Rilevamento di anomalie occasionali nello spettro in sistemi elettronici di potenza a segnale misto

Attività da eseguire

Nei progetti di sistemi elettronici di potenza, ad esempio di azionamenti per motori brushless a corrente continua, i circuiti analogici e digitali coesistono sulla stessa scheda a circuito stampato. Il progettista deve tenere conto di questa complessità, soprattutto in termini di emissioni condotte presenti sulle linee elettriche. Se il circuito stampato non è progettato correttamente, alle emissioni possono contribuire anche i segnali di clock dei microcontrollori o le comunicazioni su bus come SPI. A volte, le attività del bus non si svolgono in modo continuo; spesso, esse vengono avviate da altri controllori esterni del sistema. Durante la misura delle emissioni condotte sulle linee elettriche, queste attività sul bus causano spesso eventi poco frequenti nello spettro di frequenza. Gli oscilloscopi sono lo strumento standard per il debug delle emissioni condotte durante il processo di sviluppo. Tuttavia, per rilevare eventi molto brevi e poco frequenti nello spettro, un oscilloscopio con capacità di calcolo standard della FFT presenta dei limiti. Essi sono dovuti principalmente al lungo processo di calcolo necessario prima di poter visualizzare lo spettro della FFT. Durante il calcolo dei tale spettro, gli eventi rari, di breve durata e poco frequenti potrebbero sfuggire. Una capacità di calcolo della FFT molto più veloce è essenziale per individuare e isolare la causa principale dei problemi legati alle emissioni condotte sporadiche.

Soluzione Rohde & Schwarz

L'oscilloscopio serie R&S®MXO 5 è perfetto per affrontare questo impegnativo compito, perché è in grado di misurare lo spettro e fornire informazioni rapide e approfondite sulle emissioni condotte. La capacità di calcolo rapido della FFT consente di acquisire uno spettro con un massimo di 45 000 FFT/s. In combinazione con lo stadio d'ingresso analogico a basso rumore, è così possibile rilevare eventi rari in modo molto efficiente e preciso.

Inoltre, la velocità di calcolo della FFT è indipendente dalle impostazioni nel dominio del tempo, il che è molto vantaggioso per il debug delle interferenze elettromagnetiche. Nelle soluzioni tradizionali per il calcolo della FFT, la velocità di aggiornamento della FFT si riduce notevolmente in funzione della larghezza di banda di risoluzione. Inoltre, è possibile utilizzare sonde di campo vicino per localizzare la sorgente del rumore nel sistema. Ciò richiede anche una capacità di calcolare la FFT in modo veloce. La rete artificiale (AMN) è necessaria per ottenere misure stabili e riproducibili.

Applicazioni

Un azionamento a mezzo ponte completamente integrato comprendente un motore in corrente continua con spazzole è stato utilizzato per mostrare un evento poco frequente nello spettro delle emissioni condotte. Questo dispositivo in prova (ved. Fig. 1 a pagina 1) fornisce l'alimentazione di potenza con due semiponti e può essere configurato tramite un bus SPI. Un microcontrollore è collegato al bus e viene utilizzato per monitorare lo stato dell'azionamento e per controllare la velocità e la direzione del motore. Un bus CAN viene utilizzato per comunicare con i moduli esterni al sistema.

Trovare la causa principale delle interferenze

La procedura può essere suddivisa in tre passaggi:

• Passaggio 1: eseguire la misura delle emissioni condotte in linea con lo standard richiesto, ad esempio CISPR25, con la modalità di persistenza attivata (evidenzia eventuali anomalie che si verificano di rado)
• Passaggio 2: individuare e localizzare la causa principale delle interferenze con sonde di campo vicino elettriche e magnetiche di diverse dimensioni (trovare le emissioni correlate a una specifica funzionalità della scheda)
  Nota: la modalità di persistenza deve comunque essere attivata per fornire informazioni su disturbi non periodici
• Passaggio 3: dopo aver trovato la correlazione tra lo spettro e la funzione dedicata, disattivare la modalità di persistenza infinita; attivare il trigger sul segnale che ha un'alta probabilità di essere la causa principale (la misura confermerà se l'ipotesi è corretta o se il passaggio 2 deve essere ripetuto)

Esempio di misura

Il risultato della misura delle emissioni condotte sulla linea di alimentazione dell'azionamento per il motore con spazzole è illustrato nella Fig. 2. La FFT veloce in combinazione con la modalità di persistenza attivata consente di rilevare eventi rari che causano emissioni elevate sull'intero spettro. Questo inviluppo del rumore (vedi l'area giallo chiaro, indicata con le frecce bianche) mostra le firme tipiche causate da un'ampia sorgente di rumore, ad esempio le comunicazioni sul bus o il segnale di clock. Dopo la misura delle emissioni condotte viene utilizzata la sonda di campo vicino ed è possibile trovare la fonte di emissioni con caratteristiche analoghe sul circuito stampato vicino alle tracce dati SPI accanto al microcontrollore. Si può, quindi, ipotizzare che l'attività sul bus SPI sia, con ogni probabilità, la causa principale delle interferenze elettromagnetiche.

Una conferma può essere ottenuta con l'ultimo passaggio (ved. Fig. 3). In questa misura viene attivata la modalità di trigger normale, in cui la porta di comunicazione SPI viene misurata con una sonda passiva (canale 3). Contemporaneamente viene visualizzato anche lo spettro. Il risultato mostra che non appena inizia la comunicazione sul bus SPI tra il controllore e il ricevitore (evento di trigger), sul display appare un'emissione alta e ampia. Conoscendo i dettagli, è possibile definire le attività per limitare questa emissione, che è causata dalle attività sul bus SPI e si riflette nelle emissioni condotte sulla linea elettrica.

Riassunto

L'oscilloscopio serie R&S®MXO 5 è perfetto per verificare le emissioni condotte nelle applicazioni a segnale misto in cui possono verificarsi emissioni poco frequenti. L'eccezionale capacità di calcolo veloce della FFT, pari a 45 000 FFT/s, in combinazione con lo stadio d'ingresso analogico a basso rumore consente di trovare qualsiasi anomalia rara nello spettro di frequenza dei circuiti di potenza a segnale misto.