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如何通过示波器进行“环路测试”

时间:2024-12-03 19:16来源: ZTMI致远仪器 作者:ictest8_edit 点击:

 

致远仪器ZDS示波器支持环路测试分析软件。相对于几十万的专业环路分析仪器,ZDS内嵌的环路测试分析软件不仅有完善的环路测试方法和精准的测量精度,并且对测试操作和用户体验进行了创新性的设计。
 
为什么要测环路?

开关电源是一种典型的反馈控制系统,其有响应速度和稳定性两个重要的指标。响应速度就是当负载变化或者输入电压变化时,电源能迅速做出调整的速度。因为开关电源的负载多数情况下都是数字IC,其电流会随着逻辑功能的变化而变化,比如FPGA在进行配置时,电流会增大一倍以上。而开关电源的输入电压也会有一定程度的波动。为了保证电源稳定输出,不产生跌落或者过冲,就要求电源必须迅速做出调整,使得最终输出的电压没有变化。而电源的响应速度就决定了电源的调整速度。

由于电源加入了反馈系统,就可能发生震荡。如果电源系统的参数没有设置好,就会产生震荡,结果就是电压上会被叠加一个固定频率的波动。导致电源不稳定。开关电源如图1所示:


图1  开关电源模型

如何进行环路测试?

从开关电源的框图中可以看出,该系统是通过一个反馈电路,将最终输出的变化反馈给比例电路,经过比例电路的等比例衰减,输入到误差放大器中。而后误差放大器通过比较该信号和内部参考信号的差异,来驱动后级脉宽调制器等一系列的输出环节,最终与干扰信号相互抵消,从而保证电源的稳定。

那应该如何测量出电源的响应速度和稳定性呢,在早期的调试中,大家会使用一个可变的电子负载来进行测试,但是由于现在的电子负载的变化频率远远低于开关电源的开关频率,该方法逐渐的不被大家所使用。目前比较常见的测试方式就是环路测试法。环路测试法就是向反馈回路中注入一个个单一频率的正弦波序列信号,然后根据电源系统的输出情况来判断其对各个频率干扰的调整能力。其环路响应的Gain越高,就说明电源对该频段的抗干扰能力越强。

环路测试框图如图2所示:



图2 环路测试框架

从上图可以看出,环路测试实际上是将干扰信号通过反馈电路注入到误差放大器中,而后查看误差放大器加后级输出环节的级联响应。误差放大器的响应实际上就是该误差放大器的开环增益。所以环路的根本目的如图3所示:



图3 环路测试的最终目的
随着一个个频率信号的扫描,最终将各个频道的环路增益绘制在一张图上,就会得到一幅很直观的频域特性图。


ZDS示波器助力环路测试


致远仪器ZDS示波器支持环路测试分析软件。相对于几十万的专业环路分析仪器,ZDS内嵌的环路测试分析软件不仅有完善的环路测试方法和精准的测量精度,并且对测试操作和用户体验进行了创新性的设计。

该分析软件具有独特设计的波形显示和快捷操作的界面,具有多种显示方式和测量方式,软件扫频测试结果显示界面如图4所示,软件单点测试结果显示界面如图5所示:


图4 扫频测试界面


图5 单点测试界面

主要特点:

· 支持扫频测试模式和单点测试模式;

· 支持多种测量选项:增益-相位(FRA)、阻抗-相位;

· 支持正向和反向放大器,相位范围可选[-180°~180°]和[-360°~ 0°];

· 支持开启硬件滤波,支持低通滤波和带通滤波;

· 支持光标测量,自动PM/GM测量;

· 支持相位校准,以及校准参数的导入导出;

· 扫频模式的频率范围可选从10Hz到30MHz;

· 扫频模式的每种测量方式支持存储8个暂存波形,并且自动存储;

· 所有存储波形支持重命名、设置描述信息、显示隐藏、相位校准、查看数据、指定存储通道波形数据的导入导出,清除指定存储通道波形的数据,同时可指定显示某个存储通道的波形或显示、隐藏所有存储通道波形;

· 测试结果数据的导出,导出的数据类型支持html和CSV。

操作步骤:

1、设备连接

测试需要使用致远电子环路测试配套的信号发生模块与波器相连,通过示波器控制信号发生模块配合生成需要的频率信号。另外还需要使用一个隔离变压器来隔离这个交流干扰信号,从而不产生任何的直流偏置。将信号添加到注入电阻两端后使用示波器测量注入端与输出端。接线图如图6所示。

 

图6 设备接线

2、参数设置


点击【参数设置】按钮,会弹出参数设置窗口,旋转旋钮A可选择参数,短按旋钮A后可进行参数修改,其中包括【参数设置】、【滤波设置】和【同步设置】。配置界面如图7所示。



图7 参数配置界面

3、开始测试


设置完成以后则可以启动环路功能的运行。环路功能的运行可以点击菜单的【运行/停止】按钮,或者直接按示波器面板上的【RUN/STOP】按键。测试界面如图8所示。



图8 测试界面

4、结果导出

当前测试的数据,以及8个存储通道的数据,都可以在【数据报表】菜单中,通过表格浏览所有的测试数据,以及对数据进行html和csv类型的报表导出。只有存储有数据的通道,才可被选择,从而进行导出操作。如图9所示。

 

图9 报表导出

导出的html文件如图10所示:



图10 html文件

结果判定:

· 穿越频率(增益为0dB时对应的频率):建议为开关频率的5%~20%;

· 相位裕度(增益为0dB时对应的相位):要求一定要大于45°,建议45°~80°;

· 穿越斜率(0dB附近):要求为单极点穿越,一般是要去穿越斜率在-1左右,即-20dB/十倍频;

· 增益裕度(相位为0°时对应的增益差):建议大于10dB(注意,GM是正值,实际测量的增益值为负值,增益裕度 = 0dB – 测量值)。

环路测试注意事项


寻找干扰信号注入点


选择注入点,有一个比较简单的方法,对于电压源就是找设计电路时,用来计算电压的那两个电阻。设计电路时是按哪个电阻来调整输出的,就加到哪个电阻上。对于电流源,也与电压源大致相同,不过电流源中一般是没有R1或者R2,只要将注入电阻放在反馈电电路之后就可以了。注入电阻可选择5到100欧的电阻,这种电阻在反馈电路中影响不大,推荐在系统设计时就提前预留此电阻。
以下是几种典型电路的注入点实例。

1、非隔离电压环路:

 

图11 非隔离电压环路注入方式示意图

2、隔离电压环路:


图12 隔离电压环路注入方式示意图

3、隔离电流环路:



图13 隔离电流环路注入方式示意图

注入信号幅度调节


注入信号的幅度经验值可设为输出电压的5%。如果幅度不能过小,示波器可能无法识别;过大则可能使系统出现非线性导致测量失真。另外环路分析功能还具备分段幅值的设置功能。

扫描频率范围设定


由于系统的穿越频率大致为开关频率的1/20到1/5左右,因此扫频范围应设在穿越频率附近的范围,在这个范围内,一般可以找到环路的穿越频率点。此处留意环路系统穿越频率不能过低,否则环路无法响应高频的负载波动,从而引起输出电压的噪声。


测试探头的使用


由于注入信号幅度微弱,推荐选用1X衰减的探头测试。若使用10X,则信号衰减后很容易被噪声淹没。在接地时也尽量使用接地弹簧,而不是接地夹子。


PM/GM显示值


环路扫频结束后会计算PM和GM值,GM值是当相位曲线第一次穿越0°时的频率点,0dB与该频率点的增益测量值的差值,即GM=0dB - 增益测量值@相位第一次穿越 0°的频点,因此正常情况下该频点的增益测量值为负值,GM值为正值。而PM值为增益曲线第一次穿越0dB的频点对应的相位测量值与0°的差值,如果该频点之前相位曲线存在360°的翻转,则PM值会在0dB频点的相位测量值的基础上加上翻转相位值。
 


 
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