Störquellen in drahtlosen integrierten Systemen aufspüren
Mixed-Domain-Oszilloskope im praktischen Einsatz
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Beispiel Boost-Schaltnetzteil
Bild 3 zeigt das gleiche HF-Signal wie zuvor, jedoch wird nun das Funkmodul mit einem Boost-Schaltnetzteil betrieben. Diese sind häufig die Ursache von Störungen, ermöglichen jedoch den Einsatz einer kleinen Batterie (Alkaline- bzw. NiCd) und relativ wenigen Komponenten. Das Bild zeigt, dass das Rauschen an der Basis des modulierten Signals zunimmt - das Rauschen nahe am Funksignal ist mindestens 5 dB höher als bei einem störungsfreien Netzteil. Auch an den Strom- und Spannungssignalen ist ein deutlich stärkeres Rauschen feststellbar. Das zusätzliche Rauschen würde auch das Signal-Rausch-Verhältnis des Signals am Empfänger beeinträchtigen, der zum Erfassen von Daten über diesen Sender verwendet wird.
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Das über das Schaltnetzteil entstehende Rauschen lässt sich mit einer Stromzange erfassen (Bild 4). In diesem Beispiel wird der Schalter von einem Widerstand und kleinen Kondensator geladen. Über die automatisierte Markerfunktion des MDO werden Frequenz und Amplitude der sieben wichtigsten vom Netzteil ausgehenden Signale gemessen. Das MDO stellt bis zu elf automatisierte Marker bereit und zeigt die Ergebnisse in absoluten Werten oder als Deltawert in Bezug auf das größte Signal an. Der höchste Wert wird als rote Referenzmarkierung dargestellt. Die Frequenzanteile der Datenrate und der ersten Oberwelle haben in etwa den gleichen Pegel. Die obere Hälfte des Bildschirms zeigt das Signal am Schalttransistor im MCP1640-IC. Die Messfunktion wird zur Anzeige der Schaltfrequenz verwendet, um die HF-Markierungsmessung zu bestätigen.
Wenn das Netzteil die HF-Platine mit Spannung versorgt, ändern sich die Zeit- und Frequenzbereichsanzeigen der Rauschleistung. Bild 5 zeigt das Netzspannungsrauschen plus zusätzliche Signale. Hier wird die erste Oberwelle reduziert, doch gibt es eine Vielzahl weiterer Störsignale. Dieses Rauschen kann sich auf den Betrieb des Funkempfängers auswirken.
Auch die digitale Platine kann Störungen verursachen (Bild 6). Mittels eines einfachen Tastkopfes lassen sich Quelle, Amplitude und Frequenzen dieser Störer ermitteln. Das Rauschen im Bereich von 220 MHz ist deutlich zu sehen. Die Marker zeigen das bei 868 MHz übertragene Signal sowie die Pegel der unerwünschten Signale. Zur gezielten Messung an bestimmten Frequenzen können selbstverständlich auch manuelle Marker verwendet werden. Zusätzlich zu den absoluten Pegeln wird auch die auf ein Hertz normierte Leistungsdichte bestimmt.
Vom Funkgerät generiertes Rauschen
Das Hinzufügen eines Funksystems zu einem integrierten System ist mit potenziellen Problemen verbunden. Das Funkmodul kann zusätzliches Rauschen erzeugen oder mit anderen Teilen des Systems interferieren. Außerdem könnten unter Umständen behördliche Einschränkungen für das Radispektrum verletzt werden. Bild 8 zeigt das Spektrum des gewünschten Signals sowie ungewünscht erzeugte Störsignale in benachbarten Frequenzen. Es sind deutliche Störsignale bei ca. 500 kHz auf beiden Seiten der Trägerfrequenz vorhanden, die jedoch ca. 40 dB unter dem Nutzsignal liegen, so dass sie mit den meisten Bestimmungen konform wären. Das Bild zeigt auch die gemessene Signalleistung von 1,4 dBm und die belegte Bandbreite von 94,5 kHz.
Nun gilt es, die erste Oberwelle mit den gleichen Messungen wie bei der Grundwelle zu betrachten. Es zeigt sich, dass der Leistungspegel bei der Oberwelle etwas weniger als 40 dB unterhalb der Grundwelle und die belegte Bandbreite doppelt so groß wie das Spektrum des Grundwertes war. Bild 8 zeigt auch die zweite Oberwelle, die in Funksystemen häufig zu Problemen führt. Bei dieser Frequenz befindet sich das Signal jedoch bei einem sehr niedrigen Pegel verglichen mit dem Träger (ca. -60 dBc). In diesem Frequenzband sind Messungen bis zur fünften Oberwelle möglich. Auf dieser Frequenz emittert das Funkgerät jedoch nur unbedeutende Emissionen bei weniger als -80 dBm.
»Die Fähigkeit des MDO, zeitkorrelierte Signale anzeigen zu können, kann überaus hilfreich für Entwickler sein, wenn sie die Auswirkungen von Netzteilen und andere Störeffekte untersuchen müssen«, resümiert McCarthy. »Mit dem MDO kann er prüfen, ob die Daten zur Steuerung korrekt und zum richtigen Zeitpunkt an das Funkgerät gesendet werden. Darüber hinaus kann er vom Sender und anderen Bereichen ausgehende Störemissionen erfassen und lokalisieren. Mit dem MDO kann man sämtliche Signale von digitalen Steuersignalen über analoge elektrische Signale bis hin zu HF-Signalen bis 6 GHz messen. Exklusivität gegenüber anderen Messgeräten besitzt es durch die integrierte zeitliche Korrelation der drei unterschiedlichen Messbereiche.«
- Mixed-Domain-Oszilloskope im praktischen Einsatz
- Zeitkorrelierte Messungen
- Beispiel Boost-Schaltnetzteil
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