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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Oscilloscopi digitali ai fosfori. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione Lo strumento ideale per le misure nei circuiti di potenza Negli ultimi anni, c'è stato un notevole aumento del numero di sviluppi progettuali che richiedono misure di potenza nei circuiti di potenza. Inoltre, il concetto stesso di "misurazione della potenza" in questi circuiti ha subito cambiamenti significativi. La ragione di ciò è l'uso diffuso degli alimentatori a commutazione, che sono diventati parte integrante della maggior parte dei dispositivi elettronici moderni, compresi i computer, nonché molti elettrodomestici. Fino a tempi relativamente recenti, i progettisti di alimentatori dovevano solo confermare che i blocchi da loro sviluppati fornissero la tensione e la corrente richieste a un dato livello di ondulazione. Oggi i compiti degli sviluppatori sono diventati più complicati. Ora il progettista è obbligato, in particolare, a fornire informazioni complete sui livelli di potenza e sulla composizione armonica dei disturbi generati nella rete elettrica dagli alimentatori switching. Questi parametri dei dispositivi che sviluppa devono essere conformi ai requisiti degli standard nazionali e internazionali per la qualità dell'alimentazione nelle reti elettriche (ad esempio, lo standard americano IEEE 519-1992). Al fine di verificare con competenza i dispositivi sviluppati per la conformità a questi standard, il progettista deve essere in grado di misurare i segnali di uscita dei transistor di commutazione ad alta velocità, il rumore di tensione, le caratteristiche di potenza istantanea, ecc. Tali misurazioni possono essere notevolmente semplificate da oscilloscopi universali di una nuova classe: oscilloscopi ai fosfori digitali (DPO - Digital Phosphor Oscilloscope). Questi strumenti forniscono tutto il necessario per misurare la potenza, inclusa la visualizzazione in tempo reale delle variazioni di potenza, capacità di trigger avanzate e un'interfaccia intelligente per lavorare con un'ampia gamma di sonde (passive e attive, correnti, differenziali). Alcuni DLO incorporano moduli FFT (Fast Fourier Transform), che semplificano notevolmente l'analisi armonica del segnale. Meglio dell'analogico, meglio del digitale... Poiché i compiti che sorgono quando si studiano le caratteristiche degli alimentatori sono diventati molto più complicati, gli oscilloscopi analogici in tempo reale (RTOS) e gli oscilloscopi a memoria digitale (DSO) non sono più abbastanza efficaci oggi. I DSO consentono di analizzare i processi che si verificano negli alimentatori a commutazione (UPS). Hanno una larghezza di banda abbastanza ampia, un sistema di sincronizzazione sviluppato e consentono di eseguire un'analisi dettagliata di un segnale memorizzato in memoria, ad esempio un transitorio. Tuttavia, a causa delle limitazioni dell'architettura DSO seriale, il tempo tra accensioni adiacenti è sufficientemente lungo da poter perdere importanti dettagli del segnale. Inoltre, i DSO visualizzano tutti i dettagli del segnale con la stessa intensità, il che porta anche all'inevitabile perdita di informazioni. Per quanto riguarda gli AOVR, visualizzano perfettamente i segnali, consentono di riprodurli in dettaglio anche con un rapido cambio. Per definizione, AODS fornisce gradazioni di intensità dell'immagine sullo schermo, che riflettono la frequenza di occorrenza di alcuni componenti del segnale. Sfortunatamente, questi oscilloscopi non memorizzano il segnale, non consentono di effettuare misurazioni complesse e analizzare il segnale come un DSO. Ecco perché i progettisti sono costretti a utilizzare entrambi questi dispositivi durante la progettazione e il debug di un UPS. Il compito di combinare i vantaggi di AOVR e DSO in un unico dispositivo - CLO - è stato risolto con l'avvento di una nuova architettura per la costruzione di oscilloscopi. Si basa sulla tecnologia del "fosforo digitale", che imita digitalmente il cambiamento intrinseco nell'intensità dell'immagine di un AODS. In altre parole, DSO consente agli sviluppatori di vedere sullo schermo, ad esempio, i segnali modulati e tutti i loro dettagli fini, proprio come AODS, fornendo allo stesso tempo la loro memorizzazione, misurazione e analisi, come DSO. Misurazione istantanea della potenza con DLO Quando si sviluppa un UPS, è necessario conoscere i valori istantanei della dissipazione di potenza negli interruttori di potenza a transistor (TSK). È la conoscenza di questo parametro che consente di scegliere un TSC (ad esempio un potente MOSFET nel circuito di Fig. 1), che sarebbe economico, ma garantirebbe un funzionamento affidabile del dispositivo. La procedura di misurazione della potenza istantanea include misurazioni differenziali della corrente pulsata nel circuito corrispondente. L'uso di una sonda differenziale è obbligatorio qui, poiché siamo interessati alla tensione drain-source sul MOSFET (V ds in Fig. 1) e nessuno dei terminali di questo transistor è collegato al filo comune. Il DSO, come la maggior parte degli altri oscilloscopi, non è progettato per misurazioni dirette di tali tensioni elevate "fluttuanti". L'interfaccia DLO di livello II TekProbe dell'oscilloscopio TDS3000 supporta sia la sonda differenziale P5205 che la sonda di corrente TCP202 per misure di potenza istantanea eccezionalmente accurate su un'ampia larghezza di banda.
Prima di effettuare tali misure è necessario equalizzare i ritardi nei canali delle sonde differenziale e di corrente. Questa procedura è chiamata "raddrizzamento". Le sonde sopra menzionate sono abbinate in ritardo di segnale a una precisione di 2 ns, ma altre sonde e altre combinazioni di esse potrebbero non fornire più tale precisione e devono essere necessariamente sottoposte alla procedura di "allineamento". Questo è molto importante, perché anche piccole differenze di tempo tra le misurazioni di tensione e corrente possono portare a grandi errori nella misurazione dei valori di potenza istantanei. Come altri moderni oscilloscopi digitali, i DSO hanno una memoria che, in particolare, memorizza i valori della differenza nei tempi di ritardo tra diverse sonde. Viene misurato con l'aiuto del DLC in base al segnale di prova, quindi viene registrato nella memoria del DLC. La funzione di impostazione automatica, presente in quasi tutti i DSO e DSO, consente di impostare i parametri iniziali dell'immagine sullo schermo dell'oscilloscopio. I risultati della procedura di "raddrizzamento" vengono automaticamente presi in considerazione. Lo schermo LCD a colori è molto comodo per visualizzare più segnali contemporaneamente. Ad esempio, è possibile assegnare colori diversi alle forme d'onda di tensione, corrente e potenza. Grazie all'interfaccia intelligente TekProbe livello II, le informazioni digitali verranno lette e ridimensionate accuratamente in questo caso, in modo che non sia necessaria un'ulteriore interpretazione dei risultati. DSO (come molti DSO) ha la capacità di elaborare matematicamente i segnali studiati. Pertanto, ad esempio, le informazioni sui valori di potenza istantanei si ottengono semplicemente moltiplicando - "punto per punto" - il valore di tensione attuale per il corrispondente valore di corrente. Sulla fig. 2 mostra i risultati della misurazione della tensione e della corrente e del calcolo della potenza istantanea così come vengono visualizzati sullo schermo del DLC.
Studio dei segnali modulati La capacità del DLC di visualizzare informazioni con intensità variabile facilita notevolmente la risoluzione dei problemi dell'UPS, in particolare la determinazione dell'eccessiva profondità di modulazione del segnale nei circuiti di regolazione della tensione di uscita dell'UPS. È noto che una modulazione troppo profonda causa instabilità dell'UPS. Sulla fig. 3 mostra il segnale nel loop di controllo della tensione di uscita dell'UPS con minore intensità nelle zone dove la modulazione è meno frequente. DRO aumenta l'intensità dell'immagine nelle aree dell'immagine in cui il segnale appare più spesso, e questo è simile a un oscilloscopio analogico.
Il DSO è ideale per la visualizzazione di tali segnali, poiché ha una velocità di acquisizione del segnale molto elevata, oltre 50 volte più veloce del DSO. Inoltre, il display al fosforo digitale permette di osservare i segnali modulati in tempo reale. Ricerca transitoria La registrazione dei processi transitori con DLC è molto semplice. Questo utilizza le sue capacità di edge triggering per impostare la pendenza, il livello, il tipo di collegamento e il ritardo di trigger. Se l'UPS è già integrato nel sistema, può essere utile sincronizzare la forma d'onda del "problema" dell'UPS in esame con un segnale prelevato da un punto di test nel sistema. Ciò consentirà, in particolare, di identificare il sincronismo dei processi transitori nel sistema e nell'UPS e stabilire la loro relazione. Naturalmente la tensione continua di uscita dell'UPS deve essere "pulita" e priva di transitori. La combinazione di una visualizzazione di informazioni nota come "scorrimento" con il rilevamento del segnale di picco consente al DLC di rilevare impulsi transitori di breve durata su segnali a variazione lenta o CC. Durante lo "scorrimento", l'immagine "scorre" lentamente da destra a sinistra, simile al lavoro di un registratore. Il rilevatore di picco rileva i picchi nel segnale con una durata minima fino a 1 ns e modifica la frequenza di scansione per studiarli in dettaglio. Studio della composizione armonica Lo studio delle componenti armoniche dei segnali nei circuiti di potenza è un compito molto importante nella progettazione di un UPS. Il fatto è che eccitano le interferenze nella rete di alimentazione: strane armoniche dai segnali a impulsi che agiscono nell'UPS. Inoltre, quando ci si connette a una rete, ad esempio a più computer, queste interferenze possono essere sommate e raggiungere di conseguenza un livello notevole. Poiché questi componenti (disturbi) provocano un aumento della generazione di calore nelle linee di trasmissione e nei trasformatori di potenza, dovrebbero essere ridotti al minimo (ad es. secondo IEC 555 e IEC 10003-2). Per risolvere questo problema, è adatto un CLO con blocchi aggiuntivi. Ad esempio, il TDS3000 può essere dotato di un modulo FFT, rendendo l'oscilloscopio uno strumento eccellente per misurare la distorsione armonica. In questo caso è possibile visualizzare contemporaneamente il segnale in esame e la sua composizione spettrale. La FFT può essere utilizzata per elaborare sia segnali live che memorizzati. Ovviamente, l'acquisto di una tale unità è più conveniente rispetto all'acquisto di un analizzatore di distorsione armonica specializzato. Inoltre, ciò consente agli sviluppatori di utilizzare non uno strumento nuovo, ma un oscilloscopio che già conoscono bene. La procedura per misurare le componenti armoniche di un segnale non è più complicata delle misurazioni convenzionali dei parametri dei segnali periodici, poiché sono una sequenza periodica ripetuta di impulsi e non un transitorio. Per ottenere una buona risoluzione dell'analisi, è necessario visualizzare sullo schermo dell'oscilloscopio almeno cinque cicli del segnale in esame (vedere Fig. 4).
L'utente può impostare una scala verticale lineare o logaritmica e varie opzioni per le "finestre" FFT: rettangolari, Hamming, Hanning e Blackman-Harris. Per i segnali periodici, la finestra di Hamming è la più adatta. La scalatura lineare è comunemente usata nelle misure di potenza. La documentazione dei risultati delle misurazioni è molto importante nella progettazione del dispositivo. I CLO (così come le OSC) offrono ampie opportunità per questo, il che facilita notevolmente la preparazione dei rapporti. Un apposito pulsante "hard copy" consente di stampare un'immagine su una stampante a getto d'inchiostro o laser (collegata alla porta parallela standard del CLO). Puoi anche salvarlo su un floppy disk in vari formati, inclusi .BMP, .EPS, .TIF, ecc. DSO: una svolta nella tecnologia degli oscilloscopi L'oscilloscopio ai fosfori digitali non solo combina le migliori qualità degli strumenti analogici e digitali, ma le supera anche in modo significativo. Presenta tutti i vantaggi di un DSO (dall'archiviazione dei dati ai tipi di sincronizzazione complessi), fornendo allo stesso tempo le capacità speciali di AODS (risposta istantanea ai cambiamenti del segnale e visualizzazione di un segnale con luminosità variabile). Quest'ultimo è stato reso possibile dall'emulazione digitale della fluorescenza. La nuova serie TDS3000 DSO di Tektronix è rappresentata da sei modelli di oscilloscopi a due e quattro canali con una larghezza di banda fino a 500 MHz, che hanno un design compatto, peso leggero (3,3 kg) e, come opzione, autonomi Alimentazione elettrica. Autore: A.Matvienko, responsabile dello sviluppo del mercato, Tektronix, (095)494-51-58
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