EMI-Fehlerbehebung, Schritt für Schritt

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EMI-Fehlerbehebung Schritt für Schritt

In diesem Artikel beschreiben wir die Schritte, die wir normalerweise unternehmen, um die vier häufigsten EMI-Probleme zu beheben.

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EMI-Fehlerbehebung, Schritt für Schritt

In diesem Artikel beschreiben wir die Schritte, die wir normalerweise unternehmen, um die vier häufigsten EMI-Probleme zu beheben. leitungsgebundene Emissionen, abgestrahlte Emissionen, Strahlungsimmunität und elektrostatische Entladung.

„Artikel ursprünglich veröffentlicht in Interference Technology (https://interferencetechnology.com/emi-troubleshooting-step-step/) von Kenneth Wyatt“

In diesem Artikel beschreiben wir die Schritte, die wir normalerweise unternehmen, um die vier häufigsten EMI-Probleme zu beheben: leitungsgebundene Emissionen, abgestrahlte Emissionen, Strahlungsimmunität und elektrostatische Entladung. Von diesen sind die letzten drei die am weitesten verbreiteten Probleme, wobei Strahlungsemissionen in der Regel der Hauptfehler sind. Wenn Ihr Produkt oder System (EUT) über eine ausreichende Stromversorgung und E/A-Port-Filterung verfügt, stellen leitungsgebundene Emissionen und andere stromleitungsbezogene Immunitätstests normalerweise kein Problem dar.

Zu Ihrer Bequemlichkeit haben wir eine Liste empfohlener Geräte zusammengestellt, die für die Fehlerbehebung bei elektromagnetischen Störungen nützlich sind. Der Download-Link ist in Referenz 1 aufgeführt.


Leitungsgebundene Emissionen

Bei ausreichender Netzfilterung stellt dies in der Regel kein Problem dar, allerdings mangelt es vielen kostengünstigen Netzteilen an einer guten Filterung. Einige „No-Name“-Marken haben überhaupt keine Filterung! Der durchgeführte Emissionstest ist einfach durchzuführen, also los geht's.

Richten Sie Ihren Spektrumanalysator wie folgt ein:

  1. Frequenz 150 kHz bis 30 MHz
  2. Auflösungsbandbreite = 10 oder 9 kHz
  3. Vorverstärker = Aus
  4. Passen Sie den Referenzpegel so an, dass die höchsten Harmonischen angezeigt werden und die vertikale Skala gleichmäßige 10-dB-Schritte anzeigt
  5. Verwenden Sie zunächst die Durchschnittserkennung und später die CISPR-Erkennung für alle Spitzen
  6. Interne Dämpfung – beginnen Sie zunächst mit 20 bis 30 dB und passen Sie sie an, um eine optimale Anzeige und keine Überlastung des Analysators zu erzielen.
  7. Stellen Sie die vertikalen Einheiten auf dBμV ein

Wir stellen die horizontale Skala auch gerne von linear auf logarithmisch ein, damit Frequenzen leichter abzulesen sind.

Besorgen Sie sich ein Line Impedance Stabilization Network (LISN) und positionieren Sie es zwischen dem zu testenden Produkt oder System und dem Spektrumanalysator. Beachten Sie die nachfolgende Anschlussreihenfolge!

ACHTUNG : Es ist oft wichtig, das EUT einzuschalten, bevor das LISN an den Analysator angeschlossen wird. Dies liegt daran, dass beim Einschalten große Transienten auftreten können, die möglicherweise die empfindliche Eingangsstufe des Analysators zerstören können. Beachten Sie, dass die TekBox LISN über einen integrierten Transientenschutz verfügt. Das tun nicht alle … Sie wurden gewarnt!

Schalten Sie das EUT ein und verbinden Sie dann den 50-Ohm-Ausgangsport des LISN mit dem Analysator. Beachten Sie, dass die Harmonischen bei den niedrigeren Frequenzen normalerweise sehr hoch sind und in Richtung 30 MHz schwächer werden. Stellen Sie sicher, dass diese höheren Harmonischen den Analysator nicht übersteuern. Fügen Sie bei Bedarf zusätzliche interne Dämpfung hinzu.

Durch den Vergleich der durchschnittlichen erkannten Spitzen mit den entsprechenden CISPR-Grenzwerten können Sie vor der formellen Konformitätsprüfung feststellen, ob der EUT bestanden wird oder nicht.


Umgebungssender

Ein Problem, auf das Sie sofort stoßen, wenn Sie außerhalb eines abgeschirmten Raums oder einer halb schalltoten Kammer testen, ist die Anzahl der Umgebungssignale von Quellen wie UKW- und Fernsehsendern, Mobiltelefonen und Funkgeräten. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Stromzangen oder externen Antennen ein Problem. Normalerweise führen wir auf dem Analysegerät im „Max Hold“-Modus ein Basisliniendiagramm aus, um ein zusammengesetztes Umgebungsdiagramm zu erstellen. Anschließend aktivieren wir zusätzliche Spuren für die eigentlichen Messungen. Beispielsweise haben wir oft drei Diagramme oder Spuren auf dem Bildschirm; die Umgebungsgrundlinie, das „Vorher“-Diagramm und das „Nachher“-Diagramm mit einigen angewendeten Korrekturen.

Oft ist es einfacher, den Frequenzbereich des Spektrumanalysators auf eine bestimmte Harmonische einzuschränken und so die meisten Umgebungssignale zu eliminieren. Wenn es sich bei der Oberwelle um eine Schmalband-Dauerwelle (CW) handelt, kann die Reduzierung der Auflösungsbandbreite (RBW) auch dazu beitragen, die Oberwellen des Prüflings von der Umgebung in der Nähe zu trennen. Stellen Sie jedoch sicher, dass durch die Reduzierung des RBW nicht auch die harmonische Amplitude verringert wird.

Eine weitere Vorsichtsmaßnahme besteht darin, dass starke Sender in der Nähe die Amplitudengenauigkeit der gemessenen Signale beeinträchtigen und Mischprodukte erzeugen können, die scheinbar Oberwellen sind, in Wirklichkeit aber Kombinationen aus Senderfrequenz und Mischerschaltung im Analysator sind. Möglicherweise müssen Sie einen externen Bandpassfilter bei der gewünschten harmonischen Frequenz verwenden, um die Auswirkungen des externen Senders zu reduzieren. Obwohl teurer, wäre ein EMI-Empfänger mit abgestimmter Vorauswahl in Umgebungen mit hohem HF-Gehalt nützlicher als ein normaler Spektrumanalysator. Keysight Technologies und Rohde & Schwarz wären als Lieferanten in Betracht zu ziehen. Alle diese Techniken werden in Referenz 3 ausführlicher beschrieben.


Strahlungsemissionen

Dies ist normalerweise der Test mit dem höchsten Risiko. Richten Sie Ihren Spektrumanalysator wie folgt ein:

  1. Frequenz 10 bis 500 MHz
  2. Auflösungsbandbreite = 100 oder 120 kHz
  3. Vorverstärker = Ein (oder verwenden Sie einen externen 20-dB-Vorverstärker, wenn der Analysator dies nicht hat)
  4. Passen Sie den Referenzpegel so an, dass die höchsten Harmonischen angezeigt werden und die vertikale Skala gleichmäßige 10-dB-Schritte anzeigt
  5. Verwenden Sie die Erkennung positiver Spitzenwerte
  6. Stellen Sie die interne Dämpfung = Null ein

Manchmal bevorzuge ich es, die vertikalen Einheiten vom Standard-dBm auf dBμV einzustellen, damit die angezeigten Zahlen positiv sind. Dies ist auch die gleiche Einheit, die in den Prüfgrenzen der Normen verwendet wird. Außerdem stelle ich die horizontale Skala gerne von linear auf logarithmisch ein, damit sich Frequenzen leichter ablesen lassen.

Ich führe meinen ersten Scan bis 500 MHz durch, da dies normalerweise das Worst-Case-Band für digitale Oberwellen ist. Sie sollten auch die Emissionen mindestens bis zu 1 GHz (oder höher) aufzeichnen, um alle anderen dominanten Emissionen zu charakterisieren. Im Allgemeinen werden durch die Auflösung der Harmonischen mit niedrigerer Frequenz auch die Harmonischen mit höherer Frequenz reduziert.


Nahfeldsondierung

Die meisten Nahfeldsonden-Kits enthalten sowohl E-Feld- als auch H-Feld-Sonden. Die Entscheidung für H-Feld- oder E-Feld-Sonden hängt davon ab, ob Sie Ströme – also hohe di/dt – (Leiterbahnen, Kabel usw.) oder hohe Spannungen – d. h. EMI, dV/dt – ( Schaltnetzteile usw.) bzw. Beide sind nützlich, um undichte Nähte oder Lücken in abgeschirmten Gehäusen zu lokalisieren.

Beginnen Sie mit der größeren H-Feld-Sonde (Abbildung 1) und schnüffeln Sie am Produktgehäuse, an der/den Leiterplatte(n) und den angeschlossenen Kabeln herum. Ziel ist die Identifizierung wichtiger Lärmquellen sowie spezifischer Schmalband- und Breitbandfrequenzen. Dokumentieren Sie die beobachteten Standorte und dominanten Frequenzen. Wenn Sie sich auf Quellen konzentrieren, möchten Sie möglicherweise auf H-Feldsonden mit kleinerem Durchmesser umsteigen, die eine höhere Auflösung (aber weniger Empfindlichkeit) bieten.

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Abbildung 1. Eine Nahfeldsonde wird verwendet, um potenzielle Emissionsquellen zu identifizieren.

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Abbildung 2. H-Feldsonden bieten die beste Empfindlichkeit, wenn sie wie dargestellt in Bezug auf die Leiterbahn oder das Kabel ausgerichtet sind. Abbildung, mit freundlicher Genehmigung von Patrick André.

Denken Sie daran, dass nicht alle auf der Platine befindlichen Hochfrequenzenergiequellen tatsächlich strahlen! Strahlung erfordert irgendeine Form der Ankopplung an eine „antennenartige“ Struktur, beispielsweise ein I/O-Kabel, ein Stromkabel oder eine Naht im abgeschirmten Gehäuse.

Vergleichen Sie die harmonischen Frequenzen mit bekannten Taktoszillatoren oder anderen Hochfrequenzquellen. Es wird hilfreich sein, den Clock Oscillator Calculator zu verwenden, der von meinem Co-Autor Patrick André entwickelt wurde. Siehe den Download-Link in Referenz 2.

Achten Sie beim Anbringen möglicher Reparaturen auf Platinenebene darauf, die Nahfeldsonde mit Klebeband zu befestigen, um die Abweichungen bei der physischen Position der Sondenspitze zu verringern. Denken Sie daran, dass wir bei der Anwendung von Korrekturen hauptsächlich an relativen Änderungen interessiert sind.

Außerdem sind H-Feldsonden am empfindlichsten (koppeln den größten magnetischen Fluss), wenn ihre Ebene parallel zur Leiterbahn oder zum Kabel ausgerichtet ist. Außerdem ist es am besten, die Sonde im 90-Grad-Winkel zur Ebene der PC-Platine zu positionieren. Siehe Abbildung 2.

Stromsonde Messen Sie als Nächstes die angeschlossenen Gleichtaktkabelströme (einschließlich Stromkabel) mit einer Hochfrequenz-Stromsonde, z. B. dem Modell F-33-1 von Fischer Custom Communications oder einem gleichwertigen Gerät (Abbildung 3). Dokumentieren Sie die Positionen der oberen Harmonischen und vergleichen Sie sie mit der Liste, die durch Nahfeldmessungen ermittelt wurde. Diese strahlen am ehesten tatsächlich ab und verursachen Testfehler, da sie auf antennenähnlichen Strukturen (Kabeln) fließen. Verwenden Sie die vom Hersteller bereitgestellte Kalibrierungstabelle der Übertragungsimpedanz, um den tatsächlichen Strom bei einer bestimmten Frequenz zu berechnen. Beachten Sie, dass nur 5 bis 8 μA Hochfrequenzstrom erforderlich sind, um die FCC- oder CISPR-Testgrenzwerte nicht zu erfüllen.

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Abbildung 3. Verwendung einer Stromsonde zur Messung hochfrequenter Ströme, die in E/A- und Stromkabeln fließen.

Es ist eine gute Idee, die Stromsonde hin und her zu schieben, um die Oberwellen zu maximieren. Dies liegt daran, dass einige Frequenzen aufgrund stehender Wellen im Kabel an verschiedenen Orten in Resonanz treten.

Es ist auch möglich, das abgestrahlte E-Feld (V/m) anhand des in einem Draht oder Kabel fließenden Stroms vorherzusagen, unter der Annahme, dass die Länge bei der betreffenden Frequenz elektrisch kurz ist. Es hat sich gezeigt, dass dies für 1 m lange Kabel bei bis zu 200 MHz genau ist. Einzelheiten finden Sie in Referenz 3.


Hinweis zur Verwendung externer Antennen

Beachten Sie, dass bei der Verwendung externer EMI-Antennen zwei unterschiedliche Ziele verfolgt werden.

  1. Relative Fehlerbehebung, bei der Sie Bereiche mit fehlerhaften Frequenzen kennen und deren Amplituden reduzieren müssen. Eine kalibrierte Antenne ist nicht erforderlich, da nur relative Änderungen wichtig sind. Wichtig ist, dass der harmonische Inhalt des Prüflings gut sichtbar ist.
  2. Pre-Compliance-Tests, bei denen Sie den Testaufbau, wie er vom Compliance-Testlabor verwendet wird, duplizieren möchten. Das bedeutet, dass Sie eine kalibrierte Antenne 3 m oder 10 m vom zu testenden Produkt oder System entfernt aufstellen und im Voraus feststellen, ob Sie die Prüfung bestehen oder nicht.

Vorab-Konformitätsprüfung für Strahlungsemissionen

Wenn Sie einen Vorab-Konformitätstest einrichten möchten (Nr. 2 oben), können Sie bei einer kalibrierten EMI-Antenne, die 3 m oder 10 m vom Prüfling entfernt ist, das E-Feld (dBμV/m) durch Aufzeichnen berechnen dBμV-Wert des Spektrumanalysators unter Berücksichtigung des Koaxialverlusts, der externen Vorverstärkerverstärkung (falls verwendet), eines externen Dämpfungsglieds (falls verwendet) und des Antennenfaktors (aus der vom Hersteller bereitgestellten Antennenkalibrierung). Diese Berechnung kann dann direkt mit den Testgrenzwerten für abgestrahlte Emissionen in 3 m oder 10 m Entfernung verglichen werden, indem die Formel verwendet wird:

E-Feld (dBμV/m) = SpecAnalyzer (dBμV) – PreampGain (dB) + CoaxLoss (dB) + AttenuatorLoss (dB) + AntFactor (dB)

In diesem Artikel konzentriere ich mich hauptsächlich auf das Verfahren zur Fehlerbehebung mithilfe einer Antenne mit geringem Abstand (Nr. 1 oben) zur allgemeinen Charakterisierung der tatsächlich abgestrahlten Oberwellenpegel und zum Testen möglicher Lösungen. Wenn Sie beispielsweise wissen, dass Sie bei einer harmonischen Frequenz möglicherweise den Grenzwert um 3 dB überschreiten, sollte Ihr Ziel darin bestehen, diese Emission um 6 bis 10 dB zu reduzieren, um einen ausreichenden Spielraum zu schaffen.

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Abbildung 4. Ein typischer Testaufbau zur Messung der tatsächlich abgestrahlten Emissionen bei gleichzeitiger Fehlersuche.


Fehlerbehebung mit einer eng beieinander liegenden Antenne

Sobald das harmonische Profil des Produkts vollständig charakterisiert ist, ist es an der Zeit zu sehen, welche Harmonischen tatsächlich abgestrahlt werden. Dazu verwenden wir eine Antenne, die mindestens 1 m vom zu testenden Produkt oder System entfernt ist, um die tatsächlichen Emissionen zu messen (Abbildung 4). In der Regel handelt es sich dabei um Leckagen aus angeschlossenen E/A- oder Stromkabeln sowie um Leckagen im abgeschirmten Gehäuse. Vergleichen Sie diese Daten mit denen der Nahfeld- und Stromsonden. Können Sie nun die wahrscheinliche(n) Quelle(n) der festgestellten Emissionen bestimmen?

Versuchen Sie herauszufinden, ob die Kabelstrahlung das Hauptproblem ist, indem Sie die Kabel einzeln entfernen. Sie können auch versuchen, testweise eine Ferritdrossel an einem oder mehreren Kabeln zu installieren. Verwenden Sie die Nahfeldsonden, um festzustellen, ob Leckagen auch an Nähten oder Öffnungen im abgeschirmten Gehäuse auftreten.

Sobald die Emissionsquellen identifiziert sind, können Sie Ihr Wissen über Filterung, Erdung und Abschirmung nutzen, um die Problememissionen zu mindern. Versuchen Sie, den Kopplungspfad vom Inneren des Produkts zu externen Kabeln zu bestimmen. In einigen Fällen muss die Leiterplatte möglicherweise neu gestaltet werden, indem der Schichtaufbau optimiert oder Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen, die Lücken in Rückführungsebenen kreuzen, usw. eliminiert werden. Durch die Beobachtung der Ergebnisse in Echtzeit mit einer in einiger Entfernung entfernten Antenne lässt sich die Abhilfe schaffen Phase sollte schnell gehen.


Häufige Probleme

Es gibt eine Reihe von Produktdesignbereichen, die Strahlungsemissionen verursachen können:

  1. Schlechte Kabelschirmanschlüsse sind das größte Problem
  2. Undichte Produktabschirmung
  3. Interne Kabel, die an Nähte oder E/A-Bereiche angeschlossen sind
  4. Hochgeschwindigkeitsspuren überqueren Lücken in der Rücklaufebene
  5. Suboptimaler Schichtaufbau

Weitere Informationen zu System- und PC-Board-Designproblemen, die zu Emissionsausfällen führen können, finden Sie in den Referenzen.


Strahlungsimmunität

Die meisten Strahlungsimmunitätstests werden im Bereich von 80 bis 1000 MHz (oder in einigen Fällen bis zu 2,7 GHz) durchgeführt. Übliche Prüfwerte sind 3 oder 10 V/m. Militärische Produkte können je nach Einsatzumgebung bis zu 50 bis 200 V/m erreichen. Der kommerzielle Standard für die meisten Produkte ist IEC 61000-4-3, dessen Testaufbau recht aufwändig ist. Mit einigen einfachen Techniken können Sie die meisten Probleme jedoch schnell erkennen und lösen.

Handfunk Für die Strahlungsimmunität beginnen wir im Allgemeinen außerhalb des EUT und verwenden lizenzfreie Handsender wie die Walkie-Talkies des Family Radio Service (FRS) (oder gleichwertige), um Schwachstellen zu ermitteln. Indem Sie diese Funkgeräte mit geringem Stromverbrauch in die Nähe des zu testenden Produkts oder Systems halten, können Sie häufig einen Ausfall erzwingen (Abbildung 5).

Halten Sie die Sendetaste gedrückt und richten Sie die Funkantenne rund um das Prüfobjekt aus. Dies sollte alle Kabel, Nähte, Display-Ports usw. umfassen.

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Abbildung 5. Verwendung eines lizenzfreien Senders zum Erzwingen eines Fehlers.


HF-Generator

Es kommt sehr häufig vor, dass nur bestimmte Frequenzbänder anfällig sind und manchmal sind Handfunkgeräte mit fester Frequenz nicht effektiv. In diesem Fall verwende ich einen einstellbaren HF-Generator mit angeschlossener großer H-Feldsonde und Sonde rundherum bei bekannten Ausfallfrequenzen. Es hilft auch, die internen Kabel und die PC-Platine zu untersuchen, um empfindliche Bereiche zu ermitteln. Versuchen Sie für kleinere Produkte, wie in Abbildung 6, die kleineren H-Feldsonden zu verwenden, um die beste physikalische Auflösung zu erzielen.

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Abbildung 6. Verwendung eines HF-Generators und einer H-Feldsonde zur Bestimmung empfindlicher Bereiche.

Anstelle der größeren HF-Generatoren in Laborqualität verwende ich auch einen kleineren USB-gesteuerten HF-Synthesizer wie den Windfreak SynthNV (oder ein gleichwertiges Gerät) mit der Nahfeldsonde. Der SynthNV kann bis zu +19 dBm HF-Leistung von 34 MHz bis 4,4 GHz erzeugen, funktioniert also gut. Das passt auch gut in mein EMI-Fehlerbehebungsset. Siehe Abbildung 7. Eine Liste der empfohlenen Generatoren finden Sie in Referenz 1.

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Abbildung 7. Verwendung eines kleinen synthetisierten HF-Generators zur Erzeugung intensiver HF-Felder um die Sondenspitze


Elektrostatische Entladung

Tests zur elektrostatischen Entladung lassen sich am besten mit einem Testaufbau durchführen, wie er in der Norm IEC 61000-4-2 beschrieben ist. Hierzu sind ein Prüftisch und Grundplatten mit bestimmten Abmessungen erforderlich. Der Prüfling wird in der Mitte des Prüftisches platziert. Normalerweise schlage ich vor, Bodenfliesen durch 4 x 8 Fuß große Kupfer- oder Aluminiumplatten zu ersetzen, die genau in die Zwischenräume der vorhandenen Fliesen passen (Abbildung 8). Zum Testen ist ein ESD-Simulator erforderlich, der von verschiedenen Quellen erhältlich ist. Siehe Referenz 1. Ich verwende den älteren KeyTek MiniZap, der relativ klein ist und auf +/- 15 kV eingestellt werden kann. Es gibt mehrere andere geeignete (und neuere) Designs.


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Abbildung 8. Der ESD-Testaufbau gemäß IEC 6100-4-2. Bild mit freundlicher Genehmigung von Keith Armstrong.

ESD-Tests sind hinsichtlich der Identifizierung der Testpunkte ziemlich komplex, aber grundsätzlich gibt es zwei Tests: Luftentladung und Kontaktentladung. Verwenden Sie Luftauslass an allen Stellen, an denen ein Bediener die Außenseite des Prüflings berühren könnte. Verwenden Sie die Kontaktentladung für alle freiliegenden Metalle, die ein Bediener berühren und in die entladen werden könnte. Testen Sie sowohl positive als auch negative Polaritäten. Die meisten kommerziellen Tests erfordern eine Kontaktentladung von 4 kV und eine Luftentladung von 8 kV.

Der Testaufbau umfasst außerdem horizontale und vertikale Kopplungsebenen. Verwenden Sie die Kontaktentladungsspitze in die Kopplungsebenen. Diese Flugzeuge benötigen einen hochohmigen Entladungspfad zur Erde. Einzelheiten und genaue Testverfahren finden Sie in der IEC-Norm.

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Abbildung 9. Ein typischer ESD-Simulator mit Luft- und Kontaktentladungsspitzen. Es kann bis zu +/- 15 kV erzeugen.

Zusammenfassung

Durch den Aufbau eines eigenen EMI-Fehlerbehebungs- und Pre-Compliance-Testlabors sparen Sie Zeit und Geld, indem Sie den Fehlerbehebungsprozess intern verlagern, anstatt Zeit und die damit verbundenen Kosten und Terminverzögerungen einzuplanen, indem Sie sich auf kommerzielle Testlabore verlassen.

Die meisten hochriskanten EMI-Tests lassen sich problemlos mit kostengünstigen Geräten durchführen. Die Kosteneinsparungen durch die Durchführung der Fehlerbehebung in Ihrer eigenen Einrichtung können sich auf Hunderttausende von Dollar und Produktverzögerungen von Wochen oder Monaten belaufen.


Verweise

Empfohlene Liste der Geräte zur EMI-Fehlerbehebung – http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf

  1. Clock-Oszillator-Rechner (Patrick André) – http://andreconsulting.com/Harmonics.xls
  2. André und Wyatt, EMI Troubleshooting Cookbook for Product Designers, SciTech, 2014.
  3. Joffe und Lock, Grounds For Grounding, Wiley, 2010
  4. Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering, Wiley, 2009
  5. Mardiguian, EMI Troubleshooting Techniques, McGraw-Hill, 2000
  6. Montrose, EMC leicht gemacht, Montrose Compliance Services, 2014
  7. Morrison, Grounding And Shielding – Circuits and Interference, Wiley, 2016
  8. Williams, EMC für Produktdesigner, Newnes, 2017

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