7月11日,由全球最大电子科技媒体集团ASPENCORE旗下《电子工程专辑》、《电子技术设计》和《国际电子商情》主办的2019“智”动化和工业4.0论坛在深圳科技园举行,来自美国、香港、台湾和大陆的八家领先企业的技术专家与来自智能制造和工业自动化领域的专业人士进行了面对面的互动交流。 深圳市鼎阳科技有限公司(SIGLENT)的邓立彬先生在大会上为我们做了主题演讲“国产基础测试测量仪器在工业4.0时代的应用与挑战”。 演讲前,邓立彬先生就下面的问题进行了市场调研: 如何看待工业4.0? 工程师们是这样回答的: ① 我认为这是一个从上而下的事情,于我们基础研发测试端来说,目前改变不大,基本没感觉到什么影响; 鼎阳示波器如何搭上工业4.0的快车? 工程师的答案是这样的: ① 你们公司这些产品都是基础仪器,和这个不搭边吧? 鼎阳示波器主要测哪些信号、关心哪些参数? 工程师们的回答如下: ① 主要测日常电压电流波形,再测测纹波噪声这些,也就是峰值、频率,有时也看一下抖动情况; 如何选择示波器的核心指标?邓立彬先生指出,在使用示波器时,需要配置的核心参数有带宽、采样率、存储深度和探头。 示波器带宽通常是指模拟带宽,即示波器前端放大器的幅频特性曲线的截止频率点,也就是正弦波输入信号被衰减到信号真实幅度 70.7% 时的频率,也称为3dB截止频率点。示波器带宽是由垂直系统的放大器和低通滤波器(或Anti Liaising LPF) 决定的,它与测量精度息息相关。 带宽取决于测试的准确度以及上升沿的速度(带宽与上升时间的关系决定带宽的选择)。 待测信号的类型和上升时间也决定了示波器带宽的选择。方波中的谐波分量越多,上升沿越陡峭,上升时间越短,信号的带宽越宽。 当实际信号的上升时间大于示波器上升时间的3倍时,测量的精确度可达到5%,该精度是大多数研发人员折中的最佳选择。 对开关电源而言,普通的开关管一般是kHz级别的开关频率,上升时间一般都在100ns左右。即使开关管在30ns,1/3的上升时间是10ns,100MHz的示波器也能满足要求,但新的一代 Cool Mos的上升时间是11ns ,下降时间是3ns ,这时至少需要350MHz带宽的示波器。 采样率保证高的采样,可以准确捕获一些尖峰。必须注意,超过带宽5 倍以上的采样率可保证具有良好测量精度的采样,并且测试脉冲波需在上升沿采样3~5个点。高采样率减少了测试波形的失真。 长存储深度可以保证在长时基下信号的保真度。在存储深度一定的情况下,存储速度越快,存储时间就越短。提高示波器的存储深度可以间接提高示波器的采样率:测量较长时间的波形时,由于存储深度是固定的,所以只能通过降低采样率来达到,但这样势必造成波形质量的下降。如果增大存储深度,则可以以更高的采样率来测量,以获取不失真的波形。 示波器第一关系式如下: 存储深度 = 采样率 × 采样时间 探头的选择取决于测试的类型以及相应的范围。探头对测试系统会带来下面一些影响:
波特图实测案例在电源设计中稳定性是一项非常重要的指标,稳压电源本质上是一个能输出非常大电流的反馈放大器,所以适用于反馈放大器的理论同样适用于稳压电源(以下简称电源)。根据反馈理论,一个反馈系统的稳定性可以通过其系统传递函数得出。工程实践中通常会使用环路增益的波特图来判断系统的稳定性。 邓立彬先生以鼎阳示波器和信号源免费的Bode Plot软件为例,解释了如何测量波特图。 这是一个典型的反馈系统,系统的闭环传递函数A是输入x和输出y的数学关系表达式,环路增益T则是信号经过环路一周所得到的增益。 我们可以画出系统环路增益的波特图来评估系统的稳定性,表达系统稳定性常用的增益裕度和相位裕度指标一般就是从这里得出的。相位裕度指的是在增益降为1(或者0dB)的时候,相位距离-180°还有多少;增益裕度则是相位到达-180°的时候,增益比1(或者0dB)少了多少。 在测量增益的时候断开环路行不行呢?现实中反馈环路往往起到了稳定电路静态工作点的作用,所以我们不能简单的把环路断开去测环路增益。反馈环断开后,电路因为输入失调等原因,输出会直接饱和,这种情况下无法进行任何有意义的测量。 为了维持闭环,我们在注入点的位置插入一个很小的电阻而不是将环路在注入点断开,注入信号通过该注入电阻注入到环路中去。这个注入电阻的取值要足够小,通常远 原则上信号的注入不能影响环路的静态工作点,为了解决现实电路中信号源和被测件共地的问题,往往需要使用注入变压器。注入信号从注入电阻的一端注入到环路中,经过反馈网络、误差放大器和功率晶体管到达输出,也就是注入电阻的另一端。这样输出信号y和注入信号i的数学关系就是我们要求的环路增益。 这是一款稳压电源测试板,上面的电路是用TL431和分立晶体管所搭建的线性电源,有一个开关可以切换输出电容来获得不同的环路响应。 低频下DUT输入和DUT输出通道的幅度差别很大,我们又使用了很小的激励信号,这导致DUT输入通道上的信号太小了,根本无法被常见的商用示波器精确测量出来。 但我们不能简单地通过增大激励幅度来改善测量效果,因为反馈环路在穿越频率附近非常敏感,激励信号过大会导致环路严重失真而无法得到有用的结果。 在实际测量中,测试人员往往需要不断尝试这些参数以找到一个适合当前电路的最佳设置。一种可行的办法是先在时域下观察波形,降低激励幅度至看不到明显失真,把这个幅度再降低6dB,记录下这个幅度和当前频率,跳到下一个频率再重复这个操作。如果你有一个已知的差不多的设置,还有一个更好的办法来获得最准确的结果:将这个初始配置整体降低6dB,扫描一遍看结果是否发生变化,如果有变化,则需要继续降低激励幅度,如果结果不变了,上一个设置就是比较理想的情况。这两种手段都非常繁琐且耗时,不过为了获得理想的测量结果也很值得。 |
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