Анализ сигналов широтно-импульсной модуляции

С помощью осциллографа Rohde & Schwarz

Анализ сигналов широтно-импульсной модуляции — RTM3004

Измерительная задача

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) традиционно используется для эффективного управления импульсными источниками питания на фиксированной частоте. Она применяется во многих типах источников питания в промышленных системах управления, силовой электронике и цифровой связи. Таким образом, ШИМ является широко распространенной технологией, используемой при проектировании цифро-аналоговых преобразователей, например, аудиоусилителей класса D, источников питания и инверторов постоянного тока, например, частотно-регулируемых приводов (ЧРП) двигателей постоянного тока и трехфазных электроприводов. В частности, разностные сигналы в мостах или многофазных электроприводах содержат биполярные сдвоенные импульсы, которые создают серьезные трудности для инженеров при разработке и тестировании.

Биполярный сигнал ШИМ, захваченный с помощью функции запуска по длительности по отрицательному импульсу (отображается в виде радужной осциллограммы; красный цвет указывает на частое возникновение)
Биполярный сигнал ШИМ, захваченный с помощью функции запуска по длительности по отрицательному импульсу (отображается в виде радужной осциллограммы; красный цвет указывает на частое возникновение)

Решение компании Rohde & Schwarz

Быстрый и простой способ получить общую картину ШИМ-сигнала — использовать функцию послесвечения осциллографа. Использование послесвечения может дать представление о типе присутствующих в сигнале импульсов. Кроме того, цветовая градация показывает области наибольшей активности сигнала.
Тем не менее, послесвечение и цветовая градация не обеспечивают детального анализа. Модулируется ли помимо длительности период? С какой частотой повторяется цикл модуляции? Сколько длительностей каждого значения встречается? Эти сведения необходимы при разработке различных электронных модулей, таких, например, как понижающие преобразователи, которые используются в источниках питания, схемах питания процессоров или зарядных устройствах.
Чтобы получить эту информацию, необходимо использовать методы более глубокого анализа.
Функция отслеживания осциллографов R&S®RTM3000 и R&S®RTA4000 способна демодулировать ШИМ-сигнал и извлекать основной сигнал модуляции в виде осциллограммы трека. Осциллограмма трека формируется из измеренных значений, расположенных в порядке времени их регистрации при захвате данных. Данный инструмент анализа отображает результаты любого заданного значения в зависимости от времени, обеспечивая четкое представление об изменении параметров ШИМ при измерении в течение относительно длительного интервала времени. В результате появляется возможность оценить правильность отслеживания и степень линейности в ШИМ-регуляторах/контроллерах.
Образец в функции отслеживания осциллографов R&S®RTM3000 и R&S®RTA4000, интегрированный в блок матопераций, позволяет задавать верхний (однополярный сигнал) и нижний (биполярный сигнал) пороговые уровни для демодулируемого сигнала.

Блок матопераций содержит следующие стандартные функции анализа трека:

  • Трек: период (одно- и биполярный)
  • Трек: частота (одно- и биполярный)
  • Трек: длительность импульса (одно- и биполярный)
  • Трек: коэффициент заполнения (одно- и биполярный)
Доступные типы демодуляции выбираются под нужное применение
Доступные типы демодуляции выбираются под нужное применение

Измерительная установка

Точность ШИМ-измерений зависит от качества снятия сигнала. Большинство осциллографов обычно поставляется с пассивными пробниками с коэффициентом деления 10:1. С их помощью нельзя однозначно найти реальную опорную точку заземления, например, при измерении разницы между двумя сигналами, которые могут не иметь соединения с землей. Для данных измерений рекомендуется использовать дифференциальные пробники, такие как R&S®RT-ZD10. В зависимости от области применения и окружающих условий, напряжения могут значительно варьироваться, достигая киловольтного диапазона. Для таких условий лучше всего подходят пробники R&S®RT-ZHD, рассчитанные на напряжения до 6 кВ.

Меню для работы с функциями отслеживания (треками)
Меню для работы с функциями отслеживания (треками)

Настройка прибора

После подключения осциллографа к испытуемой цепи используйте диалоговое окно приложения осциллографа для доступа к вкладке функций отслеживания, содержащей различные типы демодуляции.

  • Разные методы ШИМ требуют разных формул демодуляции
    • Выберите между PWM (ШИМ, одно- и биполярный сигнал), PDM (ИПМ, одно- и биполярный сигнал), инвертором, двигателем постоянного тока, 3-фазным двигателем и PWM – RGB LED (ШИМ для светодиодной RGB подсветки) (см. снимок экрана в левом нижнем углу)
  • В зависимости от выбранного типа демодуляции осциллограф установит условие запуска с нужной полярностью; дополнительные пользовательские настройки могут быть сделаны в меню матопераций
  • Пользовательские настройки включают функции анализа модуляции, такие как отслеживание периода, частоты, длительности импульса или коэффициента заполнения
  • Установите верхний порог (UL) для однополярного и нижний порог (LL) для биполярных кривых
  • Каждый порог состоит из уровня и параметров гистерезиса; отрегулируйте их в соответствии со своими требованиями
    • Нарастающий и спадающий фронты можно выбрать и установить параметрами «On edge» и «Off edge», а также использовать параметры «On» и «Off, Double Pulse» для частоты и периода
Демодуляция однополярного ШИМ-сигнала понижающего преобразователя с измерениями в режиме коммутации C1, выход C2
Демодуляция однополярного ШИМ-сигнала понижающего преобразователя с измерениями в режиме коммутации C1, выход C2

Результаты измерений

Использование функции отслеживания (трека) в меню матопераций позволяет демодулировать сигнал ШИМ и дополнительно отображать сигнал в виде расчетной кривой. Имеется возможность отображать до пяти треков одновременно.
На основе извлеченной осциллограммы трека может быть выполнен дальнейший анализ. Функции отслеживания в осциллографах R&S®RTM3000 и R&S®RTA4000 позволяют помещать набор курсоров на осциллограмму трека и применять к ней все доступные математические операции. Также для осциллограммы трека можно использовать все доступные виды измерений, такие как измерение СКЗ или частоты (для получения информации о частоте вращения), и просматривать статистические оценки каждого измерения.
После выполнения этапов измерения и анализа можно получить более глубокое представление, например, о том, как часто повторяется цикл модуляции или сколько встречается длительностей каждого значения. Используйте результаты анализа для поиска ошибок в алгоритме управления, исследования состояний контроллера или наблюдения за процессом запуска и завершения работы. Это даст глубокое понимание того, что на самом деле происходит в исследуемом сигнале ШИМ.
Для создания отчетов можно легко и быстро сохранить снимки экрана, осциллограммы, статистику или всю схему настроек на USB-устройство или через локальную сеть на ПК.

Демодуляция биполярного ШИМ-сигнала с измерением параметров, статистикой и курсорами
Демодуляция биполярного ШИМ-сигнала с измерением параметров, статистикой и курсорами

Заключение

Функции отслеживания осциллографов R&S®RTM3000 и R&S®RTA4000 являются отличной возможностью для отображения любого изменяющегося во времени сигнала ШИМ в различных прикладных задачах.

Они обеспечат получение подробной информации о сигнале ШИМ для каждого отдельного цикла и выявят любые неожиданные аномалии. В сочетании с дополнительными измерительными возможностями, 10-разрядным АЦП, глубокой и сегментированной памятью осциллографы R&S®RTM3000 и R&S®RTA4000 предлагают экономичное решение, позволяющее сэкономить время на разработку. Оба прибора обеспечивают необходимую гибкость при проектировании цифро-аналоговых преобразователей, источников питания постоянного тока и инверторов, например ЧРП двигателей постоянного тока и трехфазных электроприводов.

Связанные решения