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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Digitale Phosphoroszilloskope. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Das ideale Werkzeug für Messungen in Stromkreisen In den letzten Jahren hat die Zahl der Designentwicklungen, die Leistungsmessungen in Stromkreisen erfordern, spürbar zugenommen. Darüber hinaus hat das Konzept der „Leistungsmessung“ in diesen Schaltkreisen erhebliche Änderungen erfahren. Der Grund dafür ist die weit verbreitete Verwendung von Schaltnetzteilen, die zu einem festen Bestandteil der meisten modernen elektronischen Geräte, einschließlich Computern, aber auch vieler Haushaltsgeräte geworden sind. Bis vor relativ kurzer Zeit mussten die Entwickler von Stromversorgungen lediglich bestätigen, dass die von ihnen entwickelten Einheiten die erforderliche Spannung und den erforderlichen Strom bei einem bestimmten Welligkeitsniveau lieferten. Heutzutage sind die Aufgaben von Entwicklern komplexer geworden. Nun ist der Planer insbesondere verpflichtet, vollständige Informationen über die Leistungspegel und die harmonische Zusammensetzung der durch Schaltnetzteile in das Stromnetz erzeugten Störungen bereitzustellen. Diese Parameter der von ihm entwickelten Geräte müssen den Anforderungen nationaler und internationaler Standards für die Stromqualität in Stromnetzen (zum Beispiel dem amerikanischen Standard IEEE 519-1992) entsprechen. Um die zu entwickelnden Geräte kompetent auf Einhaltung dieser Standards testen zu können, muss der Entwickler in der Lage sein, die Ausgangssignale von Hochgeschwindigkeits-Schalttransistoren, Rauschspannungen, Momentanleistungseigenschaften usw. zu messen. Um solche Messungen bei der Entwicklung von Schaltleistungen durchzuführen Vorräte und für deren Reparatur benötigt er verschiedene spezialisierte Instrumentenwerkzeuge. Solche Messungen können durch universelle Oszilloskope einer neuen Klasse – digitale Phosphoroszilloskope (DPO – Digital Phosphor Oscilloskop) – erheblich vereinfacht werden. Diese Instrumente bieten alles, was Sie zur Leistungsmessung benötigen, einschließlich der Echtzeitanzeige von Leistungsänderungen, erweiterten Timing-Funktionen und intelligenten Schnittstellen für eine Vielzahl von Tastköpfen (passiv und aktiv, Strom, Differenz). Einige DLCs enthalten FFT-Module (Fast Fourier Transform), die die harmonische Analyse des Signals erheblich vereinfachen. Besser als analog, besser als digital... Da die Probleme bei der Untersuchung der Eigenschaften von Stromversorgungen deutlich komplexer geworden sind, sind analoge Echtzeitoszilloskope (ARROs) und digitale Speicheroszilloskope (DSOs) nicht mehr effizient genug. Mit DSOs können Sie die Prozesse analysieren, die in Schaltnetzteilen (USV) ablaufen. Sie verfügen über eine relativ große Bandbreite, ein entwickeltes Synchronisationssystem und ermöglichen eine detaillierte Analyse eines im Speicher abgelegten Signals, beispielsweise eines transienten Prozesses. Aufgrund der mit der seriellen Architektur des DSO verbundenen Einschränkungen ist die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Starts jedoch recht lang, sodass wichtige Details des Signals verloren gehen können. Darüber hinaus stellen DSOs alle Signaldetails mit der gleichen Intensität dar, was ebenfalls zu einem unvermeidlichen Informationsverlust führt. AORVs zeigen Signale perfekt an und ermöglichen eine detaillierte Wiedergabe auch bei schnellen Änderungen. Per Definition sorgen AORVs für Abstufungen der Bildintensität auf dem Bildschirm, die die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Signalkomponenten widerspiegeln. Leider speichern diese Oszilloskope das Signal nicht, erlauben keine aufwendigen Messungen und analysieren das Signal als DSO. Aus diesem Grund sind Entwickler gezwungen, beim Entwerfen und Debuggen von USVs beide Geräte zu verwenden. Das Problem, die Vorteile von AORV und DSO in einem Gerät – DSO – zu vereinen, wurde mit der Einführung einer neuen Architektur zum Aufbau von Oszilloskopen gelöst. Es basiert auf der „Digital Phosphor“-Technologie, die die inhärente Änderung der Bildintensität von AORV digital simuliert. Mit anderen Worten: DSO ermöglicht es Entwicklern, beispielsweise modulierte Signale und alle ihre feinen Details auf dem Bildschirm zu sehen, wie AORV, und bietet ihnen gleichzeitig Speicherung, Messung und Analyse, wie DSO. Momentanleistungsmessung mit DLO Bei der Entwicklung einer USV ist es notwendig, die Momentanwerte der Verlustleistung in Transistor-Leistungsschaltern (TPS) zu kennen. Die Kenntnis dieses Parameters ermöglicht es Ihnen, einen TSC (z. B. einen leistungsstarken MOSFET in der Schaltung in Abb. 1) auszuwählen, der kostengünstig ist, aber einen zuverlässigen Betrieb des Geräts gewährleistet. Das Verfahren zur Messung der Momentanleistung umfasst Differenzmessungen des Impulsstroms im entsprechenden Stromkreis. Hier ist die Verwendung einer Differenzialsonde erforderlich, da wir an der Drain-Source-Spannung am MOSFET (V ds in Abb. 1) interessiert sind und keiner der Anschlüsse dieses Transistors mit dem gemeinsamen Draht verbunden ist. Der CLO ist wie die meisten anderen Oszilloskope nicht für die direkte Messung solcher „schwebenden“ Hochspannungen geeignet. Die TekProbe Level II DSO-Schnittstelle des TDS3000-Oszilloskops unterstützt den Betrieb mit dem Differenztastkopf P5205 und dem Stromtastkopf TCP202, was äußerst genaue Momentanleistungsmessungen über ein breites Frequenzband ermöglicht.
Bevor solche Messungen durchgeführt werden, müssen die Verzögerungen in den Differenz- und Stromsondenkanälen ausgeglichen werden. Dieses Verfahren wird als „Deskewing“ bezeichnet. Die oben genannten Sonden sind auf eine Verzögerung von 2 ns angepasst, andere Sonden und Kombinationen sind jedoch möglicherweise nicht so genau und müssen entzerrt werden. Dies ist sehr wichtig, da bereits kleine Zeitunterschiede zwischen Spannungs- und Strommessungen zu großen Fehlern bei den Momentanleistungsmessungen führen können. Wie andere moderne digitale Oszilloskope verfügen DSOs über einen Speicher, in dem insbesondere die Werte der Differenz der Verzögerungszeiten zwischen verschiedenen Tastköpfen gespeichert werden. Sie wird bei einem DSL anhand eines Testsignals gemessen und anschließend im DSL-Speicher aufgezeichnet. Mit der Autoset-Funktion, über die fast jedes DSO und DSO verfügt, können Sie die anfänglichen Bildparameter auf dem Oszilloskopbildschirm einstellen. In diesem Fall werden die Ergebnisse des „Deskewing“-Verfahrens automatisch berücksichtigt. Der Farb-LCD-Bildschirm ist sehr praktisch für die gleichzeitige Anzeige mehrerer Signale. Beispielsweise können Sie Spannungs-, Strom- und Leistungswellenformen unterschiedliche Farben zuweisen. Dank der intelligenten TekProbe Level II-Schnittstelle werden in diesem Fall digitale Informationen präzise gelesen und skaliert, sodass keine zusätzliche Dekodierung der Ergebnisse erforderlich ist. Der CLO verfügt (wie viele VNB) über die Fähigkeit, die untersuchten Signale mathematisch zu verarbeiten. Daher erhält man beispielsweise Informationen über momentane Leistungswerte, indem man einfach – „Punkt für Punkt“ – den aktuellen Spannungswert mit dem entsprechenden Stromwert multipliziert. In Abb. Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse der Messung von Spannung und Strom sowie der Berechnung der Momentanleistung, wie sie auf dem CLO-Bildschirm angezeigt werden.
Untersuchung modulierter Signale Die Fähigkeit des CLO, Informationen mit variabler Intensität anzuzeigen, erleichtert die Fehlerbehebung in der USV erheblich, insbesondere die Feststellung der übermäßigen Tiefe der Signalmodulation in den USV-Ausgangsspannungsregelkreisen. Es ist bekannt, dass eine zu tiefe Modulation zu einer Instabilität der USV führt. In Abb. Wie aus 3 hervorgeht, weist das Bild des Signals im Regelkreis der USV-Ausgangsspannung in Bereichen, in denen die Modulation weniger häufig auftritt, eine geringere Intensität auf. DLO erhöht die Intensität des Bildes in den Bildbereichen, in denen das Signal am häufigsten auftritt, und ähnelt auf diese Weise einem analogen Oszilloskop.
Der DSO eignet sich ideal für die Darstellung solcher Signale, da er über eine sehr hohe Signalerfassungsgeschwindigkeit verfügt – mehr als 50-mal höher als der gleiche DSO-Parameter. Darüber hinaus ermöglicht die digitale Phosphoranzeige die Beobachtung modulierter Signale in Echtzeit. Transiente Forschung Die Registrierung transienter Prozesse mit CLO ist sehr einfach. Dies geschieht mithilfe seiner Flankentriggerfunktionen mit einstellbarer Steigung, Pegel, Kommunikationsart und Triggerverzögerung. Wenn die USV bereits in das System integriert ist, kann es nützlich sein, den Sweep des „problematischen“ USV-Signals, das untersucht wird, mit dem Signal zu synchronisieren, das von einem Testpunkt im System stammt. Dies ermöglicht es insbesondere, die Synchronität transienter Prozesse im System und in der USV zu erkennen und deren Zusammenhang festzustellen. Natürlich muss die DC-Ausgangsspannung der USV „sauber“ und frei von Transienten sein. Durch die Kombination einer als „Scrollen“ bekannten Anzeigemethode mit der Signalspitzenerkennung kann der DLC kurzzeitige transiente Impulse bei sich langsam ändernden Signalen oder bei Gleichstrom erkennen. Beim „Scrollen“ „kippt“ das Bild langsam von rechts nach links, was an die Bedienung eines Diagrammschreibers erinnert. Der Peak-Detektor erkennt Signalspitzen mit einer Mindestdauer von 1 ns und ändert die Sweep-Geschwindigkeit, um sie im Detail zu untersuchen. Studium der harmonischen Komposition Die Untersuchung der harmonischen Komponenten von Signalen in Stromkreisen ist eine sehr wichtige Aufgabe beim Entwurf einer USV. Tatsache ist, dass sie Störungen im Versorgungsnetz erzeugen – ungerade Harmonische aus den in der USV arbeitenden Impulssignalen. Darüber hinaus können sich diese Störungen beispielsweise bei der Verbindung mehrerer Computer zu einem Netzwerk summieren und dadurch ein spürbares Ausmaß erreichen. Da diese Komponenten (Interferenzen) zu einer erhöhten Wärmeentwicklung in Übertragungsleitungen und Leistungstransformatoren führen, sollten sie minimiert werden (z. B. gemäß den Normen IEC 555 und IEC 10003-2). Um dieses Problem zu lösen, eignet sich ein CLO mit zusätzlichen Blöcken. Beispielsweise kann das TDS3000 mit einem FFT-Modul ausgestattet werden, was das Oszilloskop zu einem hervorragenden Werkzeug zur Messung harmonischer Verzerrungen macht. In diesem Fall ist es möglich, gleichzeitig das untersuchte Signal und seine spektrale Zusammensetzung anzuzeigen. Mit FFT können sowohl Live- als auch gespeicherte Signale verarbeitet werden. Offensichtlich ist der Kauf eines solchen Geräts kostengünstiger als der Kauf eines speziellen Analysators für harmonische Verzerrungen. Darüber hinaus können Entwickler so kein neues Gerät, sondern ein bereits bekanntes Oszilloskop verwenden. Das Verfahren zur Messung der harmonischen Komponenten eines Signals ist nicht komplizierter als herkömmliche Messungen der Parameter periodischer Signale, da es sich dabei um eine sich wiederholende periodische Folge von Impulsen und nicht um einen transienten Prozess handelt. Um bei der Analyse eine gute Auflösung zu erhalten, ist es notwendig, mindestens fünf Zyklen des untersuchten Signals auf dem Oszilloskopbildschirm anzuzeigen (siehe Abb. 4).
Der Benutzer kann eine lineare oder logarithmische vertikale Skala und verschiedene FFT-Fensteroptionen angeben – rechteckig, Hamming, Hanning und Blackman-Harris. Für periodische Signale ist das Hamming-Fenster am besten geeignet. Die lineare Skalierung wird üblicherweise bei Leistungsmessungen verwendet. Bei der Gerätekonstruktion ist die Dokumentation von Messergebnissen von großer Bedeutung. CLOs (wie auch CLOs) bieten hierfür reichlich Möglichkeiten, was die Erstellung von Berichten erheblich erleichtert. Mit einer speziellen Schaltfläche „Hardcopy“ können Sie das Bild auf einem Tintenstrahl- oder Laserdrucker drucken (Anschluss an einen Standard-Parallelanschluss des digitalen Laserdruckers). Sie können es auch in verschiedenen Formaten, einschließlich .BMP, .EPS, .TIF usw., auf einer Diskette speichern. DSO: ein Durchbruch in der Oszilloskop-Technologie Das digitale Phosphoroszilloskop vereint nicht nur die besten Eigenschaften analoger und digitaler Instrumente, sondern übertrifft diese auch deutlich. Es verfügt über alle Vorteile eines DSO (von der Datenspeicherung bis hin zu komplexen Synchronisationsarten) und bietet gleichzeitig spezielle AORV-Funktionen (sofortige Reaktion auf Signaländerungen und Anzeige eines Signals mit variabler Helligkeit). Letzteres wurde durch digitale Fluoreszenzemulation ermöglicht. Die neue TDS3000-Serie von Tektronix besteht aus sechs Modellen von Zwei- und Vierkanal-Oszilloskopen mit einer Bandbreite von bis zu 500 MHz, kompaktem Design, geringem Gewicht (3,3 kg) und optional mit eigener Stromversorgung . Autor: A. Matvienko, Marktentwicklungsmanager bei Tektronics, (095)494-51-58
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