Цифровые люминофорные осциллографы

Журнал "Радио", номер 1, 1999г.

    Идеальный инструмент для измерений в силовых цепях

    За последние годы заметно увеличилось число конструкторских разработок, в рамках которых требуется проводить измерения мощности в силовых цепях. Более того, само понятие "измерение мощности" в этих цепях претерпело существенные изменения. Причина тому - широкое распространение импульсных источников питания, которые стали неотъемлемой частью большинства современных электронных приборов, включая и компьютеры, а также многих изделий бытовой техники.

    Еще сравнительно недавно от конструкторов источников питания требовалось лишь подтверждение, что разработанные ими блоки обеспечивают необходимые напряжение и ток при заданном уровне пульсаций. Сегодня задачи разработчиков усложнились. Теперь конструктор обязан, в частности, дать полную информацию об уровнях мощности и гармоническом составе помех, генерируемых в силовую сеть импульсными источниками питания. Эти параметры разрабатываемых им устройств должны соответствовать требованиям национальных и международных стандартов на качество электроэнергии в силовых сетях (например, американский стандарт IEEE 519-1992).

    Чтобы квалифицированно проверить разрабатываемые приборы на соответствие этим стандартам, конструктор должен иметь возможность измерять выходные сигналы быстродействующих переключающих транзисторов, напряжения шумов, мгновенные характеристики мощности и т. д. Для проведения подобных измерений при разработке импульсных источников питания и при их ремонте ему необходимы различные специализированные инструментальные средства. Значительно упростить такие измерения позволяют универсальные осциллографы нового класса - цифровые люминофорные осциллографы (ЦЛО, англ. DPO - Digital Phosphor Oscilloscope).

    Эти приборы обеспечивают все необходимое для измерения мощности, включая отображение ее изменений в реальном масштабе времени, расширенные возможности по синхронизации и интеллектуальный интерфейс для работы с широким спектром пробников (пассивные и активные, токовые, дифференциальные). Некоторые ЦЛО имеют в своем составе модули БПФ (быстрое преобразование Фурье), которые существенно упрощают гармонический анализ сигнала.

    Лучше чем аналоговый, лучше чем цифровой...

    Поскольку задачи, возникающие при исследовании характеристик источников питания, значительно усложнились, аналоговые осциллографы реального времени (АОРВ) и цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО) сегодня уже недостаточно эффективны.

    ЦЗО позволяют анализировать процессы, происходящие в импульсных блоках питания (ИБП). Они имеют достаточно широкую полосу пропускания, развитую систему синхронизации и дают возможность проводить детальный анализ сохраненного в памяти сигнала, например, переходного процесса. Однако изза ограничений, связанных с последовательной архитектурой ЦЗО, время между соседними запусками достаточно велико, поэтому важные детали сигнала могут пропасть. Кроме того, ЦЗО отображают все детали сигнала с одной интенсивностью, что также приводит к неизбежным потерям информации.

    Что касается АОРВ, то они великолепно отображают сигналы, позволяют детально воспроизводить их даже при быстром изменении. По определению АОРВ обеспечивают градации интенсивности изображения на экране, отражающие частоту появления тех или иных составляющих сигнала. К сожалению, эти осциллографы не запоминают сигнал, не позволяют производить какие-либо сложные измерения и анализировать сигнал как ЦЗО. Вот почему конструкторы при проектировании и отладке ИБП вынуждены использовать оба этих прибора.

    Задача объединения достоинств АОРВ и ЦЗО в одном приборе - ЦЛО - была решена с появлением новой архитектуры построения осциллографов. Она базируется на технологии "цифрового люминофора", которая в цифровой форме имитирует присущее АОРВ изменение интенсивности изображения. Иными словами, ЦЛО позволяет разработчикам видеть на экране, например, модулированные сигналы и все их тонкие детали, как и АОРВ, обеспечивая при этом их хранение, измерение и анализ, как ЦЗО.

    Измерение мгновенной мощности с помощью ЦЛО

    При разработке ИБП необходимо знание мгновенных значений рассеиваемой мощности в транзисторных силовых ключах (ТСК). Именно знание этого параметра позволяет выбрать ТСК (например, мощный MOSFET в схеме на рис.1), который был бы недорогим, но обеспечивающим надежную работу прибора. Процедура измерения мгновенной мощности включает дифференциальные измерения импульсного насилы тока в соответствующей цепи. Применение дифференциального пробника здесь обязательно, поскольку нас интересует напряжение сток-исток на MOSFET (V ds на рис. 1), а ни один из выводов этого транзистора не соединен с общим проводом. ЦЛО, как и большинство других осциллографов, не приспособлен к прямым измерениям подобных "плавающих" высоких напряжений. Интерфейс TekProbe level II ЦЛО осциллографа TDS3000 обеспечивает работу с дифференциальным пробником Р5205 и с токовым пробником ТСР202, что позволяет проводить исключительно точные измерения мгновенной мощности в широкой полосе частот.

    Перед проведением таких измерений необходимо уровнять задержки в каналах дифференциального и токового пробника. Эта процедура получила название "deskewing". Упомянутые выше пробники согласованы по задержке сигнала с точностью ╠2 нс, но другие пробники и их другие комбинации могут уже не обеспечивать такой точности и должны в обязательном порядке подвергаться процедуре "deskewing". Это очень важно, так как даже малые временные рассогласования между измерениями напряжения и тока могут привести к большим ошибкам в измерении мгновенных значений мощности.

    Как и другие современные цифровые осциллографы, ЦЛО имеют память, в которой, в частности, хранятся значения разницы времен задержек между различными пробниками. Ее измеряют с помощью ЦЛО по испытательному сигналу, а затем ее записывают в память ЦЛО. Функция autoset, которую имеет практически любой ЦЗО и ЦЛО, позволяет установить начальные параметры изображения на экране осциллографа. При этом автоматически учитываются результаты процедуры "deskewing".

    Цветной ЖКИ экран очень удобен для одновременного отображения нескольких сигналов. Например, можно назначить различные цвета для осциллограмм напряжения, тока и мощности. Благодаря интеллектуальному интерфейсу TekProbe level II в этом случае будет проведено аккуратное считывание цифровой информации и ее масштабирование, так что не потребуется дополнительной расшифровки результатов.

    ЦЛО (подобно многим ЦЗО) имеет возможность математической обработки исследуемых сигналов. Поэтому, например, информация о мгновенных значениях мощности получается простым умножением - "точка за точкой" - текущего значения напряжения на соответствующее значение тока. На рис. 2 показаны результаты измерения напряжения и тока и вычисления мгновенной мощности в том виде, как они отображаются на экране ЦЛО.

    Исследование модулированных сигналов

    Способность ЦЛО отображать информацию с переменной интенсивностью существенным образом облегчает поиск неисправностей в ИБП, особенно определение избыточной глубины модуляции сигнала в цепях регулировки выходного напряжения ИБП. Слишком глубокая модуляция, как известно, приводит к нестабильности работы ИБП. На рис. 3 изображение сигнала в петле регулировки выходного напряжения ИБП имеет меньшую интенсивность в участках, где модуляция менее частая. ЦЛО увеличивает интенсивность изображения в участках изображения, где сигнал проявляется наиболее часто, и этим напоминает аналоговый осциллограф.

    ЦЛО идеально подходит для отображения таких сигналов, поскольку имеет очень высокую скорость захвата сигнала - более чем в 50 раз превышающую аналогичный параметр ЦЗО. Кроме того, цифровой люминофорный дисплей делает возможным наблюдение модулированных сигналов в реальном масштабе времени.

    Исследование переходных процессов

    Регистрация переходных процессов с ЦЛО осуществляется очень просто. Для этого используются его возможности синхронизации по фронту с установкой наклона, уровня, типа связи и задержки запуска. Если ИБП уже интегрирован в систему, бывает полезным синхронизировать развертку исследуемого "проблематичного" сигнала ИБП по сигналу, снятому с контрольной точки в системе. Это позволит, в частности, выявить синхронность переходных процессов в системе и ИБП и установить их взаимосвязь.

    Конечно, выходное напряжение постоянного тока ИБП должно быть "чистым" и без переходных процессов. Объединение способа отображения информации, известного как "прокруткаquot с функцией определения пикового значения сигнала позволяет ЦЛО обнаружить на медленно меняющихся сигналах или на постоянном токе импульсы переходных процессов с малой длительностью. При "прокрутке" изображение медленно "пролистывается" справа налево, напоминая работу самописца. Пик-детектор обнаруживает "выбросы" сигнала с минимальной длительностью до 1 нс и изменяет скорость развертки для их детального изучения.

    Исследование гармонического состава

    Исследование гармонических составляющих сигналов в силовых цепях - очень важная задача при проектировании ИБП. Дело в том, что они возбуждают в питающей сети помехи - нечетные гармоники от действующих в ИБП импульсных сигналов. Более того, при подключении к сети, например, нескольких компьютеров эти помехи могут суммироваться и достигать в результате заметного уровня. Так как эти составляющие (помехи) приводят к повышенному выделению тепла в линиях передачи и силовых трансформаторах, их следует минимизировать (например, в соответствии с стандартами IEC 555 и IEC 10003-2). Для решения этой задачи подойдет ЦЛО с дополнительными блоками.

    Например, в TDS3000 можно установить модуль БПФ, что превращает осциллограф в превосходный инструмент для измерения гармонических искажений. При этом возможно одновременное отображение исследуемого сигнала и его спектрального состава. БПФ может использоваться при обработке как "живых", так и хранящихся в памяти сигналов.

    Очевидно, что приобретение такого блока более эффективно, с точки зрения затрат, чем закупка специализированного анализатора гармонических искажений. Кроме того, это позволяет разработчикам использовать в работе не новый прибор, а уже хорошо знакомый им осциллограф.

    Процедура измерения гармонических составляющих сигнала не сложнее обычных измерений параметров периодических сигналов, так как они представляют собой повторяющуюся периодическую последовательность импульсов, а не переходный процесс. Чтобы получить хорошее разрешение при анализе, необходимо отобразить на экране осциллографа как минимум пять циклов исследуемого сигнала (см. рис. 4).

    Пользователь может задавать линейную или логарифмическую шкалу по вертикали и различные варианты "окон" БПФ - прямоугольное, Хемминга, Хэннинга и Блэкмана-Харриса. Для периодических сигналов больше всего подходит "окно" Хемминга. Линейное масштабирование обычно используется при измерениях мощности.

    Документальная запись результатов измерений весьма важна при проектировании устройств. ЦЛО (как и ЦЗО) предоставляют для этого широкие возможности, что значительно облегчает оформление отчетов. Специальная кнопка "твердая копия" позволяет распечатать изображение на струйном или лазерном принтере (подключают к стандартному параллельному порту ЦЛО). Можно также сохранить его на гибком диске в различных форматах, включая .BMP, .EPS, .TIF и т. д.

    ЦЛО: прорыв в области осциллографических технологий

    Цифровой люминофорный осциллограф не только объединяет лучшие качества аналоговых и цифровых приборов, но и существенно превосходит их. Он имеет все достоинства ЦЗО (от хранения данных до сложных видов синхронизации), обеспечивая в то же время особые возможности АОРВ (мгновенную реакцию на изменение сигнала и отображение сигнала с переменной яркостью). Последнее стало возможным за счет цифровой эмуляции флюоресценции.

    Новая серия ЦЛО - TDS3000 компании Tektronix представлена шестью моделями двух- и четырехканальных осциллографов с полосой пропускания до 500 МГц, имеющих компактное исполнение, малый вес (3,3 кг) и, как опцию, автономное питание.

    Более подробную информацию об архитектуре и особенностях ЦЛО можно будет прочитать в последующей публикации журнала.

    А. МАТВИЕНКО, менеджер по развитию рынка компании "Тектроникс"

    контактный телефон (095)494-51-58







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.