EMI-Fehlersuche mit Oszilloskopen verstehen

Was ist EMI?

EMI bedeutet elektromagnetische Störung, d. h. unbeabsichtigte und unerwünschte Hochfrequenz-Ausstrahlungen, die von einem Gerät verursacht werden. Nahezu alle Geräte, die elektrisch betrieben werden, erzeugen zahlreiche Neben- oder Störaussendungen. Funkstörmessungen (EMI-Tests) sind wichtig, da diese Emissionen zu Problemen bei anderen elektrischen oder elektronischen Geräten führen können. Diese Probleme können relativ geringe oder lediglich ärgerliche Auswirkungen wie Mosaikeffekte am Bildschirm oder Audioartefakte nach sich ziehen. In einigen Fällen führten unerwünschte Aussendungen zu Sachschaden oder sogar zu Personenschaden und Todesfällen. Aus diesem Grund bestehen EMV-Verordnungen und -Normen in Bezug auf akzeptable Emissionspegel bei unterschiedlichen Frequenzen.

Die meisten Hersteller von elektrischen und elektronischen Geräten müssen Konformitätsprüfungen gemäß diesen Standards durchführen, und diese Tests werden oftmals in einer Schirm- oder Absorberkammer mit speziellen Antennen und Empfängern absolviert. Im Fall von Problemen sind zusätzliche Maßnahmen zur Erdung und Schirmung zwei gängige Wege, um unerwünschte Aussendungen zu reduzieren bzw. zu eliminieren.

Was versteht man unter EMI-Fehlersuche?

EMI-Konformitätstests werden im sogenannten „Fernfeld“ durchgeführt. Dabei breitet sich die HF durch den Raum als mehr oder weniger ebene Welle aus, deren elektrische und magnetische Komponenten ungefähr dieselbe Größe aufweisen. Abhängig von Signalfrequenz, Sendeantenne etc. beginnt das Fernfeld ab einem Abstand von einer oder zwei Wellenlängen zur Quelle. Konformitätsprüfungen im Fernfeld zeigen bestehende Probleme in Form von Aussendungen oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts auf.

Die EMI-Fehlersuche erfolgt im Gegensatz dazu im „Nahfeld“, um das Problem zu lokalisieren – d. h. um zu ermitteln, welches Bauteil, welcher Draht oder welche Leiterbahn für die unerwünschte Aussendung verantwortlich ist. Um unerwünschte Aussendungen zu eliminieren und die Konformität eines Geräts sicherzustellen, ist es wichtig zu verstehen, welche Komponenten des Geräts diese Emissionen erzeugen.

Der Prozess der EMI-Fehlersuche umfasst drei Schritte:

• Aufspüren und Charakterisieren der Emissionen
  Welche Frequenzen und Pegel weisen die Störsignale auf? Zeigt irgendeines dieser Signale ein bestimmtes Verhalten, anhand dessen man es identifizieren könnte? Treten beispielsweise ganzzahlige Vielfache eines Taktsignals auf?
• Lokalisieren der Ursache für die Emissionen
  Welche Bauteile, Drähte, Leiterbahnen etc. tragen zu diesen Emissionen bei?
• Anwendung verschiedener Techniken zur Fehlerbeseitigung
  wie Erdung und Abschirmung, um diese Emissionen zu eliminieren oder zumindest deren Pegel abzuschwächen.

Zu den meistgenutzten Werkzeugen für die EMI-Fehlersuche zählen Nahfeldsonden und Oszilloskope.

Nahfeldsonden für die EMI-Fehlersuche

Nahfeldsonden unterscheiden sich von passiven oder aktiven Tastköpfen, die bei den meisten anderen Oszilloskopmessungen zum Einsatz kommen. Nahfeldsonden lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: Magnetfeldsonden und Sonden für elektrische Felder.

In vielen Fällen können die Pegel der Störaussendungen relativ gering sein, sodass man gelegentlich auf einen Vorverstärker zwischen Sonde und Oszilloskop zurückgreift. Falls kein Vorverstärker verwendet wird, ist ein empfindliches Oszilloskop erforderlich. Die richtige Wahl und Anwendung der Sonde ist entscheidend, um gute Ergebnisse während der EMI-Fehlersuche zu erzielen.

Magnetfeldsonden (H-Feld-Sonden)

H-Feld-Sonden weisen typischerweise die Form einer Schleife auf. Das maximale Ansprechverhalten erzielt man, wenn die Schleife im 90-Grad-Winkel zum Signal ausgerichtet ist oder das Magnetfeld „mitten durch die Schleife hindurchgeht“. Das minimale Ansprechverhalten tritt ein, wenn die Schleife parallel zum Signal ist. Üblicherweise wird die Schleife während der Fehlersuche gedreht. In Bezug auf die Größe der Schleife muss man einen Kompromiss zwischen Auflösung und Empfindlichkeit schließen:

• eine große Schleife ist empfindlicher, hat aber eine geringere räumliche Auflösung
• eine kleinere Schleife ist weniger empfindlich, erleichtert aber das Eingrenzen des Ursprungs der Signalquelle

Beachten Sie, dass Sie notfalls einen passiven Tastkopf in eine simple H-Feld-Sonde wandeln können, indem Sie ganz einfach das Tastkopf-Massekabel mit der Tastkopfspitze verbinden.
Es gibt eine zweite Art von magnetischen Nahfeldsonden, die nicht auf einer Schleife basieren und eine sehr hohe räumliche Auflösung aufweisen. Mit ihr lässt sich die Stromstärke auf der Oberfläche von integrierten Schaltkreisen oder durch Kondensatoren bestimmen. Das Magnetfeld wird am Spalt an der Sondenspitze detektiert, der in der Abbildung unten mit einem weißen Strich gekennzeichnet ist.

Sonden für elektrische Felder (E-Feld-Sonden)

E-Feld-Sonden zeigen das maximale Ansprechverhalten, wenn sie parallel zum gemessenen elektrischen Feld platziert werden. Bei den meisten Leitern ist das E-Feld senkrecht zur Oberfläche des Leiters, sodass man die E-Feld-Sonden rechtwinklig zu den getesteten Leitern hält.

Großflächige Sonden werden für die Messung elektrischer Felder, die von Strukturen mit größeren Oberflächen abgestrahlt werden, verwendet. Die Oberseite der Sonde ist elektrisch geschirmt, die Messungen werden mit der Unterseite der Sonde durchgeführt.

Die kleineren Nahfeld-E-Sonden sind geschirmt, um Felder benachbarter Strukturen zu unterdrücken. Diese Sonden weisen eine sehr hohe räumliche Selektivität auf: typischerweise weniger als ein Millimeter. Das bedeutet, dass es mit ihnen oftmals gelingt, den Ursprung auf eine einzelne schmale Leiterbahn auf der Leiterplatte einzugrenzen.

Verwendung von Oszilloskopen im Frequenzbereich

Ein wichtiger Punkt im Hinblick auf die Verwendung von Oszilloskopen für die EMI-Fehlersuche ist, dass Oszilloskope in der Regel zum Einsatz kommen, um die Amplitude, das heißt die Spannung im Zeitbereich, anzuzeigen.
Im Rahmen der EMI-Fehlersuche wird der Pegel von unerwünschten Aussendungen als Funktion der Frequenz betrachtet. Demzufolge sind Messungen im Frequenzbereich erforderlich. Der Übergang vom Zeit- in den Frequenzbereich geschieht mit der schnellen Fourier-Transformation bzw. FFT. Die meisten modernen digitalen Oszilloskope bieten FFT-Unterstützung, obgleich die Leistungsfähigkeit und Funktionalität zwischen unterschiedlichen Oszilloskopen signifikant abweichen kann. Der FFT-Betrieb an Oszilloskopen ähnelt stark demjenigen von Spektrumanalysatoren, beispielsweise bei der Einstellung von Mittenfrequenz, Darstellbreite oder Auflösebandbreite.
Zusätzlich zum normalen FFT-Betrieb gehören weitere hilfreiche Funktionen wie Spektrogramme, Frequenzmaskentrigger und Spitzenwertlisten.

Spektrogramme

Die FFT-Anzeige umfasst die Standarddarstellung im Frequenzbereich von Signalen als Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz. Beim Spektrogramm kommt in Form der Zeit eine neue Dimension hinzu, anders ausgedrückt wird die Leistung in Abhängigkeit von Frequenz und Zeit dargestellt. In einem Spektrogramm entspricht die Y-Achse der Zeit, während die Leistung auf unterschiedliche Farben abgebildet wird. Bei den meisten Standardfarbschemen von Spektrogrammen wird eine höhere Leistung durch tiefere Rottöne und eine niedrigere Leistung durch tiefere Lilatöne angezeigt.

Beachten Sie dabei, dass die Farbtabelle oder -abbildung sehr häufig angepasst wird, um die relevanten Signale einfach und übersichtlich auf Basis der Nutzerpräferenz anzuzeigen. Spektrogramme sind wertvolle Hilfsmittel, da sie Sachverhalte visualisieren, die anderenfalls nur schwer zu sehen wären, beispielsweise zeitvariante Signale oder kontinuierliche Signale mit geringem Pegel nahe am Grundrauschen.

Frequenzmaskentrigger

Einige EMI-Probleme gehen mit Neben- oder Störsignalen einher, die permanent vorhanden sind. Viele Probleme betreffen aber intermittierende Signale, die schwer zu detektieren und/oder zu analysieren sind. Ein Weg zur Lösung dieser Art von Problemen besteht darin, auf eine Leistung zu triggern, die einen benutzerdefinierten Schwellenwert bei einer vorgegebenen Frequenz oder über einen bestimmten Frequenzbereich überschreitet. Dies unterscheidet sich von der „normalen“ Triggerung an Oszilloskopen, die auf Spannungsänderungen in Abhängigkeit von der Zeit basiert. Mit einem sogenannten Frequenzmaskentrigger kann der Anwender eine Maske für die Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz definieren. Wenn diese Maske verletzt wird, stoppt der Trigger die Erfassung am Oszilloskop und die aufgezeichneten Daten können anschließend im Detail analysiert werden.

Spitzenwertliste

Bei der EMI-Fehlersuche sind Signale mit höheren Pegeln oder „Spitzenwerten (Peaks)“ die interessantesten oder wichtigsten. Einerseits, weil diese Signale von Behörden festgesetzte Schwellenwerte verletzen könnten, und andererseits, weil Signale mit höherer Amplitude tendenziell mehr Probleme verursachen als solche mit niedriger Amplitude. Das Ermitteln von „Spitzenwerten“ innerhalb eines Spektrums ist sehr wichtig. Diese Spitzenwerte lassen sich auf mehrere Arten finden, beispielsweise durch eine visuelle Überprüfung des Graphen und/oder mithilfe von Cursorn oder Markern. Beides ist zeitaufwendig und fehleranfällig. Die meisten modernen Oszilloskope verfügen über die Funktionalität einer Spitzenwertsuche oder Spitzenwertliste, die automatisch eine Auflistung der Signale mit höchster Amplitude und ihre entsprechenden Frequenzen liefert.