W artykule wyjaśniamy sposób wykreślania charakterystyki Bodego układów zasilania z pętlą sprzężenia zwrotnego. Do tego celu użyto oscyloskopu Rohde & Schwarz RTx-K36 z funkcją wykreślania charakterystyki częstotliwościowej.

Twoje zadanie

By zapewnić stabilność regulatorów napięcia i rozdzielczego zasilacza sieciowego, zachowanie pętli stabilizacji musi być zmierzone i scharakteryzowane. Dobrze kompensujący kontroler napięcia pozwala na stabilne napięcie wyjściowe i redukuje wpływ zmian obciążenia oraz zmian napięcia zasilania. Jakość tego obwodu sterującego określa stabilność i dynamikę regulacji całej przetwornicy DC/DC.

Rozwiązanie od Rohde & Schwarz

Na oscyloskopie R&S RTx-K36 z opcją charakterystyki częstotliwościowej (charakterystyki Bodego) można łatwo i szybko analizować niską odpowiedź częstotliwościową. Użytkownik może zbadać charakterystykę częstotliwościową różnych urządzeń elektronicznych, w tym filtrów pasywnych i obwodów wzmacniacza. Zmierz odpowiedź pętli sterowania i współczynnik odrzuceń dla zasilaczy impulsowych. Oscyloskop R&S RTx-K36 zawiera wbudowany generator fal oscyloskopu do wytwarzania sygnałów impulsowych w przedziale 10 Hz…25 MHz. Mierząc stosunek sygnału wyjściowego i wejściowego urządzenia przy każdej testowej częstotliwości, można uzyskać na oscyloskopie wykresy: logarytmiczny wzmocnienia i liniowy fazy.

Możliwość analizy charakterystyki częstotliwościowej R&S RTx-K36 pozwala na szybkie określenie marginesu wzmocnienia i fazy zasilaczy impulsowych lub stabilizatorów liniowych. Pomiary te pomagają określić stabilność pętli sterowania.

Opcja analizy charakterystyki częstotliwościowej wyświetla reakcję systemu na zmiany warunków operacyjnych, takich jak zmiany napięcia zasilania lub zmiany prądu obciążenia.

Konfiguracja pomiaru

Pętle sterowania zasilaniem porównują napięcie odniesienia (V_ref) i napięcie sygnału maksymalnego (V_feedback) i tworzą ujemne sprzężenie zwrotne, aby zapewnić stabilne napięcie wyjściowe.

Test odpowiedzi pętli sterowania wymaga wprowadzenia sygnału błędu przez pasmo częstotliwości do ścieżki sprzężenia zwrotnego pętli sterowania. Aby wprowadzić sygnał błędu, trzeba dołączyć mały rezystor do pętli sprzężenia zwrotnego. 5-omowy rezystor pokazany na rysunku 1jest nieistotny w porównaniu z impedancją szeregową rezystorów R1 i R2. Niektórzy użytkownicy decydują się na stałe wprowadzić taki rezystor (R_injection) do celów testowych. Transformator iniekcyjny, taki jak Picotest J2100A, izoluje sygnał zniekształceń AC i eliminuje polaryzację DC.

Punkt wprowadzenia i sondowanie

Aby zmierzyć wzmocnienie pętli sprzężenia zwrotnego napięcia, pętla musi zostać przerwana w odpowiednim miejscu. W tym punkcie dodawany jest sygnał zniekształcenia. Sygnał zniekształcenia będzie rozprowadzany w obwodzie pętli. W zależności od wzmocnienia pętli, wstrzykiwany sygnał zniekształcenia będzie wzmacniany lub tłumiony i przesuwany w fazie. W przypadku opcji R&S RTx-K36, sygnał zniekształcenia wytwarzany jest przez generator oscyloskopu. Oscyloskop mierzy funkcję transferu pętli.

Rys.1. Wybór właściwego punktu pomiaru

Aby upewnić się, że zmierzone wzmocnienie pętli jest równe rzeczywistemu, należy wybrać odpowiedni punkt:

• Znajdź punkt, w którym pętla jest ograniczona do pojedynczej ścieżki, by upewnić się, że nie ma równoległych przepływów sygnału.
• Upewnij się, że impedancja w kierunku pętli jest o wiele większa niż impedancja wsteczna w tym punkcie. Impedancja wsteczna równa się impedancji wyjściowej przetwornika. Zazwyczaj jest to bardzo niska wartość w zakresie kilku mΩ. Impedancja w kierunku pętli jest tworzona przez kompensator i dzielnik napięcia i powinna mieścić się w zakresie kilku kΩ.

Dokładna charakterystyka odpowiedzi pętli sterowania zależy od dobrego badania. Amplitudy międzyszczytowe dla V_in i V_out mogą być bardzo niskie dla niektórych częstotliwości testowych. Wartości te zaginęłyby na poziomie szumu oscyloskopu i/ lub w szumie przełączania samego badanego sprzętu. Dlatego zwiększenie SNR sygnału znacznie poprawi dynamiczny zakres pomiarów pasma przenoszenia. Większość oscyloskopów posiada pasywne sondy 10:1, które mają więcej szumów. Użycie pasywnych sond 1:1 o niskim poziomie szumów zmniejszy szum pomiarowy i poprawi SNR. Rohde& Schwarz rekomenduje sondy pasywne R&S RT‑ZP1X 1:1 o szerokości pasma 38 MHz dla tego zastosowania.

Zmniejszenie długości połączenia uziemienia sondy minimalizuje indukcyjne pętle masy. Standardowy przewód uziemiający sondy może czasami działać jako antena i wzmacniać niepożądany szum przełączania. Znajdź punkt naziemny w pobliżu punktów testowych V_in i V_out. Użyj dostarczonej sprężyny uziemiającej sondy R&S RT-ZP1X, by zewrzeć uziemienie. Zapewni to zmniejszenie ilości szumów w pomiarach.

Rys. 2. Użycie sprężyny uziemiającej zapewni najlepszy SNR dla pomiaru współczynnika odrzucenia zasilacza

Konfiguracja przyrządu

Po podłączeniu oscyloskopu do testowanego obwodu uruchom aplikację:

• Ustaw częstotliwość początkową i końcową w zakresie 10 Hz…25 MHz, i określ poziom wyjściowy generatora.
• Ustaw punkty co dekadę, by poprawić i zmodyfikować zakres zbiorczy. Oscyloskop obsługuje do 500 punktów na dekadę.
• Scharakteryzuj amplitudę wyjścia generatora (do 16 kroków), aby tłumić zakłócenia testowanego obwodu.
• Naciśnij Uruchom, aby rozpocząć pomiar. Wyniki pomiarów są kreślone jako wzmocnienie/faza w funkcji częstotliwości. Ustaw swoje znaczniki w interesujących punktach.

Wyniki pomiarów

Krzywe wyświetlane na wykresach Bodego reprezentują funkcję transmitancji obwodu i pomagają zweryfikować stabilność systemu. Jeden wykres pokazuje zachowanie amplitudy w funkcji częstotliwości (w dB), podczas gdy drugi wykres przedstawia charakterystykę fazową (mierzoną w stopniach). Można przeciągnąć znaczniki na żądane pozycje bezpośrednio na wykres. Legenda wyświetla współrzędne znaczników. Aby określić częstotliwość rozgraniczającą, ustaw jeden znacznik na 0 dB a drugi marker na przesunięcie fazowe -180°. Teraz możesz łatwo określić margines fazy i wzmocnienia.

Użytkownik może wyświetlić wyniki w tabeli. Tabela wyników pomiarów zawiera szczegółowe informacje o każdym mierzonym punkcie (częstotliwość, wzmocnienie i przesunięcie fazowe). Podczas używania znaczników, powiązany wiersz z wynikiem jest podświetlany. Aby wykonać raport, zapisz zrzuty ekranu, wyniki tabelaryczne, bądź oba na urządzeniu USB.

Rys. 3. Pomiar stabilności przetwornicy DC/DC (niebieski wykres: wzmocnienie; pomarańczowy wykres: faza; zielony wykres: profilowanie sygnału-bodźca)

Rys. 4. Tablica pomiarów

Podsumowanie

Oscyloskop to podstawowe narzędzie pomiarowe stosowane przez inżynierów w celu przetestowania zaprojektowanego układu zasilającego. Analiza częstotliwościowa dostępna w R&S RTx-K36 umożliwia stosowanie go jako niedrogą alternatywę do analizatorów sieciowych niskiej częstotliwości lub dedykowanych analizatorów widma.