Compréhension du débogage EMI avec les oscilloscopes

Que sont les EMI ?

Le terme EMI est utilisé pour parler des interférences électromagnétiques, qui correspondent à des émissions de fréquences radio involontaires et indésirables générées par un appareil. Quasiment tout ce qui fonctionne avec l'électricité produit diverses émissions indésirables et parasites. Le test EMI est important car ces émissions peuvent causer des problèmes auprès d'autres appareils électriques ou électroniques. Ces problèmes peuvent avoir des effets relativement légers et simplement gênants comme la pixillation sur un écran ou des artefacts audio. Dans certains cas, les émissions indésirables engendrent des dommages physiques, voir même des blessures et la mort. Par conséquent, des réglementations et des normes CEM existent, relatives aux niveaux d'émissions acceptables aux différentes fréquences.

La plupart des fabricants d'appareils électriques et électroniques doivent tester la conformité à ces normes, et ce test est souvent réalisé dans une chambre blindée ou anéchoïque, en utilisant des antennes et des récepteurs spécifiques. Lorsque des problèmes sont détectés, une mise à la terre et un blindage supplémentaires sont deux des techniques les plus courantes pour diminuer ou éliminer les émissions indésirables.

Qu'est ce que le débogage EMI ?

EMI Le test de conformité EMI est effectué dans ce que l'on appelle “un champ éloigné”, où la RF se propage dans l'espace plus ou moins comme une onde plate dont les composantes électriques et magnétiques ont sensiblement la même magnitude. En fonction de la fréquence du signal, l'antenne de transmission, etc., le champ éloigné commence à une ou deux longueurs d'ondes depuis la source. Le test de conformité dans le champ éloigné indique les problèmes existants sous la forme d'émissions supérieures à un seuil donné.

Le débogage EMI, d'autre part, est réalisé dans le “champ proche” afin de déterminer la localisation du problème – c'est à dire, quel composant, câble, trace, etc. est responsable de l'émission indésirable. Afin d'éliminer les émissions indésirables et rendre un appareil conforme, il est important de savoir quelle partie de l'appareil crée ces émissions.

Le processus de débogage EMI se décompose en trois étapes :

• Détection et caractérisation des émissions
  quelles sont les fréquences et les niveaux des signaux indésirables ? Y en a-t-il qui affichent un comportement qui pourrait aider à les identifier ? Par exemple, s'agit-il de multiples entiers d'un signal d'horloge ?
• Localisation physique de la source des émissions
  quels composants, câbles, traces, etc. contribuent à ces émissions ?
• Utilisation de diverses méthodes correctives
  comme la mise à la terre et le blindage afin d'éliminer, ou au moins réduire, le niveau de ces émissions.

Les outils les plus couramment utilisés en débogage EMI sont les sondes de champ proche et les oscilloscopes.

Sondes de champ poche utilisées pour le débogage EMI

Les sondes de champ proche sont différentes des sondes passives ou actives utilisées dans la plupart des autres types de mesures d'oscilloscope. Les sondes de champ proche peuvent être divisées en deux groupes principaux : les sondes de champ magnétique et les sondes de champ électrique.

Dans de nombreux cas, les niveaux d'émission radiés peuvent être très petits, donc de manière occasionnelle, un préamplificateur est également utilisé entre la sonde et l'oscilloscope. Si aucun préamplificateur n'est utilisé, un oscilloscope très sensible est nécessaire. Une bonne sélection et une bonne utilisation de sonde sont essentielles pour l'obtention de bons résultats au cours du débogage EMI .

Sondes de champ magnétique (sondes de champ H)

Les sondes de champ H se présentent généralement sous la forme d'une boucle. La réponse maximale est obtenue lorsque la boucle est à 90 degrés par rapport au signal, ou lorsque le champ magnétique est “passant à travers la boucle”. La réponse minimale est obtenue lorsque la boucle est parallèle au signal. Typiquement, la boucle est tournée pendant le dépannage. En fonction de la taille de la boucle, il y a existe un compromis entre la résolution et la sensibilité :

• une grande boucle est plus sensible, mais possède une résolution spatiale plus faible
• une boucle plus petite est moins sensible mais facilite la localisation plus précise de la source du signal

A noter que dans un pincement magnétique (pinch), vous pouvez créer une sonde de champ H pure à partir d'une sonde passive normale, en connectant simplement le cordon de mise à la terre de la sonde à la pointe de la sonde.
Il y a un second type de sonde de champ proche magnétique sans boucle, qui possède une résolution spatiale très élevée. Elle peut également être utilisée pour déterminer le courant sur la surface des circuits imprimés ou aux bornes des capacités. Le champ magnétique est détecté au niveau de l'écart sur la pointe de la sonde, indiqué par une ligne blanche sur l'image ci-dessous.

Sondes de champ électrique (sondes de champ E)

Les sondes de champ E ont leur réponse maximale lorsqu'elles sont placées parallèlement au champ électrique mesuré. Pour la plupart des conducteurs, le champ E est perpendiculaire à la surface du conducteur, donc les sondes de champ E sont maintenues perpendiculaires aux conducteurs testés.

Des sondes longue portée sont utilisées pour la mesure de champs électriques émis par des structures dotées d'une surface de portée plus grande. Le dessus de la sonde est blindé électriquement, et les mesures sont réalisées en utilisant le bouton situé sur le côté de la sonde.

Les plus petites sondes E de champ proche sont blindées afin de supprimer les champs provenant des autres structures adjacentes. Ces sondes possèdent une sélectivité spatiale très élevée : généralement inférieure au millimètre. Cela signifie qu'elles peuvent souvent être utilisées pour isoler l'emplacement d'une seule trace étroite sur une carte de circuit imprimé.

Oscilloscopes utilisés dans le domaine fréquentiel

En ce qui concerne l'utilisation des oscilloscopes dans le débogage EMI , un point important est que les oscilloscopes sont normalement utilisés pour visualiser l'amplitude, qui correspond à des tensions dans le domaine temporel.
Pour le débogage EMI, le niveau des émissions indésirables comme fonction de la fréquence est considéré. Ainsi, des mesures dans le domaine fréquentiel sont nécessaires. La conversion du domaine temporel vers le domaine fréquentiel est réalisée en utilisant la transformée rapide de Fourier, ou FFT. La plupart des oscilloscopes numériques modernes prennent en charge la FFT, bien que la performance et la fonctionnalité puissent varier de manière significative entre les différents oscilloscopes. Le mode FFT des oscilloscopes fonctionne généralement de manière très similaire aux analyseurs de spectre, par exemple comme pour le réglage de la fréquence centrale, du span ou de la bande passante de résolution.
En plus du fonctionnement FFT de base, des fonctions supplémentaires très utiles intègrent les spectrogrammes, les déclenchements sur masques de fréquence, et les listes de crêtes.

Spectrogrammes

Un affichage FFT indique la représentation classique des signaux du domaine fréquentiel, avec la puissance en fonction de la fréquence. Un spectrogramme ajoute la dimension temporelle, en d'autres termes, la puissance en fonction de la fréquence et du temps est affichée . Dans un spectrogramme, l'axe y correspond au temps, alors que la puissance est modélisée en couleur. Dans la plupart des schémas colorés de spectrogrammes par défaut, la puissance la plus élevée est indiquée par une couleur de plus en plus rouge et les puissances les plus faibles sont indiquées par une couleur de plus en plus mauve.

A noter que le tableau des couleurs ou la modélisation utilisée est très souvent ajusté pour indiquer les signaux d'intérêt plus clairement ou simplement en se basant sur les préférences de l'utilisateur. Les spectrogrammes sont précieux car ils permettent de visualiser des choses qui seraient difficiles à voie autrement, comme les signaux variants dans le temps ou les signaux continus de faible niveau proches du bruit de plancher.

Déclenchement par masque de fréquence

Certains problèmes EMI concernent des signaux indésirables ou des parasites qui sont présent de manière continue, mais de nombreux problèmes concernent des signaux intermittents qui sont difficiles à détecter et / ou analyser. Une manière pour résoudre ces types de problèmes consiste à déclencher sur une puissance qui excède le seuil défini par l'utilisateur à une fréquence donnée ou au-delà d'une gamme de fréquence donnée. Contrairement au déclenchement d'oscilloscope “normal” qui se base sur les variations de tension dans le temps. Ce que l'on appelle un déclenchement sur masque de fréquence permet à l'utilisateur de définir un masque puissance / fréquence. Lorsque ce masque est dépassé, le déclenchement arrête l'acquisition de l'oscilloscope et les données capturées peuvent alors être analysées en détail.

Liste de crête

En débogage EMI, les signaux de niveaux les plus élevés ou “crêtes” sont souvent les plus intéressants ou les plus importants. En partie parce que ces signaux peuvent dépasser les seuils réglementaires, et parce que les signaux avec l'amplitude la plus élevée ont tendance à causer plus de problèmes que les signaux d'amplitude plus faible. L'identification des “crêtes” avec un spectre est très importante. Ces crêtes peuvent être détectées de plusieurs manières, telles qu'en inspectant manuellement le graphique et / ou en utilisant des curseurs ou des marqueurs. Les deux méthodes sont chronophages et sujettes aux erreurs. La plupart des oscilloscopes modernes disposent d'une fonction de recherche de crête ou d'une liste de crête qui retournera automatiquement une liste des signaux d'amplitudes les plus élevées et leurs fréquences respectives.