Analisar sinais modulados por largura de pulso

Com um osciloscópio Rohde & Schwarz

Analisar sinais modulados por largura de pulso - RTM3004

Sua tarefa

A modulação por largura de pulso (PWM) é uma técnica comum para conduzir de maneira eficiente fontes de alimentação no modo chaveado a uma frequência fixa. Isso se aplica a vários tipos de fonte de alimentação em sistemas de controle industriais, eletrônica de potência e comunicação digital. Sendo assim, a PWM é uma técnica particularmente difundida, usada na criação de conversores D/A, por exemplo, amplificadores de áudio classe D, fontes de alimentação CC/CC e inversores, como unidades de frequência variável (VFD) de motores CC e unidades de motor trifásicas. Principalmente os sinais de diferença em pontes ou unidades de motor multifásicas exibem características de pulso duplo bipolar, desafiando os engenheiros todos os dias nas atividades de desenvolvimento e teste.

Sinal de PWM bipolar capturado com disparo de largura em pulso negativo
Sinal de PWM bipolar capturado com disparo de largura em pulso negativo (exibido em forma de onda colorida; a cor vermelha indica ocorrências frequentes)

A solução da Rohde & Schwarz

Uma maneira rápida e fácil de ver uma imagem detalhada de um sinal de PWM é usar o recurso de exibição de persistência do seu osciloscópio. O uso da persistência disponibiliza uma visão geral do tipo de largura de pulso com que você está lidando no seu sinal. Além disso, a gradação de cores mostra onde a maior parte da atividade da forma de onda está localizada.
No entanto, a persistência e a gradação de cores não oferecem qualquer insight de análise. Além da largura, o período também é modulado? Com que frequência o ciclo de modulação se repete? Quantas larguras de cada valor ocorrem? Esse conhecimento é essencial para desenvolver diversos módulos eletrônicos, como conversores buck, que são usados em fontes de alimentação, na tensão de alimentação de processadores ou em carregadores de bateria.
Para obter esses insights, é preciso usar técnicas mais detalhadas de análise.
A função de monitoramento dos osciloscópios R&S®RTM3000 e R&S®RTA4000 pode demodular o sinal de PWM e extrair o sinal de modulação subjacente em uma forma de onda de monitoramento. A forma de onda de monitoramento é composta de valores medidos na ordem temporal em que foram registrados durante uma aquisição. Essa ferramenta de análise representa graficamente os resultados de qualquer valor específico em relação ao tempo, dando uma noção muito clara de como os parâmetros de PWM mudam quando medidos durante um período relativamente longo. Assim, é possível avaliar o monitoramento e a linearidade corretos em reguladores/controladores de PWM.
O padrão na função de monitoramento do R&S®RTM3000 e do R&S®RTA4000, combinado com operações matemáticas, permite definir os limites superior (unipolar) e inferior (bipolar) do seu sinal demodulado.

As operações matemáticas incluem como padrão as seguintes análises de monitoramento:

  • Monitoramento: período (unipolar e bipolar)
  • Monitoramento: frequência (unipolar e bipolar)
  • Monitoramento: largura de pulso (unipolar e bipolar)
  • Monitoramento: ciclo de trabalho (unipolar e bipolar)
Exemplos de tipo de demodulação facilitam a correspondência da sua aplicação
Exemplos de tipo de demodulação facilitam a correspondência da sua aplicação

Configuração de medição

Medições precisas de PWM dependem do uso correto de sondas. A maioria dos osciloscópios geralmente vem com sondas passivas 10:1. Com essas sondas, encontrar um ponto de referência terrestre significativo pode ser uma tarefa ambígua. Por exemplo, ao medir a diferença entre dois sinais que podem não estar ligados à terra. Para essas medições, sondas diferenciais são recomendadas, como a R&S®RT-ZD10. Dependendo da aplicação e do ambiente, as tensões podem variar muito, atingindo inclusive a grandeza dos kV. As sondas R&S®RT-ZHD criadas para tensões de até 6 kV são mais indicadas para esses ambientes.

Menu de operações para o recurso de monitoramento
Menu de operações para o recurso de monitoramento

Configuração do instrumento

Depois de conectar o osciloscópio ao circuito em teste, use a caixa de diálogo do aplicativo do osciloscópio para acessar a guia “Track” (Monitoramento), que contém diversos tipos de demodulação.

  • Diferentes técnicas de PWM exigem fórmulas distintas de tipos de demodulação
    • Escolha entre PWM (unipolar e bipolar), PDM (unipolar e bipolar), inversor, motor CC, motor trifásico e PWM – RGB LED (veja a captura de tela no canto inferior esquerdo)
  • Dependendo do tipo de demodulação selecionado, o osciloscópio define a condição de disparo com polaridade. Outros ajustes do usuário podem ser feitos posteriormente no menu de operações matemáticas
  • As configurações do usuário incluem análises de modulação, como monitoramento no período, frequência, largura de pulso ou ciclo de trabalho
  • Configure os limites superior (UL) para traços unipolares e inferior (LL) para traços bipolares
  • Cada limite consiste em uma configuração de nível e de histerese. Ajuste esses parâmetros de acordo com as suas necessidades
    • As bordas crescente e decrescente podem ser selecionadas e é possível definir “On edge” (Na extremidade) e “Off edge” (Fora da extremidade), bem como “On Double Pulse” (No pulso duplo) e “Off Double Pulse” (Fora do pulso duplo) para frequência e período
Demodulação de um sinal de PWM unipolar de um conversor buck com medições no modo chaveado C1, saída C2
Demodulação de um sinal de PWM unipolar de um conversor buck com medições no modo chaveado C1, saída C2

Resultados da medição

Usando a função de monitoramento no menu de operações matemáticas, é possível demodular o sinal de PWM e exibir também a forma de onda como um traço matemático. Isso permite exibir até cinco curvas de monitoramento ao mesmo tempo.
Com base na forma de onda de monitoramento extraída, outras análises podem ser realizadas. O recurso de monitoramento no R&S®RTM3000 e no R&S®RTA4000 permite colocar cada cursor definido na forma de onda de monitoramento e aplicar todas as opções matemáticas disponíveis a eles. Você também pode usar todas as medições disponíveis, como RMS ou frequência (veja informações sobre frequência de rotação) na forma de onda de monitoramento e ver a avaliação estatística de cada medição.
Depois de realizar as etapas de medição e análise, obtenha uma visualização mais detalhada, por exemplo, da frequência com que um ciclo de modulação se repete ou quantas larguras de cada valor ocorrem. Use o insight para encontrar erros no algoritmo de controle, investigar o comportamento do controlador ou observar os comportamentos de inicialização e encerramento. Assim, você compreenderá mais detalhadamente o que realmente está acontecendo com seu sinal de PWM.
Para gerar relatórios, você pode salvar capturas de tela, formas de onda, estatísticas ou toda a configuração de maneira rápida e fácil em um dispositivo USB ou por meio da LAN para o computador.

Demodulação de um sinal de PWM bipolar com medições, estatísticas e cursores
Demodulação de um sinal de PWM bipolar com medições, estatísticas e cursores

Resumo

O recurso de monitoramento dos osciloscópios R&S®RTM3000 e R&S®RTA4000 são uma excelente opção para exibir qualquer sinal de PWM variável com relação ao tempo em diversas aplicações.

Ele oferece informações detalhadas sobre o sinal de PWM de cada ciclo único e mostra quaisquer falhas inesperadas. Combinado com outros recursos de medição, um conversor A/D de 10 bits, memória profunda e memória segmentada, o R&S®RTM3000 e o R&S®RTA4000 oferecem uma solução econômica e ágil. Ambos os instrumentos oferecem aos engenheiros flexibilidade para criar conversores D/A, fontes de alimentação CC/CC e inversores, por exemplo, VFD de motores CC e unidades de motor trifásicas.

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