בלבד, שיאי האמפליטודה מקושרים ישירות אל העלייה והירידה של אתר בקרה זה. זהו רמז ענק באשר למקור הפליטות הבלתי-רצויות.
בעיה זו היוותה אתגר לאבחון מאחר שבעוד נתח ספקטרום עצמאי רגיל הראה שיא בתחום ה-80-100 מגה-הרץ, לא ניתן היה להראות מתי השיא הופיע או באיזו שכיחות. לכן, היה קשה ביותר לקשר את השיא אל תדר בקרת המתג. בשימוש ב-MDO, היינו מסוגלים לבודד את הבעיה בפחות מ-15 דקות.
דוגמה: הפרעת USB
בדוגמה זו, ערוץ 1 הוא בקו USB ביחד עם מבוא חיישן שדה-H בתוך נתח הספקטרום של ה-MDO. באיור 6, ה-MDO מסתכל על אמפליטודה כנגד זמן ביחד עם ספקטרום ה-RF בכ-390 מגה-הרץ. קישוריות ישירה בין מסר USB ושיא הספקטרום על רצפת רעש רחבה היא בולטת. כאן רוחב-הפס הרגעי של 1 גיגה-הרץ הוא מאוד עוזר. כאשר מסתכלים על השינויים אל רצפת הרעש, השיא הספקטראלי איננו נראה כה גדול. אך באשר מסתכלים עליו ממבט של אמפליטודה כנגד זמן, קל לראות היכן נוצר השיא באנרגיה זו.
במקרה זה, חקירת המשך בבעיה זו גילתה שלא קו ה-USB היווה את הסוגייה. האנרגיה באה מהמיקרו-מעבד כאשר הוא הפיק מסר USB מסוים. זו הייתה בעיה קשה מאוד לפיתרון ללא היכולת של ה-MDO לקשר אות אנלוגי עם האמפליטודה כנגד הזמן ולהביט בספקטרום כפונקציה של זמן כדי לקבוע את ההתלכדות האמיתית.
אבחון EMI מתקדם
לשם אבחון EMI מתקדם יותר, נתחי ספקטרום בזמן-אמת בעלי זרחן דיגיטלי או תצוגות מתמשכות הם כלי מועיל, במיוחד עבור אותות מעבר או אותות מתפרצים. לדוגמה ניתן לנסות לדמיין את תוכן ההרמוניה השנייה מהיסוד שאנחנו יודעים שהוא מתפרץ. בעבר, עם הסריקה בעלת השער (GATED), היה צורך להבטיח שהסריקה מופיעה בזמן שהמקור היה באמת מופעל.
באיור 7, RTSA מסתכל על מיפתח של 8 גיגה-הרץ של נתונים בזמן-אמת. דבר זה אפשרי בשל היכולת לקדם את המכונה בזמן-אמת לעבר התחום המלא של כיוונונים של נתח הספקטרום. עם RTSA, המשתמש יכול לא רק להגדיר את גודל הצעד ותדרי ההתחלה והסיום, אלא יכול להגדיר גם את זמן השהות. הסבירות של הקליטה היא גבוהה ביותר על בסיס צעד אחר צעד כלומר הסבירות של קליטה לאורך כל הטווח היא הרבה יותר גבוהה מאשר עם נתח ספקטרום swept-tune רגיל.
סיכום
אבחון ואיתור תקלות EMI של תכנונים חדישים מהווים אתגרים ייחודיים ומשפיעים על כולם. סריקה תרום-תאימות
(Pre Compliance) תחסוך הן זמן והן משאבים. כדי לבצע זאת ביעילות, חשוב לשים לב היטב לכלים שאתם בוחרים ולזהות את מגבלותיהם. לשם אבחון EMI, סריקת שדה-קרוב מאפשרת לך לבחון במהירות את נקודות התורפה. התלכדות היא מפתח לזיהוי מקורות של פליטת EMI בלתי-רצויה. היכולת לנהל ניתוח בין תחומים מרובים מקושרים – בזמן הכוללים ניתוח אנלוגי, דיגיטלי ו-RF מזרזת את הניפוי ומקטינה את זמן איתור התקלות.
על המחבר:
Faride Akretch הוא מנהל שיווק טכני ב-Tektronix. במהלך קרוב ל-20 שנות פעילות בתעשייה הוא אחז מגוון עמדות, הכוללות מהנדס יישומים, שיווק מוצרים ופיתוח עסקי ושיווקי, בגרמניה, יפן וארה”ב. הוא בעל תואר מוסמך בהנדסת חשמל/אלקטרוניקה מהאוניברסיטה הטכנית ב-Berlin, גרמניה.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת איסטרוניקס.
