Analizzare i segnali con modulazione a larghezza d’impulso

Attività da eseguire

La modulazione a larghezza d’impulso (PWM) è una tecnica molto comune per regolare l'uscita degli alimentatori a commutazione a frequenza fissa. È utilizzata in molti tipi di alimentatori per sistemi di controllo industriale, nell’elettronica di potenza e nelle comunicazioni digitali. La modulazione PWM è una tecnica particolarmente diffusa, ed è utilizzata anche nella progettazione di convertitori D/A, ad esempio amplificatori audio di classe D, alimentatori e inverter CC/CC, ad esempio azionamenti a frequenza variabile (VFD) per il pilotaggio di motori CC e motori trifase. Soprattutto i segnali di differenza presenti nei circuiti a ponte o negli azionamenti multifase per motori presentano caratteristiche bipolari a doppio impulso che sono particolarmente impegnativi da analizzare durante le attività di sviluppo e collaudo di un nuovo prodotto.

Soluzione Rohde & Schwarz

Un modo semplice e veloce per ottenere un’immagine di alto livello di un segnale PWM consiste nell’utilizzare la capacità di visualizzazione a persistenza dell’oscilloscopio. L’utilizzo della persistenza può fornire una panoramica del tipo di larghezze degli impulsi con cui si ha a che fare nel segnale. Inoltre, la scala dei colori mostra dove si trova la maggior parte dell’attività della forma d’onda.
Tuttavia, la persistenza e la classificazione dei colori non forniscono alcuna informazione utile per effettuare un'analisi approfondita. Il periodo è modulato, oltre alla larghezza? Con quale frequenza si ripete il ciclo di modulazione? Quante larghezze di ogni valore si verificano? La conoscenza di tali parametri è essenziale quando si sviluppano varie tipologie di moduli elettronici, come i convertitori di tipo buck che vengono utilizzati in alimentatori per le generazione della tensione di alimentazione dei processori o nei caricabatterie.
Per ottenere queste informazioni dettagliate è necessario utilizzare tecniche di analisi più approfondite.
La funzione traccia degli oscilloscopi R&S®RTM3000 e R&S®RTA4000 permette di demodulare il segnale PWM ed estrarre il segnale di modulazione sottostante in una forma d’onda della traccia. La forma d’onda della traccia è composta da valori misurati nell’ordine temporale in cui sono stati registrati durante un’acquisizione. Questo strumento di analisi traccia i risultati di un determinato valore rispetto al tempo, offrendo una visione molto chiara di come cambiano i parametri PWM quando vengono misurati per un periodo relativamente lungo. Ciò consente di valutare la corretta capacità di regolazione e linearità nei regolatori/controller PWM.
La funzione traccia degli oscilloscopi R&S®RTM3000 e R&S®RTA4000 presente nella sezione matematica consente di definire una soglia superiore (unipolare) e inferiore (bipolare) per il segnale demodulato.

Le funzioni matematiche dell'oscilloscopio includono le seguenti capacità di analisi delle tracce:

• Traccia: periodo (unipolare e bipolare)
• Traccia: frequenza (unipolare e bipolare)
• Traccia: larghezza dell’impulso (unipolare e bipolare)
• Traccia: duty cycle (unipolare e bipolare)

Configurazione di misura

L'accuratezza delle misure sui segnali PWM dipende da una buona scelte delle sonde. La maggior parte gli oscilloscopi è dotata di sonde passive 10:1. Con questo tipo di sonde può essere difficile trovare un punto di riferimento significativo non ambiguo della massa, ad esempio quando si misura la differenza tra due segnali che potrebbero non essere collegati al riferimento di terra. Per effettuare queste misure si consiglia l'utilizzo di sonde differenziali, come il modello R&S®RT-ZD10. A seconda dell’applicazione e dell’ambiente di lavoro, le tensioni possono variare notevolmente e possono arrivare fino alla gamma dei kV. Le sonde R&S®RT-ZHD sono state progettate per lavorare con tensioni fino a 6 kV e sono le più adatte per questa tipologie di applicazioni.

Configurazione dello strumento

Dopo aver collegato l’oscilloscopio al circuito in esame, utilizzare la finestra di dialogo dell’applicazione dell’oscilloscopio per accedere alla scheda traccia, che contiene diversi di tipi di demodulazione.

• Tecniche PWM diverse richiedono formule diverse in base al tipo di demodulazione
  • È possibile scegliere tra PWM (unipolare e bipolare), PDM (unipolare e bipolare), inverter, motore CC, motore trifase e PWM – LED RGB (vedere schermata in basso a sinistra)
• A seconda del tipo di demodulazione selezionato, l’oscilloscopio imposta la condizione di trigger con polarità; ulteriori regolazioni dell’utente possono essere effettuate nel menu Math
• Le impostazioni utente includono analisi di modulazione come traccia su periodo, frequenza, larghezza dell’impulso o duty cycle
• Impostare una soglia superiore (UL) per le tracce unipolari e una soglia inferiore (LL) per quelle bipolari
• Ogni soglia è composta da un livello e un’impostazione di isteresi; regolare questi per soddisfare le proprie esigenze
  • Il fronte di salita e di discesa può essere selezionato e impostato “On edge” e “Off edge”, così come “On” e “Off Double Pulse” per la frequenza e il periodo

Risultati di misura

Utilizzando la funzione traccia nel menu Math è possibile demodulare il segnale PWM e visualizzare la forma d’onda aggiuntiva come traccia matematica. In questo modo è possibile visualizzare fino a cinque curve di traccia contemporaneamente.
In base alla forma d’onda della traccia estratta, è possibile eseguire ulteriori analisi. La funzione traccia degli oscilloscopi R&S®RTM3000 e R&S®RTA4000 consente di posizionare ogni cursore impostato sulla forma d’onda della traccia e di applicarvi tutte le opzioni matematiche disponibili. È inoltre possibile utilizzare tutte le funzioni di misura disponibili, ad esempio RMS o la frequenza (ottenere informazioni sulla frequenza di rotazione), applicandole alla forma d’onda della traccia e visualizzare la valutazione statistica di ogni misura.
Dopo aver eseguito i passaggi di misura e analisi, si può ottenere una visione più approfondita per quanto riguarda, ad esempio, la frequenza con cui si ripete un ciclo di modulazione o il numero di larghezze di ogni valore. È possibile sfruttare le informazioni dettagliate così ottenute per individuare gli errori nell’algoritmo di controllo, per analizzare il comportamento del controller o per osservare il comportamento del circuito durante le fasi di avvio e arresto. Tutto ciò aiuta a ottenere una comprensione approfondita di quello che sta realmente succedendo nel segnale PWM.
Per la creazione di report è possibile salvare facilmente e rapidamente schermate, forme d’onda, statistiche o l’intera configurazione su un dispositivo USB o tramite LAN sul PC.

Riassunto

La funzione traccia degli oscilloscopi R&S®RTM3000 e R&S®RTA4000 è di grande aiuto per la visualizzazione di qualsiasi segnale PWM variabile rispetto al tempo in varie applicazioni.

Permette di ricavare informazioni dettagliate sul segnale PWM per ogni singolo ciclo e mostra eventuali anomalie impreviste. In combinazione con tante funzionalità di misura aggiuntive, un convertitore analogico/digitale a 10 bit, la memoria profonda e la memoria segmentata, gli oscilloscopi R&S®RTM3000 e R&S®RTA4000 offrono una soluzione economica e in grado di far risparmiare tempo. Entrambi gli strumenti offrono grande flessibilità per facilitare la progettazione di convertitori D/A, alimentatori e inverter CC/CC, così come azionamenti a frequenza variabile per motori CC e trifase.