Evaluation of Uncertainty and Repeatability in Measurement: two application studies in Synchronization and EMC Testing

Efficient organization of measurement tasks requires the knowledge and characterization of the parameters and of the effects that may affect the measurement itself. Uncertainty analysis is an example of how measurement accuracy is often difficult to quantify. Repeatability also assumes a key role. This is the ability to replicate the tests and related measurements at different times. The research was focused on this aspect of analysis of test repeatability. Some specific case studies in the field of measurements relating to synchronization between network nodes and to measurements for Electromagnetic Compatibility have been considered. Synchronization between the components of a system is a particularly important requirement when considering distributed structures. The network nodes developed for this research are based on both PCs with a Real Time operating system (RTAI) and Linux-based embedded systems (FOX Acme Systems Board) interfaced to an auxiliary module with a field-programmable gate array (FPGA). The aim of the tests is to measure and classify the uncertainty due to jitter in the Time Stamping mechanism, and consequently to evaluate the resolution and repeatability of synchronization achieved in different traffic conditions using a standardized protocol for synchronization (IEEE 1588-PTPd). The work in the Electromagnetic Compatibility has likewise focused on the repeatability of measurements typical of some practical applications. Some experiments involving LISN calibration have been carried out and some improvements are presented to reduce uncertainty. Theoretical and experimental uncertainty analysis associated with the ESD tests has been conducted and some possible solutions are proposed. A study on the performance of sites for radiated tests (Anechoic chambers, open-area test site) has been started using simulations and experimental testing in order to assess the capability of different sites. Obtained results are compared with different reference sources. Finally, the results of a research project carried out at the University of Houston for the propagation of electromagnetic fields are reported.

Organizzare una efficiente campagna di misure richiede la conoscenza e la caratterizzazione dei parametri e degli effetti che possono influire sulla misura stessa. L’analisi dell’incertezza è un esempio di come l’accuratezza sia spesso difficile da quantificare. Oltre all’incertezza tuttavia assume un ruolo chiave la ripetibilità, ovvero la possibilità di replicare il test e le relative misure in momenti diversi. L’attività di ricerca ha riguardato proprio questo aspetto di analisi della ripetibilità dei test prendendo in considerazione alcuni casi di studio specifici sia in ambito di Misure relative alla Sincronizzazione tra nodi di un sistema distribuito sia di Misure per la Compatibilità Elettromagnetica. La sincronizzazione è un’esigenza particolarmente sentita quando si considerano strutture di misura distribuite. I nodi di rete sviluppati per queste ricerche sono basati sia su PC dotati di sistema operativo Real Time (RTAI) sia su sistemi embedded Linux-based (Acme Systems FOX Board) interfacciati ad un modulo ausiliario su cui si trova un field-programmable gate array (FPGA). I test condotti hanno permesso di misurare e classificare l’incertezza dovuta al jitter nel meccanismo di Time Stamp, e conseguentemente di valutare la risoluzione e la ripetibilità della sincronizzazione raggiunta in diverse condizioni di traffico utilizzando un protocollo di sincronizzazione standardizzato secondo l’IEEE 1588 (PTPd). In ambito di compatibilità elettromagnetica, il lavoro svolto si è concentrato sull’analisi della ripetibilità di misure tipiche di alcune applicazioni pratiche in ambito EMC. E’ stata svolta una analisi approfondita dei fenomeni parassiti legati alla taratura di una LISN e sono stati introdotti alcuni miglioramenti costruttivi al fine di ridurre i contributi di incertezza. Si è condotta una indagine teorico-sperimentale sull’incertezza associata alla misura di immunità con generatore di scariche elettrostatiche e l’individuazione di possibili soluzioni. E’ stato avviato uno studio sulle prestazioni dei siti per le misure dei disturbi irradiati (camere anecoiche, open-area test site) mediante simulazioni teoriche e prove ’in campo’ al fine di valutare i limiti di impiego dei diversi siti e comparare i risultati ottenuti con sorgenti di riferimento. Infine, vengono riportati i risultati di una ricerca svolta presso l’Università di Houston e relativa alla propagazione di campi elettromagnetici.