ENQUALAB-2008 Congresso da Qualidade em Metrologia Rede Metrológica do Estado de São Paulo - REMESP 09 a 12 de junho de 2008, São Paulo, Brasil PROGRAMAS PARA MEDIÇÃO DE EMISSÃO IRRADIADA E CONDUZIDA Gilberto Vilas Boas Magalhães 1*, José Antônio Justino Ribeiro 2 e Rômulo Mota Volpato 3 *. 1 Laboratório de Ensaios e Calibração Inatel, Santa Rita do Sapucaí, Brasil, gilberto@inatel.br 2 Departamento de Telecomunicações Inatel, Santa Rita do Sapucaí, Brasil, justino@inatel.br 3 Laboratório de Ensaios e Calibração Inatel, Santa Rita do Sapucaí, Brasil, romulo@inatel.br Resumo: Um fator relevante para programas de medição irradiada e conduzida é o tempo de varredura, com emprego de detectores de quase pico e de nível médio no analisador de espectros. A amplitude medida com o detector de pico é sempre maior ou igual que com detectores de quase pico e de nível médio e o tempo de varredura é muito menor, facilitando a realização do ensaio. Um programa desenvolvido em LabView compara as amplitudes obtidas com detector de pico e os limites estabelecidos por norma. Caso ultrapassem os limites, realiza-se a medição utilizando-se os detectores de quase pico e de nível médio somente para as freqüências em que o fato ocorrer. Os ensaios de emissão irradiada são realizados com o equipamento sob análise (EUT) no interior de uma câmara anecóica a uma distância conhecida da antena. Para a emissão conduzida, determinam-se as perturbações nos terminais de energia elétrica empregando-se uma rede de estabilização de impedância (LISN) como interface com o analisador de espectros. Palavras chave: Interferência eletromagnética, automatização de medições. solução adotada com os programas desenvolvidos para a automatização dos ensaios. 2. MEDIÇÃO DA EMISSÃO CONDUZIDA O ensaio de emissão conduzida consiste em determinar a tensão nos cabos de alimentação entre 150kHz e 30MHz, com emprego da LISN 0 (rede de estabilização de impedância). A chave da LISN determina os sinais na saída de RF do condutor de fase ou do neutro da rede. Para proteção do analisador de espectros, utiliza-se um atenuador em sua entrada, compensando a perda através do programa. A medida de tensão é feita pelo analisador de espectros e apresentada em dbµv em dois gráficos, referentes aos condutores de fase e neutro, no painel frontal. Inicialmente, o programa configura a LISN para medir o condutor neutro utilizando o detector de pico. A Figura 1 apresenta o diagrama em blocos para a configuração da LISN. É feita enviando-se o nível lógico positivo no pino DTR da porta serial do computador, através do circuito mostrado na Figura 2. 1. INTRODUÇÃO A norma CISPR 11 [1] estabelece os limites e faixas de freqüência para ensaios de emissão irradiada e conduzida em equipamentos médicos, industriais e científicos. São realizados com emprego de detectores de quase pico para emissão irradiada e conduzida e detector de nível médio para a interferência conduzida. Realizou-se a varredura na faixa de 30MHz a 100MHz utilizando-se o analisador de espectro disponível. Verificou-se que com o detector de pico foram gastos 11,84ms, com o de quase pico 4000s e com detector de nível médio o tempo necessário foi de 702,5s 0. A solução para utilizar os detectores de quase pico e de nível médio é o levantamento em faixas menores. O fato de a amplitude medida com o detector de pico ser sempre maior ou igual à obtida com o de quase pico e de nível médio, além de o tempo para a varredura ser muito menor, possibilita a realização do ensaio, tanto para os testes de emissão irradiada como a interferência conduzida. Desenvolveram-se configurações para os ensaios de emissão conduzida e irradiada, descrição sobre os detectores de quase pico e nível médio, determinação do campo elétrico e descrição da câmara anecóica 0. Neste trabalho fornece-se a Fig. 1 - Diagrama em blocos para configuração da LISN através do envio de 0 ou 1 através da porta serial do computador pino DTR. 4 10k 1N4007 Relé BC547 Pino 9 (DB-15) LISN Conector DB-9 4,7k Porta serial Pinos 6 e 10 (DB-15) 6 LISN Fig. 2 - Circuito interface entre a serial do computador e a LISN para a seleção de fase e neutro na medição de emissão conduzida. Na Figura 1, no bloco VISA, especifica-se o recurso do computador, no caso porta de comunicação serial, indicando o sinal Asserted ou Unasserted a ser enviado no pino DTR (Data terminal read) e verifica-se o sinal no pino DSR
(Data set read). Na Figura 2, tem-se um resistor entre o pino 4 (DTR) e o pino 6 (Pino DSR). Se houver falha no envio do sinal, apresenta-se na tela a mensagem Erro de comunicação. O sinal no pino DTR fecha ou abre o relé que coloca os pinos 9 e pinos 6 e 10 em curto ou em aberto, configurando a LISN para as medidas dos condutores de fase e de neutro. Na seqüência, especifica-se o recurso do computador para comunicação com o endereço do analisador, através do bloco de I/O Visa Resource Name. Envia-se ao analisador a seqüência de comandos, configurando-o para leitura de pico positivo, largura de faixa de resolução (RBW) de 9kHz, modo de retenção de máximo (Maxhold), freqüência central de 15,150MHz, largura de faixa de 30MHz, utilizando 6000 pontos. Empregou-se o bloco VISA write(w) para enviar os comandos ao analisador de espectros. (Figura 3). Fig. 5 Configurar analisador para visualização de pico com 399 pontos desligando a função de retenção do valor máximo. Aos valores medidos adicionam-se a compensação do atenuador utilizado entre o analisador e a LISN. Compara-se com o limiar estabelecido pelo operador no painel frontal do programa, tendo como referência o limite para o detector de nível médio [1]. Caso estejam acima, armazenam-se as freqüências correspondentes. O programa configura o analisador de espectro para interferência eletromagnética (EMI), visualização com detector de pico positivo, 399 pontos e desligando-se retenção do valor máximo (Figura 5). Em seguida, configura-se o analisador em escala logarítmica no eixo das abscissas, linear no eixo das ordenadas, utilizando dbµv, nível de referência de 100dBµV, atenuação de 10dB, largura de faixa de 5kHz e RBW de 9kHz (Figura 6). O programa verifica as freqüências em que o limite foi ultrapassado e configura a freqüência central, largura de faixa para 2,5kHz e detector de quase pico (Figura 7). Fig. 3 - Bloco VISA write para enviar dados ao analisador de espectros, com uma espera de 1000ms implementada. Efetuam-se quatro medições mantendo os máximos de cada uma das varreduras, transferidas do medidor para o programa, conforme Figura 4. Utilizou-se estrutura de repetição e o os blocos VISA write (W) e read (R). Após o comando que determina o início da varredura, programou-se um tempo de 1000ms para aguardar a leitura do analisador. Ao final armazenam-se os valores lidos em uma matriz. Fig. 6 Instrução para configurar analisador com dbµv, atenuação de 10dB, largura de faixa de 5kHz e RBW de 9kHz. Fig. 4 - Realização de quatro varreduras pelo analisador de espectro, com os dados transferidos a uma matriz. Fig. 7 Forma para configurar analisador para detector de quase pico, unidade dbµv, atenuação de 10dB, largura de faixa de 2,5kHz e RBW de 9kHz.
Fig. 8 Leitura com o detector de quase pico, com armazenagem do valor máximo. Efetua-se a leitura com o detector de quase pico, aguardando um tempo de 8000ms. Após, busca-se o valor máximo armazenando-o (Figura 8) e esta rotina é realizada para todos os valores em que o limite for ultrapassado. Compensa-se a atenuação com os dados armazenados em matriz. Quando o limiar não for ultrapassado, considera-se valor nulo. Depois, o analisador é configurado com o detector de nível médio, 399 pontos, unidade dbµv, nível de referência de 100dBµV, atenuação de 10dB e largura de faixa de 5kHz. Faz-se a leitura e armazena-se o valor máximo (Figura 9). Adiciona-se uma compensação por causa do atenuador, com os dados armazenados em uma matriz. De novo, aos valores em que o limiar não é ultrapassado considera-se valor nulo. Fig. 9 Leitura com o detector de nível médio e armazenagem do valor máximo. Fig. 10 Adaptação para apresentação em gráfico e geração das freqüências com incremento de 5kHz a partir de 150kHz. Fig. 11 Gráfico das medida onde os limites não foram ultrapassados. Os valores obtidos com os detectores de pico, de quase pico e de nível médio são impressos juntamente aos limites estabelecidos. (Figuras 10 e 11). As freqüências são geradas com início em 150kHz e incrementos de 5kHz, pois utilizam-se 6000 pontos para 30MHz com o detector de pico. Para os detectores de quase pico e de nível médio, apresentam-se apenas os valores em que o limite for superior ao encontrado com o detector de pico. Na Figura 11, temse o gráfico onde os limites não foram ultrapassados. Após as medições do condutor de fase, configura-se a LISN para o condutor não testado e repetem-se os procedimentos, apresentando o gráfico para o segundo condutor. 3. MEDIÇÃO DA EMISSÃO IRRADIADA Na emissão irradiada, tem-se interesse na intensidade de campo elétrico a certa distância do equipamento sob teste. Desenvolveu-se a configuração para a medida, incluindo um amplificador de baixo ruído entre a antena e o analisador de espectros.[2] Conhecendo-se o fator da antena (FA), fornecido nos certificados de calibração juntamente com o ganho da antena, tem-se o campo elétrico (E) a partir da tensão medida (V). Costuma-se compará-lo com o campo de 1 V/m e especificar o resultado em db V/m, da forma 1 db V/m FA(dB m ) V db V E (1) Foram desenvolvidos dois programas para medida de emissão irradiada, o primeiro para faixa de 30MHz a 230MHz com a antena bicônica e o segundo para 230MHz a 1GHz com a antena biconilog. Diferem nas faixas de freqüência, na quantidade de pontos e no arquivo do fator da antena. O analisador de espectros é calibrado em dbm, com sua conversão para dbµv. Soma-se o fator da antena e efetua-se a compensação do amplificador, segundo as etapas previstas do programa. Inicia-se a comunicação através do bloco de I/O VISA resource name, especificando-se o recurso do computador para comunicação com o endereço no analisador de espectro. Reinicia-se o analisador de espectros, utilizando detector de pico positivo, 401 pontos, atenuação de 0dB, nível de referência de 0dBm, escala linear no eixo das abscissas e logarítmica no eixo das ordenadas, através do bloco VISA Write (W). (Figura 12).
Fig. 12 Envio da configuração inicial do analisador de espectro para medida de emissão irradiada. O espectro foi dividido em faixas de 50MHz a partir de 30MHz. Há quatro faixas entre 30MHz e 230MHz e 16 de 230MHz a 1GHz. Faz-se o cálculo da freqüência central de cada faixa, iniciando em 55MHz ou 255MHz. Em uma estrutura de repetição (Figura 13), configura-se a freqüência inicial e faz-se a leitura com o detector de pico (Figuras 14 e 15). As Figuras 14 e 15 mostram uma sub-rotina (VI instrumento virtual), implementada dentro da estrutura de repetição da Figura 13. Configura-se o analisador com largura de faixa de 50MHz, RBW com 120kHz e retenção do valor máximo. Após o envio dos comandos, foi construído um bloco para aguardar 500ms (Figura 14). Na seqüência efetuam-se cinco varreduras de cada faixa de 50MHz aguardando 100ms a cada leitura. Ao final os níveis são lidos e armazenados (Figura 15). Os dados lidos são analisados (Figura 16) e dispostos em um gráfico. Aos valores em dbm adiciona-se 107dB, o fator da antena e subtrai-se o ganho do amplificador e a correção relativa à distância da medida. Fig. 16 Concatenação dos dados para apresentação da medida de emissão irradiada. Em seguida comparam-se os valores com o limite estabelecido pela norma 0 e para cada freqüência em que for ultrapassado realizam-se as medidas com o detector de quase pico. (Figura 17). Para a leitura, configura-se o analisador utilizando o bloco VISA W sem retenção do valor máximo e configurando o analisador para largura de faixa de 5MHz, RBW de 120kHz, 399 pontos, atenuação 0dB, nível de referência de 10dBm e a freqüência central que ultrapassou o limiar. Comanda-se a leitura e aguarda-se um tempo de 1000ms e localiza-se o máximo centralizando a freqüência. Altera-se a largura de faixa para 0,5MHz, faz-se a leitura, localiza-se o valor máximo e centraliza-se a freqüência. Fig. 13 Estrutura de repetição para realizar varredura utilizandose detector de pico na medida de emissão irradiada. Fig. 14 Estrutura para configurar analisador de espectros com largura de faixa de 50MHz, retenção do valor máximo e RBW de 120kHz na medida de emissão irradiada. Fig. 17 Instrução para comparar valores lidos com o detector de pico e os limites e realizar a leitura com o detector de quase pico. Na seqüência, configura-se o analisador para detector de quase pico e largura de faixa de 0,1MHz. Após a varredura, armazena-se o valor máximo. (Figura 18). Adiciona-se 107dB, o fator da antena e subtraem-se os valores referentes à compensação da distância de medição e ao ganho do amplificador de baixo ruído. Gera-se o gráfico a partir de 30MHz ou 230MHz, incrementando a freqüência de 125kHz, pois a cada 50MHz utilizaram-se 400 pontos. O gráfico é gerado a partir dos valores medidos utilizando os detectores de pico e quase pico compensados e a partir dos limites estabelecidos por norma (Figura 19). Ao final apresenta-se o gráfico conforme a Figura 20. Fig. 15 Comando de cinco varreduras utilizando-se detector de pico armazenando os valores.
Fig. 18 Varredura utilizando detector de quase pico onde armazenando o valor máximo Fig. 19 Geração do gráfico de emissão irradiada a partir das medidas, utilizando-se os detectores de pico e de quase pico, tendo os limites como referência. Fig. 20 Exemplo de resultado de medida de emissão irradiada. 3. CONCLUSÃO Apresentaram-se os programas em plataforma LabView, com objetivo de ensaios de interferência eletromagnética. A idéia é que sejam empregados em equipamentos de telecomunicações, eletromédicos e outros com certificação compulsória nos requisitos de emissão irradiada e emissão conduzida. Os programas foram desenvolvidos a partir dos comandos de um analisador de espectros especificado, no caso optou-se pelo modelo E4407 fabricado pela Agilent. Em geral, análises deste tipo demandam tempos exagerados de medição e os programas desenvolvidos tornaram possíveis os ensaios em intervalos de tempo menores do que os previstos por métodos menos automatizados. AGRADECIMENTOS Agradecemos as empresas Sense Eletrônica Ltda. pelos significativos investimentos para a montagem da câmara anecóica, na compra de equipamentos, normas e na placa adaptada ao analisador de espectros para o emprego dos detectores de pico e quase pico. Agradecemos também à Huber-Suhner América Latina Ltda. pela doação dos cones de absorção e à Fundação Instituto Nacional de Telecomunicações pelo apoio de laboratórios, recursos financeiro e de pessoal, que permitiram o desenvolvimento deste trabalho. REFERÊNCIAS. COMITÉ International Spécial des Pertubations Radioélétriques. Industrial, scientific and medical (ISM) radio-frequency equipment Electromagnetic disturbance characteristics Limits and methods of measurements. CISPR 11:2003. Paris, 2003. MAGALHÃES G. V. B., RIBEIRO J. A. J., VOLPATO R. M., Automação dos ensaios de emissão irradiada e conduzida. Induscon - VII Conferência Internacional de Aplicações Industriais. Poços de Caldas, 2008. (Submetido para publicação sob nº. 40932). V. Prasad Kodali, Engineering Eletromagnetic Compatibility - Principles, Measurements and Technologies New York: IEEE Press, 1996. COMITÉ International Spécial des Pertubations Radioélétriques. Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods Part 1-2: Radio disturbance and immunity measuring apparatus Ancillary equipment Conducted disturbances. CISPR 16-1- 2:2006. Paris, 2006.