Do pomiarów i analizy mocy służą specjalnie konstruowane przyrządy. Zapewniają one bardzo dużą dokładność, szeroki zakres pomiarowy i dużą liczbę mierzonych parametrów. Zwykle są to urządzenia bardzo drogie, co powoduje, że decyzje o ich zakupie są podejmowane przede wszystkim w firmach zajmujących się takimi pomiarami. Jednak wykorzystując odpowiednie oprogramowanie można wykonywać analizę mocy za pomocą zwykłego oscyloskopu cyfrowego. W artykule opisano ofertę Rigola w tym zakresie.

Firmy Rigol przedstawiać polskim użytkownikom nie trzeba. Jest to jeden z bardziej znanych producentów sprzętu pomiarowego, w tym oscyloskopów cyfrowych. Jego wyroby charakteryzują się dobrym wskaźnikiem ceny do możliwości, przez co chętnie są nabywane zarówno przez amatorów, jak i profesjonalistów. W zależności od cech funkcjonalnych i parametrów technicznych Rigol pogrupował swój sprzęt na kilka rodzin, tak jak czyni to większość producentów. Są więc to oscyloskopy: DS1000, DS2000, DS4000 i DS6000. Największe możliwości pomiarowe mają oczywiście oscyloskopy najwyższych serii. Wielu użytkowników z pewnością zainteresuje rodzina DS2000, stanowiąca kompromis pomiędzy droższymi modelami typowo profesjonalnymi, a tańszymi modelami popularnymi, zachowująca jednak szereg cech przyrządów profesjonalnych. Oscyloskopy DS2000 mogą być wykorzystywane m.in. do pomiarów i analizy mocy. Należy podkreślić, że zagadnienie to nie jest tak banalne, jak mogło by się wydawać. Na przykład analiza mocy wysokoczęstotliwościowych przetwornic napięciowych wymaga stosowania oscyloskopów o bardzo dobrych parametrach czasowych, szerokim paśmie, wyposażonych dodatkowo w odpowiednie sondy. Szerokie pasmo pomiarowe wynika z konieczności analizy wielu harmonicznych, które mogą być generowane przez przetwornicę.

Poszerzanie cech funkcjonalnych oscyloskopów przez stosowanie specjalistycznego oprogramowania komputerowego

Problem pomiarów mocy z użyciem oscyloskopów cyfrowych może być rozwiązany przez implementowanie odpowiednich funkcji w oprogramowaniu firmowym danego przyrządu. Rozwiązanie takie stosują producenci najdroższych urządzeń. Z uwagi na dużą liczbę wykonywanych obliczeń, oprócz wysokich parametrów technicznych samego oscyloskopu wymagana jest także duża wydajność obliczeniowa zastosowanego w nim procesora. Konstruktorzy Rigola uznali, że prościej i taniej będzie cały ciężar obliczeń przenieść do komputera, który i tak zwykle znajduje się na stanowisku pomiarowym. Dzięki temu pomiar mocy może być wykonywany nawet z użyciem oscyloskopów niższych rodzin, np. DS2000. Koncepcja ta znajduje i inne uzasadnienie. Użytkownik zakupując dodatkowe specjalistyczne oprogramowanie oferowane przez Rigola może znacznie podnosić również inne cechy użytkowe posiadanych już przyrządów (nie tylko oscyloskopów). Przykładowo, aktualnie dostępne są programy:

• „Ultra Spectrum” – rozszerzający możliwości analizy widma przez analizatory rodzin DSA1000 i DSA800,
• „Ultra Station” – usprawniający pomiary z zastosowaniem generatorów arbitralnych rodzin DG5000, DG4000 i DG1000Z,
• „Ultra Sensor” – umożliwiający tworzenie graficznej formy pomiarów wykonywanych multimetrami DM3000,
• „Ultra Scope” – rozszerzający możliwości pomiarowe oscyloskopów rodzin DS1000D/E, DS1000Z i DS1000B,
• „Ultra Power” – usprawniający zdalne sterowanie zasilaczami laboratoryjnymi,
• „Ultra Power Analyzer” – wykorzystywany do wszechstronnej analizy mocy przy wykorzystaniu oscyloskopów rodzin DS4000, MSO4000, i DS2000.

Cechy programu „Ultra Power Analyzer”

Program „Ultra Power Analyzer” umożliwia:

• analizę jakości mocy,
• analizę harmonicznych,
• pomiar prądów rozruchowych silników elektrycznych,
• analizę obszaru bezpiecznej pracy (SOA) urządzeń elektrycznych,
• analizę modulacji,
• analizę pracy układów wyjściowych.

Program wykonuje autokalibrację kanałów pomiarowych oscyloskopu, może działać w trybie on-line i off-line. „Ultra Power Analyzer” nie pracuje samodzielnie, wymaga także oprogramowania „Ultra Sigma” i modułu Runtime VISA firmy National Instruments. Oprogramowanie dodatkowe jest darmowe, wymaga jedynie rejestracji dokonywanej poprzez formularz udostępniany w Internecie. Konieczna jest również instalacja sterowników używanego oscyloskopu, która w tym przypadku przebiega automatycznie po wykryciu nowego urządzenia w systemie Windows.

Niestety, procedura instalacji wszystkich składników oprogramowania wymaga wzmożonej koncentracji użytkownika. Nie ma jednego instalatora, a podczas kompletowania stanowiska należy przestrzegać wszystkich zaleceń dotyczących wersji poszczególnych sterowników i programów, a także kolejności wykonywanych czynności. Jako pierwszy powinien być instalowany moduł Runtime NI VISA, przy czym czynność tę wykonuje się przy odłączonym oscyloskopie od komputera. Dopiero po pomyślnym zainstalowaniu runtime’u można kontynuować pracę z pozostałymi programami, a więc „Ultra Sigma” i „Ultra Power Analyzer”. Program „Ultra Power Analyzer” jest wyrobem komercyjnym, stanowiącym rozszerzenie możliwości pomiarowych oscyloskopów Rigola. Można go pobrać ze strony internetowej producenta i przez pierwsze 15 dni używać jako produktu w wersji trial, zachowującej pełną funkcjonalność. Jest więc to okres pozwalający sprawdzić przydatność programu dla potrzeb użytkownika. Jeśli w tym czasie nie nastąpi aktywacja programu, dalsza praca w trybie on-line staje się niemożliwa. Dysponując zapisanymi wcześniej wynikami pomiarów można jednak je analizować.

Program „Ultra Sigma” umożliwia współpracę oscyloskopu z komputerem przy wykorzystaniu dostępnych interfejsów (np. Ethernet, USB). Każdy dołączony do komputera przyrząd jest widoczny na liście obsługiwanych urządzeń. Klikając prawym przyciskiem myszy na podświetlonym urządzeniu można uruchomić konsolę komend SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) i za jej pośrednictwem wydawać zdalne polecenia dla każdego przyrządu, można też uruchamiać dostępne dla niego oprogramowanie, np. „Ultra Power Analyzer” (rys. 1).

Rys. 1. Okno programu „Ultra Sigma” z widocznymi przyrządami Rigola dołączonymi do komputera

Przyjrzyjmy się teraz jak przebiega praca z programem „Ultra Power Analyzer”

Przygotowanie stanowiska pomiarowego, kalibracja

Do pomiarów i analizy mocy niezbędna jest sonda prądowa, o zakresie przystosowanym do mierzonych natężeń prądów. Należy także pamiętać o ograniczeniach dotyczących maksymalnego napięcia podawanego do wejść oscyloskopu. Badanie urządzeń zasilanych np. z sieci 230 V (lub wyższych) wymaga korzystania z odpowiedniej sondy napięciowej. W pomiarach wielu urządzeń, na przykład wszelkiego rodzaju przetwornic, zachodzi potrzeba bezpośredniego mierzenia napięć między dwoma określonymi punktami układu, bez odniesienia np. do potencjału masy. Taki pomiar wymaga stosowania różnicowych sond napięciowych.

Dysponując powyższym wyposażeniem można przystąpić do pracy. Przed rozpoczęciem zasadniczych pomiarów należy jeszcze zadbać o prawidłową i staranną kalibrację całego stanowiska pomiarowego. Do pomiarów prądu są stosowane najczęściej sondy cęgowe, działające na zasadzie konwersji mierzonego w rzeczywistości pola magnetycznego na natężenie prądu. Sonda taka wymaga wstępnego wyzerowania. Czynność tę umożliwia potencjometr, którego pokrętło jest dostępne dla użytkownika. Wskazania cęgowej sondy prądowej mogą nieznacznie zmieniać się w zależności od położenia sondy, dlatego zerowanie powinno być wykonane w ustalonej pozycji roboczej.

W pomiarach mocy, szczególnie podczas badania przetwornic impulsowych, bardzo istotny jest jeszcze jeden parametr, któremu w klasycznych pomiarach oscyloskopowych zwykle nie przypisujemy aż tak dużego znaczenia. Jest to opóźnienie, które występuje między poszczególnymi kanałami pomiarowymi oscyloskopu i zależy m.in. od parametrów używanych sond. Nawet minimalne przesunięcie czasowe torów pomiarowych napięcia i prądu może skutkować znaczącym błędem obliczenia mocy, szczególnie w przetwornicach impulsowych. Z kalibracją „Deskew” (tak nazywa się ten rodzaj kalibracji) może być jednak pewien problem. Wymagany jest do niej odpowiedni przebieg prostokątny a ten, który jest dostępny w oscyloskopie prawdopodobnie będzie niewystarczający do wysterowania sondy prądowej. Rigol oferuje specjalny moduł RPA-246 przeznaczony do kalibracji w pomiarach mocy (rys. 2). Na płytce zamontowano zaciski napięciowe, są też otwory, w których umieszcza się cęgi sond prądowych (są tu dwa otwory przeznaczone dla dużych i małych cęgów). Naciśnięcie przycisku ekranowego Start znajdującego się na zakładce „Deskew” w głównym oknie programu „Ultra Power Analyzer” powoduje automatyczne przestawienie zakresów oscyloskopu, zmierzenie przesunięć czasowych i zapisanie wyników w plikach referencyjnych (rys. 3). Tak zapisane dane są później wykorzystywane do dokonywania odpowiednich korekcji podczas pomiarów mocy.

Rys. 2. Moduł RPA-246 wykorzystywany do kalibracji „Deskew” napięciowych i prądowych sond pomiarowych

Rys. 3. Zakładka kalibracji „Deskew” programu „Ultra Power Analyzer”