Comprendere il debugging EMI con gli oscilloscopi

Cos’è l’EMI?

EMI (Electro Magnetic Interference) sta per interferenza elettromagnetica, cioè emissioni di radiofrequenza non volute e indesiderate generate da un dispositivo. Quasi tutto ciò che funziona con l’elettricità produce varie emissioni non volute o spurie. I test EMI sono importanti perché queste emissioni possono causare problemi ad altri dispositivi elettrici o elettronici. Questi problemi possono andare da effetti relativamente minori e semplicemente fastidiosi, come la pixellatura su uno schermo o artefatti audio. In alcuni casi le emissioni indesiderate hanno provocato danni fisici o addirittura lesioni umane e morte. Pertanto, esistono regolamenti e standard EMC (compatibilità elettromagnetica) per quanto riguarda i livelli accettabili di emissioni a diverse frequenze.

La maggior parte dei produttori di dispositivi elettrici ed elettronici devono verificare la conformità a questi standard, e tale tipo di test è spesso eseguito in una camera schermata o anecoica, utilizzando antenne e ricevitori specializzati. Quando vengono rilevati dei problemi, la messa a massa supplementare e la schermatura sono due dei modi più comuni per ridurre o eliminare le emissioni indesiderate.

Cos’è il debugging EMI?

Test di conformità EMI sono eseguiti nel cosiddetto “campo lontano”, dove le onde elettromagnetiche a radiofrequenza si propagano nello spazio più o meno come un’onda piana, i cui componenti elettrici e magnetici hanno approssimativamente la stessa ampiezza. A seconda della frequenza del segnale, dell’antenna trasmittente, ecc., la zona di campo lontano inizia a una o due lunghezze d’onda dalla sorgente. I test di conformità in campo lontano mostrano i problemi esistenti sotto forma di emissioni al di sopra di una determinata soglia.

Il debugging EMI, d’altra parte, è eseguito nel “campo vicino” per determinare la posizione del problema, ovvero quale componente, filo, traccia, ecc. è responsabile delle emissioni indesiderate. Per rimuovere le emissioni indesiderate e rendere un dispositivo conforme, è importante sapere quale parte del dispositivo sta creando queste emissioni.

Il processo di debugging dell’EMI è composto da tre fasi:

• Rilevamento e caratterizzazione delle emissioni
  quali sono le frequenze e i livelli dei segnali indesiderati? Qualcuno di loro mostra un comportamento che potrebbe aiutare a identificarli? Per esempio, sono multipli interi di un segnale di clock?
• Individuare la fonte fisica delle emissioni
  quali componenti, fili, tracce, ecc. contribuiscono a queste emissioni?
• Utilizzare varie tecniche di bonifica
  come messa a terra e schermatura per rimuovere o almeno ridurre il livello di queste emissioni.

Gli strumenti più comuni utilizzati nel debugging EMI sono le sonde di campo vicino e gli oscilloscopi.

Sonde di campo vicino utilizzate per il debugging EMI

Sonde di campo vicino sono diverse dalle sonde passive o attive utilizzate nella maggior parte degli altri tipi di misure con l’oscilloscopio. Le sonde di campo vicino possono essere divise in due gruppi principali: sonde di campo magnetico e sonde di campo elettrico.

In molti casi, i livelli di emissione irradiata possono essere abbastanza piccoli; quindi occasionalmente, è utilizzato anche un preamplificatore tra la sonda e l’oscilloscopio. Se non si utilizza un preamplificatore, è necessario un oscilloscopio molto sensibile. La selezione e l’utilizzo corretti della sonda sono fondamentali per ottenere buoni risultati durante il debugging EMI .

Sonde di campo magnetico (sonde di campo H)

Le sonde di campo magnetico hanno tipicamente la forma di un anello. La risposta massima si verifica quando l’anello è a 90 gradi rispetto al segnale, oppure quando il campo magnetico “passa attraverso l’anello”. La risposta minima si verifica quando l’anello è parallelo al segnale. In genere, l’anello viene ruotato durante la risoluzione dei problemi. Per quanto riguarda la dimensione dell’anello, c’è un compromesso tra risoluzione e sensibilità:

• un anello grande è più sensibile, ma ha una risoluzione spaziale inferiore
• un anello più piccolo è meno sensibile, ma rende più facile restringere la posizione della sorgente del segnale

Si noti che con un pinch è possibile creare una sonda grezza di campo magnetico da una normale sonda passiva semplicemente collegando il cavo di massa della sonda alla punta della sonda.
Esiste un secondo tipo di sonda magnetica di campo vicino non ad anello che ha una risoluzione spaziale molto alta. Può anche essere utilizzato per determinare la corrente sulla superficie dei circuiti integrati o attraverso i condensatori. Il campo magnetico è rilevato nella fessura sulla punta della sonda, indicata da una linea bianca nell’immagine qui sotto.

Sonde di campo elettrico (sonde di campo E)

Le sonde di campo elettrico hanno la massima risposta quando sono posizionate parallele al campo elettrico misurato. Per la maggior parte dei conduttori, il campo elettrico è perpendicolare alla superficie del conduttore, quindi le sonde di campo E sono tenute perpendicolari ai conduttori esaminati.

Le sonde di grandi dimensioni sono utilizzate per misurare i campi elettrici emessi da strutture con superfici più ampie. La parte superiore della sonda è schermata elettricamente, e le misurazioni sono effettuate utilizzando il lato inferiore della sonda.

Le sonde E più piccole a campo vicino sono schermate per sopprimere i campi da altre strutture adiacenti. Queste sonde hanno una selettività spaziale molto elevata: tipicamente, meno di un millimetro. Questo significa che spesso possono essere utilizzate per isolare la posizione fino a una singola traccia stretta su un circuito stampato.

Oscilloscopi utilizzati nel dominio della frequenza

Per quanto riguarda l’utilizzo degli oscilloscopi nel debugging EMI , un punto importante è che gli oscilloscopi sono normalmente utilizzati per visualizzare l’ampiezza, cioè le tensioni nel dominio del tempo.
Per il debugging EMI, si considera il livello di emissioni indesiderate in funzione della frequenza. Quindi, le misure nel dominio della frequenza sono necessarie. La conversione dal dominio del tempo al dominio della frequenza viene fatta utilizzando la trasformata veloce di Fourier, o FFT. La maggior parte dei moderni oscilloscopi digitali permettono di calcolare la FFT, anche se le prestazioni e la funzionalità possono variare significativamente tra diversi oscilloscopi. La modalità FFT sugli oscilloscopi di solito è molto simile nel funzionamento agli analizzatori di spettro, per esempio come l’impostazione della frequenza centrale, lo span o la larghezza di banda di risoluzione.
Oltre all’operazione FFT di base, altre funzioni utili includono spettrogrammi, trigger con maschera di frequenza ed elenchi di picchi.

Spettrogrammi

Un display FFT mostra la rappresentazione standard del dominio della frequenza dei segnali come potenza in funzione della frequenza. Uno spettrogramma aggiunge la dimensione del tempo; in altre parole, viene visualizzata la potenza in funzione della frequenza e del tempo. In uno spettrogramma, l’asse y è il tempo mentre la potenza è mappata sotto forma di diversità di colore. Nella maggior parte degli schemi di colore dello spettrogramma predefinito, la potenza più alta è indicata spostandosi verso il colore rosso e le potenze più basse sono indicate spostandosi verso il colore viola.

Si noti che la tabella dei colori o la mappatura utilizzata è molto spesso regolabile, per mostrare i segnali di interesse più chiaramente o semplicemente in base alle preferenze dell’utente. Gli spettrogrammi sono preziosi, perché aiutano a visualizzare eventi che altrimenti potrebbero essere difficili da vedere, come segnali che variano nel tempo o segnali continui di basso livello vicini al rumore di fondo.

Trigger con maschera di frequenza

Alcuni problemi EMI coinvolgono segnali indesiderati o spurie che sono continuamente presenti, ma molti problemi coinvolgono segnali intermittenti che sono difficili da rilevare e / o analizzare. Un modo per risolvere questi tipi di problemi è quello di eseguire un triggering sulla potenza che supera una soglia definita dall’utente a una data frequenza o su una data gamma di frequenza. Questo sistema è diverso dal triggering “normale” dell’oscilloscopio basato sui cambiamenti di tensione nel tempo. Un cosiddetto trigger con maschera di frequenza permette all’utente di definire una maschera di potenza rispetto alla frequenza. Quando questa maschera è violata, il trigger ferma l’acquisizione dell’oscilloscopio e i dati catturati possono essere analizzati in dettaglio.

Elenco dei picchi

Nel debugging EMI, i segnali di livello più alto o di “picco” sono spesso i più interessanti o i più importanti. In parte perché questi segnali possono violare le soglie ammesse dalle norme, e in parte perché i segnali di ampiezza maggiore tendono a causare più problemi dei segnali di ampiezza minore. Identificare i “picchi” all’interno di uno spettro è molto importante. Questi picchi possono essere trovati in diversi modi, come l’ispezione manuale del grafico e/o l’uso di cursori o marcatori. Entrambe le modalità richiedono molto tempo e sono soggette a errori. La maggior parte degli oscilloscopi moderni offre una funzione di ricerca dei picchi o di elenco dei picchi che restituisce automaticamente un elenco dei segnali di massima ampiezza e le loro rispettive frequenze.