Near Field Probes
HZ530
Handbuch / Manual / Manual
Deutsch / English / Español
Printed in Germany
290601-zim/tke
CE Konformität
CE marking
Conformidad CE .................................. 3
Deutsch ................................................ 4
English................................................ 23
Español............................................... 47
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
2
Allgemeine Hinweise zur CE-Kennzeichnung
HAMEG Meßgeräte erfüllen die Bestimmungen der EMV Richtlinie. Bei der Konformitäts-
prüfung werden von HAMEG die gültigen Fachgrund- bzw. Produktnormen zu Grunde
gelegt. In Fällen wo unterschiedliche Grenzwerte möglich sind, werden von HAMEG die
härteren Prüfbedingungen angewendet. Für die Störaussendung werden die Grenzwerte
für den Geschäfts- und Gewerbebereich sowie für Kleinbetriebe angewandt (Klasse 1B).
Bezüglich der Störfestigkeit finden die für den Industriebereich geltenden Grenzwerte
Anwendung.
Die am Meßgerät notwendigerweise angeschlossenen Meß- und Datenleitungen beein-
flussen die Einhaltung der vorgegebenen Grenzwerte in erheblicher Weise. Die verwen-
deten Leitungen sind jedoch je nach Anwendungsbereich unterschiedlich. Im praktischen
Meßbetrieb sind daher in Bezug auf Störaussendung bzw. Störfestigkeit folgende Hin-
weise und Randbedingungen unbedingt zu beachten:
1. Datenleitungen
Die Verbindung von Meßgeräten bzw. ihren Schnittstellen mit externen Geräten (Druk-
kern, Rechnern, etc.) darf nur mit ausreichend abgeschirmten Leitungen erfolgen. Sofern
die Bedienungsanleitung nicht eine geringere maximale Leitungslänge vorschreibt, dürfen
Datenleitungen (Eingang/Ausgang, Signal/Steuerung) eine Länge von 3 Metern nicht
erreichen und sich nicht außerhalb von Gebäuden befinden. Ist an einem Geräteinterface
der Anschluß mehrerer Schnittstellenkabel möglich, so darf jeweils nur eines angeschlos-
sen sein.
Bei Datenleitungen ist generell auf doppelt abgeschirmtes Verbindungskabel zu achten.
Als IEEE-Bus Kabel sind die von HAMEG beziehbaren doppelt geschirmten Kabel HZ72S
bzw. HZ72L geeignet.
2. Signalleitungen
Meßleitungen zur Signalübertragung zwischen Meßstelle und Meßgerät sollten generell
so kurz wie möglich gehalten werden. Falls keine geringere Länge vorgeschrieben ist,
dürfen Signalleitungen (Eingang/Ausgang, Signal/Steuerung) eine Länge von 3 Metern
nicht erreichen und sich nicht außerhalb von Gebäuden befinden.
Alle Signalleitungen sind grundsätzlich als abgeschirmte Leitungen (Koaxialkabel - RG58/
U) zu verwenden. Für eine korrekte Masseverbindung muß Sorge getragen werden. Bei
Signalgeneratoren müssen doppelt abgeschirmte Koaxialkabel (RG223/U, RG214/U) ver-
wendet werden.
3. Auswirkungen auf die Meßgeräte
Beim Vorliegen starker hochfrequenter elektrischer oder magnetischer Felder kann es
trotz sorgfältigen Meßaufbaues über die angeschlossenen Meßkabel zu Einspeisung un-
erwünschter Signalteile in das Meßgerät kommen. Dies führt bei HAMEG Meßgeräten
nicht zu einer Zerstörung oder Außerbetriebsetzung des Meßgerätes.
Geringfügige Abweichungen des Meßwertes über die vorgegebenen Spezifikationen hin-
aus können durch die äußeren Umstände in Einzelfällen jedoch auftreten
Dezember 1995
HAMEG GmbH
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modifi cación 3
KONFORMITÄTSERKLÄRUNG
DECLARATION OF CONFORMITY
DECLARATION DE CONFORMITE
Name und Adresse des Herstellers HAMEG Instruments GmbH
Manufacturer´s name and address Industriestraße 6
Nom et adresse du fabricant D - 63533 Mainhausen
Die HAMEG Instruments GmbH bescheinigt die Konformität für das Produkt
The HAMEG Instruments GmbH herewith declares conformity of the product
HAMEG Instruments GmbH déclare la conformite du produit
Bezeichnung / Product name / Designation:
Typ / Type / Type:
mit / with / avec:
Optionen / Options / Options:
mit den folgenden Bestimmungen / with applicable regulations / avec les directives suivantes
EMV Richtlinie 89/336/EWG ergänzt durch 91/263/EWG, 92/31/EWG
EMC Directive 89/336/EEC amended by 91/263/EWG, 92/31/EEC
Directive EMC 89/336/CEE amendée par 91/263/EWG, 92/31/CEE
Niederspannungsrichtlinie 73/23/EWG ergänzt durch 93/68/EWG
Low-Voltage Equipment Directive 73/23/EEC amended by 93/68/EEC
Directive des equipements basse tension 73/23/CEE amendée par 93/68/CEE
Angewendete harmonisierte Normen / Harmonized standards applied / Normes harmonisées utilisées
Sicherheit / Safety / Sécurité
EN 61010-1: 1993 / IEC (CEI) 1010-1: 1990 A 1: 1992 / VDE 0411: 1994
Überspannungskategorie / Overvoltage category / Catégorie de surtension: II
Verschmutzungsgrad / Degree of pollution / Degré de pollution: 2
Elektromagnetische Verträglichkeit / Electromagnetic compatibility / Compatibilité électromagnétique
EN 50082-2: 1995 / VDE 0839 T82-2
ENV 50140: 1993 / IEC (CEI) 1004-4-3: 1995 / VDE 0847 T3
ENV 50141: 1993 / IEC (CEI) 1000-4-6 / VDE 0843 / 6
EN 61000-4-2: 1995 / IEC (CEI) 1000-4-2: 1995 / VDE 0847 T4-2: Prüfschärfe / Level / Niveau = 2
EN 61000-4-4: 1995 / IEC (CEI) 1000-4-4: 1995 / VDE 0847 T4-4: Prüfschärfe / Level / Niveau = 3
EN 50081-1: 1992 / EN 55011: 1991 / CISPR11: 1991 / VDE0875 T11: 1992
Gruppe / group / groupe = 1, Klasse / Class / Classe = B
Datum /Date /Date Unterschrift / Signature /Signatur
Dr. J. Herzog
Technical Manager
Directeur Technique
Near Field Sniffer Probes
HZ530
-
-
23.01.1996
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
4
Inhaltsverzeichnis
Bedienungsanleitung
HZ530-Sondensatz für EMV-Diagnose ................................... 5
Bedienungsanleitung .............................................................. 7
Allgemeines ............................................................................. 7
Symbole ................................................................................... 7
Sicherheit.................................................................................. 7
Betriebsbedingungen ............................................................. 8
Gewährleistung ........................................................................ 8
Grundlagen der Meßtechnik mit Nahfeldmeßsonden .......... 9
Die H-Feld-Sonde ..................................................................... 9
Die Hochimpedanzsonde ........................................................ 9
Der E-Feld-Monopol ...............................................................10
Inbetriebnahme .......................................................................10
Sicherheitshinweis! ................................................................12
Applikationen für die Nahfeldsonden HZ 530 ......................13
Messung der Schirmdämpfung von Abschirmgehäusen ... 20
mit der E-Feld-Sonde ............................................................. 20
Operating instruction .......................................................... 23
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 5
HZ530-Sondensatz für EMV-Diagnose
Technische Daten
Frequenzbereich:
100 kHz – ≥ 1000 MHz
(untere Grenzfreq. abhängig von Sondentyp)
Ausgangsimpedanz: 50Ω
Anschluß: BNC-Buchse
Eingangskapazität: ca. 2pF (Hoch-
impedanzsonde)
Max. Eingangspegel: +10dBm
(Zerstörungsfrei)
1dB-Kompressionspunkt: -2dBm
(frequenzabhängig)
Max. DC-Eingangsspg.: 20V
Versorgungsspannung: 6V DC
Versorgungsspanung aus 5010/5011
oder 4 X 1.5 V Mignon Zelle
Stromaufnahme:
ca. 8mA; H-Feld Sonde
ca. 15mA; E-Feld Sonde
ca. 24mA; Hochimpedanzsonde
Sondenmaße: 40x19x195 mm (BxHxL)
Gehäuse: Kunststoff
innen elektrisch geschirmt.
Lieferumfang: Transportkoffer
1 H-Feld Sonde
1 E-Feld Sonde
1 Hochimpedanzsonde
1 BNC-BNC Kabel
1 Spannungsversorgungskabel
Batterien (Typ Mignon) gehören
nicht zum Lieferumfang
Typischer Frequenzverlauf E-Feld-Sonde Typischer Frequenzverlauf H-Feld-Sonde
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
Typischer Frequenzverlauf Hochimpedanz
Sonde
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
6
Der HZ530-Sondensatz besteht aus drei aktiven Breitbandsonden
für die EMV-Diagnose bei der Entwicklung elektronischer Baugrup-
pen und Geräte auf Laborebene. Er enthält eine aktive Magnetfeld-
sonde (H-Feld-Sonde), einen aktiven E-Feld-Monopol und eine
aktive Hochimpedanzsonde. Die Sonden sind zum Anschluß an
einen Spektrum-Analyzer vorgesehen und haben daher einen ko-
axialen Ausgang mit einem Wellenwiderstand von 50 Ω.
H-Feld Sonde
Die H-Feld-Sonde gibt einen der magnetischen Wechsel-Feldstärke
proportionalen Pegel ab. Mit ihr können Störquellen in elektroni-
schen Baugruppen relativ eng lokalisiert werden und Abschirmun-
gen auf „undichte“ Stellen untersucht werden.
E-Feld Sonde
Der E-Feld-Monopol wird z.B. verwendet, um die Wirkung von
Abschirmmaßnahmen zu prüfen. Mit ihm kann auch die Gesamtwir-
kung von Filtermaßnahmen beurteilt werden, soweit sie etwa das
Gerätegehäuse verlassende Kabel und Leitungen betreffen. Ferner
kann man mit dem E-Feld-Monopol Relativmessungen zu Abnahme-
protokollen durchführen.
High-Impedanz Sonde
Die Hochimpedanzsonde ermöglicht eine Untersuchung des Stör-
pegels auf einzelnen Kontakten oder Leiterbahnen. Sie belastet den
zu prüfenden Meßpunkt mit nur 2pF. Dadurch kann direkt in der
Schaltung gemessen werden, ohne nennenswerte Veränderungen
der Verhältnisse durch den Meßeingriff.
Allgemeines
Die Sonden haben je nach Typ eine Bandbreite von 100kHz bis über
1000MHz. Sie sind in modernster Technologie aufgebaut, und
GaAsFET sowie monolitische integrierte Mikrowellen Schaltungen
(MMIC) sorgen für Rauscharmut, hohe Verstärkung und Empfind-
lichkeit. Der Anschluß der Sonden an Spektrumanalysator, Meß-
empfänger oder Oszilloskop erfolgt über ein ca. 1,5m langes BNC-
Koaxial Kabel. Die in den Sonden schon eingebauten Vorverstärker
(Verstärkung ca. 30 dB) erübrigen den Einsatz von externen Zusatz-
geräten.
Die Sonden werden entweder durch einsetzbare Batterien/Akkus
betrieben oder können direkt aus dem HAMEG Spektrumanalysator
HM5010 mit Spannung versorgt werden. Die schlanke Bauform
erlaubt guten Zugang zur zu prüfenden Schaltung auch in beengter
Prüfumgebung. Mittels eines Akkusatzes hat jede Sonde eine
Betriebsdauer von ca. 20 - 30 Stunden.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 7
Bedienungsanleitung
Allgemeines
Sofort nach dem Auspacken sollten die Sonden auf mechanische
Beschädigungen und lose Teile im Innern überprüft werden. Falls
ein Transportschaden vorliegt, ist sofort der Lieferant zu informie-
ren. Die Sonden dürfen dann nicht in Betrieb gesetzt werden.
Symbole
Bedienungsanleitung beachten
Hochspannung
Erde
Sicherheit
Die Sonden haben das Werk in sicherheitstechnisch einwandfrei-
em Zustand verlassen. Sie entsprechen damit auch den Bestim-
mungen der europäischen Norm EN 61010-1 bzw. der internationa-
len Norm IEC 1010-1. Um diesen Zustand zu erhalten und einen
gefahrlosen Betrieb sicherzustellen, muß der Anwender die Hin-
weise und Warnvermerke beachten, die in dieser Bedienungs-
anleitung, im Testplan und in der Service-Anleitung enthalten sind.
Wenn anzunehmen ist daß ein gefahrloser Betrieb nicht mehr
möglich ist, so ist so sind die Sonden außer Betrieb zu setzen und
gegen unabsichtlichen Betrieb zu sichern. Diese Annahme ist
berechtigt,
• wenn die Sonden sichtbare Beschädigungen hat,
• wenn die Sonden lose Teile enthalten,
• wenn die Sonden nicht mehr arbeiten,
• nach längerer Lagerung unter ungünstigen Verhältnissen
(z.B. im Freien oder in feuchten Räumen),
• nach schweren Transportbeanspruchungen
(z.B. mit einer Verpackung, die nicht den Mindestbedin
gungen von Post, Bahn oder Spedition entsprach).
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
8
Betriebsbedingungen
Der zulässige Umgebungstemperaturbereich während des Betriebs
reicht von +10°C... +40°C. Während der Lagerung oder des Trans-
ports darf die Temperatur zwischen -40°C und +70°C betragen. Hat
sich während des Transports oder der Lagerung Kondenswasser
gebildet, müssen die Sonden ca. 2 Stunden akklimatisiert werden,
bevor sie in Betrieb genommen werden. Die Sonden sind zum Ge-
brauch in sauberen, trockenen Räumen bestimmt. Die Betriebslage
ist beliebig.
Gewährleistung
Jede Sonde durchläuft vor dem Verlassen der Produktion einen
Qualitätstest.
Dennoch ist es möglich, daß ein Bauteil erst nach längerer Betriebs-
dauer ausfällt. Daher wird auf alle Sonden eine Funktionsgewähr-
leistung von 2 Jahren gewährt. Voraussetzung ist, daß im Gerät
keine Veränderungen vorgenommen wurden. Für Versendungen
per Post, Bahn oder Spedition wird empfohlen, die Originalverpak-
kung zu verwenden. Transport- oder sonstige Schäden, verursacht
durch grobe Fahrlässigkeit, werden von der Gewährleistung nicht
erfaßt.
Bei einer Beanstandung sollte man am Gehäuse der Sonde eine
stichwortartige Fehlerbeschreibung anbringen. Wenn dabei gleich
der Name und die Telefon-Nr. (Vorwahl und Ruf- bzw. Durchwahl-Nr.
oder Abteilungs bezeichnung) für evtl. Rückfragen angegeben wird,
dient dies einer beschleunigten Abwicklung.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 9
Grundlagen der Meßtechnik mit Nahfeldmeßsonden
Die H-Feld-Sonde
Die H-Feld-Sonde gibt einen der magnetischen Wechsel-Feldstärke
proportionalen Pegel an das angeschlossene Meßsystem ab. Mit
ihr können Störquellen in elektronischen Baugruppen relativ eng
lokalisiert werden. Dies hat seine Ursache darin, daß moderne
elektronische Baugruppen als Störer meist niederohmig wirken
(relativ kleine Spannungsänderungen bei entsprechend großen
Stromänderungen). Die abgestrahlten Störungen beginnen daher
an ihrer Quelle zunächst überwiegend mit einem magnetischen
Wechselfeld. Da beim Übergang vom Nah- zum Fernfeld das
Verhältnis vom magnetischen zum elektrischen Feld die 377 0hm
Wellenwiderstand des freien Raumes erreichen muß, nimmt das H-
Feld zunächst mit der dritten Potenz des Abstandes vom Störer ab.
Eine Verdoppelung des Abstandes bedeutet ein Abnehmen des
Feldes auf ein Achtel.
Beim praktischen Gebrauch der H-Feld-Sonde bemerkt man des-
halb ein sehr starkes Ansteigen des Pegels bei Annäherung an den
Störer. Beim Absuchen einer Baugruppe mit der H-Feld-Sonde
fallen die Störer daher sofort auf. Es kann z.B. schnell festgestellt
werden, welcher IC stark stört und welcher nicht. Ferner kann
hierbei auf einem Spektrumanalysator erkannt werden, wie sich
die Störleistung über den Frequenzbereich verteilt. Somit kann
man Bauelemente, die aus EMV-Gründen weniger geeignet sind,
schon früh in der Entwicklung eliminieren. Die Wirkung von Gegen-
maßnahmen läßt sich qualitativ gut beurteilen. Man kann Abschir-
mungen auf „undichte“ Stellen untersuchen, und Kabel oder
Leitungen auf mitgeführte Störleistungen absuchen.
Die Hochimpedanzsonde
Die Hochimpedanzsonde ermöglicht eine Untersuchung des Stör-
pegels auf einzelnen Kontakten oder Leiterbahnen. Sie ist sehr
hochohmig (Isolationswiderstand des Leiterplattenmaterials) und
belastet den zu prüfenden Meßpunkt mit nur 2pF. Dadurch kann
direkt in der Schaltung gemessen werden, ohne nennenswerte
Veränderungen der Verhältnisse durch den Meßeingriff.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
10
Es kann z.B. die Wirkung von Filter- und Abblockmaßnahmen
quantitativ gemessen werden. Es können einzelne Anschlüsse von
IC’s als Störer identifiziert werden. Innerhalb von Leiterplatten
können problematische Leiterbahnen ermittelt werden. Mit dieser
Sonde kann man jeden einzelnen Punkt einer Schaltung direkt dem
Spektrumanalysator zugänglich machen.
Die niedrige Eingangskapazität und der flache Amplitudenverlauf
der Hochimpedanzsonde macht sie auch hervorragend zur Meßung
von Frequenzen und Signalanteilen bis in den GHz-Bereich mittels
eines Oszilloskopes nutzbar. Die geringe Belastung wird unter
Anderem durch Einsatz eines kapazitiven Spannungteilers am Ein-
gang der Sonde und den nachfolgenden Verstärker erreicht. Trotz
des eingebauten Verstäkers hat die Sonde jedoch eine Abschwä-
chung von ca. 30dB auf.
Der E-Feld-Monopol
Der E-Feld-Monopol hat von allen drei Sonden die höchste Empfind-
lichkeit. Er ist so empfindlich, daß man ihn ohne weiteres als
Antenne zum Radio- oder Fernsehempfang benutzen könnte. Da-
her kann man mit ihm die Gesamtabstrahlung einer Baugruppe oder
eines Gerätes beurteilen.
Er wird z.B. verwendet, um die Wirkung von Abschirmmaßnahmen
zu prüfen. Mit ihm kann auch die Gesamtwirkung von Filter-
maßnahmen beurteilt werden, soweit sie etwa das Gerätegehäuse
vorlassende Kabel und Leitungen betreffen, und damit die Gesamt-
abstrahlung beeinflussen. Ferner kann man mit dem E-Feld-Mono-
pol Relativmessungen zu Abnahmeprotokollen durchführen. Dies
macht es möglich, erforderliche Nachbesserungen so gezielt auszu-
führen, daß man bei der Abnahmeprüfung nicht ein zweites Mal
durchfällt. Ferner können Abnahmeprüfungen so gut vorbereitet
werden, daß man im allgemeinen vor Überraschungen sicher ist.
Inbetriebnahme
Vor Beginn der ersten Messung mit den Sonden HZ530 sind die
Hochimpedanzsonde und die E-Feld-Sonde mit den notwendigen
Antennen zu versehen. Diese befinden sich in Form von ca. 0.8mm
starken, geraden Drähten in einem kleinen Plastikbeutel im Transport-
koffer des Sondensatzes. Das Einstecken der Antennen erfolgt
mittels einer Zange und unter Anwendung von sanfter Gewalt. Die
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 11
Öffnung zur Aufnahme der Antenne befindet sich jeweils im ver-
jüngten vorderen Teil der Sonde. Die kurze Tastspitze ist für die
Hochimpedanzsonde vorgesehen. Die zwei längeren Antennen
werden für die E-Feld-Sonde verwendet. Je nach vorgesehenem
Frequenzbereich kommt die kürzere (ca. 6.5cm) oder längere (9.5cm)
Antenne zum Einsatz.
Anschließend wird die Spannungsversorgung der Sonden sicher-
gestellt. Beim Einsatz eines HM5010/5011 kann dies direkt, mit-
tels des mitgelieferten Spezialkabels, aus dem Spektrumanalysator
geschehen. Batterien sind dann nicht erforderlich. Wird ein anderer
Spektrumanalysator, ein Oszilloskop oder ein Meßempfänger für
die Messungen verwendet, so erfolgt die Versorgung durch 4
Mignon-Zellen entweder in Form von Batterien oder entsprechen-
der wiederaufladbarer Akkus.
Zu Beginn der Messung ist die jeweils verwendete Sonde mittels
des neben dem BNC-Anschluß befindlichen Schalters in Betrieb zu
nehmen. Dies ist unabhängig davon ob die Sonde durch Batterien
oder den Spektrum-Analysator versorgt wird. Auf jeden Fall sollte
man bei Verwendung von Batterien bei Nichtgebrauch der Sonden
die Spannungsversorgung abschalten. Im Normalfall hat ein Satz
Batterien eine Lebensdauer von ca. 20-30 Stunden.
Der Anschluß der Sonden an Spektrumanalysator, Meßempfänger
oder Oszilloskop erfolgt durch ein mitgeliefertes BNC-Kabel von ca.
1.5m Läge. Dies ermöglicht im Allgemeinen genügend Spielraum
für die notwendigen Messungen. Sollte aus besonderen Gründen
ein längeres Kabel verwendet werden, sind Abweichungen des
Amplitudenganges bei höheren Frequenzen möglich.
Im Normalfall werden die Sonden in Verbindung mit einem
Spektrumanalysator betrieben. Diese Geräte besitzen üblicher-
weise eine Eingangsimpedanz von 50
ΩΩ
ΩΩ
Ω
. Dadurch ist ein korrek-
ter Abschluß der Sonden gewährleistet. Wird ein Oszilloskop
oder ein Messempfänger mit abweichendem Eingangs-
widerstand angeschlossen, so ist unbedingt auf korrekten Ab-
schluß der Sonden zu achten. Ansonsten ergeben sich erhebli-
che, nicht abschätzbare Beeinflussungen des Frequenzganges.
Die Sonden sind auf Grund Ihrer elektrischen Charakteristika für
unterschiedliche Prüfungen vorgesehen. Die E-Feld-Sonde wird im
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
12
Allgemeinen für Messungen im Abstand von 1m bis 1.5m vom zu
untersuchenden Objekt eingesetzt. Die dabei ermittelten Stör-
frequenzen lassen sich mit der H-Feld-Sonde im Nahbereich der
Störquelle lokalisieren. Die Hochimpedanzsonde ermöglicht an-
schließend die exakte Eingrenzung der Störquelle und die gezielte
Beurteilung der getroffenen Maßnahmen.
Die E-Feld-Sonde ist auf Grund Ihrer Eigenschaften nicht für Mes-
sungen innerhalb eines Gerätes oder direkt an spannungsführenden
Teilen einer Schaltung vorgesehen. Elektrischer Kontakt der Anten-
ne mit spannungsführenden Schaltungsteilen (DC max. 20V; AC
max. +10dBm) kann zur Zerstörung des eingebauten Vorverstärkers
führen. Die genannten Grenzwerte gelten auch für die Hochimpedanz-
sonde, hier ist jedoch elektrischer Kontakt für die Messung im
Rahmen der vorgegebenen Grenzwerte vorgesehen.
Sicherheitshinweis!
Grundsätzlich ist die Messung an spannungsführenden
Schaltungsteilen mit Spannungen höher als 40V mit den
Sonden nicht zulässig. Da zu einem erheblichen Teil am
geöffneten Gerät gemessen wird, ist Voraussetzung,
daß der Benutzer mit den dabei auftretenden Gefahren
vertraut ist. Netzbetriebene Geräte müssen bei der Mes-
sung über einen Sicherheitstrenntransformator galva-
nisch vom Netz getrennt werden (erdfrei) .
Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß mit den
Sonden keine quantitativen Messungen durchgeführt werden kön-
nen. Eine auf den Meßergebnissen direkt beruhende Berechnung
der Störstrahlung zur Verwendung bei Abnahmeuntersuchungen
ist nicht möglich. Der Sondensatz ist als Hilfsmittel zur qualitativen
Erfassung von Störfrequenzen im Rahmen von entwicklungs-
begleitenden Messungen entwickelt worden. Die Aussagekraft
der erzielten Meßergebnisse ist stark von den jeweiligen Rand-
bedingungen der Messungen abhängig.
Denken auch Sie an unsere Umwelt. Zur Spannungsversorgung
der Sonden sollten Sie möglichst das mitgelieferte Versorgungs-
kabel einsetzen. Ist dies nicht möglich, sollten wiederaufladbare
Akkus verwendet werden. Bei der Verwendung von Batterien
stellen Sie bitte die sachgerechte Entsorgung sicher.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 13
Applikationen für die Nahfeldsonden HZ 530
Praxisorientierte Auswahl von Signalleitungsfiltern
Die durch die ständig steigende Arbeitsgeschwindigkeit moderner
Digitallogik überproportional wachsenden EMV-Probleme werden
seit dem 01.01.1996 allen Anbietern elektrischer und elektroni-
scher Produkte drastisch vor Augen geführt. Die neue Gesetzge-
bung verschärft zwar nicht die Störstrahlungsproblematik, macht
aber die Auseinandersetzung mit diesen Gegebenheiten zur Pflicht
für jeden Entwickler.
Die Zeiten, in denen man die Lösung der Störstrahlungsproblematik
einfach der EMV-Abteilung überlassen konnte, oder ein Produkt,
welches nicht direkt durch Störstrahlungsprobleme auffiel unter
EMV-Gesichtspunkten als quasi in Ordnung einstufte, sind längst
vorbei. Jeder Entwickler muß heute schon vom Beginn des Ent-
wurfs an EMV-Gesichtspunkte mitverfolgen, wenn später bei der
Abnahme ein Erfolg überhaupt möglich sein soll. Leiterplatten
müssen heute anders entworfen werden als noch vor wenigen
Jahren. Eine vernünftige Breitbandentkopplung der Versorgungs-
spannung muß schon als Stand der Technik angesehen werden.
Aber auch der Bereich der Signalleitungen kann nicht mehr so
bleiben wie früher. Digitale Signale haben Spektren, deren Band-
breite ungefähr
B = 1/(tr • π)
entspricht. Die Flankenzeit tr ist also der bestimmende Faktor. Je
kürzer die Flankenzeit, desto größer die Bandbreite. Hierbei ist nicht
die tabellarisch angegebene Bandbreite entscheidend, sondern nur
die tatsächlich vorhandene. Diese kann sich von der angegebenen
sehr erheblich unterscheiden. Das hat seinen Grund darin, daß der
tabellarische Wert sich meistens auf kapazitive Vollast bezieht. In
den meisten praktischen Fällen liegt diese Last aber nicht vor. Eine
überschlägige Umrechnung ist recht einfach: Halbe kapazitive Last
bedeutet doppelte Flankengeschwindigkeit.
Ein Beispiel möge dies verdeutlichen: ein Mikroprozessor ist mit
2ns Anstiegszeit der Flanke angegeben. Die zugrunde gelegte Last
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
14
ist 150pF. Wenn nun ein Signal dieses Prozessors mit nur einem
CMOS-Gatter, also ca. 12,5pF, belastet wird, heißt dies, daß die
Flanke etwa zwölfmal schneller wird. Es muß ein Wert von unter
200ps erwartet werden. Rechnet man dies in die entsprechende
Bandbreite des Spektrums um, so erhält man 1,6GHz. Auch in
praktischen Aufbauten, in denen noch etwas Schaltungskapazität
hinzukommt, kann man tatsächlich Bandbreiten von über 1000MHz
messen.
Unter EMV-Gesichtspunkten betrachtet ist dies natürlich äußerst
schädlich. Die tatsächliche Flankengeschwindigkeit kann man aber
auch bei modernen CMOS - Schaltungen in den meisten digital-
technischen Labors nicht messen. Hierfür müßten Oszilloskope
bereitstehen, die Zeiten von 100ps auflösen können. Diese sind
jedoch nur zu sehr hohen Kosten erhältlich.
Für die Auflösung der digitalen Systemfunktionen braucht man
diese Geschwindigkeit auch nicht, weshalb in den o.g. Labors meist
wesentlich langsamere Geräte verwendet werden. Diese täuschen
dem Benutzer Flankenzeiten vor, die in Wirklichkeit nicht existieren.
Im allgemeinen sieht man nur die Anstiegszeit des Oszilloskops.
Dies legt ein meßtechnisches Problem offen: Die für die Beurtei-
lung der EMV-relevanten Eigenschaften des Systems erforderli-
chen Messungen sind mit der existierenden Ausrüstung meist nicht
möglich, erforderliche Oszilloskope aber sehr teuer.
Eine brauchbare Lösung besteht im Ausweichen in den Frequenz-
bereich: Die Beurteilung der digitalen Funktion geschieht weiterhin
mit einem mittelschnellen Oszilloskop, die Untersuchung der EMV-
relevanten Eigenschaften im Frequenzbereich mittels eines
Spektrumanalysators. Da die Spektrum-Analyse entsprechender
Frequenzbereiche technisch einfacher ist als die Auflösung im
Zeitbereich, sind Geräte welche die Grundvoraussetzungen erfüllen
schon vergleichsweise preisgünstig erhältlich. Für die Beurteilung
von CMOS - Schaltungen reicht eine Bandbreite von 1000MHz.
Entsprechende Oszilloskope sind sehr teuer.
Da Spektrumanalysator hochfrequenztechnische Geräte sind, ha-
ben sie üblicherweise einen 50Ω Eingang. Dies macht sie zur
Messung in Digitalschaltungen ungeeignet, weil der Anschluß
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 15
einer solchen Last in der Regel von der Schaltung nicht verkraftet
wird. Zumindest würde das Meßergebnis stark verfälscht. Deshalb
benötigt man für die Messung in Digitalschaltungen eine Hoch-
impedanz-Sonde, die das Meßobjekt nicht nennenswert belastet
und das Signal breitbandig auf 50Ω umsetzt.
Im Prinzip könnte man auf den Gedanken kommen, Signalleitungs-
filter nach Katalog auszusuchen. Namhafte Hersteller bieten zu
ihren Filtern die entsprechenden Meßergebnisse in Zeit- und
Frequenzbereich in ihren Katalogen an. Leider sind diese Messun-
gen in der Regel in bezug auf eine ohmsche Last vorgenommen
worden. Sie sehen dann auch immer recht gut aus. In der Praxis der
Digitalelektronik liegt eine solche Last selten vor. Deshalb kann die
verbindliche Beurteilung der Wirkung der Filter nur im realen
Anwendungsfall gemessen werden. Es zeigt sich dann, daß die
Filter nicht immer die erwarteten Ergebnisse erbringen.
Dies soll im folgenden an einer Reihe von Beispielen, die alle an der
Logikfamilie 74ACT gemessen wurden, gezeigt werden. Die Gatter
wurden stets mit 5MHz Takt betrieben.
Bild 1 zeigt die Ergebnisse an einem solchen Gatter, welches auf
einer Leiterplatte bestückt ist und dessen Ausgang im Leerlauf
arbeitet. Das Spektrum deckt den gesamten Bereich bis 1000MHz
ab. Tatsächlich reicht es noch darüber hinaus, aber die Spektren in
den vorliegenden Bildern sind alle bis 1000MHz skaliert, um einen
besseren Vergleich zu ermöglichen. Im Zeitbereich zeigen sich
relativ starke Über- und Unterschwinger sowie steile Flanken. Das
Signal ist in Bezug auf die EMV als sehr ungünstig einzustufen. Die
hohe Bandbreite ermöglicht Abstrahlung schon aus relativ kleinen
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
16
Leiterplatten. Insbesondere, wenn Signale Leiterplatten verlassen
sollen, wird die Eingrenzung solcher Spektren unerläßlich, will man
nicht erhebliche Abschirmmaßnahmen treffen.
Eine erste Maßnahme in dieser Richtung, die häufig empfohlen
wird, ist das Einfügen eines Widerstandes zwischen Gatterausgang
und Leitung. Die Leitung ist bei dieser Messung durch einen
einzelnen Gattereingang abgeschlossen, um realistische Verhält-
nisse zu haben. Der Abschluß und auch die Leitungslänge müssen
bei solchen Messungen immer den Verhältnissen entsprechen, die
im tatsächlichen Anwendungsfall auch vorliegen, weil die Wirkung
der Signalleitungsfilter stark von deren Abschluß beeinträchtigt
wird.
Bild 2 zeigt die entsprechenden Ergebnisse für einen 47Ω Wider-
stand. Im Zeitbereich erkennt man eine deutliche Verbesserung:
Die Überschwinger sind gemindert, die Flanken weniger steil.
Leider täuscht das Ergebnis. Die geringe Dynamik der linearen
Darstellung des Oszilloskops kann die EMV-relevanten Eigenschaf-
ten des Signals nicht richtig darstellen. Das Spektrum zeigt nur eine
sehr geringe Dämpfung oberer Frequenzbereiche. Zum Teil ist an
der Täuschung auch der Tastkopf des Oszilloskops beteiligt, da er
immerhin mehr als 6pF kapazitive Last mitbringt. Die Hochimpedanz-
Sonde weist dagegen nur eine Belastungskapazität von 2pF auf.
Mit der Auswahl des Widerstandswertes kann man an dem vorlie-
genden Ergebnis noch einiges ändern, aber ein durchschlagender
Erfolg kann von einer so einfachen Maßnahme, wie sie das Einfü-
gen des Widerstands darstellt, nicht erwartet werden.
Eine weitere Verbesserung läßt sich erzielen, wenn man den
Widerstand mit einem Kondensator zu einem RC-Glied ergänzt.
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 17
Bild 3 zeigt die Resultate für eine Bestückung mit 47Ω und 100pF.
Auch hier erfolgt die Belastung des Aufbaus, wie bisher, mit der
Leiterbahn und dem einzelnen Gattereingang. Im Zeitbereich ist im
Vergleich zu Bild 2 kaum eine Veränderung erkennbar. Der Frequenz-
bereich zeigt aber besonders im mittleren und oberen Abschnitt
eine deutliche Verbesserung. Besonders bei der Verwendung eines
langsameren Oszilloskops würde die Veränderung im Zeitbereich
überhaupt nicht mehr wahrnehmbar sein. Hier zeigt sich sehr
deutlich die Schwäche einer reinen Zeitbereichsmessung: Man
übersieht die EMV-Relevanz der Maßnahme.
Bild 4
Der nächste Schritt besteht in dem Ausbau des Signalleitungsfilters
zu einem R-C-R-Glied. Es wurde mit 47Ω, 100pF und 47Ω bestückt.
Die Veränderung in Bezug zum vorherigen Zustand ist massiv. Der
Frequenzbereich ist praktisch auf 200MHz eingeschränkt. Aller-
dings ist im Zeitbereich auch ein langsamer Verlauf der Flanke
erkennbar. Hier muß die Frage gestellt werden, ob die logische
Funktionalität der Digitalschaltung durch eine solche Flanke bereits
beeinträchtigt wird. Man kann in einem solchen Falle aber durch
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
18
SCALE = 10dB/DIV. SCALE = 10dB/DIV.
eine entsprechende Anpassung der Bestückung des R-C-R-Gliedes
den günstigsten Kompromiß zwischen Eingrenzung des Spek-
trums und der logischen Funktionalität aufsuchen. Dies ist ein
besonders schönes Beispiel für die Wirksamkeit des hier vorge-
schlagenen meßtechnischen Verfahrens.
Im Handel sind verschiedene komplette Signalleitungsfilter im
Angebot. Auch die Wirksamkeit dieser Filter läßt sich meßtech-
nisch in der gleichen Weise verifizieren.
Bild 5 zeigt den Einsatz eines Dreipol - Kondensators als Signal-
leitungsfilter in dem Aufbau, der auch bei den anderen Messungen
verwendet wurde. Das Ergebnis ist enttäuschend: Trotz starker
Verlangsamung der Flanken des Signals, ist das Spektrum mangel-
haft eingegrenzt. Dies hängt damit zusammen, daß der Massean-
schluß solcher Dreipol - Kondensatoren oftmals nicht so induktions-
arm ausführbar ist, wie der eines R-C-R-Gliedes in SMD - Technik.
Es werden sogar Dreipol - Kondensatoren angeboten, die in diesem
Bereich fehlkonstruiert sind.
Als weiteres Beispiel soll eine einzelne Breitband - Chip - Drossel als
Signalleitungsfilter dienen.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 19
In Bild 6 ist das Resultat zu sehen: Auch hier eine mangelhafte
Begrenzung des Spektrums trotz starker Verlangsamung der Flan-
ken. Man beachte: Hier würde eine ausschließliche Betrachtung
des Zeitbereichs leicht zu völlig falschen Schlüssen führen: Eine
teure Maßnahme, welche die digitale Funktion bereits erheblich
belastet, mit enttäuschendem Ergebnis auf der Seite der EMV.
Bild 7
Schlußendlich soll einer der modernen SMD - Chip - Filter, die aus
zwei Ferritperlen und einem Durchführungskondensator bestehen,
betrachtet werden. Das Ergebnis, das in Bild 7 dargestellt ist,
erscheint als recht gut. Das Spektrum ist sauber begrenzt, die
Flanken sind noch erstaunlich steil. Lediglich die Über- und Unter-
schwinger trüben das sonst so gute Bild. Das ist leider ein Problem,
das Filter begleitet, die neben kapazitiven auch induktive Kompo-
nenten aufweisen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß für den Digital-
elektroniker, der für EMV - Probleme bereits sensibilisiert ist, der
Einblick in den Frequenzbereich eine unerläßliche Maßnahme ist,
da die reine Betrachtung des Zeitbereichs leicht Anlaß zu Täuschun-
gen gibt. Theoretisch ist zwar alles in der Darstellung im Zeitbereich
enthalten, was im Frequenzbereich nur anders beschrieben wird.
Die praktisch verfügbaren Meßgeräte lösen dies aber nur unvoll-
kommen auf. Insbesondere die schwache Dynamik der linearen
Darstellung im Oszilloskop und die oftmals zu geringe Geschwin-
digkeit desselben stehen dem Erreichen der theoretischen optima-
len Lösung entgegen.
Für die in dieser Applikation dargestellten Meßergebnisse
der Freqenzspektren diente die Hochimpedanz-Sonde aus
dem Nahfeld-Sondensatz HZ530 als Aufnehmer.
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
20
Messung der Schirmdämpfung von Abschirmgehäusen
mit der E-Feld-Sonde
Was bringt es, wenn ich das ganze Gerät in ein Abschirmgehäuse
stecke? Das wird sich mancher fragen, der bei der Abnahme zur
CE-Zertifizierung durchgefallen ist. Leider kann man die Frage
nicht pauschal beantworten, denn nicht jedes metallische Gehäu-
se schirmt auch gut ab. Kaum einer wird aber bis zur nächsten
Abnahmemessung warten wollen. Was, wenn es wieder nicht
stimmt? Es ist also erforderlich, ein einfaches Meßverfahren zu
haben, mit dem man zunächst den relativen Erfolg beurteilen
kann. Hierzu bieten sich hochempfindlichen E-Feld-Sonden an.
Man kann sie auch als sehr breitbandige Meßantennen verwen-
den wodurch sie zur Klärung der o.g. Fragen gut dienen können.
Zunächst muß vor der Verwendung der Sonde geklärt werden, ob
sie ausreichend empfindlich ist. Grundsätzlich sind alle passiven
Sonden meist unbrauchbar, weil sie zu unempfindlich sind. Die
für den Praktiker einfachste Lösung zur Klärung dieser Frage ist
die Aufnahme eines Breitbandspektrums von 0 bis 1000MHz in
seinem Labor. Bild1 zeigt eine solche Aufnahme, die mittels
aktiven E-Sonde aus dem HZ530 Sondensatz aufgenommen
wurde. Im Bereich bis 50MHz zeigt sie relativ sehr hohe Pegel die
von Rundfunksendern aus dem Mittel- und Kurzwellenbereich
stammen. Im Bereich um 100MHz sieht man Signale von UKW-
Rundfunksendern aus der Umgebung. Da es in diesem Fall
keinen Ortssender am Platz der Aufnahme gibt fallen diese
Signale etwas schwächer aus. Die stärkste Linie 474MHz stammt
von einem Fernsehsender, der exponiert in ca. 15km Entfernung
steht. Es folgen bis 800MHz mehrere Linien von Fernsehsendern
aus der Umgebung. Den Abschluß bildet der Bereich knapp über
900MHz, der zu den örtlichen D-Netz-Stationen gehört. Die
Aufnahme zeigt, daß die verwendete Sonde breitbandig und
empfindlich ist. Beginnend vom Mittelwellenbereich bis zum D-
Netz sind Linien zu finden, die weit aus dem Rauschen heraus-
reichen. Natürlich fällt dieses Bild an jedem Ort anders aus, aber
da Deutschland überall mit Rundfunk und Fernsehen versorgt ist
dürften die zugehörigen Linien nirgendwo fehlen. Auch in sehr
ländlichen Bereichen darf heute auch nirgendwo das D-Netz in
der Aufnahme fehlen: Es würde zeigen, daß die Sonde eine zu
niedrige Grenzfrequenz hat.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 21
SPAN: 1000MHz CF:500MHz
Hintergrund-
Spektrum
Bild 8
RESBW: 10kHz VIDBW: 10kHz
Die Aufnahme des Hintergrundspektrums dient allerdings nicht nur
der Prüfung der Sondenempfindlichkeit. Sie soll im Falle, daß man
die folgenden Messungen nicht in der Schirmkabine ausführen
kann als Referenz dienen, um die wichtigsten Spektrallinien erken-
nen zu können die nicht aus der zu untersuchenden Elektronik
stammen.
SPAN: 1000MHz CF:500MHz
Störer ohne
Abschirmung
Bild 9
RESBW: 10kHz VIDBW: 10kHz
Zur Durchführung der Messung stellt man nun den Prüfling zu-
nächst ohne Abschirmung in einer Entfernung von mindestens
0,5m von der Sonde auf. Dann dreht man den Prüfling, bis man die
Richtung des Abstrahlungsmaximums gefunden hat. In dieser
Position wird die zweite Aufnahme gemacht (Bild 9). Man erkennt,
daß im Vergleich zum Hintergrundspektrum Störleistung bis 1GHz
vorhanden ist.
Das Maximum der Störstrahlung liegt im Bereich 250...350MHz.
Die stärkste Linie ist mit dem Marker gekennzeichnet, der relative
Pegel liegt bei –42.8dBm. Es folgt die zweite Messung: Hierbei
trägt der Prüfling sein Abschirmgehäuse. Er wird zuerst so gedreht,
daß wieder das Maximum der Störstrahlung gefunden wird. Die-
ses kann in einer anderen Richtung liegen als bei offenem Gerät.
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
22
SPAN: 1000MHz CF:500MHz
Störer mit
Abschirmung
Bild 10
RESBW: 10kHz VIDBW: 10kHz
Bild 10 zeigt das Resultat. Man sieht, daß die Abstrahlung im
gesamten Frequenzbereich geringer geworden ist. Aus den Pegel-
differenzen aus Bild 2 und Bild 3 kann die Schirmdämpfung für
verschiedene Frequenzen ermittelt werden. Für die markierte Lini-
en entnimmt man: –55,9dbm. Das ergibt eine Dämpfung von
13,1dB. Für Frequenzen bei 800MHz werden nur 9db erreicht.
Schirmdämpfungen in dieser Größenordnung scheinen kaum das
Blech wert zu sein, aber leider ist so ein Ergebnis nicht ungewöhn-
lich. Die Messungen wurden an einem handelsüblichen Frequenz-
zähler der unteren Preisklasse vorgenommen. Es gibt zahllose
Geräte, deren Gehäuse keine besseren Werte erwarten lassen. Es
lohnt sich also zu messen, bevor man zuviel Geld für Blech ausgibt.
Auch hier zeigt sich wieder die ausgezeichnete Verwendbarkeit der
Meßsonden in der entwicklungsbegleitenden EMV-Meßtechnik.
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 23
Table of contents
Operating instruction . ...............................................................24
Near Field Sniffer Probes HZ 530 ................................................. 24
Specifications ................................................................................ 24
General Information ....................................................................... 26
Safety ............................................................................................. 26
Operating Conditions ..................................................................... 27
Warranty ........................................................................................ 27
Introduction ................................................................................... 28
Operation of the Probes ................................................................29
Battery Operation .......................................................................... 29
Output Impedance Matching ........................................................29
Use of different probe types ......................................................... 30
Safety Notice ................................................................................. 30
Accuracy Notice............................................................................. 31
Basis for Near-Field Probe Measurements ...................................31
The H-Field Near-Field Probe ........................................................31
The High-Impedance Probe ........................................................... 32
The E-Field Monopole Probe ......................................................... 32
HZ 530 Near-Field Probe Applications ..........................................33
Practical Selection of Signal-Line Filters ....................................... 33
Measurement of the Shielding Attenuation of ............................. 39
Shielded Housings with the E-Field Probe .................................. 39
Commonly asked questions about
pre-compliance emissions testing . .......................................... 41
How can pre-compliance instruments be defined? ................ 42
Why is there such a cost difference between ....................... 42
compliance and pre-compliance test instruments? ................ 42
How important is EMC training? ............................................. 43
How important is an instrument’s amplitude accuracy? ........ 43
Should pre-compliance instruments
contain “CISPR bandwidths”? ................................................ 43
How will the level of ambient signals affect my
radiated emissions measurements and will using fully
compliant measuring equipment help? ................................... 43
Will a screened room overcome
the problem of ambient signals?.............................................44
Can I make meaningful radiated emissions measurements
with a near field probe instead of an antenna? ...................... 44
Do spectrum analyzers have any
advantages over receivers? .................................................... 45
Will a spectrum analyzer allow me to make
sensible emissions measurements?....................................... 45
Does a spectrum analyzer’s response to pulsed
interference influence the measurement result? ................... 45
What are the results if I surround the entire
equipment under test in a shielded housing?......................... 46
Does the E-Field-Monopole of the HZ530 have
sufficient sensitivity for pre-compliance testing? ................... 46
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
24
Near Field Sniffer Probes HZ 530
Specifications
Frequency range: 0.1MHz to 1000MHz
(lower frequency limit
depends on probe type)
Output impedance: 50Ω
Output connector: BNC-jack
Input capacitance: 2pF
(high imped. probe)
Max. Input Level: +10dBm
(without destruction)
1dB-compression point: -2dBm
(frequency range dependent)
DC-input voltage: 20V max.
Supply Voltage: 6V DC
4 AA size batteries
Supply-power
of HM5010/5011
Supply Current: 8mA (H-Field Probe)
15mA (E-FieldProbe)
24mA(High imp.Probe)
Probe Dimensions:
40x19x195mm
(WxDxL)
Housing: Plastic;
(electrically shielded internally)
Package contents: Carrying case
1 H-Field Probe
1 E-Field Probe
1 High Impedance
Probe 1 BNC cable (1.5m)
1 Power Supply
Cable
(Batteries or Ni-Cads are not included)
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
Frequency Response H-Field Probe (typical)Frequency Response E-Field Probe (typical)
Frequency Response High Impedance Probe
(typical)
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 25
The HZ530 is the ideal toolkit for the investigation of RF
electromagnetic fields. It is indispensable for EMI pre-compliance
testing during product development, prior to third party testing.
The set includes 3 hand-held probes with a built-in pre-amplifier
covering the frequency range from 100kHz to over 1000 MHz.
The probes - one magnetic field probe, one electric field probe,
and one high impedance probe - are all matched to the 50Ω inputs
of spectrum analyzers or RF-receivers. The power can be supplied
either from batteries, Ni-Cads or through a power cord directly
connected to an HM5010/11 series spectrum analyzer.
Signal feed is via a 1.5m BNC-cable. When used in conjuction with
a spectrum analyzer or a measuring receiver, the probes can be
used to locate and qualify EMI sources, as well as evaluate EMC
problems at the breadboard and prototype level. They enable the
user to evaluate radiated fields and perform shield effectiveness
comparisons. Mechanical screening performance and immunity
tests on cables and components are easily performed.
The H-Field Probe
The magnetic probe incorporates a high degree of rejection of both
stray and direct electric fields, and provides far greater repeatability
than with conventional field probes. Measurements can be made on
the very near field area that is close to components or radiation
sources. It is especially suited to locate emission “hot spots” on
PCBs and cables.
The E-Field Probe
The electric field (mono-pole) probe has the highest sensitivity of
all three probes. It can be used to check screening and perform pre-
compliance testing on a comparative basis.
High Impedance Probe
The high impedance probe is used to measure directly on the
components under test or at the conductive trace of a PC board. It
has an input capacitance of only 2pF and supplies virtually no
electrical charge to the device under test.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
26
General Information
Users are advised to read through these instructions so that all
functions are understood. Immediately after unpacking, the
instrument should be checked for mechanical damage and loose
parts in the interior. If there is transport damage, the supplier must
be informed immediately. The probes must then not be put into
operation.
Symbols
ATTENTION - refer to manual
Danger - High voltage
Protective ground (earth) terminal
Safety
The probes have been designed and tested in accordance with
IEC
Publication 1010-1, Safety requirements for electrical equipment
for measurement, control, and laboratory use
. The CENELEC
regulations EN 61010-1 correspond to this standard. They have left
the factory in a safe condition. This instruction manual contains
important information and warnings which have to be followed by
the user to ensure safe operation and to retain the probes in a safe
condition.
Whenever it is likely that protection has been impaired, the instrument
shall be made inoperative and be secured against any unintended
operation. The protection is likely to be impaired if, for example, the
instrument
• shows visible damage,
• fails to perform the intended measurements,
• has been subjected to prolonged storage under unfavourable
conditions (e.g. in the open or in moist environments),
• has been subject to severe transport stress
(e.g. in poor packaging).
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 27
Operating Conditions
The probes have been designed for indoor use. The permissible
ambient temperature range during operation is +10°C (+50°F) ...
+40°C (+104°F). It may occasionally be subjected to temperatures
between +10°C (+50°F) and -10°C (+14°F) without degrading its
safety. The permissible ambient temperature range for storage or
transportation is -40°C (+14°F) ... +70°C (+158°F).
The maximum relative humidity is up to 80%.
If condensed water exists in a probe it should be acclimatized
before switching on. In some cases (e.g. probe extremely cold) two
hours should be allowed before the probe is put into operation.
Specifications:
Values without tolerances are typical for an
average instrument.
Warranty
HAMEG warrants to its Customers that the products it manufactures
and sells will be free from defects in materials and workmaship for
a
period of 2 years
. This warranty shall not apply to any defect,
failure or damage caused by improper use or inadequate main-
tenance and care. HAMEG shall not be obliged to provide service
under this warranty to repair damage resulting from attempts by
personnel other than HAMEG representatives to install, repair,
service or modify these products.
In order to obtain service under this warranty, the Customer must
contact and notify the distributor who has sold the product.
Each probe is subjected to a quality test before leaving the
production. In case of shipments by post, rail or carrier it is
recommended that the original packing is carefully preserved.
Transport damages and damage due to gross negligence are not
covered by this warranty.
In case of a complaint, a label should be attached to the probe
which describes briefly the faults observed. Indicating the name
and telephone number (dialing code and telephone or direct number
or department designation) will help speeding up the processing of
warranty claims.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
28
Introduction
Electromagnetic compatibility continues to be an important issue
in the electronics industry worldwide. The main goal of design
engineers is to meet even more demanding specifications, while
also making circuitry quieter and more robust to meet tough EMC
regulations. The design of microcontroller-based products which
fully comply with present and imminent EMC regulations isn’t an
easy task to undertake with the use of current technologies. Even
with the best PCB layout techniques and the most substantial
decoupling, at the speeds of today’s designs, radiation from boards
and the consequent noise impinging on PCBs is becoming a
growing problem that will not go away.
By the date of January 1, 1996, every electronic instrument or
device which can be imported to the European community must
meet the EMC regulations according to EN 55011 to 22 , EN 50081-
1 and CISPR-Publications 11 to 22. The EMC directive refers to
both electromagnetic emissions and electromagnetic immunity.
The manufacturer of electronic equipment or devices declares the
conformity of his product with the above regulations by the
placement the CE-sign on the device or equipment. By doing so the
manufacturer is liable for all violations of the above regulations.
Goods without the CE-sign are not allowed to be sold in the
European Community.
In order to be sure that the manufactured equipment meets all
specifications according to the EMC regulations, extensive test
during the design phase of every electronic device must be done.
One of the methods of CE certification is to use the services of a
professional testing lab that specializes in the compliance
certification process. The lab will have precise test equipment and
a shielded, screen room within which the inspection is performed.
Since many products being certified will require modification and
redesign, the customer is charged on an hourly basis for test time
used. Quite often, many trips are made between the test lab and
the design/development facility. In order to minimize the cost of
the test, it is recommended that a “Pre-Compliance” phase in
product development first be conducted. This phase would use a
spectrum analyzer such as the HM5010 in conjunction with HZ 530
close field sniffer probes, to inspect for emission and leakage;
isolate the source, design and correct the problem and then retest.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 29
Once the product appears electromagnetically “quiet”, it is
submitted to the compliance certification laboratory. This should
save the expense for much of the test time, since the submitted
unit has already been pretested. Typically, the test time and money
saved should represent many times the purchase price of the
spectrum analyzer.
Operation of the Probes
Before performing measurements with two of the HZ 530 probes,
the High Impedance (Hi-Z) Probe and the E-Field Probe they must
be configured for testing. The 0.8 mm diameter wires which are
used as antennas are located in the plastic bag that is in the case
for the probes. The wires are plugged into the probe by use of pliers
and a light force. The opening for the antenna is located on the
narrower front of the probes. The short wire is intended as a
contact for the Hi-Z probe. The two longer antennas are to be used
on the E-field probe. Depending on the frequency range either the
short antenna (6.5cm) or the long antenna (9.5cm) is used.
Battery Operation
Next, power must be provided to the probes. If a HM 5010
spectrum analyzer is used, the necessary voltage is obtained from
the HM 5010 by use of a provided special cable. In this case,
batteries are not required. If another spectrum analyzer, oscilloscope
or RFI measurement set is used for the measurement, the supply
must be provided via 4 AA-Cells either NiCad or rechargeable
batteries.
Prior to each measurement the switch needs to be actuated. This
switch is located adjacent to the BNC connector. This switch must
be turned on when either the battery or spectrum analyzer supply
are used. However, when not in use, the switch must be turned
off to save the batteries which have a life of 20 - 30 hours when
turned on.
Output Impedance Matching
The connection of the probe to the spectrum analyzer, oscilloscope
or measurement receiver is made via a supplied BNC cable of
approximately 1.5 meters length. This length is generally sufficient
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
30
for most measurements. If for special reasons a longer cable is
used, the insertion loss of this cable must be added to the output
values at the higher frequencies.
For the normal measurements, the probes are connected to a
spectrum analyzer. These instruments generally have an input
impedance of 50
ΩΩ
ΩΩ
Ω
s. This impedance is the normal termination
impedance for the probes. If an oscilloscope or measurement
receiver with a different impedance is used, the correct (50
ΩΩ
ΩΩ
Ω
)
termination impedance must be used. If the 50
ΩΩ
ΩΩ
Ω
termination
impedance is not used, the probe output is not calibrated.
Use of different probe types
The different probes are used for different tests since their electric
characteristics are quite different. The E-field probe is normally
used at a distance of 0.5 to 1.5meters from the RFI source. The
thereby observed frequencies are then further localized near the
source by use of the H-field probe. The high impedance (Hi-Z)
probe makes further localization possible by directly contacting the
source and to judge the effectiveness of suppression measures.
Because of its electrical characteristics, the E-field probe is not
intended to perform measurements within an equipment or
directly on parts that are live. Electrical contact of the antenna with
live parts exceeding 20 VDC or + 10 dBm at RF may cause damage
to the built-in pre-amplifier. These limits also apply to the Hi-Z
probe; however, electrical contact to parts that are below 20VDC
or + 10dBm are permitted.
Safety Notice
Basically, it is not permissible to perform measurements on
parts that are live above 40V. Since a significant part of the
measurements are performed on exposed parts, it is a
prerequisite that the user is familiar with any potential
electrical hazard. Under no circumstances may the probes
be used on equipment that is not safety grounded. When
in doubt, a safety isolation transformer must be used.
Think also of ecology. The power supply for the probes should be,
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 31
whenever possible, be made by use of the supplied 1.5 m supply
cable connected to the spectrum analyzer. If this is not possible,
rechargeable batteries should be used. If non-rechargeable batteries
are used, they should be disposed of properly.
Accuracy Notice
The probes may not be used to perform accurate quantitative
measurements. It is not possible to relate the probe measurements
directly to final values of field strength in V/m necessary for
certification tests. The probe kit is intended as an aid for
developmental tests to obtain a qualitative amplitude as a function
of frequency. These values are strongly influenced by the limiting
conditions of the measurement which may change as a function of
frequency.
Basis for Near-Field Probe Measurements
The H-Field Near-Field Probe
The H-Field probe provides a voltage to the connected measurement
system which is proportional to the magnetic radio frequency (RF)
field strength existing at the probe location. With this probe, circuit
RF sources may be localized in close proximity of each other. This
effect is caused by the interference sources which in modern
electronic circuits are of low resistance (relatively small changes in
voltage cause large changes in current). The sources of radiated
interference begin as a primarily magnetic radio frequency field ( H-
Field) directly at its origin. Since in the transition from the near- to
the far-field, the relationship between the magnetic- to the far-field
must reach the free-space impedance of 377Ω, the H-field will
decrease as the cube of the distance from the source. A doubling
of the distance will reduce the H-field by a factor of eight (H = 1/d³);
where d is the distance.
In the actual use of the H-field sensor one observes therefore a
rapid increase of the probe’s output voltage as the interference
source is approached. While investigating a circuit board, the
sources are immediately obvious. It is easily noticed which (e.g.)
IC causes interference and which does not. In addition, by use of
a spectrum analyzer, the maximum amplitude as a function of
frequency is easily identified. Therefore one can eliminate early in
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
32
the development components which are not suitable for EMC
purposes. The effectiveness of countermeasures can be judged
easily. One can investigate shields for “leaking” areas and cables
or wires for conducted interference.
The High-Impedance Probe
The high-impedance probe (Hi-Z) permits the determination of the
radio frequency interference (RFI) on individual contacts or printed
circuit traces. It is a direct-contact probe. The probe is of very high
impedance (near the insulation resistance of the printed circuit
material) and is loading the test point with only 2pF (80Ω at 1GHz).
Thereby one can measure directly in a circuit without significantly
influencing the relationships in the circuit with the probe.
One can, for example, measure the quantitative effectiveness of
filters or other blocking measures. Individual pins of IC’s can be
identified as RFI sources. On printed circuit boards, individual
problem tracks can be identified. With this Hi-Z probe individual
test points of a circuit can be connected to the 50Ω impedance of
a spectrum analyzer.
The E-Field Monopole Probe
The E-field monopole probe has the highest sensitivity of the three
probes. It is sensitive enough to be used as an antenna for radio
or TV reception. With this probe the entire radiation from a circuit
or an equipment can be measured.
It is used, for example, to determine the effectiveness of shielding
measures. With this probe, the entire effectiveness of filters can
be measured by measuring the RFI which is conducted along
cables that leave the equipment and may influence the total
radiation. In addition, the E-field probe may be used to perform
relative measurements for certification tests. This makes it possible
to apply remedial suppression measures so that any requalification
results will be positive. In addition, pre-testing for certification tests
may be performed so that no surprises are encountered during the
certification tests.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 33
HZ 530 Near-Field Probe Applications
Practical Selection of Signal-Line Filters
The steadily increasing operating speed of modern digital logic
causes significantly greater concerns with EMC problems. This
has become more noticed by all manufacturers of electrical and
electronic devices since 1 January l996, the effective compliance
date for the European Union EMC Directive. The EMC Directive
does not cause the radiated interference problems, but it causes
conflict with the requirements of compliance for each manufacturer.
The times are long gone when the EMC problems could be left to
the EMC department or a non-compliant product was not noticed
and could be sold anyhow. Every circuit designer must at the
beginning of a development be aware of potential EMC problems
to even allow the successful certification of a product. Printed
circuit boards must be built differently than was possible several
years ago. A reasonable broadband decoupling of the supply
voltages is the present state-of-the-art.
But also the design of signal lines must be considered and can not
be left to chance. Digital signals have a spectrum with a bandwidth,
B, that is related by:
B = 1 / (3.14 • tr), where tr is the risetime.
Consequently, the risetime of a digital signal transition is the
determinant. The shorter the risetime, the wider the frequency
range. However, the calculated bandwidth is not as important as
the one that actually exists which can be significantly different than
the calculated one. The reason for this is that the calculated value
is referenced to a capacitive total load. For most practical cases this
does not occur. An approximate calculation shows that one half of
the capacitive load means a twice faster risetime; e.g. a
microprocessor has a specified risetime of 2 x 10E-9 s (2ns). The
capacitive load is supposed to be 150 pF. If a signal from this
processor is loaded only with a CMOS gate of 12.5 pF, the risetime
will be 12 times faster and a value of 200 x 10E-12 s (200ps) must
be expected. In the frequency domain, 200ps is equivalent to a
bandwidth of 1.6GHz. Even in practical circuits, where additional
capacitance can be expected, actual bandwidths of over 1GHz are
measurable.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
34
From an EMC point of view, this is naturally very damaging. The
actual risetime in CMOS circuits is not easily measurable in most
digital labs. To measure the actual risetimes, oscilloscopes with
the ability to measure 100ps (10E-10s) must be used. Such
oscilloscopes are available but at a significant price.
Such fast oscilloscopes are not really necessary to observe the
digital system operation. This is the reason that these fast
oscilloscopes are not used in digital laboratories and slower
oscilloscopes are used. However, slow scopes simulate a risetime
which in reality do not exist because they measure only the internal
risetimes of the oscilloscope.
This exposes a measurement problem: The relevant EMC
characteristics cannot be measured with existing equipment in
many cases and the necessary oscilloscope is very expensive.
A practical solution is to perform the measurements in the frequency
domain: The digital function is observed with a slower and
economical oscilloscope and the relevant EMC characteristics are
measured with a spectrum analyzer. Since the spectrum analysis
of corresponding frequency ranges is technically simpler than the
measurement of the equivalent risetimes, basic spectrum
equipment can be obtained which is relatively more economical.
Spectrum analyzers with a bandwidth of 1,000MHz are already
suitable for analyzing CMOS circuits. The corresponding
oscilloscopes are still very expensive.
Spectrum analyzers are high frequency equipment and have
therefore an input impedance of 50Ω. They are therefore not
suitable to measure directly in digital circuits because of this
impedance which will influence the circuit behavior. As a minimum
the measurement results are false. Consequently, for the
measurement in digital circuits a high impedance probe is required
which does not load the circuit and convert the signal to a 50Ω
system over a wide frequency range.
The following measurement results were measured with the High
Impedance Probe HZ530 connected to a Spectrum Analyzer and
with a digital scope.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 35
In principle, it is easy to assume that it is possible to select signal-
line filters from catalog values. Well-known manufacturers offer
filters with measurement data in the time- and frequency- domain.
Unfortunately, the filter data is performed with an entirely resistive
load and therefore the data looks very good. However, in practice
an entirely resistive circuit seldom exists. Therefore, the filters
must be evaluated when installed in a practical circuit. It is then
observed that the performance of the filters is not as promised in
the catalog. This shall be demonstrated with a series of illustrative
examples which are measured in circuits of the 74 ACT family. The
gates are always operated with a 5MHz frequency.
Figure 1 shows the time and frequency domain outputs of such a
gate which is mounted on a printed circuit and is not loaded. The
frequency spectrum is measurable to 1,000MHz. In fact, it extends
even above 1,000MHz, but for comparison purposes all
measurements are scaled only 1,000MHz. In the time domain
relatively strong over and under shoot and fast risetimes are
observable. This signal is very poor relative to the EMC
characteristics. The excessive bandwidth permits radiation to take
place on relatively small printed circuit boards. When this signal is
conducted to other parts, it is especially important to limit the
spectrum to avoid excessive shielding structures.
As a first measure to limit the spectrum, a resistor is recommended
between the gate output and the conductor connection. The
conductor is simulated by an individual gate input to obtain a
realistic circuit. The connection and the conductor length must
correspond to the actual relationship to make the measurements
of signal line filter evaluation meaningful. The effectiveness of line
filters is strongly influenced by their termination.
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
36
Figure 2 shows the results when a 47Ω resistor is used. In the time
domain a significant improvement occurs. The overshoot is reduced
and the risetimes are somewhat slower. The linear dynamic range
of an oscilloscope can not demonstrate adequately the EMC
characteristics of the signal. The frequency spectrum shows only
a slight decrease of the upper frequencies. The oscilloscope probe
is partially responsible for this error since the probe has a
capacitance of 6pF. The Hi-Z probe has only a load capacitance of
2pF. By selecting specific values of resistors the EMC characteristics
may be slightly improved, but an EMC success can not be scored
with only the insertion of a resistor. Another improvement can be
made by inserting a capacitor to form an RC filter.
Figure 3 shows the results when 100pF is added to the 47Ω
resistor. The load continues to be the printed circuit track and
another gate input. In the time domain, the difference appears
negligible. In the frequency domain, the middle and upper frequency
range is significantly improved. If a slower oscilloscope is used, any
improvement would no longer be recognizable in the time domain.
The limitation of using an oscilloscope and using only time domain
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 37
measurements is easily recognizable: The EMC relevance of a
suppression measure is not noticeable.
The next step is to insert a 47Ω, 100 pF, 47Ω T-filter.
Figure 4 shows that the change is quite noticeable when compared
to Figure 3. The frequency range is now practically reduced to 200
MHz. At the same time the risetime is significantly slowed down.
The approach may be questionable if this slow risetime influences
the digital operation. In this case, the component values may be
varied to find a compromise between desired EMC characteristics
and digital functionality. This suitable example demonstrates the
effectiveness of the measurement procedures recommended
here.
Several complete signal-line filters are commercially available. The
effectiveness of these filters can be evaluated using the same
procedures.
Figure 5 shows the use of a three-pole capacitor used as a signal-
line filter in the same circuit as used in the previous examples. The
results are disappointing: Even though the risetime is significantly
reduced, the frequency spectrum is only marginally reduced. This
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
38
results from the generally poor ground connection of a three-pole
capacitor which is relatively high in inductance compared to a R-C-
R combination in surface mount technology (SMT). Some offered
three-pole capacitors are poor high frequency filters.
Another example is a wideband choke used as a signal line filter.
Figure 6 shows the results. The frequency spectrum is poorly
suppressed, but the risetimes are significantly slowed down. It
should be noticed here that a time domain analysis only will lead to
poor EMC performance and the wrong conclusions. This is an
expensive measure that will influence the digital function with
disappointing EMC suppression.
As a final example a modern SMT chip filter consisting of two ferrite
beads and a feed-through capacitor is shown.
Figure 7 shows the results which are relatively good. The
spectrum is limited and the risetime is surprisingly fast. The over-
and under-shoot is somewhat disappointing. This occurs in filters
which consist of only inductance and capacitance.
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 39
In conclusion, it is observed that the digital circuit designer who is
aware of EMC problems, must look at the frequency domain and
not only at the time domain or a false picture may result.
Theoretically, everything is contained in the time domain which is
only differently presented in the frequency domain. The problem
rests with the linear presentation and the resolution of the
oscilloscope. Using a generally poor oscilloscope will not lead to a
theoretically optimal solution.
Measurement of the Shielding Attenuation of
Shielded Housings with the E-Field Probe
What are the results if I surround the entire equipment in a shielded
housing? This question will be asked if I fail the CE-Mark EMC test.
Unfortunately, this question can not be answered in general
because a metallic housing is not always a good shield. No one
wants to wait until the next full-scale EMC test for the results.
What if the EUT fails again? What is needed is a simple measurement
procedure to determine the relative improvement of the radiated
RFI. For this purpose the highly sensitive E-Field probe is used,
which is used as broad bandwidth measurement antennas to help
answer the above questions.
First, before the E-field probe is used, determination must be made
if the probe has sufficient sensitivity and bandwidth. In general, all
passive probes are not usable since they have insufficient sensitivity.
The simplest solution to determine the sensitivity and bandwidth
is to measure the existing ambient field in the practitioner’s
laboratory that is generated by the surrounding transmitters from
0 to 1,000MHz. Figure 8 shows the result of such a measurement
which was made with the active E-field probe from the HZ530
probe kit connected to a spectrum analyzer. From 0 to 50MHz,
Figure 8 shows relative high levels which originate from transmitters
in the broadcast band and shortwave region. In the frequency range
near 100MHz signals from FM stations are noticeable. Since in the
particular case measured, there were no nearby FM transmitters,
the amplitudes are relatively low. The strongest signal observed
was a UHF TV transmitter at 474MHz which was located only 15
km from the laboratory. Then up to 800MHz are several weaker
(more distant) UHF TV transmitters. The final signals occur above
900MHz which are related to cellular telephones. This data shows
that the probe is wideband and has sufficient sensitivity. From the
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
40
AM band around 1MHz to the cellular telephone band there are
spectrum lines which are significantly above the noise level. Of
course, the spectrum display will be different at each location
depending on the relative distance of transmitters. Even in rural
areas cellular telephone lines must show the absence of which
would show that the probe has insufficient sensitivity at the higher
frequencies.
Measurement
of the Ambient
Spectrum.
Figure 8
The measurement of the ambient spectrum serves not only to
determine probe sensitivity. If the measurements are not performed
in a shielded room, the ambient signals can also serve as a
reference to recognize the most important frequencies which do
not originate from the EUT.
To perform the measurements, the EUT is set up, without the
additional shield, at a minimum distance of 0.5 meter from the
probe. Then the EUT is rotated in azimuth to find the maximum of
the radiation from the EUT. At this point the data is recorded as
shown in Figure 9.
EUT RFI
Characteristics
without
Additional Shield
Figure 9
Comparison of Figure 9 with Figure 8 shows that RFI is radiated up
to a frequency of 1GHz. The maximum of the radiated power
occurs at frequencies between 250 to 350MHz. The strongest
signal is at the marker frequency of 275MHz at a level of 42.8 dBm.
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 41
Next, the same measurement is performed with the additional
shielding around the EUT. Again the EUT must be rotated in
azimuth until the maximum RFI is observed. The direction may be
different than in the non-shielded equipment.
EUT RFI
Characteristics
with the
Additional Shielding
Figure 10
Figure 10 shows the data with the additional shield. By comparing
Figure 10 with Figure 9, it is observed that the entire spectrum is
lower. The shielding attenuation can be determined from these
two figures. For the marker frequency of 275MHz a signal of -55.9
dBm gives a shielding effectiveness of [-42.8(-)-55.9 dBm] of 13.1
dB. For the frequency of 800MHz, the shielding effectiveness is
only 9 dB. Shielding effectiveness of this magnitude are hardly
worth the additional sheet metal. But such results are quite
common. These measurements were performed on an EUT which
was low-price frequency counter. There is other equipment where
similar results are obtained because the radiation may also occur
from windows and other openings in the housing or cables
connected to the EUT. However, it is cost-effective to measure
before spending money for sheet metal.
SCALE = 10dB/DIV.
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
42
Commonly asked questions about
pre-compliance emissions testing
The EMC Directive has prompted a large selection in the choice of
EMC test instruments. In particular, a new class of low-cost pre-
compliance instruments has opened an debate on the merits of this
new class of instruments compared with established high-cost
EMC compliance test equipment. In this situation it’s not surprising
that a high degree of confusion prevails. In order to get a clear view
of the situation, the first step is to define compliance and pre-
compliance EMC test equipment and then establish how they
differ.
HAMEG Instruments has considerable experience with both types
of equipment. We use high-cost equipment for compliance testing
and also specify and design low-cost pre-compliance equipment.
As a result, we are well positioned to express a balanced view in
this debate.
The following questionnaire is a summary of commonly asked
questions concerning the practical use of HAMEG measuring
equipment for EMC pre-compliance testing and how useful EMC
pre-compliance instruments are in general.
How can pre-compliance instruments be defined?
EMC standards for both radiated and conducted emissions require
that compliance measuring equipment conforms to CISPR 16-1.
This requirement implies that for full compliance tests you need
expensive, high-quality receivers. On the other hand, you can use
pre-compliance equipment as tools to build EMC conformance into
your products during design and development. Often the debate
over compliance or pre-compliance instruments reduces to a
choice between a test receiver or a spectrum analyzer. However,
these definitions and choices are not the whole story because the
way you make EMC measurements can have more influence on
the validity of a test than the type of equipment you use.
Why is there such a cost difference between
compliance and pre-compliance test instruments?
Instruments for making compliance measurements must conform
to CISPR 16. This standard details stringent requirements, and
some are costly to implement. Pre-compliance instruments provide
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 43
valuable measurements and possess some of the features of
compliance equipment. Generally, though, precompliance
instruments do not need to conform fully to CISPR 16 and therefore
can cost less.
Compliance equipment is your first choice if money is no object. In
reality, often you cannot justify the cost of such equipment and
need a more economical approach. Pre-compliance instruments
cost less and can provide useful measurements, but you must be
aware of the difference between the two types of equipment and
what you get as a measurement result. It is entirely possible to
make meaningless measurements with a US$50,000 CISPR-
compliant receiver. Equally, you can make valuable measurements
with a US$5,000 pre-compliance set-up.
How important is EMC training?
EMC training is vital irrespective of whether you make compliance
or pre-compliance measurements. Much of the current debate
regarding the two types of instruments is rooted in misconceptions
that arise because of lack of knowledge and training. Without
proper training you can make meaningless measurements
irrespective of the type of equipment you use.
How important is an instrument’s amplitude accuracy?
An instrument’s amplitude accuracy is important, but uncertainty
for the whole measurement is of equal importance. If total
measurement uncertainty is ±6dB, the additional uncertainty
between a ±0.5dB receiver accuracy and a ±2dB spectrum analyzer
accuracy is small.
Should pre-compliance instruments contain “CISPR bandwidths”?
The significance of CISPR bandwidths depends if your objective is
full compliance or pre-compliance testing. Not all pre-compliance
equipment necessarily contains CISPR-compliant bandwidths.
How will the level of ambient signals affect my radiated emissions
measurements and will using fully compliant measuring equipment help?
The level of ambient signals that exist in your laboratory or at a
particular “open area test site” directly affects your ability to make
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
44
radiated emissions measurements. In some industrial
environments, the existing ambient may make obtaining radiated
emissions measurements very difficult. There is no advantage in
using compliance instruments in such locations.
Will a screened room overcome the problem of ambient signals?
Any Faraday cage structure provides screening from externally
generated ambient signals. However, in an unlined screened room,
any electromagnetic energy inside from the unit under test, for
instance - reflects from all the metallic surfaces of the room. The
result is a very uneven and position sensitive field, and you will
measure different levels depending on the positions of both the
unit and the antenna. You may encounter errors up to ±40dB
irrespective of the instruments you use.
Can I make meaningful radiated emissions measurements
with a near field probe instead of an antenna?
The two types of measurements are different. In fact, they are
complementary and not alternatives. A near field probe only
operates in the “near field”, whereas an antenna operates in the
“far field”. In the near field you cannot easily quantify the impedance
of the source, whereas in the far field the impedance of free space
is a constant 377Ω.
For example, a near field probe allows you to detect RF currents on
printed circuit boards, and consequently enables you to pin-point
problem signals that you first observed using an antenna on an
open area test site. If you are going down to detect the source of
the radiation (e.g. a transistor, IC, or any other component) on the
contact-level, the high-impedance probe of the HZ530 probe set is
indispensable for measurements due to its ultra-low input
capacitance of 2pF only.
Do spectrum analyzers have any advantages over receivers?
Yes. Spectrum analyzers are generally more flexible, particularly
for design and diagnostic testing. The main advantage is that you
can observe large frequency spans, whereas a receiver only
displays one amplitude and one frequency at a time. An additional
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 45
advantage of the HM5000 Spectrum Analyzer series is its fast
sweep rate. The display is “updated” every 23ms which allows
very fast tracking of the test signal.
Will a spectrum analyzer allow me to make
sensible emissions measurements?
The main problem with noise floor occurs when you make radiated
emissions measurements. Radiated emissions limits for residential,
commercial, or light industrial environments with a 10-meter
separation between a unit under test and an antenna are 30 to 230
MHz for 30 dB uV/m, and 230 to 1000 MHz for 37 dB uV/m. A typical
maximum receiver noise floor is 1-5 dB uV, whereas for a spectrum
analyzer the noise floor is around 10-20 dB uV. Clearly, sensible
measurements at some frequencies are not easily obtained with a
spectrum analyzer because the noise floor is comparable with the
limit.
You can overcome this limitation by using a 3-meter test distance,
or by use of a pre-selector or preamplifier (which is built-in for
example in the E-Field probe of the HZ530) with the spectrum
analyzer. Each of these methods effectively increases the limit or
reduces the noise floor of the measurement.
On the other hand we observed in many cases clearly noticeable
radiation from the test receiver or measuring equipment itself.
Concerning this phenomena the HM 5000 series spectrum analyzer
has a big advantage due to its strictly analog design. There is no self
generated radiation measurable from the analyzer within its own
sensitivity range.
Does a spectrum analyzer’s response to pulsed
interference influence the measurement result?
CISPR 16 contains a curve that defines how quasi-peak detectors
respond to a pulsed signal. The curve is based upon the signal’s
pulse repetition frequency (PRF). For a 30MHz to 1000MHz radiated
emissions measurement, the measured value of the input signal
can potentially be reduced by a figure up to about 40dB. This
number is also known as the overload factor. The design of a
compliance receiver ensures this response. However, pulsed
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
46
signals can overload a spectrum analyzer’s input circuitry, particularly
on signals with a very low PRF. In practice, few signals have such
a low PRF and therefore errors occur infrequently.
What are the results if I surround the entire
equipment under test in a shielded housing?
This question is often asked if a CE-Mark EMC test is failed.
Unfortunately, this question can not be answered in general
because a metallic housing is not always a good shield. No one
wants to wait until the next full-scale EMC test for the results.
What if the EUT fails again? What is needed is a simple measurement
procedure to determine the relative improvement of the radiated
RFI. For this purpose the highly sensitive E-Field probe is used,
which is used as broad bandwidth measurement antenna to help
answer the above questions.
Does the E-Field-Monopole of the HZ530 have
sufficient sensitivity for pre-compliance testing?
First, before the E-field probe is used, determination must be made
if the probe has sufficient sensitivity and bandwidth. In general, all
passive probes are not usable since they have insufficient sensitivity.
The E-Field-Monopole is sensitive enough to be used as an antenna
for radio or TV reception. With this probe the entire radiation from
a circuit or an equipment can be measured.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 47
Índice
Conjunto de sondas HZ530
para la diagnosis de EMC ................................ 48
Sonda de campo H ........................................... 49
Sonda de campo E ............................................ 49
Sonda de alta impedancia ................................. 49
Generalidades ................................................... 49
Instrucciones de manejo .................................. 50
Generalidades ................................................... 50
Símbolos ........................................................... 50
Seguridad .......................................................... 50
Condiciones de funcionamiento ....................... 51
Garantía ............................................................. 51
Principios básicos de la técnica de medida
con sondas de campo cercano ......................... 51
Sonda de campo H ........................................... 51
Sonda de alta impedancia ................................. 52
Sonda monopolo de campo E .......................... 52
Puesta en funcionamiento ................................ 53
Indicación de seguridad .................................... 54
Aplicaciones para las sondas
de campo cercano HZ530 ................................. 55
Elección práctica de filtros
de conductos de señal ...................................... 55
Medición de la atenuación de aislamiento
de blindajes mediante la sonda de campo E. ... 61
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
48
Conjunto de sondas HZ530
para la diagnosis de EMC
Datos técnicos
Margen de frecuencias:
100kHz - ≥ 1000MHz
(frecuencia límite inferior dependiente
del tipo de sonda)
Impedancia de salida: 50Ω
Conexión: Borne BNC
Capacidad de entrada: aprox 2pF
(sonda de alta impedancia)
Nivel de entrada máx.: +10dBm (no deteriorable)
Punto de compresión de 1dB:
-2dBm (dependiente de la frecuencia)
Tensión de entrada CC máx.: 20V
Tensión de alimentación:
6V CC (Pila o HM5010)
Consumo:
aprox 8mA; sonda campo H
aprox.15mA; sonda campo E
aprox.24mA; sonda de alta impedancia
Dimensiones de la sonda:
40x19x195 mm (A x Al x L)
Caja: Plástico con aislamiento
eléctrico en el interior
Contenido :
Maleta de transporte
1 sonda de campo H
1 sonda de campo E
1 sonda de alta impedancia
1 cable BNC - BNC
1 cable de alimentación
Las pilas (tipo Mignon) no van incluidas
en el suministro!
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
Curva de respuesta de la sonda de campo H
Curva de respuesta de la sonda de campo E
SCALE = 10dB/DIV.
Curva de respuesta de la sonda de alta impedancia
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 49
El conjunto de sondas HZ530 se compone de tres sondas activas
de banda ancha para la diagnosis de EMC durante el diseño de
grupos electrónicos y aparatos. Contiene una sonda activa de
campo magnético (sonda campo H), una sonda activa de campo
eléctrico de un polo (campo E) y una sonda activa de alta impedancia.
Están previstas para ser conectadas a un analizador de espectros
y llevan por esta razón una salida coaxial con una impedancia de 50
ohmios.
Sonda de campo H
La sonda de campo H suministra al analizador de espectros un nivel
proporcional a la intensidad del campo alterno. Esto permite
localizar en un margen relativamente estrecho ruidos de grupos
electrónicos y localizar los puntos de fugas.
Sonda de campo E
Se utiliza para comprobar la eficacia de medidas de aislamiento.
También se puede evaluar la eficacia total de filtrado, si corresponden
a cables y conductos que se derivan de la carcasa del aparato y que
influyen en la irradiación total. Además se pueden realizar mediciones
relativas para la documentación de la homologación.
Sonda de alta impedancia
La sonda de alta impedancia permite la investigación del nivel de
ruido sobre los diferentes contactos y circuitos. Sólo carga el punto
de medida con 2pF. Gracias a esto se puede medir directamente
en el circuito, sin generar variaciones importantes durante la
medición.
Generalidades
Todas las sondas tienen un ancho de banda de 100kHz hasta por
encima de los 1000MHz. Para su construcción se han utilizado las
tecnologías más modernas. Los GaAsFet utilizados así como los
circuitos integrados para microondas (MMIC) garantizan un nivel
de ruido bajo, una amplificación elevada y alta sensibilidad. La
conexión de las sondas al analizador de espectros, receptor de
medida u osciloscopio se realiza mediante un cable coaxial BNC de
1,5m de longitud. Los preamplificadores incorporados en las sondas
(aprox. 30 dB) hacen innecesario la utilización adicional de aparatos
externos, hecho que facilita el manejo considerablemente.
Las sondas se autoalimentan por una pila/batería interna o
directamente a través de los analizadores de espectros de HAMEG
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
50
HM5010 y HM5011. Su diseño estilizado permite medir cómo-
damente el circuito que se desea comprobar, aún con difícil acceso
al mismo. Un set de baterías adquirible como opción, suministra
una autonomía de trabajo entre 20 a 30 horas. Posteriormente se
deberá utilizar adicionalmente un cargador, suministrable como
accesorio.
Las sondas se suministran en un conjunto de tres dentro de una
maleta robusta y de aspecto profesional.
Instrucciones de manejo
Generalidades
Después de desembalar las sondas, compruebe primero que estas
no tengan daños externos ni piezas sueltas en su interior. Si
muestran daños de transporte, hay que avisar inmediatamente al
suministrador o transportista. En tal caso no ponga las sondas en
funcionamiento
Símbolos
Atender las instrucciones de manejo
Alta tensión
Masa
Seguridad
Las sondas han salido de fábrica en perfecto estado de seguridad
y funcionamiento. Se corresponden con la normativa europea EN
61010 y la norma internacional IEC 1010-1. El manual de instruc-
ciones, el plan de chequeo y las instrucciones de mantenimiento
contienen informaciones y advertencias importantes que deberán
ser observadas por el usuario para conservar el estado de seguridad
de las sondas y garantizar un manejo seguro.
Cuando haya razones para suponer que ya no es posible trabajar con
seguridad, hay que apagar el aparato y asegurar que no pueda ser
puesto en marcha involuntariamente. Tales razones pueden ser:
• las sondas muestran daños visibles,
• las sondas contienen piezas sueltas,
• las sondas ya no funcionan,
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 51
• han pasado un largo tiempo de almacenamiento en
condiciones adversas (p.ej. al aire libre o en espacios húmedos),
• su transporte no fue correcto (p.ej. en un embalaje que no
correspondía a las condiciones mínimas requeridas por los
transportistas).
Condiciones de funcionamiento
El margen de temperatura ambiental admisible durante el
funcionamiento va desde +10°C hasta +40°C. La temperatura
permitida durante el almacenaje y el transporte es de 40°C hasta
+70°C. Si durante el almacenaje se ha producido condensación,
habrá que climatizar las sondas durante 2 horas antes de ponerlas en
marcha. Las sondas están destinadas para ser utilizadas en espacios
limpios y secos. La posición de funcionamiento es a libre elección.
Garantía
Antes de abandonar la producción, todas las sondas se someten a
una prueba de calidad. Pero aún así, es posible que algún
componente se averíe después de un tiempo de funcionamiento
más prolongado. Por esta razón, todas las sondas tienen una
garantía de 2 años. La condición es que no se haya efectuado
ningún cambio en ellas y se remita el registro de garantía a HAMEG
(dirección ver tapa trasera del manual). Se aconseja guardar
cuidadosamente el embalaje original para posibles envíos de las
sondas por correo, tren o transportista. Los daños de transporte y
los daños por grave negligencia no quedan cubiertos por la garantía.
En caso de reclamaciones, aconsejamos adjuntar una nota con una
breve descripción de la anomalía. Además puede acelerar nuestro
servicio si en la mismo nota indica su nombre y número de teléfono
(prefijo, número de teléfono y nombre del departamento) para que
podamos solicitarle más información respecto a la avería.
Principios básicos de la técnica de medida
con sondas de campo cercano
Sonda de campo H
La sonda de campo H suministra al analizador de espectros un nivel
proporcional a la intensidad del campo alterno. Esto permite
localizar en un margen relativamente estrecho ruidos de grupos
electrónicos. El origen está, en que los grupos electrónicos de
moderna generación generan ruidos de baja impedancia (variaciones
de tensión relativamente pequeñas con variaciones de intensidad
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
52
relativamente altas). Los ruidos emitidos comienzan por esta razón
en su origen, con un campo magnético alterno. Como para alcanzar
la transición del campo cercano al lejano, se tiene que llegar a la
relación de campo magnético/eléctrico de 337 ohmios de resistencia
de onda del libre espacio, el campo H se reduce a niveles de la
tercera potencia de la distancia de la fuente del ruido. El doble en
distancia se corresponde a una reducción del campo a un octavo.
Durante la utilización práctica de la sonda H, se evidencia un fuerte
incremento del nivel con la aproximación a la fuente de ruido.
Durante el proceso de búsqueda de la fuente de ruido, se detecta por
esto rápidamente el componente emisor. Es fácil de comprobar p.
ej. cual de los CI está emitiendo un alto grado en ruido y cual no.
Gracias al analizador de espectros se puede reconocer entonces
como se distribuye el ruido en el margen de frecuencias. Así es
posible, eliminar ya en un estado preliminar del diseño, componentes
poco idóneos por razones de compatibilidad electromagnética (EMC).
Las contramedidas realizadas se pueden valorar cualitativamente
bien. Se pueden analizar los blindajes en busca de puntos “permea-
bles” y controlar cables y conductos eléctricos por ruidos.
Sonda de alta impedancia
La sonda de alta impedancia permite la investigación del nivel de
ruido sobre los diferentes contactos y circuitos. Es de muy alta
impedancia (resistencia de aislamiento del material de los circuitos)
y sólo carga el punto de medida con 2pF. Gracias a esto se puede
medir directamente en el circuito, sin generar variaciones impor-
tantes durante la medición.
Se puede medir p. ej. la reacción de filtros y de medidas de bloqueo
cuantitativamente. Se pueden identificar también las diferentes
conexiones de IC como fuentes de ruido. Dentro de la circuitería se
pueden localizar las zonas problemáticas. Mediante esta sonda se
puede hacer accesible cualquier punto del circuito al analizador de
espectros.
Sonda monopolo de campo E
El monopolo de campo E tiene la mayor sensibilidad de las tres
sondas. Es tán sensible, que se podría utilizar como antena de
recepción de radio o TV. Por esta razón se puede evaluar la emisión
total de un grupo electrónico o de un aparato.
Änderungen vorbehalten / Reservado el derecho de modificación 53
Se utiliza para comprobar la eficacia de medidas de aislamiento.
También se puede evaluar la eficacia total de filtrado, si corresponden
a cables y conductos que se derivan de la carcasa del aparato y que
influyen en la irradiación total. Además se pueden realizar mediciones
relativas para la documentación de la homologación. Esto permite
realizar posteriormente mejoras necesarias tán específicamente,
que no se denegará una segunda tramitación a la homologación. Se
pueden preparar las homologaciones tan bien, como para asegurarse
de sorpresas indeseadas.
Puesta en funcionamiento
Antes de comenzar la medición con las sondas HZ530 se les deben
acoplar a la sonda de alta impedancia y a la sonda de campo E las
antenas correspondientes. Estas se suministran en una bolsita de
plástico que contiene la maleta de transporte y tienen el aspecto de
unas varillas de 0,8mm de espesor. Se introducen las antenas
mediante unas pinzas - alicate con cierta presión. La abertura en la
sonda se encuentra en la parte conificada delantera de la sonda. La
antena más corta es para la sonda de alta impedancia. Las dos
antenas más largas se utilizan para la sonda de campo E. Según el
margen de frecuencia que se desee captar se utiliza la antena de
aprox. 6,5cm o la de 9,5cm de longitud.
A continuación se elige el sistema de alimentación para la sonda.
Si se utiliza el analizador de espectros HM5010, esta se autoalimenta
a través del cable especial de alimentación adjuntado en el
suministro. Entonces no se precisan pilas. Si se utiliza otro analizador
de espectros al mencionado, entonces se debe realizar la alimen-
tación a través de 4 pilas tipo Mignon o los correspondientes
acumuladores recargables.
Antes de efectuar la medición se debe de poner en funcionamiento
la sonda mediante el conmutador posicionado al lado del borne BNC.
Esto es independiente al sistema de alimentación utilizado. En todo
caso es conveniente apagar la sonda si no está en uso. Durante una
utilización normal, se dispone de entre 20 y 30 horas de funcio-
namiento con la alimentación por pilas.
La conexión de las sondas al analizador de espectros, receptor de
medida u osciloscopio, se realiza mediante un cable BNC de 1,5m
de longitud incluido en el suministro. Esto permite la suficiente
movilidad durante las mediciones. Si por alguna razón se utilizara
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
54
un cable de mayor longitud, podría ocasionar variaciones en el
margen de la amplitud en frecuencias elevadas.
El caso normal es la utilización de las sondas con un
analizador de espectros. Los aparatos tienen normalmente
una impedancia de entrada de 50
ΩΩ
ΩΩ
Ω
. Entonces se cargan las
sondas correctamente. Si se conecta un osciloscopio o un
receptor de medida con una impedancia de entrada
diferente, se debe atender a cargar las sondas con una carga
terminal correcta. Sino pueden aparecer influencias
inprevisibles en la frecuencia.
Las sondas están previstas para diferentes aplicaciones, según sus
características eléctricas. La sonda de campo E se utiliza
normalmente para distancias de 1 a 1,5m del objeto a analizar. Las
frecuencias perturbadoras se pueden captar con la sonda de
campo H en las inmediaciones de la fuente de emisión. La sonda
de alta impedancia permite después la circunscripción exacta de la
fuente perturbadora y la evaluación precisa de las medidas
correctoras realizadas.
La sonda de campo E no es idónea, en base a sus características,
para las mediciones dentro de un aparato o directamente en partes
de un circuito conectado a una tensión. El contacto directo de la
antena con piezas que estén bajo una tensión (DC max 20V; AC
max. +10dBm) pueden ocasionar el deterioro del preamplificador
de la sonda. Los valores indicados también son válidos para la
sonda de alta impedancia, pero el contacto eléctrico para una
medición está previsto dentro de los márgenes preestablecidos.
Indicación de seguridad
Por norma, no está permitida la medición con las sondas en
piezas de circuitería bajo tensiones superiores a los 40V. Ya
que se suelen efectuar muchas mediciones con el aparato
abierto, es condición que el operario conozca los riesgos que
esto lleva consigo. Bajo ningún concepto es permisible utilizar
las sondas en mediciones sin conducto de protección (masa).
En otro caso se debe utilizar un transformador separador.
Debemos indicar en este contexto, que no se pueden realizar con
las sondas medidas cuantitativas. Un cálculo directo de la
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emisión de ruido para la obtención de homologaciones basado en
los resultados de la medición no es posible. El conjunto de sondas
se ha diseñado para la captación cualitativa de frecuencias
perturbantes dentro del marco de mediciones auxiliares de I+D.
Los resultados de la medición son muy dependientes de las
condiciones marco de cada medida.
Piense en nuestro entorno. Para alimentar las sondas es conveniente
utilizar el cable de alimentación especial adjuntado. Si esto no es
posible es conveniente utilizar pilas recargables. Si utiliza pilas
normales deshéchelas en un contenedor especial.
Aplicaciones para las sondas de campo cercano HZ530
Elección práctica de filtros de conductos de señal
Los problemas en EMC que se ocasionan a través de la velocidad
de trabajo creciente de la lógica digital moderna, se constatan
drásticamente a los producentes de productos eléctricos y
electrónicos desde el 01.01.1996. La nueva legislación no encrudece
la problemática de las emisiones, pero sí obliga a ocuparse a los
diseñadores del asunto.
Pasaron ya los tiempos en los que se podía dejar en manos del
departamento de EMC la solución de los problemas ocasionados
por las emisiones, o dejar sin control exhaustivo los productos que
no tenían una problemática constatable. Actualmente, los
diseñadores deben seguir desde un principio las emisiones posibles
del producto, para obtener a su finalización la homologación. Los
circuitos impresos deben diseñarse hoy en día de otra forma que
hace unos años. Un desacoplamiento adecuado de banda ancha
debe tomarse ya como una base de la técnica.
También los conductos de las señales deben modificarse, hoy en
día. Las señales digitales tienen espectros, cuyo ancho de banda
se corresponde a aprox.: B = 1/(tr * π). El tiempo del flanco tr es el
factor determinante. Como más breve sea el tiempo de flanco, más
amplio será el ancho de banda. Para esto no es relevante el ancho
de banda descrito en la tabla, sino la realmente existente. Esta se
puede diferenciar de la descrita sensiblemente. Su razón está, en
que el valor de la tabla se refiere bajo carga total capacitativa. En la
mayoría de los casos pero, no se da esta carga máxima. Un cálculo
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aproximado se obtiene de forma fácil: Carga capacitativa media
corresponde a velocidad de flanco doble.
Un ejemplo dará claridad: un microprocesador se especifica con
2ns de tiempo de subida de flanco. La carga empleada es de 150pF.
Si una señal de este µ-procesador se carga con un sólo CMOS de
aprox 12,5pF, quiere decir que el flanco se acelera 12 veces. Se
debe esperar entonces un valor inferior a los 200ps. Si esto se
recalcula en el ancho de banda del espectro, se obtienen 1,6GHz.
Diseños prácticos, que incluyen algo más de capacidad por la
circuitería, se pueden medir realmente anchos de banda superiores
a los 1000MHz.
Bajo aspectos EMC esto es realmente dañino. La velocidad real de
flanco pero, en los circuitos con CMOS, no es medible en la
mayoría de laboratorios digitales técnicos. Para esto se precisan
osciloscopios que puedan presentar señales de 100ps y estos sólo
se obtienen en base a un gran desembolso monetario.
Para la resolución de funciones de sistema digitales no es realmente
necesaria esa velocidad, por lo que en los laboratorios mencionados
anteriormente se suelen encontrar aparatos mucho más lentos.
Estos fingen al usuario unos tiempos de flancos que no existen
realmente. Generalmente sólo se ve el tiempo de subida del
osciloscopio.
Esto revela un problema de técnica de medida: La evaluación de las
características relevantes EMC del sistema para las medidas
necesarias no se pueden realizar con el equipamiento existente,
pero los osciloscopios necesarios son demasiado caros.
Una solución es la separación en el margen de frecuencia: La
evaluación de la función digital se realiza mediante un osciloscopio
medianamente rápido, mientras que las características relevantes
de EMC en frecuencia se obtienen mediante un analizador de
espectros. Ya que el análisis de espectros de los correspondientes
márgenes de frecuencia es técnicamente más fácil que la resolución
en el margen de tiempo, se obtienen estos instrumentos a un coste
relativamente bajo. Para la observación de circuitería CMOS es
suficiente un ancho de banda de 1000MHz. Los osciloscopios
correspondientes son muy caros.
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Ya que los analizadores de espectros son instrumentos que incluyen
partes de alta frecuencia, llevan normalmente bornes de entrada de
50Ω. Esto les excluye normalmente para las mediciones en circuitería
digital, ya que esta no permite cargas de esta magnitud. El resultado
de medición quedaría, como mínimo altamente deformado. Por esta
razón se necesita, para las mediciones en circuitos digitales, una
sonda de alta impedancia, que no carga el circuito a medir y que
traspasa la señal en banda ancha a los 50Ω.
Los resultados de las mediciones presentadas a continuación se
obtuvieron mediante la utilización de un analizador de espectros
Anritsu 2601A, así como de un osciloscopio Hewlett-Packard
54502A con sonda HP10430A. Como receptor se utilizó la sonda
de alta impedancia del conjunto HZ530.
En principio se podría tener la idea, de seleccionar los filtros en
conductos de señal, por catálogo. Hay fabricantes importantes que
ofrecen sus filtros en catálogos con las características técnicas
correspondientes de medida, en márgenes de tiempo y frecuencia
(gráficos). Sin embargo estas mediciones se han realizado en
referencia a una carga óhmica. Entonces su visualización queda
muy positiva. En la práctica de la electrónica digital no se trabaja
normalmente con una carga de estas características. Por esta
razón sólo se puede evaluar la respuesta del filtro mediante la
prueba real en la práctica y en el circuito. Entonces se detecta, que
los filtros no dan los resultados deseados.
Esto se demuestra a continuación en base a unos ejemplos,
medidos todos en una familia lógica 74ACT. Las puertas se
utilizaron con frecuencias de 5MHz.
Figura 1 muestra los resultados de así una puerta (gate), incorporada
en un circuito impreso y cuya salida trabaja sin carga. El espectro
SCALE = 10dB/DIV.
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cubre toda la gama desde 1000MHz. Realmente lo sobrepasa, pero
los espectros de las imágenes presentes van con escalas hasta los
1000MHz, para permitir una mejor comparación. En el margen del
tiempo se observan variaciones importantes de sobreoscilaciones
así como flancos empinados. Esta señal se puede determinar
como muy mala respecto a su EMC. Su ancho de banda alto genera
una emisión ya desde circuitos impresos relativamente pequeños.
Especialmente cuando se pretende que las señales se transmitan
a otros circuitos impresos, es imprescindible la limitación de estos
espectros, si no se quieren tomar medidas de blindaje elevadas.
Una primera medida que se puede tomar en este caso, sería la
incorporación de una resistencia entre la salida de la puerta y el
conducto. El conducto queda cerrado en esta medición por una
entrada única de puerta, para obtener condiciones reales. La
terminación y la longitud del conducto deberán corresponder
durante estas mediciones, siempre a las condiciones reales a las
que corresponde el caso real, ya que el efecto de los filtros del
conducto de la señal dependen en gran medida de su terminación.
Figura 2 muestra los resultados correspondientes para una
resistencia de 47Ω. En tiempo se reconoce una mejora notable: las
sobreoscilaciones se han reducido y los flancos son menos
empinados. Pero el resultado realmente confunde. La pobre
dinámica del osciloscopio en la presentación lineal no puede
presentar correctamente las características relevantes de EMC. El
espectro muestra sólo una atenuación mínima en los márgenes de
frecuencia superiores. Parte de la confusión va a cuenta de la sonda
del osciloscopio, ya que carga con una capacidad de 6pF. La sonda
de alta impedancia en cambio, sólo carga la línea con 2pF. Mediante
SCALE = 10dB/DIV.
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la elección del valor de la resistencia se puede modificar en algo el
resultado actual, pero la variación no será espectacular. Otra
mejora se conseguirá combinando la resistencia mediante un
condensador a un conjunto RC.
Figura 3
La figura 3 muestra los resultados de una composición con 47Ω y
100pF. También aquí se carga el circuito mediante el conducto y la
entrada única de la puerta. En tiempo no se podrá observar casi
diferencia con figura 2. Pero el margen de frecuencias muestra en
la zona mediana y superior una mejora contundente. La variación
en el tiempo no sería visible si se utilizara aquí un osciloscopio más
lento, por lo que se observa claramente las limitaciones de la
medición real en tiempo, ya que no se aprecia la relevancia de EMC
en las medidas.
Figura 4
El siguiente paso se emprende ampliando el filtro del conducto de
la señal mediante un componente R-C-R. Se estableció mediante
47Ω, 100pF y 47Ω. La variación referente al estado anterior es
importante. El margen de frecuencia ha quedado limitado a 200MHz.
Pero también se observa un flanco más lento. Se debe cuestionar
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
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en este momento , si la funcionalidad lógica del circuito digital ha
sufrido algún perjuicio. Pero en así un caso se puede buscar un
compromiso adaptando el componente R-C-R entre la limitación
del espectro y la funcionalidad lógica. Este es un buen ejemplo para
la eficacia del procedimiento de medición descrito. Se pueden
adquirir en el mercado varios filtros completos de conducto de la
señal. La eficacia de estos filtros se puede verificar con el
procedimiento de medición descrito.
Figura 5
La figura 5 muestra la utilización de un condensador de tres polos,
utilizado como filtro de conducto de señal y que ha sido utilizado
también en las otras mediciones. El resultado es decepcionante. A
pesar de una reducción de los flancos de la señal, el espectro queda
insuficientemente delimitado. Esto ocurre porque los conden-
sadores de tres polos no se pueden obtener con una inducción baja
como la de los componentes R-C-R en tecnología SMD. Existen
hasta condensadores de tres polos, que no están construidos, en
este ámbito, correctamente. Como siguiente ejemplo se toma una
bobina - chip de banda ancha como filtro de conducto de señal.
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
Figura 6
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En la figura 6 se puede observar el resultado: aquí también aparece
una delimitación insuficiente a pesar de la ralentización del flanco.
Obsérvese: sería erróneo analizar únicamente el tiempo y sería una
medida cara que carga la función digital con resultados
decepcionantes en lo que se refiere a EMC.
Figura 7
Finalmente se observará un filtro Chip moderno en SMD, compuesto
de dos perlas de ferrita y un condensador de paso. El resultado,
visualizado en figura 7, es aceptable. El espectro queda bien
delimitado, mientras que los flancos permanecen sorprenden-
temente empinados. Sólo aparecen los sobreimpulsos y enturbian
la buena imagen. Es un problema, que acompaña los filtros que
incorporan además de componentes capacitativos también
inductivos. Como resumen se puede constatar, que para el diseñador
de la electrónica digital, sensibilizado con por los problemas de
EMC, es indispensable la observación en el margen de frecuencias,
ya que la observación sólo del tiempo puede llevar a un resultado
engañoso. Teóricamente la presentación en el margen de tiempo
incorpora todo el contenido, pero este es presentado en margen de
frecuencia de otra forma. Los instrumentos disponibles y asequibles
resuelven esto sólo parcialmente. Especialmente la pobre dinámica
de la presentación lineal del osciloscopio y la velocidad insuficiente
en la mayoría de los casos impiden la solución optima de la teoría.
Medición de la atenuación de aislamiento de blindajes mediante la
sonda de campo E.
¿Que ventajas traería consigo blindar todo el aparato?
Esta es la pregunta que se hará algún que otro diseñador, ante un
expediente de homologación de CE devuelto. Lamentablemente,
no se puede dar una respuesta general, ya que no todas las cajas
SCALE = 10dB/DIV.
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metálicas blindan bien. Será necesario proveerse de un sistema de
medición simple, con el cual se pueda evaluar el éxito de las
medidas de aislamiento tomadas. Para esto se tienen a disposición
las sondas de campo E de alta sensibilidad. También se pueden
utilizar como antenas de banda ancha para dar respuesta a la
pregunta arriba efectuada.
Antes de utilizar la sonda, deberá aclararse si es suficientemente
sensible. Generalmente las sondas pasivas son todas insuficientes,
ya que son poco sensibles. La solución más simple para el usuario
para responder esta cuestión es la de obtener un espectro amplio
de 0 hasta 1000MHz en su laboratorio. La figura 1 presenta así una
imagen, obtenida mediante la sonda activa E del conjunto de
sondas HZ530. En el margen hasta 50MHz se visualizan niveles
altos de señal, procedentes de las emisoras de radio de onda media
y corta. El margen comprendido alrededor de los 100MHz presenta
señales procedentes de emisoras en FM de los alrededores. Ya
que en este caso no existía ninguna emisora cercana, el nivel de las
señales es relativamente bajo. La línea más elevada en los 474MHz
proviene de una emisora de TV, situado a unos 15km de distancia
a vista directa. Hasta los 800MHz siguen varias señales de emisoras
de TV de las proximidades. Al final, a los 900MHz se visualizan
también unas señales correspondientes a estaciones locales de
telefonía móvil. La presentación muestra la sensibilidad suficiente
de la sonda y su banda ancha. Comenzando en el margen de la onda
media hasta la zona de la telefonía móvil, que sobresalen del ruido
general. Naturalmente que estas imágenes difieren en relación a la
situación de la recepción, pero como en España el país queda con
cobertura total de TV y telefonía se recibirán incluso en los rincones
más remotos las señales indicadas. Sino es así, sería señal de que
la sonda tiene una frecuencia de límite demasiado baja.
Espectro de fondo
Figura 8
La presentación del espectro de fondo no sólo sirve para comprobar
la sensibilidad de la sonda. Debe servir, para el caso de
SCALE = 10dB/DIV.
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que no se puedan realizar las mediciones en una cabina blindada,
como referencia, para reconocer las líneas espectrales más
importantes que no provienen del producto electrónico elaborado.
Ruidos sin blindaje
Figura 9
Para realizar la medición se posiciona el objeto a medir a una
distancia de 0,5m de la sonda sin blindaje. Entonces se gira el
objeto hasta obtener el máximo de recepción de señal. En esta
posición obtenida, se realiza la segunda observación (figura 9). Se
puede reconocer, que en comparación con el espectro de fondo,
existen ruidos hasta 1GHz. El máximo se encuentra en el margen
de los 250 - 350 MHz. La línea más significante se ha determinado
con el marcador, el nivel relativo queda en -42dBm. Se realiza la
segunda medición: ahora el objeto lleva su blindaje. Se gira
nuevamente hasta obtener el máximo de ruido emitido. Esta puede
no coincidir con la dirección del objeto sin blindaje.
Ruido con blindaje
Figura 10
La figura 10 muestra el resultado. Se observa, que la emisión en
todo el margen de frecuencias se ha reducido. Las diferencias de
nivel de figura 2 y 3 permiten calcular la atenuación de la señal por
blindaje para las diferentes frecuencias. Para las líneas marcadas
se toma: -55,9dBm. Se obtiene una atenuación de 13,1dB. Para
frecuencias de 800MHz solo se logran 9dB. Las atenuaciones por
aislamiento de esta magnitud no son útiles y por lo tanto el blindaje
no tiene valor, aunque el valor presentado aquí se de frecuentemente
SCALE = 10dB/DIV.
SCALE = 10dB/DIV.
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en la realidad. Las mediciones se obtuvieron con un contador de
frecuencias de bajo coste. Hay cantidad de aparatos, cuyas cajas
metálicas no proporcionan valores mejores. Es por esto realmente
aconsejable medir antes de desembolsar demasiado dinero por
chapa con un factor de aislamiento insuficiente.
Oscilloscopes
Spectrum-Analyzer
Power Supplies
Modular system
8000 Series
Programmable Instruments
8100 Series
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40-0530-0000 HAMEG Instruments GmbH
© HAMEG Instruments GmbH Industriestraße 6
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DQS-Zertifi cation: DIN EN ISO 9001:2000 Fax +49 (0) 61 82 800-100
Reg.-Nr.: DE-071040 QM [email protected]
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