4 nov. 2024
5 minuten
De snelle ontwikkelingen van elektronische apparaten vraagt een grotere bandbreedte van huidige apparatuur. Meettechnieken die gebruik maken van meerdere kanalen kunnen daar een oplossing in brengen. Het ontbreken van een Anti-Alising Filter (AAF) in low-end oscilloscopen biedt een mogelijkheid om de bandbreedte te verbeteren door gebruik te maken van filters. Door de filters kan onderscheidt gemaakt worden tussen lagere frequentie en frequenties hoger dan de Nyquist frequentie, die anders over elkaar heen vallen en niet te onderscheiden zijn.
Door: Patrick Koch enTom Hartman, Universiteit Twente
Er zijn veel nieuwe ontwikkelingen op het gebied van elektronische apparatuur, waarbij de focus sterk ligt op vermogenselektronica. Apparaten als schakelende voedingen worden steeds sneller, wat het steeds belangrijker maakt om over apparatuur te beschikken die snel en efficiënt de Elektromagnetische Compatibiliteit (EMC) van een systeem kan testen. De testvereisten worden ook steeds uitgebreider, waarbij ook het vereiste frequentiebereik toeneemt. Als we kijken naar verschillende standaarden, zien we dat CISPR 17 (de standaard voor het karakteriseren van Elektromagnetische Interferentie (EMI) filters) een frequentiebereik dekt van 150 kHz tot 30 MHz. De luchtvaartstandaard DO-160G bestrijkt zelfs een frequentiebereik van 150 kHz tot 152 MHz [1],[2].
Traditionele meetmethodes maken gebruik van gespecialiseerde apparatuur, maar nieuwe ontwikkelingen in tijddomein meettechniek met gebruik van Fast Fourier Transform (FFT) maakt het mogelijk om oscilloscopen te gebruiken voor EMI evaluatie van producten en systemen. FFT is de transformatie van een tijddomein signaal naar frequentiedomein componenten.
Het verbreden van de bandbreedte van een digitale oscilloscoop kan een dure onderneming zijn. Er zijn al meerdere methodes geïntroduceerd om de bandbreedte te verbeteren [3]. Daarnaast is het al eerder aangetoond dat in bepaalde low-end oscilloscopen de Anti-Aliasing Filter (AAF) ontbreekt [4]. De AAF wordt gebruikt ter preventie van vouwvervorming van het gemeten signaal. Als dit ontbreekt dan zal de frequentie boven de Nyquist frequentie terugvouwen tot onder de Nyquist frequentie, zoals gezien kan worden in figuur 1. Hier hebben wij een frequentieveeg geïnjecteerd in de low-end oscilloscoop, waar de bandbreedte van de oscilloscoop 20 MHz is. Het wordt duidelijk dat na 20MHz de gemeten frequentie weer afneemt in frequentie terwijl de geïnjecteerde frequentie nog steeds toeneemt. Dit houdt in dat er geen verschil gezien kan worden tussen een gemeten signaal van bijvoorbeeld 30MHz en 10 MHz.
Figuur 1 frequentie van test signaal tegen gemeten signaal frequentie op de low-end oscilloscoop
Echter, wanneer het AAF ontbreekt is het mogelijk om juist de bandbreedte te verbreden van de oscilloscoop door meerdere kanalen toe te passen met verschillende filterstructuren [5]. Zoals figuur 2 toont, zal het signaal door meerdere filters gaan voordat het de oscilloscoop bereikt. Voor het prototype is gekozen voor 3 filters, waar filter 1 een laag doorlaat filter is met een bandbreedte van 0-20MHz. Filter 2 is een banddoorlaat filter met een bandbreedte van 20-40 MHz, het zelfde geldt voor filter 3 alleen dan met een brandbreedte van 40-60 MHz.
Idealiter zou een filter een perfecte bandbreedte hebben met een oneindige hoog afrolpercentage, dit om de overlap tussen de filters te verminderen. Het afrolpercentage is de snelheid waarmee het filtergedrag varieert tussen het doorlaatdeel en het stopdeel. Echter is dit in praktijk niet mogelijk, zodat er is gekozen voor een elliptische filtertopologie, waar een hoog afrolpercentage behaald kan worden terwijl de filtergrootte gelimiteerd kan blijven.
Figuur 2 meerdere kanaal oscilloscoop met filter structuur er voor [5]
Gebaseerd op de eisen voor het systeem zijn er drie filters ontworpen. Figuur 3 laat het overdrachtsgedrag zien van de drie filters, hier houdt 0 dB in dat er geen vermindering is van de signaalsterkte. Het laagdoorlaatfilter is rood, het banddoorlaatfilter van 20-40MHz groen en het banddoorlaatfilter van 40-60MHz blauw.
Er is een overlap tussen de filters op plekken waar het moeilijk is om te bepalen welke frequentie oorspronkelijk aanwezig was. Maar als we weer het voorbeeld van de 10 MHz en 30 MHz signalen nemen, kunnen we wel concluderen dat in filter 1 het 30 MHz signaal met een sterkte van 50 dB is afgenomen, terwijl in het groene kanaal de signaalsterkte van het 10 MHz signaal afgenomen is met 55 dB. Dit houdt in dat de signalen tussen 300-1000 keer kleiner zijn geworden. Ondanks dat vermindering niet oneindig groot is kunnen we nog steeds stellen dat het signaal klein genoeg is geworden om onderscheid te kunnen maken tussen de signalen in hun eigen respectievelijke kanalen.
Figuur 3 overdracht gedrag van de drie verschillende filters
Het filterconcept is ontwikkeld voor het lab om te valideren of het idee en de simulatie werken. Figuur 4 laat de PCB zien waar aan de linkerkant de drie kleuren de verschillende filters aangeven. Om te testen of het systeem werkt, is een testsignaal ontworpen, opgebouwd uit de zes frequenties in tabel 1. De 13 MHz en 27 MHz zijn gekozen omdat 27 MHz terugvouwt op 13 MHz.
| Frequentie [MHz] | Amplitude [V] | Fase [°] |
| 12.7 | 0.5 | 0 |
| 13 | 1 | 0 |
| 13.3 | 0.5 | 0 |
| 26 | 0.5 | 0 |
| 27 | 1 | 0 |
| 28 | 0.5 | 0 |
Het tijddomeingedrag van het gekozen testsignaal is weergegeven in figuur 5. Waar het verwachte frequentiedomein signaal van het signaal in figuur 5 gezien kan worden in figuur 6. Waar het duidelijk alle frequenties een eigenplek hebben.
In figuur 7 is het testsignaal gemeten door de low-end oscilloscoop zonder filterstructuur, hier wordt duidelijk dat het 27 MHz signaal is teruggevouwen op het 13 MHz signaal. Na implementatie van de filterstructuur in figuur 8, is te zien dat nu duidelijk alle frequentiecomponenten los aanwezig zijn, zoals het ook zichtbaar is in figuur 6. In filter 3 we zien bepaald frequentiecomponenten terug komen, dit kan verder verbeterd worden door een betere filter ontwikkelen. Waar buiten de banddoorlaat delen de signaalsterkte nog sterker afneemt en in het banddoorlaat deel minder onderdrukking van het signaal is.
Conclusie
Gebaseerd op het ontbrekend AAF is het mogelijk om de bandbreedte van een low-end oscilloscoop te verbreden, waarbij de bandbreedte verbeterd kan worden met een filterstructuur bestaande uit een combinatie van laagdoorlaatfilters en banddoorlaatfilter. Voor de specifieke oscilloscoop gebruikt is de bandbreedte van 0-20 MHz naar 0-60 MHz gegaan.
Referenties
[1] CISPR 17, Methods of measurement of the suppression characteristics of passive EMC filtering devices, 2004.
[2] “DO-160G – environmental conditions and test procedures for airborne equipment,” August 2010.
[3] M. Keller, “A new concept for a wideband FFT-based EMI receiver,” in 2022 ESA Workshop on Aerospace EMC (Aerospace EMC), 2022, pp. 1–5.
[4] P. Koch and N. Moonen, “Investigation of anti-aliasing filter performance in low-end oscilloscopes,” in 2023 IEEE 7th Global Electromagnetic Compatibility Conference (GEMCCON), 2023, pp. 6–7.
[5] P. Koch, S. Spijkerman, T. Hartman and N. Moonen, “Utilizing Frequency Folding in Multichannel Measurements for Broadband EMI Measurements,” in 2024 International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC Europe 2024
Anderen lazen ook
