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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bereitstellen eines Messsignals basierend auf einer Mehrzahl
von Pulsen eines abgetasteten Eingangssignals, und hier insbesondere
auf die Bereitstellung eines Messsignals wie es für die Messtechnik
im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit erforderlich ist.
Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung
zum Erfassen einer elektromagnetischen Störung aufgrund eines elektronischen
Produkts, insbesondere zur Erfassung und Bestimmung der elektromagnetischen
Verträglichkeit
(EMV) des Produkts.
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Aufgrund
der rapiden Entwicklung von neuen elektronischen Produkten und aufgrund
des Entstehens neuer Technologien stellt die Fähigkeit, eine elektromagnetische
Kompatibilität
zu erreichen und zu verbessern, eine Hauptherausforderung bei der Entwicklung
elektronischer Produkte dar. Derzeit werden das Rauschen und eine
elektromagnetische Interferenz (EMI = Electromagnetic Interference)
gemessen und mittels Superheterodyn-Funkempfänger charakterisiert und gemessen.
Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass diese eine
recht lange Messzeit von typischerweise 30 Minuten für ein Frequenzband
von 30 MHZ bis 1 GHZ erfordert.
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Zur
Untersuchung der elektromagnetischen Verträglichkeit werden derzeit in
erster Linie Meßsysteme
verwendet, welche die Messdaten im Frequenzbereich erfassen, wie
dies beispielsweise von P. Weiß,
u.a., "EMVU-Meßtechnik", Vieweg Verlag, ISBN
3-528-03901-9, Seiten 138–141
und 160, 161, 2000 beschrieben wird. Die Emissionsmessungen werden
mit Messmitteln gemäß dem CISPR 16-1
(CISPR = Specification for Radio Disturbance and Immunity Measuring
Apparatus and Methods, Part 1: Radio Disturbance and Immunity Measuring
Apparatus) und gemäß Meßmethoden
nach dem CISPR 16-2 (Specification for Radio Disturbance and Immunity
Measuring Apparatus and Methods, Part 2: Methods of Measurements
of Disturbances and Immunity) im Frequenzbereich durchgeführt. Gemäß einer Voraussetzung
sind die Grenzwerte hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit
im Bezug auf den Quasi-Spitzenwert anzugeben, welcher mittels eines
Quasi-Peak-Detektors bzw. eine Quasi-Spitzenwert-Detektors erfasst
wird, der bislang in analoger und digitaler Bauweise zur Bewertung
der Störung
im Frequenzbereich realisiert wird. Ein Quasi-Peak-Detektor dient zur
Erfassung des gewichteten Spitzenwertes der Hüllkurve eines Signals, wobei die
Hüllkurve
einer elektrischen Störspannung
in einen Ausgangssignalpegel transformiert wird, der dem psycho-physikalischen
Wahrnehmungsverhalten des menschlichen Ohres bzw. des menschlichen Auges
angepasst ist, wie dies in den oben erwähnten CISPR-Standards definiert ist. Das menschliche
Ohr bzw. das menschliche Auge nimmt Störimpulse bei gleicher Amplitude
um so störender
wahr, je höher die
Wiederhohlrate der Störimpulse
ist. Es ist der Zweck eines Quasi-Peak-Detektors, dieses subjektive
Wahrnehmungsverhalten des menschlichen Ohres bzw. menschlichen Auges
nachzubilden.
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Die
im Stand der Technik verwendeten Messverfahren, die im Frequenzbereich
arbeiten, sind, wie oben dargelegt, nicht nur sehr zeitintensiv, teilweise
zwei bis vier Stunden lang (Siehe z.B. C. Keller u.a. in "Fast Emission Measurement
in Time Domain" EMC
Zürich,
Paper Number 70,7,2/2001), sie führen
auch zusätzlich
zu einem Verlust der Phaseninformation, so dass die Rekonstruktion
transienter Vorgänge,
wie sie beispielsweise bei Schaltvorgängen auftreten, aus den erfassten
Messdaten nicht möglich
ist. Zusätzlich
hat die Auswertung des Quasi-Spitzenwertes im Frequenzbereich den
Nachteil, dass der Zeitverlauf der Störung nicht für alle Frequenzen
parallel untersucht werden kann.
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, um diese Problematik
zu lösen.
So beschreibt beispielsweise die
DE 38 17 499 C1 ein Verfahren, bei dem der
zu untersuchende Frequenzbereich in Teilbereiche unterteilt wird.
Diese Teilbereiche werden dann getrennt mit den standardisierten Bewertungen
wie Spitzenwert- (Peak-), Mittelwert-(Avarage-) und Quasi-Peak-Detektion
analog ausgewertet. Nachteilig an diesem Ansatz ist, dass der zu
untersuchende Frequenzbereich nicht parallel ausgewertet werden
kann. Ferner ist eine gleichzeitige Auswertung des Frequenz- und
Zeitverhaltens der Störung
nicht möglich.
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Die
DE 101 03 481 A1 beschreibt
die digitale Realisierung eines Quasi-Peak-Detektors, was jedoch
lediglich eine äquivalente
Implementierung des analogen Aufbaus darstellt. Dieser Ansatz weist
somit auch die der analogen Implementierung eigenen Nachteile auf,
d.h. eine Auswertung des Zeit-Frequenz-Verhaltens ist nicht möglich.
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Somit
ist es erforderlich, nach neuen Lösungen der den herkömmlichen
Ansätzen
zugeordneten Problemen zu suchen, und hier ist insbesondere die mit
herkömmlichen
Ansätzen
verbundene lange Messzeit ein drängendes
Problem. Nachdem eine solche lange Messzeit zu hohen Testkosten
führt,
ist es wichtig, Möglichkeiten
zu suchen, um diese Messzeit ohne den Verlust von Qualität zu reduzieren. Messverfahren
für die
Erfassung der elektromagnetischen Kompatibilität und der elektromagnetischen Verträglichkeit,
welche es ermöglichen,
sinnvolle und genau Informationen innerhalb einer kurzen Messzeit zu
erzeugen, würden
daher eine Reduzierung der Kosten und gleichzeitig eine Verbesserung
in der Schaltungs- und System-Entwicklung herbeiführen.
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Die
DE 101 36 626 A beschreibt
ein Verfahren zur Bestimmung des spektralen Verlaufs von elektromagnetischen
Signalen zur EMV-Abstrahlungsmessung, bei dem mittels einer Fast
Fourier Transformation die Messzeit reduziert wird.
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Die
US-A-5,119,018 beschreibt einen Spektrumanalysator, bei dem an einen
Mischer ein Bandpass und ein Spitzendetektor angeschlossen sind.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit
zu schaffen, dass Emissionsspektrum, unter Berücksichtigung eines standardisierten
Quasi-Peak-Detektors, von Testobjek ten jeglicher Art zeiteffizienter
und damit wirtschaftli cher zu messen, wobei gleichzeitig nicht
nur die Amplitudenverteilung von Störungen ausgewertet werden kann, sondern
auch deren Phasenlage und statistische Verteilung in Abhängigkeit
von der Zeit, so dass eine Zeit-Frequenz-Analyse von Störungen möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen
eines Messsignals gemäß Anspruch
1 oder 9 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Bereitstellen eines
Messsignals basierend auf einer Mehrzahl von Pulsen eines abgetasteten Eingangssignals,
mit folgenden Schritten:
- (a) Bestimmen der
zeitlichen Abstände
zwischen den Pulsen des Eingangssignals; und
- (b) Zuordnen der Pulse mit gleicher zeitlicher Beabstandung
zu entsprechenden Bereichen einer Zeitskala, um das Messsignal zu
erzeugen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Bereitstellen
eines Messsignals basierend auf einer Mehrzahl von Pulsen eines
abgetasteten Eingangssignals, mit einer Einrichtung zum Bestimmen
der zeitlichen Abstände
zwischen den Pulsen des Eingangssignals, und einer Einrichtung Zuordnen
der Pulse mit gleicher zeitlicher Beabstandung zu entsprechenden
Bereichen einer Zeitskala, um das Messsignal zu erzeugen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
hat das Eingangssignal eine Mehrzahl von Pulsen mit im wesentlichen
gleicher Eigenschaft, erfindungsgemäß bestimmt wird ob ein empfangener
Puls in dem Eingangssignal eine im wesentlichen gleiche Ei genschaft
wie ein gespeicherter Puls aufweist. Falls dies zutreffend ist,
wird der empfangene Puls verworfen und ein dem gespeicherten Puls
zugeordneter Zählwert,
der die Häufigkeit
des Auftretens dieses Pulses in dem Eingangssignal angibt, wird
erhöht,
wobei die Schritte (b) und (c) basierend auf den gespeicherten Pulsen
durchgeführt
werden.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden die Mehrzahl von Pulsen des Eingangssignals bei einer Mehrzahl
von Auflösungen
bezüglich
der Pulsamplitude erfasst, wobei der Schritt (b) bei jeder der Mehrzahl
von Auflösungen
durchgeführt wird,
und wobei der Schritt (c) das Ersetzen von Gruppen in der zeitlichen
Anordnung umfasst, wenn eine Gruppe Pulse aufweist, die mit einer
niedrigeren Auflösung
erfasst wurden, als die Pulse einer anderen Gruppe.
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Die
genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Quasi-Peak-Detektion
in einem Messsignal gelöst,
wobei das Messsignal gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
bereitgestellt wird und anschließend, vorzugsweise mit einer
STFT (Short-Time-Fourier-Transformation = Kurzzeitfouriertransformation),
in einen Spektralbereich umgewandelt wird, um basierend auf dem
spektralen Messsignal, welches einem digitalen Quasi-Peak-Detektor
bereitgestellt wird, für
jeden Frequenzpunkt einen Quasi-Peak-Wert zu erhalten. Die STFT
umfasst die Festlegung eines Fensters in dem Messsignal, wobei die
Fenster entsprechend den Gruppen in dem Messsignal festgelegt werden.
In diesem Fall ist der Quasi-Peak-Detektor vorzugsweise so ausgebildet,
um eine Mehrzahl von Frequenzpunkten gleichzeitig zu untersuchen,
und die erzeugten fouriertransformierten Gruppen werden parallel an
eine Mehrzahl von Eingängen
des Quasi-Peak-Detektors
angelegt. Vorzugsweise ist der Quasi-Peak- Detektor durch eine Mehrzahl von softwareimplementierten
digitalen IIR-Filtern realisiert.
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Die
genannte Aufgabe wird außerdem
durch ein Verfahren zur Erfassung einer elektromagnetischen Störung gelöst, die
durch ein elektronisches Produkt hervorgerufen wird, wobei erfindungsgemäß hier zunächst die
von dem Produkt abgestrahlte Energie als Eingangssignal empfangen
wird, basierend auf dem Eingangssignal gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
ein Messsignal bereitgestellt wird, anschließend eine spektrale Abschätzung des
Messsignals und eine Bewertung der elektromagnetischen Störung basierend
auf einer Beurteilung des spektralen Messsignals durchgeführt wird.
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Die
Bewertung der elektrischen Störung
erfolgt vorzugsweise basierend auf einer Mittelwerterfassung, einer
Spitzenwerterfassung, einer RMS-Erfassung und/oder einer Quasi-Peak-Erfassung.
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Gemäß wiederum
einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm
zur Durchführung
der erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die
genannte Aufgabe wird schließlich
durch eine Vorrichtung zur Erfassung einer elektromagnetischen Störung aufgrund
eines elektronischen Produkts, mit einer Erfassungseinrichtung,
die eine von dem Produkt ausgehende Störung als Eingangssignal empfängt, einer
Abtasteinrichtung, die das Eingangssignal von der Empfangseinrichtung
empfängt und
abtastet, um eine Mehrzahl von Pulsen zu erzeugen, einer Einrichtung
zum Erzeugen eines Messsignals gemäß der vorliegenden Erfindung,
einer Einrichtung, die das erzeugte Messsignal spektral abschätzt, und
einem Detektor, der basierend auf dem spektral abgeschätzten Messsignal
eine elektromagnetische Störung
beurteilt, gelöst.
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Vorzugsweise
wird nach dem Umwandeln in den Spektralbereich eine Korrektur des
umgewandelten Signals durchgeführt,
um die durch die Übertragungseigenschaften
des analogen Teils des Meßsystems
hervorgerufenen Fehler zu korrigieren.
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Zur
Erfassung eines Quasi-Peak-Wertes wird ein digitaler Quasi-Peak-Detektor
verwendet, welcher ein Signal empfängt, dass durch eine intelligente
Aufzeichnung und eine nachfolgende spektrale Abschätzung mittels
einer STFT erzeugt wird, wobei hier jeder Frequenzpunkt parallel
einer Auswertung zugeführt
werden kann. Das intelligente Aufzeichnen des Signals umfasst das
Umwandeln des empfangenden Signals im Zeitbereich in ein sogenanntes
rekonstruiertes Signal, wobei das Signal im Zeitbereich eine Mehrzahl
von Pulsen aufweist. Das empfangende Signal wird derart umgewandelt,
dass Pulse mit gleichen Pulsabständen
einem festgelegten zeitlichen Abschnitt im dem rekonstruierten Signal
zugeordnet sind, so dass in jedem der Mehrzahl von zeitlichen Abschnitten
jeweils Pulse mit gleichem Pulsabstand angeordnet sind.
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Um
die Quasi-Peak-Detektion eines herkömmlichen Messempfängers nachbilden
zu können ist
es nötig
nicht nur eine schnelle Fouriertransformation (FFT) der zu untersuchenden
Störung
durchzuführen,
sondern es ist das oben beschriebene erweiterte Verfahren der schnellen
Fouriertransformation notwendig. Der konventionelle Messempfänger kann als
eine Filterbank gesehen werden, die sequentiell durchgeschaltet
wird. Dies ist äquivalent
zu einer Filterbank, die parallel arbeitet. Bei jeder Frequenz existiert
auch ein Bandpassfilter und ein Mischer, der das Signal bewertet
und in das Basisband umsetzt. Bei einem Zeitbereichsmeßsystem
entspricht dies einer Bewertung, bei der jede einzelne Spektrallinie
zeitabhängig
ist, und das Spektrum über
ein Filter bewertet wird. Dies entspricht der Fensterung mit dem
Zwischenfrequenzfilter. Damit das Verfahren richtig arbeitet muss
der Abstand der Spektrallinien gleich der des herkömmlichen
Messempfängers
sein. Da die Spektrallinienbreite al lerdings von der Anzahl der Punkt
und der Abtastrate abhängt,
können
diese Parameter nicht frei gewählt
werden. Um einerseits die Bedingung zu erfüllen und andererseits eine
Zeitabhängigkeit
des Spektrums zu erreichen, wird erfindungsgemäß die Kurzzeit-FFT verwendet,
bei der aus einem Zeitsignal ein Fenster herausgeschnitten, mit
der Fensterfunktion multipliziert und fouriertransformiert wird.
Anschließend
wird das zeitabhängige Amplitudenspektrum
mittels eines digitalen Quasi-Peak-Detektors ausgewertet.
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Der
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die digitale
Quasi-Peak-Detektion, wie sie mittels der Kurzzeit-FFT realisiert
wird, die Möglichkeit
bietet, ein Störsignal
nicht wie herkömmlich
nur im Frequenzbereich oder Zeitbereich zu analysieren, sondern
gleichzeitig eine Untersuchung des Zeit-Frequenzverhaltens ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine 90% Reduktion der Messzeit
erreicht wird.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
das Signal in einen stationären
und einen impulsiven Anteil aufgeteilt wird und eine digitale Auswertung
der Störungen
sowohl global (im gesamten Frequenzbereich) als auch frequenzaufgelöst durchgeführt werden
kann.
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindungen wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erfassung elektromagnetischer Störungen gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
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2 eine Darstellung zur Verdeutlichung eines
schnellen Rahmenmodus eines zur Abtastung herangezogenen Oszilloskops,
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3 eine Wahrscheinlichkeitsdichteabschätzung für Zeitdauern
zwischen Pulsen eines von einer Handbohrmaschine abgegebenen Signals,
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4 eine aus dem der in 3 gezeigten Wahrscheinlichkeitsdichteabschätzung abgeleiteten Rekonstruktionszeitskala,
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5 die Pulsverteilung auf
der in 4 gezeigten Rekonstruktionszeitskala,
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6A eine Pulsverteilung auf
einer Rekonstruktionszeitskala für
Pulse, die mit hoher Auflösung erfasst
werden,
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6B eine Pulsverteilung für eine Rekonstruktionszeitskala
für Pulse,
die mit niedriger Auflösung
erfasst werden,
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6C das aus der Pulsverteilung
gemäß 6A und 6B zusammengesetzte rekonstruierte Signal,
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7 ein Beispiel für einen
herkömmlichen Quasi-Peak-Detektor,
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8 ein Beispiel für einen
Signalfluss in ein IIR1-Filter,
dass bei der Realisierung des digitalen Quasi-Peak-Detektors verwendet
wird,
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9A den Vergleich zwischen
einer Messung anhand einer Handbohrmaschine mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
und mittels einer herkömmlichen,
im Stand der Technik bekannten Empfängervorrichtung, und
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9B einen Vergleich zwischen
einer Messung anhand eines Laptops mittels einer erfindungsgemäßen Vor richtung
und einer herkömmlichen,
im Stand der Technik bekannten Empfängervorrichtung.
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Die
vorliegende Erfindung schafft in ihrem allgemeinsten Aspekt ein
verbessertes, sehr schnelles und breitbandiges System zur Messung
der elektromagnetischen Interferenz im Zeitbereich. Gemäß einem
Beispiel werden Messungen in einem Frequenzbereich von 30 bis 1000
MHZ durchgeführt, und
die digitale Nachverarbeitung der EMI-Messwerte ermöglicht die
Emulation der verschiedenen Betriebsmoden der herkömmlichen,
analogen Messgeräte
in Echtzeit, z.B. eines Spitzenwertdetektors, eines Mittelwertdetektors,
eines RMS-Detektors
und eines Quasi-Peak-Detektors. Mit dem erfindergemäßen Zeitbereichmeßsystem
kann die Messzeit um den Faktor 10 reduziert werden, und erfindungsgemäß wird eine
neuartige Signalaufzeichnungsroutine für EMI-Messungen im Zeitbereich
sowie ein neuartiger Quasi-Peak-Detektor beschrieben. Im Verlauf
der nachfolgenden Beschreibung werden Messergebnisse, die aufgrund
der Untersuchung einer Bohrmaschine und eines Laptops mittels des
erfindungsgemäßen Meßsystems
erhalten wurden, auch im Vergleich zu entsprechenden Messungen mit
herkömmlichen
EMI-Empfängern
näher erläutert.
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Anhand
der 1 wird nachfolgend
ein erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erfassung einer elektromagnetischen Störung näher erläutert. Die Schaltung umfasst
eine Antenne 100, die von einem zu untersuchenden Gerät 102 (EUT
= Equipment Under Test) ein Signal 104 empfängt, und
dieses an ein Oszilloskop 106 weitergibt. Alternativ kann
das Eingangssignal 104 auch über eine Leitung von dem Gerät 102 im
Oszilloskop 106 empfangen werden. Das Oszilloskop 106 tastet das
durch die Antenne 100 empfangende Signal 104 ab,
und gibt eine Mehrzahl von Pulsen sowie Informationen bezüglich der
Abstände
der einzelnen Pulse an eine Signalverarbeitungseinrichtung 108 zur
intelligenten Aufzeichnung eines Messsignals aus. Am Ausgang der
Einrichtung 108 wird das Messsignal in Form von Pulsen
bereitge stellt und durch eine STFT 110 abschnittsweise
in den Frequenzbereich umgewandelt. Ferner gibt die Einrichtung 108 auf
der Leitung 112 Zeitstempelsignale aus, welche gemeinsam mit
dem in den Frequenzbereich umgewandelten Signal in die Signalverarbeitungseinrichtung 114 eingegeben
wird, in der die Rekonstruktion des zeitlichen Signals bei jedem
spektralen Punkt erstellt wird. Dieses Signal wird dann an einen
oder mehrere Detektoren 116 ausgegeben, wobei die Detektoren 116 einen
Spitzenwertdetektor 116a, einen Quasi-Peak-Detektor 116b, einen Mittelwertdetektor 116c und/oder
einen RMS-Detektor 116d umfassen. Es wird darauf hingewiesen,
dass die Realisierung der Blöcke 108 bis 114 sowie
die Realisierung der Detektoren 116a bis 116D sowohl
hardwaremäßig als
auch softwaremäßig erfolgen
kann.
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Die
Datenerfassung gemäß der vorliegenden
Erfindung im Zusammenhang mit der Zeitbereichsmessung beginnt mit
dem Abtastprozess des Oszilloskops 106. Dann werden verschiedene
Spektren über
die STFT digital berechnet, wobei im Block 114 nach der
STFT Fehler aufgrund der Frequenzcharakteristika der Antenne 100 bzw.
einer Übertragungsleitung,
eines möglicherweise
vorgeschalteten Verstärkers
und Anti-Aliasing-Filters
mittels geeigneter Signalverarbeitung korrigiert werden.
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Anschließend erfolgt
die Analyse des empfangenen Signals basierend auf Spitzen-, RMS-,
Mittelwert- und/oder Quasi-Peak-Werten,
um die elektromagnetische Verträglichkeit
des Geräts 102 zu
bestimmen.
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Nachfolgend
wird anhand der 2 bis 6 der neue und erfindungsgemäße Ansatz
zur Signalaufzeichnung für
die Zeitbereichsmessung im Zusammenhang mit der elektromagnetischen
Verträglichkeit
näher erläutert, der
in 1 in Block 108 durchgeführt wird.
Die Messroutine umfasst eine intelligente Auslösung (Triggern) der Erfassung
zum Aufzeichnen der EMI-Signale, wodurch eine erhebliche Datenreduzierung
ermöglicht
wird. Ferner wird ein Verfahren zur Rekonstruktion eines Signals
beschrieben, welches äquivalent
zum ursprünglichen
Signal ist.
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Beim
Messen eines Signals mit einer transienten Hülle können die einzelnen Pulse separat
aufgezeichnet werden, was es ermöglicht,
Pulse mit unterschiedlichen Amplituden mit einer optimalen vertikalen
Auflösung
des Analog/Digital-Wandlers,
wie er sich beispielsweise in dem Oszilloskop 106 befindet, ermöglicht.
Zunächst
sei eine Messroutine mit einer vertikalen Auflösung näher erläutert. Das verwendete Oszilloskop 106 bietet
einen sogenannten "Fast
Frame Mode", in
dem aufeinanderfolgende Rahmen zusammengefasst werden. In diesem
Modus erfasst das Oszilloskop 106 (siehe 1) die absoluten Zeiten der Trigger-Ereignisse,
die aufeinanderfolgend auftreten. Falls das Oszilloskop basierend
auf empfangenen Pulsen ausgelöst
wird, werden die Zeiten zwischen diesen Pulsen berechnet. Das Prinzip
des schnellen Rahmenmoduls ist in 2 gezeigt.
Im oberen Abschnitt sind drei aufeinanderfolgende Impulse I1, I2 und I3 gezeigt, die zeitlich voneinander getrennt
und aufeinanderfolgend sind. Entsprechend dem schnellen Rahmenmodus
werden diese drei Impulse I1, I2 und
I3 durch das Oszilloskop zusammengeschoben,
und die zwischen den Pulsen gemessenen Zeiten werden ebenfalls bereitgestellt.
Nachdem eine bestimmte Anzahl von Trigger-Zeiten gemessen wurde,
kann eine Berechnung hinsichtlich zuverlässiger statistischer Werte
durchgeführt
werden, die anzeigen, welche Zeiten zwischen den einzelnen Pulsen
am häufigsten
auftreten. 3 zeigt ein
Beispiel für
eine sich ergebende Wahrscheinlichkeitsdichteabschätzung, die über die
Zeiten zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen, die durch eine Handbohrmaschine
abgegeben wurden, berechnet wurden. Wie der 3 zu entnehmen ist, treten am häufigsten Zeiten
von 0,5 Sekunden zwischen zwei Pulsen auf, alle anderen Zeiten treten
verglichen mit den 0,5 Sekunden selten auf. Die wenigen Zeitangaben
in 3, die mit den angezeigten
lokalen Maxima des Graphen korreliert sind, werden für die nachfolgende Signalrekonstruktion
herangezogen. Diese Zeiten sind entsprechend ihrer relativen Auftrittshäufigkeit entlang
einer Zeitskala in beliebiger Reihenfolge angeordnet, wobei 4 ein Beispiel für eine,
verglichen mit dem ursprünglichen
Eingangssignal rekonstruierte Zeitskala darstellt. Bei dem in 3 und 4 beschriebenen Beispiel sei angenommen,
dass die Zeit t1 den in 3 gezeigten 0,5 Sekunden entspricht,
das die Zeit t2 der in 3 gezeigten einen Sekunde entspricht
und die Zeit t3 der in 3 gezeigten Zeit von etwa 0,9 Sekunden
entspricht, wie dies zur Verdeutlichung in 3 durch die Anzeige der entsprechenden
Zeiten t1 bis t3 an
den entsprechenden Zeiten angegebenen ist.
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Nachdem
so die rekonstruierte Zeitskala zur Erzeugung des rekonstruierten
Signals festgelegt ist, kann nun die Signalmessung durchgeführt werden. Die
Abtastrate FS muss. hierbei dem bekannten
Nyquist-Kriterium genügen.
Die Aufzeichnung erfolgt durch eine Vielzahl einzelner Messungen.
Die Zeiteinstellung des Oszilloskops muss hierbei so gewählt sein,
dass einzelne Pulse in einzelne Aufzeichnungsabschnitte passen.
Der aufgezeichnete Puls wird nur dann für die Signalrekonstruktion
verwendet, wenn dieser die folgenden Anforderungen erfüllt:
- – der
Puls darf nicht abgeschnitten sein, und
- – der
Puls ist einzigartig, d.h., dass der Puls im spektralen Vergleich
zu bereits gespeicherten Pulsen diesen weder ähnlich noch mit diesen korreliert
ist.
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Um
abgeschnittene Pulse zu vermeiden, muss die Abtastung mit ausreichender
Auflösung
bzgl. der Pulsamplitude durch geführt werden, oder es sind mehrere
Abastungen bei unterschiedlicher Auflösung durchzuführen, die
dann. zu überlagern
sind. Pulse im Signal, die im wesentlichern gleich sind, z.B. in
einem gemeinsamen Energiebereich liegen, werden nur einmal gespeichert,
zusammen mit einem Wert, der die Häufigkeit ihres Auftretens angibt.
Dies führt
zu einer erheblichen Datenreduktion. Aus der Aufzeichnung einer
ho hen Anzahl von Pulsen kann nun eine zuverlässige Abschätzung berechnet werden, welche
Informationen darüber
bereitstellt, in welcher Relation die Auftretungshäufigkeit
der Pulse zueinander ist. Mit anderen Worten wird nun für jeden festgestellten
zeitlichen Abstand der Pulse festgestellt, wie die Pulse, die diesen
Abstand haben, amplitudenmäßig vertreten
sind, und die mit der Abschätzung
gewichteten Pulse werden dann an die entsprechenden Markierungen
der in 4 gezeigten Zeitskala.
zugeordnet, d.h., die entsprechenden Pulse mit gleicher zeitlicher
Beabstandung werden einem Bereich der in 4 gezeigten Zeitskala zugeordnet, der
diesem zeitlichen Abstand entspricht. Das Ergebnis dieser Pulsverteilung
auf die rekonstruierte Zeitskala ist in 5 gezeigt, wobei beispielhaft bei den Zeiten
t1 bis t3 jeweils
die gewichtete Verteilung der Pulse mit gleichem Abstand dargestellt
ist.
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Nachdem
das zu untersuchende Signal Pulse mit verschiedenen Amplituden enthält, muss
die oben beschriebene Vorgehensweise für unterschiedliche vertikale
Auflösungen,
also Auflösungen
bezüglich
der Pulsamplitude, des Oszilloskops durchgeführt werden, um Informationsverluste
aufgrund des Clippings zu vermeiden. Der Trigger-Pegel des Oszilloskops
muss an jede vertikale Oszilloskopeinstellung angepasst werden.
Dies stellt eine Verbesserung des dynamischen Bereichs der Messung
sicher. Aus den Ergebnissen ergeben sich so viele Zeitskalen wie
vertikale Skalen gemessen wurden. Der letzte Schritt besteht nun
darin, diese Zeitskalen in eine gemeinsame Signaldarstellung überzuführen.
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Die
Vorgehensweise zur Zusammenführung mehrerer
Zeitskalen in eine einzelne Signaldarstellung wird nachfolgend anhand
der in 6A, 6B gezeigten zwei Zeitskalen
näher erläutert. Im
schnellen Rahmenmodus des Oszilloskops triggert dieses auch Pulse,
die abgeschnitten werden (Clipping). Dies bedeutet, dass die Zeiten
zwischen den Trigger-Ereignissen,
die gemessen wurden, auch abgeschnittene Pulse berücksichtigen.
Daher werden zuverlässig verteilte
Pulse auf der Zeitskala für
die Messung mit einer hohen Auflösung
durch zuverlässig
verteilte Pulse der Messung bei einer niedrigeren Oszilloskopauflösung ersetzt.
Dies wird an Stellen durchgeführt,
an denen eine Überlappung
stattfindet. Für
den Fall, dass weitere Messungen für weitere Oszilloskopvertikaleinstellungen
existieren, wird die oben beschriebene Vorgehensweise iterativ wiederholt. 6A zeigt die Zeitskala mit
entsprechenden Pulsen, die durch eine erste, höhere Auflösung erhalten wurden. 6B zeigt die Zeitskala und
die zugeordneten Pulse, die bei einer niedrigeren Auflösung erhalten
wurden, und wie zu erkennen ist, werden bei der niedrigeren Auflösung nicht
mehr an allen Abschnitten der Zeitskala Pulse erzeugt. Wie beschrieben,
werden die in der höheren
Auflösung
gezeigten Pulse, die mit Pulsen in der niedrigeren Auflösung überlappen,
ersetzt, so dass sie das in 6C dargestellte
rekonstruierte Signal ergibt.
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Nachfolgend
wird zunächst
anhand der 7 die Schaltung
eines herkömmlichen,
analogen Quasi-Peak-Detektors erläutert. Der Peak-Detektor umfasst
einen Eingang 120, und einen Ausgang 122. Zwischen
dem Eingang und dem Ausgang ist eine Serienschaltung bestehend aus
einer Diode D, einem Widerstand R1 und einem
Puffer B geschaltet. Zwischen dem Widerstand R1 und
dem Puffer B ist ein Kondensator C sowie ein weiterer Widerstand
R2 parallel gegen Masse verschaltet. Am
Eingang 120 empfängt
der analoge Quasi-Peak-Detektor gemäß 7 das demodulierte Signal u(t) eines
herkömmlichen
EMI-Empfängers.
Der Kondensator C wird über den
Widerstand R so lange geladen, so lange u(t) größer ist als u2(t), der am Ausgang
des Widerstands R1 anliegenden Spannung.
Dies stellt eine typische RC-Ladung mit einer Zeitkonstante τc.
Wenn das Eingangssignal u(t) kleiner als u2(t) ist, wird die Ladung u2(t)
durch den Widerstand R2 entladen. Ein kritisch gedämpftes Messgerät 124 ist
mit dem Ausgang 122 verbunden und weist eine Zeitkonstante τm auf
und wird verwendet, um die Amplitude anzuzeigen. Der Puffer V ist
erforderlich, um Rückwirkungen
zu vermeiden. Das Maximum des im Messgerät 124 angezeigten
Wertes wird als Quasi-Peak-Wert herangezogen. Für eine ordnungsgemäße Quasi-Peak-Detektion
muss das Eingangssignal für
eine Zeitdauer von bis zu zwei Sekunden angelegt werden, bis es
einen stetigen Zustand erreicht hat. Das Problem der heutigen Quasi-Peak-Detektoren
besteht darin, dass diese den Quasi-Peak-Wert für einen einzelnen Frequenzwert
innerhalb von zwei Sekunden bereitstellen. Bei Messungen von etwa
15.000 Frequenzpunkten, wie sie bei herkömmlichen CISPR C,D Messungen
ohne weiteres auftreten können,
wären daher etwa
9 Stunden Messzeit nötig.
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Dieser
Nachteil wird durch den erfindungsgemäßen Ansatz in Verbindung mit
einem digitalen Quasi-Peak-Detektormodel vermieden. Für die Integration
eines Quasi-Peak-Detektors in ein System zur Erfassung der EMI im
Zeitbereich ist es erforderlich, eine digitaläquivalente Realisierung des
analogen Quasi-Peak-Detektors vorzusehen, die zehnmal schneller
als das analoge Äquivalent
läuft.
In diesem Fall wird dem digitalen Quasi-Peak-Detektor das Signal
u(t) mittels der erfindungsgemäßen intelligenten Aufzeichnungstechnik,
die oben beschrieben wurde, bereitgestellt, und ferner wird dies
Signal vorab einer spektralen Abschätzung mittels einer STFT unterzogen.
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Zur
Modellierung des Ladungs- und Entladungsprozesses werden herkömmliche
digitale IIR1-Filter verwendet, wobei 8 den
Signalfluss eines IIR1-Filters darstellt. Zur Modellierung des kritisch
gedämpften
Messgeräts
wurde, zur Erreichung einer besseren numerischen Genauigkeit, keine
normale Topologie eines IIR2-Systems herangezogen, sondern eine
kaskadische Anordnung von zwei identischen IIR1-Filtern. Das Maximum
des Ausgangssignals wird als Quasi-Peak-Wert herangezogen. Das Laden
und des Entladen wird mittels eines Komparators entschieden, wobei
während
des Entladungsmodus der Koeffizient B0 (siehe 8) auf Null gesetzt ist.
Dieses Modell für
einen digitalen Quasi-Peak-Detektor wurde für einen herkömmlichen
Intel Pentium III 1 GHz Prozessor beschrieben, wobei die Berechnungszeit
für einen
einzelnen Quasi-Peak-Werts bei etwa 0.04 Sekunden liegt, also deutlich
kürzer
ist als bei den herkömmlichen
Ansätzen,
welche analoge Quasi-Peak-Detektoren verwenden. Ein weiterer Vorteil
des Quasi-Peak-Detektors besteht darin, dass dieser für eine Mehrzahl
oder alle zu untersuchenden Frequenzpunkte modelliert werden kann.
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Nachfolgend
werden die mittels den erfindungsgemäßen Ansätzen erreichbaren Messergebnisse
im Vergleich zu herkömmlichen
Meßsystemen erläutert. 9A zeigt das Ergebnis einer
Messung mit dem erfindungsgemäßen System
bezüglich
einer Handbohrmaschine in dem Band C, D für eine Quasi-Peak-Detektion. Ferner
sind die Ergebnisse der Messung mittels eines herkömmlichen
EMI-Empfängers
dargestellt. Die mittlere Abweichung über dem gesamten Frequenzbereich
von Ergebnissen, wie sie durch den herkömmlichen Empfänger erhalten
werden, liegen unterhalb von 3dB. Die Bohrmaschine gibt Pulse mit
ungleichmäßigen Wiederholfrequenzen
aus, und die Pulse können
daher extrem hinsichtlich Amplitude und Spektrum unterschiedlich sein.
Das erfindungsgemäße Meßsystem
für Klasse C
Signale wurde verwendet.
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9B zeigt die Ergebnisse
einer ähnlichen Messung,
wobei hier als zu messendes System ein Laptop mit einem Pentium
200 MHz im Band C, D gemessen wurde. Wie sich aus 9B ergibt, wird auch hier die mittlere
Abweichung über
den gesamten Frequenzbereich unterhalb von 3b, und hinsichtlich
eines Laptop ist festzuhalten, dass dieser Pulse mit hoher, nicht
gleichmäßiger Wiederholfrequenz ausgibt.
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Die
erfindungsgemäß geschaffene
Messung im Zeitbereich ermöglicht
somit die Simulation der verschiedenen Modi von herkömmlichen
Modi in Echtzeit. Erfindungsgemäß kann die
Messzeit um den Faktor 10 reduziert werden, indem der neuartiger Signalaufzeichnungsansatz
für Zeitbereichsmessungen
von elektromagnetischen Störsignalen
und eine Quasi-Peak-Detektion
verwendet wird.