Análisis de señales moduladas en anchura de impulso

Su tarea

La modulación por anchura de impulsos (PWM) es un método habitual para establecer de forma eficiente una frecuencia fija en fuentes de alimentación conmutadas. Su aplicación se extiende a todo tipo de fuentes de alimentación en sistemas de control industriales, electrónica de potencia y sistemas de comunicación digital. Por lo tanto, PWM es un método muy extendido especialmente en el diseño de convertidores D/A, p. ej. amplificadores de audio de clase D, fuentes de alimentación DC/DC e inversores, p. ej. controles de frecuencia variable (VFD) de motores de corriente continua y accionamientos de motores trifásicos. Especialmente las señales diferenciales en puentes o accionamientos de motores multifásicos presentan características bipolares de doble pulso y plantean a los ingenieros retos que deben afrontar en su trabajo diario de desarrollo y prueba.

La solución de Rohde & Schwarz

Una forma rápida y sencilla de adquirir una imagen de alto nivel de una señal PWM es utilizando la función de visualización de persistencia de su osciloscopio. La función de persistencia puede proporcionar una vista general del tipo de anchos de pulso que presenta su señal. Además, la graduación de colores muestra dónde se encuentra la mayor actividad de la forma de onda.
Sin embargo, la persistencia y la graduación de colores no brindan ninguna información de análisis. ¿Está modulado el periodo además del ancho? ¿Cuántas veces se repite el ciclo de modulación? ¿Cuántos anchos de cada valor aparecen? Esta información es esencial a la hora de desarrollar diversos módulos electrónicos, como convertidores reductores, los cuales se utilizan en fuentes de alimentación, en el voltaje de alimentación de procesadores o para cargadores de baterías.
Para obtener dicha información es necesario utilizar métodos de análisis más profundos.
La función de seguimiento de los osciloscopios R&S®RTM3000 y R&S®RTA4000 puede demodular la señal PWM y extraer la señal de modulación subyacente en una forma de onda de seguimiento. La forma de onda de seguimiento se compone de valores medidos en la secuencia temporal en la que fueron registrados durante una adquisición. Esta herramienta de análisis traza los resultados en el tiempo de cualquier valor dado, lo que ofrece una visión muy clara de cómo cambian los parámetros de PWM al medirlos durante un periodo relativamente largo. Gracias a ello es posible evaluar el correcto seguimiento y la linealidad en reguladores y controladores de PWM.
La función de seguimiento integrada de forma estándar en el R&S®RTM3000 y el R&S®RTA4000 en las funciones matemáticas permite definir un umbral superior (unipolar) y uno inferior (bipolar) para la señal demodulada.

Las funciones matemáticas incluyen de forma estándar los siguientes análisis de seguimiento:

• Seguimiento: periodo (unipolar y bipolar)
• Seguimiento: frecuencia (unipolar y bipolar)
• Seguimiento: ancho de pulso (unipolar y bipolar)
• Seguimiento: ciclo de trabajo (unipolar y bipolar)

Configuración de medición

La precisión de las mediciones de PWM depende de la calidad del sondeo. La mayoría de los osciloscopios suelen incluir sondas pasivas de 10:1. Con dichas sondas no se puede encontrar con precisión un punto de referencia a tierra definitivo, por ejemplo al medir la diferencia entre dos señales que pueden no estar conectadas a tierra. Para estas mediciones se recomienda utilizar sondas diferenciales como la R&S®RT-ZD10. Dependiendo de la aplicación y el entorno, los voltajes pueden variar de forma considerable y pueden alcanzar el rango de los kV. Las sondas R&S®RT-ZHD diseñadas para voltajes de hasta 6 kV son las más apropiadas para estas condiciones.

Configuración del instrumento

Después de conectar el osciloscopio al circuito examinado, utilice el diálogo de aplicación del osciloscopio para acceder a la pestaña «track», que contiene una serie de tipos de demodulación.

• Para los diferentes métodos de PWM se requieren distintas fórmulas de tipo de demodulación
  • Elija entre PWM (unipolar y bipolar), PDM (unipolar y bipolar), inversor, motor de DC, motor trifásico y PWM – RGB LED (véase la captura de pantalla abajo a la izquierda)
• Dependiendo del tipo de demodulación seleccionado, el osciloscopio ajusta la condición de disparo con polaridad; a continuación se puede realizar otros ajustes del usuario en el menú de funciones matemáticas
• Los ajustes del usuario incluyen análisis de modulación, como seguimiento a lo largo del periodo, frecuencia, ancho de pulso o ciclo de trabajo
• Ajuste un umbral superior (UL) para formas de onda unipolares y un umbral inferior (LL) para bipolares
• Cada umbral se compone de un ajuste de nivel y de histéresis; deberá ajustar estos conforme a sus necesidades
  • Se puede seleccionar el flanco ascendente y descendente, así como ajustarse «On edge» y «Off edge», y «On» y «Off Double Pulse» para frecuencia y periodo

Resultados de la medición

La función de seguimiento del menú de matemáticas permite demodular la señal PWM y muestra además la forma de onda a modo de traza matemática. Esto hace posible la visualización de hasta cinco curvas de seguimiento de forma simultánea.
Partiendo de la forma de onda de seguimiento extraída pueden realizarse análisis sucesivos. La función de seguimiento del R&S®RTM3000 y el R&S®RTA4000 permite colocar cada conjunto de cursores sobre la forma de onda de seguimiento y aplicar a esta todas las funciones matemáticas disponibles. Igualmente, se pueden emplear todas las medidas disponibles, como valor cuadrático medio (RMS) o frecuencia (obtener información sobre la frecuencia de rotación) en la forma de onda de seguimiento y ver la evaluación estadística de cada medición.
Después de llevar a acabo los pasos de medición y análisis puede realizarse un examen más profundo para comprobar, por ejemplo, cuántas veces se repite un ciclo de modulación o cuántos anchos de cada valor aparecen. La vista se utiliza para localizar errores en el algoritmo de control, para examinar el comportamiento del controlador o para observar el comportamiento de inicio y parada. Todo ello brinda amplia información para interpretar lo que ocurre realmente en una señal PWM.
Con fines de protocolización se pueden guardar de forma rápida y sencilla capturas de pantalla, formas de onda, estadísticas o la configuración completa en un dispositivo USB o en el PC a través de la LAN.

Resumen

La función de seguimiento de los osciloscopios R&S®RTM3000 y R&S®RTA4000 resulta excelente para visualizar cualquier tipo de señal PWM variable en relación con el tiempo en diversas aplicaciones.

Brinda información detallada sobre la señal PWM para cada ciclo individual y muestra cualquier anomalía inesperada. En combinación con otras funciones de medición, un convertidor A/D de 10 bits, memoria profunda y memoria segmentada, el R&S®RTM3000 y el R&S®RTA4000 constituyen una solución económica y práctica para ahorrar tiempo. Ambos instrumentos dotan a los ingenieros de la flexibilidad necesaria para el diseño de convertidores D/A, fuentes de alimentación DC/DC e inversores, p. ej. VFD de motores DC y accionamientos de motores trifásicos.