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検波器はなぜこんなに遅いのか？

by David Mawdsley, Laplace Instruments Ltd

EMC アナライザやレシーバの検波器は、そのシステムの一部であり、他の全ての周波数成分からそれが抽出* された後で信号のレベルを実際に測定する。

* この抽出プロセスは、実質的には、所望の周波数以外の全てを阻止する非常に狭帯域のフィルタである。狭帯域フィルタは充分に単純なものに思えるが、この分野で働く人々は、要求される特性 (帯域幅、形状、帯域外減衰量、etc...) を持つそのようなフィルタを作ることは実際にはかなり大変な作業であることを知っている。そのようなフィルタで広い周波数範囲を「掃引」するという要求を加えれば、それは単に不可能なものとなる。従って、我々は、ラジオ受信機が我々のために掃引を行なうために用いているような、スーパーヘトロダイン・テクニックを用いる。これは選択された周波数の入力信号の振幅とレベルが等しい出力を発生する。

単にこの検波器からの出力を ADC の入力に接続し、その結果を画面上にプロットすることができる。我々は何を見ることになるだろうか？システムが必要な周波数範囲を掃引するので、入力信号のスペクトラムに応じてその出力が変化することを予期できる。明らかに、ADC とシステムの他の部分の帯域幅を上回らないよう、掃引率を制限する必要があるだろう。

単一の周波数のみを見るよう、しばらく掃引を止めれば、出力は安定状態となる (連続入力信号を示すものだろう) か、あるいは時とともに変動する (不連続の入力信号、すなわちトランジェントかバーストを含むか変調されていることを示す)。

本質的に、上の説明は「通常」のスペクトラム・アナライザがどのように動くかを述べる。

EMC レシーバ (あるいはアナライザ) は異なる。鍵となる点は、不連続信号の取り扱いである。

検波器

EMC 規格は、3つの (おそらく近いうちに4つになる！) 異なる検波器の使用を規定する。それらは、全て異なる答えを与える。それらは、尖頭値 (Pk)、準尖頭値 (QP)、平均値 (Ave)、及び ――最近提案された―― RMS 平均値検波である。この新たな検波器の理由は、それがデジタル通信サービスへの干渉効果のより良い尺度を与えることである。

Fig 1
Figure 1: 尖頭値検波器
Fig 2
Figure 2: 平均値検波器
Fig 3
Figure 3: 準尖頭値検波器
Figure 1、2、及び3は、尖頭値、準尖頭値、及び平均値検波器がどのように働くかを示す。

尖頭値は、全く自明である。その応答には実質的に遅延時間はなく、単にアナライザがある周波数に留まっているあいだの最大の信号レベルを示す。実質的にこの検波器はほぼ瞬間的に応答し、従って尖頭値検波器は高速掃引のために使用できる。その結果が得られたならば、アナライザは次の周波数に移動し、検波器はコンデンサを放電することによってリセットされる。 (この図にはリセット回路は示されていない。)

平均値検波器も実に単純である。それは入力信号に線形平均を適用する。

準尖頭値検波器は上の双方の機能を含む。特に、コンデンサの充電の時定数 (1ms) が放電時定数 (160ms) に対してどれほど短いかに注意されたい。これらの代替の検波器がなぜ必要かを理解するためには、干渉が往々にして主観的なものとなるという事実を考える。

検波器の目的

例えば、私のオーディオ・システムの隣に、位相角制御調光器を内蔵した卓上照明器具がある。その照明を点けている時、オーディオ出力に重畳した 100Hz のバズ音を聞くことができる... 苛々する！

台所には、温度が上がっている時に 5秒程度ごとに切り替わるコンタクタで電力をスイッチする、古い温度制御システムを持つ電気オーブンがある。このコンタクタのスイッチングが生じるトランジェントは、照明の位相角スイッチングが生じるトランジェントよりも遥かに大きい。尖頭値検波器を使えば、オーブンのコントローラは照明よりも遥かに高い結果を生じるであろうが、干渉の主観的な結果を考えた時に実際により悪いのは照明の方であるので、これは問題である。照明のトランジェントの比較的速い繰り返し率からして、平均値検波がこの問題を解決するように思われるかも知れない。残念ながら、平均値検波器が応答せず、双方の発生源に対する結果が実質的にゼロとなるほど、そのトランジェントは短い (双方の場合について)。平均値検波は、実際には干渉入力に変調信号が含まれている時に最も有用である。

準尖頭値検波器は、「正しい」結果、すなわち放送受信への悪影響や主観的影響と近似的に相関する結果を都合良く与える設計である。

実際の波形

Figure 4: 検波器出力のオシロスコープでの表示

Figure 4 は実際の検波器の応答を示す。暗い赤のトレースは入力、青のトレースは尖頭値検波器、緑のトレースは準尖頭値検波器である。その時間軸は、１つの周波数での測定を見ることができるように設定された。これがドウェル・タイムであり、この特定の場合については 400ms に設定されている。全ての検波器が、それぞれのドウェル・タイムの始まりで放電されている。

赤の入力信号は調光器からのものであり、 100Hz の繰り返し率の「スパイク」をはっきりと見ることができる。準尖頭値検波器がその早い立ち上がり時間によってそれぞれのスパイクでどのように充電されるかに、またスパイクのあいだでは遅い放電「スロープ」も見ることができることに注目されたい。このイメージから、なぜ EMC レシーバ (そしてアナライザ) の準尖頭値検波器での測定があれほど遅いかが明白となる。 100Hz のトランジェント繰り返し率においてさえも、この検波器は「正しい」レベルに達するまでに 200ms 程度を要している。より遅い繰り返し率では、この検波器はそれに応じて長い時間を要する。 CISPR16 は、バンド B については1秒のドウェル・タイムを規定する。バンドB (150kHz～30MHz) は 9kHz の RWB を持ち、従って周波数ステップは 9kHz 以下でなければならない。

これは、このバンドでは少なくとも (30,000 − 150) / 9 個の結果を得なければならないことを意味する。これから、55分の掃引時間を推定できる。

Fig 5
Figure 5: 安定状態信号に対する検波器の応答
Figure 5 は同様の状況を示すが、今度は信号は広帯域の 100Hz トランジェントと狭帯域の成分とを含む。アナライザがこの狭帯域成分の周波数にある時、検波器出力はほぼ連続的な性質を持つ。この図は中央のドウェル期間でこれを示し、平均値検波器 (黄色のトレース) が尖頭値検波器と準尖頭値検波器のレベルに一致するまで上昇するのがはっきりと見える。

ここでも、この立ち上がり時間の時間軸に注目されたい。準尖頭値検波器は (予期されるように) 早い立ち上がり時間を、平均値検波器は比較的遅い立ち上がり時間を示す。この周波数ピークの両側の測定結果は、それに伴う平均値の結果の低下とともに、連続信号がインパルス性の 100Hz の信号に「退化」するのを示す。

掃引時間

FIgure 6

Laplace のアナライザは実際には周波数を 0.6×RBW 毎にサンプルし、これはごく一般的なプラクティスであるので、55分の予測 (上述) は 92分となる。明らかに、このプロセスを高速化できれば大きな利点となるであろう。ドウェル・タイムを「調整」して 1秒から (例えば) 100ms に減らすことができ、この時間では結果は 100Hz の繰り返し率に対して最終的な値の 10% 以内に入る。明らかに、もし繰り返し率が 100Hz よりも遅ければこの誤差は増加するであろうから、信号の性質を知っているのでない限りドウェル期間を減らすことは推奨されない。試験プロセスを高速化するための、試験所や EMC の分野の経験を持つ全ての者の標準的なプラクティスは、最初は尖頭値検波器で掃引を行なうことである。

尖頭値検波器は常に (準尖頭値と平均値の検波器と比較して) 最大の結果を与えるので、この尖頭値の結果が限度内にあれば、EUT が適合していることは明らかであろう。この場合、それ以上の試験は不要である。

尖頭値検波器が限度を超える時にのみ、他の検波器での測定が必要となるだろう。

多くの場合、限度の超過は、特定の離散的な周波数でのみ生じる。アナライザの一部は、これらの問題となる周波数に置くことができ、その後にそれらの点における尖頭値、準尖頭値、そして平均値のレベルを表示することのできるマーカーを備えている。これはこれらの問題となる周波数の高速で正確な観測 ――ほぼリアルタイムでの―― を可能とし、トラブルシューティングや修正を即座に観測することを可能とするだろう。

Figure 6 は、尖頭値検波器でのプロットとマークされた周波数における測定結果の表とが表示されている、 Laplace EMC アナライザから取られたスクリーンショットを示す。これらは準尖頭値の値を示しているところである。

マーカー表示

Figure 7: 棒グラフ表示

便宜のための代替の表示は、ここで示す (Figure 7)、限度と比較して結果がどうであるかを直接示す棒グラフ表示である。中央の線が限度値となるように正規化され、結果ははっきりと示された不確かさ分の余裕とともに ±20dB でプロットされる。

右側のボタンは、異なる検波器を選択して表示することを可能とする。別のプロットを表示することもできる。

準尖頭値と平均値の検波器の代替として、RMS 平均検波器と1つだけの限度 (これは現行の平均値のレベルよりも 4dB 上、すなわち準尖頭値のレベルよりも 6dB 下となるだろう) を用いることを認めようという提案がある。あるバンドに準尖頭値限度のみが適用されている場合、その準尖頭値限度が維持されるであろう。その利点は、全周波数範囲 (9kHz～18GHz) で1つの検波のみが用いられ、この検波器は準尖頭値や平均値の検波器よりも早い応答時間を持つことである。

まとめ

真の EMC 測定は専用の検波器の使用を必要とし、これは遅い掃引率をもたらす相当の時定数を伴う。より早い掃引は誤差の可能性の増大をもたらし、適合しないことだろう。だが、正確さを損なうことなしに著しく早い結果を与え得るテクニックが存在し、これは適合状態の容易な解釈を可能とする形で表示される重要な測定結果をリアルタイムで与え得る。

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2010-04-11