Как использовать анализ временных доменов для лучшего устранения неполадок Emc

Установите вертикальную шкалу, чтобы увидеть полную амплитуду сигнала без среза. Для зондирования ближнего поля начните с высокой чувствительностью (например, 10 мВ/див), потому что сигналы ближнего поля часто малы. Используйте окончание 50 мкм в входе области при использовании зонда ближнего поля непосредственно; в противном случае используйте вход 1 MΩ для пассивных зондов. Убедитесь, что компенсация зонда является правильной для емкости входа области.

Шаг 3: Захват сигналов в подозрительных местах

Начните с измерения сигналов часов и данных у источника, обычно выходного сигнала осциллятора или штифта микроконтроллера. Наблюдайте время подъема и время падения. Время подъема, которое быстрее, чем необходимо, является классическим источником излучаемых выбросов: быстрые края содержат высокочастотную энергию, которая соединяется со следами и кабелями. Требуемое время подъема должно быть достаточно быстрым, чтобы соответствовать бюджету времени; любое ускорение создает ненужное спектральное содержимое. Если вы видите время подъема 1 нс, когда системе нужно всего 5 нс, рассмотрите возможность добавления последовательного резистора или ферритовой бусины, чтобы замедлить край.

Далее, переходим к распределительным сетям питания (PDNs). Измеряем напряжение по обводному конденсатору, ближайшему к силовому штифту ИС, используя наземный пружин или коаксиальный зонд. Вы ищете рябь напряжения и высокочастотный шум. На типичной цифровой ИС можно увидеть рябь 50-100 мВ на тактовой частоте, но если есть чрезмерное звонкое значение или размещение конденсатора отсоединения (например, 300-400 мВ), значение или расположение разъединяющего конденсатора может быть недостаточным. Используйте математическую функцию осциллографа для вычитания канала 1 из канала 2 (дифференциальное измерение) для измерения напряжения по конденсатору с высоким отказом общего режима.

Для идентификации излучаемых источников используйте зонд ближнего поля, подключенный к осциллографу. Сканируйте доску методично, медленно перемещая зонд по компонентам и следам. Слушайте аудиовыход зонда ближнего поля (многие области имеют встроенный динамик или внешний выход динамика), чтобы услышать шум. В то же время наблюдайте за формой волны в области времени. Когда вы найдете место, где амплитуда шипов, обратите внимание на форму волны и время. Форма волны часто будет демпфированным синусоидом - звоном, вызванным резонансной схемой, образованной паразитной индуктивностью и емкостью.

Шаг 4: Анализировать переходные события в деталях

После того, как подозрительный сигнал будет захвачен, проанализируйте его характеристики:

• Время подъема и время падения: Измерьте от 10 до 90 % раз. Более быстрые края производят более высокое гармоническое содержание. В соотношении Фурье говорится, что полоса пропускания сигнала составляет примерно 0,35/время подъема. Для времени подъема 1 нс полоса пропускания составляет около 350 МГц, что означает значительную энергию до этой частоты. Сравните с неисправной частотой излучения.
• Частота звона и демпфирование: Использование курсоров для измерения периода звона. Частота 1/период. Сравните это с частотой неисправного излучения. Если они совпадают, то виновником является паразитарная резонансная цепь. Амплитуда звона (пик к пику) и постоянная времени его распада указывают на тяжесть и Q-фактор резонанса.
• Наведение относительно других сигналов: Использование нескольких каналов области действия для корреляции переходного процесса с событием. Например, нажмите на падающий край часов и посмотрите на линию данных. Если на линии 2 ns данных после края часов имеется сбой, это может быть связано с перекрестным движением от следа часов.
• Спектральное расширение: Многие осциллографы включают встроенную функцию FFT. Используйте её для просмотра частотного содержимого захваченного сигнала домена времени. Это обеспечивает прямую связь между переходной формой волны и сканированием частоты анализатора спектра. Установите окно FFT на окно Блэкмана-Харриса или плоское окно для точного измерения амплитуды или прямоугольное окно для лучшего разрешения частоты на периодических сигналах.

Шаг 5: Сопоставьте переходные процессы с механизмами источника

Теперь, когда вы поймали и охарактеризовали переходный период, определите его первопричину. Общие механизмы включают:

• Переключение шума от преобразователей постоянного тока: Звонка коммутаторного узла обусловлена паразитной индуктивностью компоновки ПХБ и емкостью MOSFET. Частота звона обычно находится в диапазоне 50-300 МГц. Замедление привода затвора или добавление снуббера (RC-сети) через коммутационный узел может влажность этого.
• Наземный отскок и одновременный шум переключения: Когда многие выходы переключаются одновременно, ток перетекает через индуктивность общего поля, вызывая всплеск напряжения. Это рассматривается как пропорциональный сдвиг в базовом напряжении земли на ИС. Улучшение мощности и плоскости земли, добавление большего количества сквозняков и использование более медленных скоростей кромки может помочь.
• I/O кабельный резонанс: Кабель действует как антенна на своей резонансной частоте. Если кабель приводится в действие сигналом, содержащим эту частоту (даже гармоник), он излучает. Отражательная метрика временных доменов (TDR) с помощью осциллографа может измерять разрывы и длину импеданса кабеля, помогая идентифицировать резонансы.
• События ESD: Электростатический разряд производит очень быстрый (субнаносекундный) переходный ток высокого тока, который может вызвать расстройство или повреждение. Захват события ESD во временной области требует области с высокой пропускной способностью (1 ГГц или более) и прямого соединения. Форма волны показывает быстро растущий край с последующим более медленным распадом, часто со вторичными колебаниями из-за паразитов.

Преимущества анализа временных доменов для устранения неполадок EMC

Преимущества использования анализа временных доменов в работе EMC являются существенными и выходят за рамки того, что могут обеспечить только измерения частотных доменов.

Раскрывается транзиторные явления, пропущенные частыми свистками

Анализатор спектра усредняется по времени; если всплеск интерференции короткий и редкий, его вклад в среднюю амплитуду может быть слишком низким, чтобы появиться над шумовым полом. Тем не менее такие всплески могут вызвать функциональные сбои или прерывистое несоответствие. Анализ временной области захватывает каждый отдельный переходный момент, поэтому можно увидеть и охарактеризовать даже одно событие. Это имеет решающее значение для устранения прерывистых проблем, которые трудно воспроизвести в лаборатории.

Pinpoints точное время и местоположение источника

Сопоставляя форму волны временной области с другими сигналами на плате (например, часами или управляющей линией), вы можете определить точный момент генерации помех. Это, в свою очередь, указывает на конкретную активность цепи: «Сбой происходит именно тогда, когда UART начинает передавать». Как только активность идентифицирована, вы можете сосредоточиться на этом блоке, будь то плохо фильтрованный рельс питания, длинный след, который действует как антенна, или отсутствующий грунт. Напротив, измерения частотной области указывают только частоту помех, а не ее временное происхождение.

Позволяет в реальном времени проверять смягчение последствий

При применении фиксации — например, добавлении ферритовой бусины, разъединяющего конденсатора или щита — форма волны временной области немедленно изменяется на экране осциллографа. Вы можете видеть амплитуду уменьшения звонка и увеличение времени подъема в реальном времени. Это обеспечивает быстрое визуальное подтверждение того, что смягчение эффективно, без необходимости перемещать устройство на анализатор спектра. Вы также можете попробовать различные решения (например, изменение значения резистора в снуббере) и сразу увидеть эффект, ускоряя итерацию дизайна.

Улучшение точности диагностики сложных систем

Сложные системы с несколькими часами, шинами данных и степенными доменами часто имеют взаимодействия, которые трудно моделировать. Анализ домена времени позволяет непосредственно наблюдать эти взаимодействия: например, внезапное изменение на линии данных USB может быть связано с емкостной связью от соседнего коммутационного преобразователя. Установив осциллограф для запуска на переключающем краю преобразователя и глядя на линию данных USB, вы можете измерить перекрестное сцепление. Амплитуда, время сцепления и частотное содержание перекрестного сцепления все видимы, давая вам данные для расчета взаимной емкости и определения, нужен ли экран или увеличенное расстояние.

Практические методы решения общих проблем ЭМС

Использование зондов ближнего поля для локализации выбросов

Ближние зонды преобразуют магнитное или электрическое поле вокруг платы в напряжение, которое можно посмотреть на осциллографе. Для исследования магнитного поля используют малую петлю; для исследования его оси перпендикулярно потоку тока. Для исследования электрического поля используют короткий монополь (кусочек коаксиального кабеля с центральным проводником, выставленным на обозрение). Медленно перемещают зонд по плате, наблюдая за волновой формой. Когда амплитуда пиков, зонд находится непосредственно над излучающей петлей. Затем можно измерить частоту звона (с помощью функции FFT) и сравнить ее с неисправной частотой излучения. Многие инженеры используют комбинацию зонда ближнего поля и анализатора спектра для отображения платы, но форма волны временной области обеспечивает дополнительное понимание времени и формы излучения.

Измерение токов общего режима на кабелях

Кабель часто является основным радиатором в системе, поскольку он действует как большие антенны. Для диагностики выбросов кабеля используют датчик тока вокруг кабеля, подключенного к осциллографу. Измерьте ток общего режима (чистый ток, который течет по кабелю в одном направлении на всех проводниках). Если ток велик на частоте отказа, кабель должен быть фильтрован или экранирован. Форма волны в области времени может показать, является ли ток общего режима непрерывным (например, от гармоники часов) или взрывным (например, от пакета данных). Это направляет конструкцию фильтра: фильтр с определенной частотой отключения может быть настроен на ослабление непрерывного шума, в то время как ферритовый удушье может быть более эффективным для шума разрыва.

Рефлексометрия временной области для проблем линий передачи

Отражение на сигнальных следах из-за несоответствий импеданса может вызвать перерасход, недосечение и звон — все источники дополнительного спектрального содержимого. Используя рефлектометрию временной области (TDR), можно вводить импульс быстрого шага в след и наблюдать отраженную форму волны. Задержка времени отражения указывает на расстояние до разрыва, а полярность/амплитуда указывает, является ли импеданс выше или ниже источника. Это чрезвычайно полезно для устранения неполадок конкретного следа, который подозревается в возникновении резонанса. Многие осциллографы имеют встроенные функции TDR или могут использоваться с внешним модулем TDR.

Заключение

Анализ временной области не является заменой измерениям частотной области, а скорее дополняющим подходом, который обеспечивает контекст , отсутствующий на простом спектральном графике. Захватывая фактические события формы волны, которые генерируют помехи, инженеры получают более глубокое понимание физических механизмов на работе. Это понимание приводит к более быстрым, более эффективным исправлениям и уменьшает количество итераций проектирования. Независимо от того, имеете ли вы дело с звоном коммутационного источника питания, одновременным шумом коммутации цифровой ИС или резонансом общего режима кабеля, анализ временной области предлагает понимание, необходимое для решения проблемы в ее источнике.