Lorsqu'un problème de compatibilité électromagnétique (CEM) ou d'interférences électromagnétiques (EMI) se pose, ou lorsque l'on doit concevoir un nouvel équipement, où l'on doit décider comment concevoir son circuit imprimé ou décider du type de câble à utiliser pour chaque type de signal, or il faut décider du type de box ou d'armure à utiliser, il y a deux variables principales à prendre en compte. Ces variables déterminent de nombreuses décisions techniques. Il s'agit de la fréquence maximale du signal traversant chaque conducteur (câble, voie ou connecteur) et de son amplitude de tension ou de courant. Dans chaque zone de l'équipement, zone du circuit imprimé, câble, connecteur, etc., il est nécessaire de déterminer les valeurs d'amplitude du signal (tension et courant) et sa fréquence maximale. Dans la conception CEM, la longueur d'onde de l'harmonique de fréquence la plus élevée de chaque signal est celle qui détermine de nombreux détails des solutions à décider dans chaque problème CEM.
Il existe deux manières principales de visualiser un signal. Chaque forme offre une perspective différente. Les différentes perspectives utilisées pour observer les signaux sont appelées domaines : le domaine temporel et le domaine fréquentiel. Le domaine du temps est le monde réel, c'est le seul domaine qui existe réellement. Le domaine fréquentiel est une entéléquie mathématique qui nous aide dans l'analyse du signal. L'oscilloscope dans le domaine temporel et l'analyseur de spectre dans le domaine fréquentiel sont les deux outils les plus utiles pour identifier, caractériser et dépanner les problèmes CEM des équipements. Dans la grande majorité des cas, les problèmes CEM sont mieux identifiés à l'aide de l'analyseur de spectre dans le domaine fréquentiel. Si le problème est lié aux oscillations, aux résonances ou à la diaphonie des signaux numériques, l'utilisation de l'oscilloscope est plus pratique, dans le domaine temporel. L'application Analyse de Fourier est un outil clé pour analyser les signaux liés aux problèmes CEM. La série de Fourier nous permet de modifier la représentation discrète d'un signal dans le domaine temporel, tandis que la transformée de Fourier est normalement utilisée pour analyser des signaux continus au niveau numérique. Bien que de nombreux documents parlent d'ondes carrées dans les systèmes numériques, il s'agit en réalité toujours d'ondes trapézoïdales, car elles ont des temps de commutation de montée et de descente qui ne sont pas égaux à zéro. Lorsque l'on dispose de plusieurs valeurs de fréquence, l'ensemble de leurs amplitudes s'appelle un spectre. Chaque forme d'onde dans le domaine temporel a un modèle particulier dans son spectre. La seule façon de calculer le spectre d'une forme d'onde dans le domaine temporel est avec la transformée de Fourier. La figure 1 présente une onde carrée idéale avec son spectre de fréquence. Dans celui-ci, les temps de commutation sont nuls, par définition. La figure 2 montre un signal carré idéal à côté d'un signal trapézoïdal et leurs spectres de fréquence comparés. Les enveloppes spectrales d'une véritable onde trapézoïdale enveloppent tout le contenu du signal généralement rencontré lors du dépannage des interférences électromagnétiques ou électromagnétiques dans les systèmes numériques. Les temps de commutation (montée tr et descente tf ), la largeur des impulsions et la symétrie de l'impulsion ou degré de symétrie (« rapport cyclique ») ont une grande influence sur le contenu spectral et ses amplitudes. Il affecte également la fréquence fondamentale. Connaissant ces paramètres, il est possible d'estimer le niveau des harmoniques et leurs fréquences afin de proposer leur filtrage approprié.
La figure 3 présente le calcul de l'enveloppe spectrale d'une onde trapézoïdale symétrique (pour simplifier), typique des signaux numériques. Pour cela il faut connaître ses paramètres déterminés par la technologie des circuits intégrés utilisés dans l'équipement (tr et tf), la fréquence et la symétrie et l'amplitude du signal pour pouvoir calculer toutes ses harmoniques, connaître l'impact de la harmoniques de plus haute fréquence dans les émissions conduites et rayonnées. Notez que le degré de symétrie d (%) détermine le premier point d'inflexion, (1 / π d) tandis que le temps de commutation tr détermine le deuxième point d'inflexion (1 / π tr) dans l'enveloppe, changeant la pente de décroissance de 0 dB /décennie à -20 dB/décade (point de rupture 1) et de -20 dB/décade à -40 dB/décade (point de rupture 2), respectivement. En fait, l'enveloppe du spectre de fréquence entoure les lobes qui forment les harmoniques, comme le montre la figure 4, où il est illustré qu'une augmentation du temps de montée tr (0,1 à 0,5 ns) détermine une plus petite amplitude des harmoniques. Notez que la ligne d'enveloppe descend également avec le niveau des lobes bleus correspondant à tr2 = 0,5 ns. La figure 5 montre que la réduction de la valeur du degré de symétrie d (%) réduit le niveau de l'amplitude de l'enveloppe (ligne verte), réduisant le niveau des harmoniques de fréquence supérieure. Connaissant la fréquence fondamentale, tr et d, nous connaîtrons le contenu harmonique des signaux d'un circuit, en particulier les harmoniques de la fréquence la plus élevée comme dans le cas de l'horloge.
Définition des heures de commutation
Le temps de commutation est le temps mis par le signal (tension ou courant) pour passer de la valeur basse à la valeur logique haute ou inversement. Il y a deux manières de le définir. Le temps de montée de 10 % à 90 % est le temps nécessaire au signal pour passer de 10 % de sa valeur finale à 90 % de sa valeur finale. Il s'agit généralement de la signification par défaut et la plus courante du temps de montée.
La seconde définition est le temps de montée 20%-80%. C'est le temps qu'il faut pour passer de 20% de sa valeur finale à 80% de sa valeur finale. Bien sûr, pour la même forme d'onde, le temps de montée de 20 % à 80 % est plus court que le temps de montée de 10 % à 90 %. Certains fabricants utilisent la définition 20%-80% dans leurs composants. Mais cela peut être déroutant. Pour lever toute ambiguïté, il est souvent recommandé de faire explicitement référence soit au temps 10 % à 90 %, soit au temps 20 % à 80 %, afin d'éviter toute confusion.
Domaine temporel et domaine fréquentiel
La qualité la plus importante du domaine fréquentiel est qu'il n'est pas réel. C'est une construction mathématique. La seule réalité est le domaine du temps. Le domaine fréquentiel est un monde mathématique qui suit des règles bien précises. La règle la plus importante dans le domaine fréquentiel est que les seuls types de formes d'onde qui existent sont les formes sinusoïdales. Quatre propriétés rendent les ondes sinusoïdales très utiles pour décrire n'importe quelle forme d'onde. Ces propriétés sont les suivantes :
1. Toute forme d'onde dans le domaine temporel peut être décrite de manière totalement unique par des combinaisons d'ondes sinusoïdales.
2. Deux ondes sinusoïdales de fréquences différentes sont orthogonales l'une à l'autre. S'ils sont multipliés ensemble et intégrés dans le temps, sa valeur est nulle. Cela signifie que chaque composant peut être séparé de tous les autres.
3. Ils sont bien définis mathématiquement.
4. Ils ont une valeur partout, sans valeurs infinies et ils ont des dérivées qui n'ont pas de valeurs infinies. Cela signifie que ces valeurs peuvent être utilisées pour décrire n'importe quelle forme d'onde dans le monde réel, car dans le monde réel, il n'y a pas de valeurs infinies.
La seule raison pour laquelle il est bon de changer de domaine est d'analyser
