Измерения АЧХ (ЛАФЧХ или диаграмм Боде) контура управления электропитанием

Задача

Для обеспечения устойчивой работы стабилизаторов напряжения и импульсных источников питания необходимо измерять характеристики контура управления. Регулятор напряжения с оптимальным уровнем компенсации позволяет стабилизировать выходное напряжение и снижает влияние изменений нагрузки и колебаний напряжения питания. Качество этого контура управления определяет стабильность и динамическую характеристику всего преобразователя постоянного тока.

Решение компании Rohde & Schwarz

Опция анализа частотных характеристик (ЛАФЧХ или диаграмм Боде) R&S®RTx-K36 позволяет быстро и легко выполнять анализ низкочастотных АЧХ на осциллографе. Таким образом определяется АЧХ множества электронных устройств, в частности пассивных фильтров и контуров усиления. Для импульсных источников питания измеряются АЧХ контура управления и коэффициент подавления нестабильности питания. Опция анализа частотных характеристик (ЛАФЧХ или диаграмм Боде) R&S®RTx-K36 использует генератор сигналов, встроенный в осциллограф, для генерации сигналов входного воздействия в диапазоне от 10 Гц до 25 МГц. Измерение входного и выходного сигналов ИУ на каждой тестовой частоте, а также коэффициента усиления в логарифмическом масштабе и фазы в линейном масштабе по графикам осциллографа.

Опция анализа частотных характеристик (ЛАФЧХ или диаграмм Боде) R&S®RTx-K36 дает возможность быстро определять запас по коэффициенту усиления и запас по фазе для импульсных источников питания и линейных регуляторов. Эти измерения помогают определять стабильность контура управления.

Опция анализа частотных характеристик (ЛАФЧХ или диаграмм Боде) R&S®RTx-K36 обеспечивает отображение характеристики системы при изменениях условий работы, например напряжения питания или тока нагрузки.

Измерительная установка

Контуры управления электропитанием сравнивают опорное напряжение (V_ref) и напряжение обратной связи (V_feedback) и обеспечивают отрицательную обратную связь для стабилизации выходного напряжения.

Для проверки характеристики контура управления требуется подача сигнала ошибки в определенном диапазоне частот в канал обратной связи контура управления. Для подачи сигнала ошибки в контур обратной связи должен быть вставлен небольшой резистор. Резистор для подачи сигнала показан на рисунке на следующей странице; его сопротивление — 5 Ом, небольшое по сравнению с последовательно включенными сопротивлениями R1 и R2. Некоторые пользователи выбирают подключение этого резистора малого сопротивления (R_injection) на постоянной основе для подачи тестового сигнала. Вольтодобавочный трансформатор, такой как Picotest’s J2100A, отделяет сигнал искажения переменного тока и исключает любое смещение по постоянному току.

Точка подачи сигнала и зондирование

Для измерения коэффициента усиления в контуре обратной связи по напряжению его необходимо разорвать в соответствующей точке. В этой точке подается сигнал искажения. Сигнал искажения будет распространяться по контуру системы. В зависимости от коэффициента усиления в контуре подаваемый сигнал искажения будет усиливаться или ослабляться и сдвигаться по фазе. В опции R&S®RTx-K36 генератор осциллографа генерирует сигнал искажения. Осциллограф измеряет передаточную функцию контура.

Чтобы измеряемый коэффициент усиления в контуре был равен реальному значению, выберите соответствующую точку.

• Найдите точку, в которой система ограничена одним единственным каналом, чтобы не было параллельных потоков сигналов.
• Сопротивление в направлении обхода контура должно значительно превышать обратное сопротивление в этой точке. Обратное сопротивление равно выходному сопротивлению преобразователя, которое составляет очень небольшое значение в диапазоне нескольких мОм. Сопротивление в направлении обхода контура формируется компенсатором и делителем напряжения и находится в диапазоне нескольких кОм.

Точность определения характеристики контура управления зависит от зондирования. Размах амплитуды V_in и V_out может быть очень небольшим на некоторых тестовых частотах. Эти значения могут скрадываться собственным шумом осциллографа и/или коммутационными помехами ИУ. Именно поэтому увеличение соотношения сигнал/шум в рамках измерения существенно улучшает динамический диапазон измерения АЧХ. Большинство осциллографов обычно поставляется с пассивными пробниками с коэффициентом деления 10:1 и повышенным уровнем шума. Использование малошумящих пассивных пробников с коэффициентом деления 1:1 снижает шум измерения и улучшает соотношение сигнал/шум. Для этого компания Rohde & Schwarz рекомендует использовать пассивные пробники R&S®RT-ZP1X с коэффициентом деления 1:1 и полосой пропускания 38 МГц.

Уменьшение длины заземляющего провода пробника минимизирует индуктивность контура заземления. Стандартный заземляющий провод пробника иногда может функционировать в качестве антенны и усиливать нежелательные коммутационные помехи. Установите штырь заземления рядом с точками контроля Vin и Vout. Для сокращения длины заземляющего провода используйте предоставляемую заземляющую пружину пробника R&S®RT-ZP1X. Это обеспечивает заземление с низким уровнем шума для измерения.

Настройка устройства

Подключите осциллограф к испытуемому контуру и запустите приложение:

• Установите начальную и конечную частоты между 10 Гц и 25 МГц и определите уровень выходного сигнала генератора.
• Задайте количество точек на декаду для улучшения и изменения разрешения собираемых данных. Осциллограф поддерживает до 500 точек на декаду.
• Определите профиль амплитуды выходного сигнала генератора (вплоть до 16 ступеней) для подавления характеристик помех испытуемого контура.
• Нажмите Run (Запуск) для начала измерения. Результаты измерения отображаются на графике зависимости коэффициента усиления / фазы от частоты. Установите маркеры на интересующую точку.

Результаты измерений

Кривые на ЛАФЧХ или диаграммах Боде отображают передаточную функцию контура и помогают проверить стабильность системы. Один график отображает изменение амплитуды в рамках частотного диапазона в дБ, а второй график отображает зависимость фазовых характеристик (измеряемых в градусах) от частоты. Перетащите маркеры на нужные позиции прямо на отображаемой кривой. На графике отображаются координаты маркеров. Для определения частоты среза установите один маркер на 0 дБ, а второй — на фазовый сдвиг –180°. Теперь можно легко определить запас по фазе и запас по коэффициенту усиления.

Результаты можно просматривать в таблице. В таблице результатов измерений содержатся подробные данные о каждой измеренной точке (частота, коэффициент усиления и фазовый сдвиг). При использовании маркеров выделяется соответствующая строка таблицы результатов. Для отчетности снимки экрана и таблицы результатов можно быстро сохранять на USB-устройство.

Заключение

Осциллографы — основные измерительные инструменты, используемые в настоящее время разработчиками для испытаний и определения характеристик источников питания. Опция анализа частотных характеристик (ЛАФЧХ или диаграмм Боде) R&S®RTx-K36 обеспечивает наличие бюджетной альтернативы как низкочастотным анализаторам цепей, так и специализированным автономным анализаторам частот.