滿足業(yè)界在電源設(shè)計(jì)、排障和測試方面的需要
在最近幾年由于整個工業(yè)領(lǐng)域都改用開關(guān)電源“功率測量”的定義也有所改變而且需要此類測量的設(shè)計(jì)應(yīng)用在數(shù)量上也隨之改變。
當(dāng)今的電源設(shè)備除了必須提供性能和可靠性外還必須符合國家和區(qū)域的供電質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(如美國的IEEE519.1992規(guī)范)。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)作業(yè)中工程師不僅必須鑒定功率電平、輸出純度和諧波反饋到線路中的情況而且還須測量高頻開關(guān)設(shè)備輸出、噪聲電平、功率特性等指標(biāo)。
由于示波器能夠輕易地滿足這些方面的應(yīng)用需要故已成為電源設(shè)計(jì)和排障的首選工具。TDS3000B示波器可以：
·同時進(jìn)行電壓電流和功率測量
·安全地測量浮地電壓
·提供諧波測量值
·使測量工作簡便并且安全
TDS3000B數(shù)字熒光示波器的優(yōu)點(diǎn)
TDS3000B系列數(shù)字熒光示波器(DPO)配有快速傅里葉變換應(yīng)用模塊(TDS3FFT)不僅據(jù)有高的帶寬和波形捕獲速率而且具有高級分析能力可全面滿足當(dāng)今的功率測量設(shè)計(jì)、排障和測試需要。此外數(shù)字熒光示波器還與多種探頭兼容其中包括無源(電壓)探頭有源FET探頭、電流探頭、差分探頭以及高壓探頭等。后一種探頭類型可以安全地與無接地(浮地)電路連接。其內(nèi)裝式TekProbe接口能以適當(dāng)?shù)臏y量單位(伏特毫安等)自動地提供標(biāo)度正確的讀數(shù)從而簡化了功率測量工作程序。
諧波測量與顯示
電源諧波測量需要一種可顯示信號各種頻譜分量的測量工具。TDS3000B的諧波顯示功能可揭示諧波與基頻的相對量值。裝上可選的快速傅里葉變換應(yīng)用模塊(FFT)后TDS3000B傭示波器就可提供此類讀數(shù)。它所提供的高級分析功能可將時域捕獲信號轉(zhuǎn)換為一種真實(shí)諧波顯示。在50和60Hz電源線上進(jìn)行諧波測量時這一功能至關(guān)重要。
具有可處理最快頻率的帶寬
開關(guān)晶體管和|GBT電路、噪聲和瞬態(tài)信號都需要一臺示波器能夠精確而可靠地捕獲電源信號。轉(zhuǎn)換頻率隨著每一代新電源設(shè)備的出現(xiàn)而不斷加快因此觀測這些信號需要極高的帶寬。TDS3000B數(shù)字熒光示波器(DPO)各類機(jī)型提供從100MHz至50MHz不同帶寬足以滿足用戶在測量速度最快的電源換接頻率方面的帶寬要求。
數(shù)字熒光示波器(DPO)能可靠地捕獲和顯示瞬態(tài)信號
判斷示波器是否能可靠地捕獲到瞬態(tài)信號不僅要看其帶寬而且要看其波形捕獲速率即示波器在每秒內(nèi)觸發(fā)、編譯波形、繪制新顯示、以及重新準(zhǔn)備下次觸發(fā)的次數(shù)。
TDS3000B示波器的波形捕獲速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過數(shù)字存儲示波器(DSO)這意昧著捕獲瞬態(tài)信號的可能性更大。由于DP0的亮度層次數(shù)字熒光顯示可突出顯示這類信號最常出現(xiàn)的區(qū)域因此可較容易地將偶爾出現(xiàn)的瞬態(tài)信號與背景波形的特點(diǎn)區(qū)分開來。
用TDS3000B測量瞬時功率
鑒定開關(guān)晶體管中的瞬時功率耗散情況幾乎是每一種電源設(shè)備設(shè)計(jì)過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。在選擇部件時(如圖1中的功率MOSFEt)即有成本效益又能可靠地耐受最惡劣作業(yè)條件是至關(guān)重要的。選擇過程包括在測
量電流的同時可進(jìn)行浮地測量。TDS3000B示波器的TekProbe接口與P5205高壓差分探頭和TCP202電流探頭相兼容其它探頭可提供用于更高的電流測量。這種匹配所提供的測量結(jié)果格外精確。
高壓差分探頭之所以重要是因?yàn)橄嚓P(guān)電壓(M0SFET電路上的Vds)接在晶體管的漏-源端子上而且二者均未接地。就像絕大多數(shù)示波器一樣TDS3000B不能直接測量浮地信號。因此在用TDS3000B進(jìn)行安全的浮地測量時需要使用差分探頭。P5205探頭可接受無接地信號并向示波器的輸入提供單端接地信號。
進(jìn)行功率測量前可能需要通過一種被稱為“偏移校正”(deskewing)的程序均衡電壓和電流探頭之間的延遲。P5205和TCP202探頭的固有偏移校正匹配值在±2ns之內(nèi)可最大限度地減少延遲誤差但其它探頭則需要進(jìn)行偏移校正。這一步驟至關(guān)重要因?yàn)殡妷汉碗娏鬈壽E定時上哪怕是有很小的偏移也會在瞬時功率讀數(shù)中造成很大的誤差。
TDS3000B示波器的偏移校正存儲器可存儲探頭間的延遲差。在一對探頭上進(jìn)行偏移校正時須用同一脈沖激勵兩個探頭然后使用光標(biāo)測量時間差，最后將信息輸入到偏移校正存儲器中(通過Vertical
MENU可進(jìn)入此選項(xiàng)單)。此步驟用于儲存所用探頭對的延遲數(shù)值。
探頭經(jīng)過偏移校正后便可按圖1所示(開關(guān)電源中常見的一種功率MOSFET電路)進(jìn)行連接。
TDS3000B示波器的AutoseT(啟動設(shè)置)功能可用于設(shè)置初始波形顯示。Autoset能通過自動調(diào)節(jié)量程和標(biāo)度而在屏幕上顯示波形。TDS3000B示波器的彩色液晶屏幕(LCD)可用不同的顏色顯示電壓電流和功率波形從而消除了常見的混淆問題。由于具備TekPROBE接口，所有三個波形的讀數(shù)和標(biāo)度都很準(zhǔn)確完全不需任何解譯。
功率波形只是電壓和電流波形的逐點(diǎn)乘法運(yùn)算(CH1×CH2)而己。按一下TDS3000B示波器的波形MATHf數(shù)學(xué)運(yùn)算j按鈕就可使用數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。數(shù)學(xué)運(yùn)算功能將兩個波形用作變數(shù)。圖2所示為運(yùn)算結(jié)果。電壓電流和功率波形均以適當(dāng)?shù)臏y量單位顯示。最大的瞬時電壓電流和功率可用Max(最大值)測量功能顯示使用時可按一下MEASURE鍵。
排除電源設(shè)備故障
數(shù)字示波器在功率測量領(lǐng)域中很常見但TDS3000B的數(shù)字熒光捕獲技術(shù)在排障工作中具有其獨(dú)特的優(yōu)勢尤其是在鑒定開關(guān)電源中的調(diào)制效應(yīng)時。
TDS3000B的波形捕獲速率是典型的數(shù)字存儲示波器(DSO)的五十倍。在鑒定調(diào)制效應(yīng)時它具有兩個優(yōu)點(diǎn)。首先TDS3000B可相對增加工作時間從而縮短了顯示前的波形處理時間。因此示波器捕獲調(diào)制信息的機(jī)會增加了幾百倍。其次數(shù)字熒光顯示功能可使用戶更容易地實(shí)時觀察調(diào)制的波形。TDS3000B的屏幕可突出顯示信號軌跡相交較頻繁之處就像模擬示波器一樣。調(diào)制信號比持續(xù)重復(fù)的主波形暗淡。
用TDS3000B觀察調(diào)制效應(yīng)的方法非常簡單。圖3所示為某電源設(shè)備上用于控制電流型控制回路的調(diào)制信號。在反饋系統(tǒng)中調(diào)制對回路的控制十分重要。但是過多的調(diào)制則會使回路變得不穩(wěn)定。請注意該波形在調(diào)制較少的區(qū)域中比較暗淡。
用TDS3000B捕獲瞬態(tài)信號也很簡單。示波器的Edge Trigger(邊沿觸發(fā))功能可提供斜率、電平、耦合和觸發(fā)延遲設(shè)置所需要的靈活性。如果被測電源已經(jīng)集成到系統(tǒng)設(shè)備中，超聲波探傷儀維修可能需要在系統(tǒng)的其它地方在有“問題”的信號上觸發(fā)并監(jiān)視電源上的測試點(diǎn)以查看是否同時出現(xiàn)瞬態(tài)信號。
當(dāng)然電源設(shè)備的直流輸出也需要純凈而無瞬態(tài)信號出現(xiàn)。TDS3000B示波器的ROLL(滾動)模式結(jié)合使用Peak Detect(峰值檢測)功能是觀察慢速信號或直流電平的畸變的最佳工具。ROLL模式可緩慢地從右至左滾動軌跡動作很像紙條圖表記錄器可在很低的掃描速率下產(chǎn)生清晰而明亮的軌跡。PeakDetect功能可使示波器能夠捕獲到窄至1ns的毛刺即使在很慢的掃描速率下也不例外。將這兩個功能結(jié)合使用時就可生成一條穩(wěn)定而清晰可見的軌跡即刻揭示瞬態(tài)信號情況。
測量線路諧波
測量線路諧波是當(dāng)今設(shè)計(jì)工作中的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。開關(guān)電源往往產(chǎn)生奇次諧波并返回到電網(wǎng)中。其效應(yīng)是累積性的;當(dāng)越來越多的開關(guān)電源與電網(wǎng)相連時(如某辦公室增置了更多的臺式計(jì)算機(jī))返回到電網(wǎng)的諧波失真的總比率就會上升。由于這種諧波失真會導(dǎo)致電網(wǎng)輸電線和變壓器溫度升高故需最大限度地減少諧波。在監(jiān)控供電質(zhì)量方面須按照有關(guān)當(dāng)局制訂的標(biāo)準(zhǔn)(如IEC1000.3.2)進(jìn)行測量。
配備了TDS3FFT應(yīng)用模塊后TDS3000B示波器便可成為功能強(qiáng)大的諧波分析工具。與市上的專用諧波分析器相比具有FFT功能的示波器的成本效益要好得多這等于在用一個用戶熟悉的測量儀器做另一種測量工作。TDS3FFT模塊采用快速傅里葉變換(FFT)算法能夠象頻譜分析儀一樣顯示信號頻率分量甚至可在屏幕上同時顯示信號波形和頻域當(dāng)量這種功能十分有用。
TDS3FFT模塊可提供FFT專用菜單從而簡化了設(shè)置和測量工作程序。FFT菜單設(shè)在MATH按鈕菜單之下用戶可在有源信號或調(diào)用的存儲波形上使用FFT。
該作業(yè)程序并不比常規(guī)波形測量更復(fù)雜。本例中的信號是重重復(fù)性的周期波形(并非瞬態(tài)信號)所以只需觸發(fā)并且顯示。該波形的預(yù)相符性測試是根據(jù)IEC61000.3.2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。為了確保得到較好的頻率分辨率至少應(yīng)顯示五個周期。而且須設(shè)定垂直標(biāo)度以便屏幕上能夠顯示全信號幅度。
TDS3000B的用戶設(shè)置參數(shù)包括垂直標(biāo)度和各種FFT窗口格式。用戶可選用矩形(Rectangular)、漢明(Hamming)、漢寧(Hanning)以及勃勒克曼-哈里斯(BlackmanHarris)四種窗口每種窗口適合于某種特定類型的信號。在檢測周期重復(fù)性信號(如本例中的信號)時最好選擇漢明窗口。
用于FFT顯示的垂直標(biāo)度可為線性標(biāo)度或?qū)?shù)標(biāo)度。線性標(biāo)度是功率測量中較常用的標(biāo)度。
圖4所示為在電源負(fù)載電流上進(jìn)行的諧波分析的結(jié)果。用戶可用TDS3000B的光標(biāo)測量單一頻率分量的量值或頻率。用戶還可用ZOOM(縮放)功能放大FFT以便仔細(xì)觀察。使用ZOOM縮放功能并不影響捕獲作業(yè)(即觸發(fā)或時基設(shè)置等)；只是放大顯示而已。
在許多電源設(shè)計(jì)項(xiàng)目中驗(yàn)證產(chǎn)品符合有關(guān)供電質(zhì)量規(guī)定是-個十分重要的環(huán)節(jié)。
TDS3000B示波器可提供各種輔助性工作所需的完整的儲存和打印能力。它具有專用的HARD COPY(硬拷貝)按鈕可以通過與TDS3000B的標(biāo)準(zhǔn)并行口連接的插入式打印機(jī)(選用設(shè)備)、噴墨或激光打印機(jī)印制屏幕圖像。用戶還可通過同樣的方式將屏幕圖像以各種出版格式(包括BMP、EPS、TIF及其它格式)存在軟盤上。這些格式與最常用的文字處理程序排版程序和幻燈片制作程序兼容。
結(jié) 論
功率測量已不再是功率計(jì)和諧波分析儀等專用工具的獨(dú)占領(lǐng)域。配備TDS3FFT應(yīng)用模塊后TDS3000B數(shù)字熒光示波器就可以勝任電壓電流、功率和諧波測量工作還可用作電源設(shè)計(jì)和排障工作的一種多用途檢測工具。
