Автоматизированный компьютерный измеритель частотных характеристик импульсных и аналоговых устройств

Содержание

Что такое измеритель частотных характеристик (ИЧХ)
Как работает ИЧХ
Зачем нужен ИЧХ
Применение ИЧХ для измерения реальных параметров конденсаторов
Применение ИЧХ для тестирования импульсных источников питания
Где взять ИЧХ
Руководство пользователя по программному обеспечению ИЧХ
Демонстрационная версия
Результаты измерений
Планы и возможности для сотрудничества
Контакты
Ссылки

Что такое измеритель частотных характеристик (ИЧХ)

Измеритель частотных характеристик - это специальный прибор, который позволяет максимально автоматизировать процесс измерения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик электронных устройств.

ИЧХ за пару минут выполняет измерения, которые при использовании традиционных приборов, имеющихся в большинстве лабораторий (генератора, осциллографа, спектроанализатора и др.), заняли бы не менее часа. В тех случаях, когда сигналы имеют сложный спектральный состав или сильно зашумлены, использование традиционных приборов практически невозможно, так как они не позволяют точно выделять полезный сигнал из спектра и проводить усреднение серии измерений для повышения точности.

Как работает ИЧХ

ИЧХ генерирует сигнал возмущения гармонической формы, который вводится (инжектируется) в определенную точку исследуемой функционирующей схемы, затем ИЧХ регистрирует два (или более) сигнала на своих входах. После регистрации сигналов реакции системы, производится их цифровая обработка и определяются соотношение амплитуд и сдвиг фаз на частоте гармонического возмущения.

Рис. 1. Иллюстрация базового принципа работы ИЧХ

Сканируя заданный частотный диапазон точка за точкой, ИЧХ получает кривые АЧХ и ФЧХ. Усреднение серии измерений позволяет получить широкий динамический диапазон и высокую устойчивость к шумам, недостижимые при использовании традиционных приборов и многократных ручных измерений.

Зачем нужен ИЧХ

Зачем нужен ИЧХ? Или, другими словами, зачем измерять частотные характеристики?

Описание систем в частотной области стало традиционным в инженерной практике многих областей и позволяет оценить такие параметры, как избирательность фильтрующих цепей, устойчивость систем с обратными связями, степень подавления помех в зависимости от частоты, устойчивость систем, взаимодействующих между собой, и др.

Во многих случаях, а в особенности это касается нелинейных импульсных систем, которые проектируются с использованием приближенных методов, только измеренные частотные характеристики функционирующей системы позволяют сделать конечный вывод о важных аспектах ее качества - например, позволяют определить реальные запасы устойчивости системы с обратными связями с учетом паразитных элементов и нелинейных эффектов.

Измеренные частотные характеристики пассивных элементов позволяют определить паразитные параметры, не указанные в спецификациях производителями элементой базы.

Применение ИЧХ для измерения реальных параметров конденсаторов

Схемы подключения:

Рис. 2. Схема подключения с подачей постоянной составляющей от ИЧХ

Рис. 3. Схема подключения с подачей постоянной составляющей от внешнего источника

Выражения для АЧХ и ФЧХ комплексного сопротивления конденсатора для данных схем измерения, U1 и U2 - комплесные напряжения на частоте возмущения:
АЧХ: mag( (U2) / ((U1-U2)/<Rдт>) )
ФЧХ: ph(U2) – ph(U1-U2)

Определение реальных параметров конденсатора по измеренным частотным характеристикам:

Рис. 4. Типичный вид ЧХ комплексного сопротивления конденсатора

Емкость определяется по одной точке в диапазоне емкостного характера сопротивления:
C = 1 / (2 * Pi * f * |Z(f)|)
Для данного примера C = 1 / (2 * 3.141 * 200 * 800) = 0.995 мкФ

Эквивалентное последовательное сопротивление потерь (ESR) определяется как значение модуля при сдвиге фазы, близком к нулю градусов.
Для данного примера ESR = 3 Ом.

На частоте f0, где фаза равна 0 градусов, паразитная индуктивность, включающая индуктивность самой измерительной установки, компенсирует емкость. Паразитная индуктивность определяется из соотношения |Z_C(f0)| = |Z_L(f0)|, т.е. |1 / (2 * Pi * f0 * C)| = |2 * Pi * f0 * L|, =>
L = 1 / (4 * Pi^2 * f0^2 * C)
Для данного примера L = 1/ (4 * 3.141^2 * 140000^2 * 0.995*10^-6) = 1.3 мкГн

Применение ИЧХ для тестирования импульсных источников питания

ИЧХ является отличным инструментом для анализа импульсных источников питания. Несмотря на то, что рынок в настоящее время насыщен продукцией зарубежных и отечественных производителей, потенциальному потребителю зачастую недостаточно информации о технических характеристиках и показателях предлагаемых источников. Да и сами эти характеристики ориентированы на использование стандартной резистивной нагрузки, как правило, не отражающей реальных условий работы источника. На практике известно, что комплексная, нелинейная или активная нагрузка способна не только заметно ухудшить качественные показатели источника, но и сделать его неработоспособным.

Рис. 5. Структурная схема типового DC-DC преобразователя

Подавляющее большинство разрабатываемых и используемых на практике высокоэффективных источников основано на широтно-импульсном регулировании с использованием одного или двух контуров отрицательной обратной связи (ООС). Поэтому у опытного потребителя возникают вопросы: “Сохранится ли устойчивость источника в реальных условиях его эксплуатации? Если да, то каковы будут его запасы устойчивости, т.е. насколько надежно он будет работать?” “Годится ли этот источник для использования его в распределенной системе питания постоянным током, когда один мощный преобразователь питает N-менее мощных, каждый из которых, в свою очередь может питать M-еще менее мощных, к выходам которых подключена оконечная нагрузка.

Понятно, что своевременные ответы на эти вопросы могут сэкономить значительные средства и направить их на приобретение устройств, отвечающих специфике предполагаемого использования.

Рис. 6. Внешний вид импульсного DC-DC
преобразователя фирмы VICOR

Как тестировать готовый импульсный преобразователь, чтобы объективно оценить его способность к надежной устойчивой работе на реальную нагрузку? Западные публикации утверждают, что наиболее эффективным методом такого тестирования является измерение различных видов частотных характеристик преобразователя в режиме его нормального функционирования. Именно эти характеристики дают полную количественную информацию о стабильности, запасах устойчивости, динамических свойствах источника при его автономной работе или в распределенной системе.

Поэтому измерение частотных характеристик стало стандартной процедурой для американских производителей и покупателей импульсных устройств и систем питания. Например, корпорация NASA, один из крупнейших в мире заказчиков импульсных источников, в обязательном порядке проводит такие измерения для значительного процента приобретаемых изделий. По мнению специалистов оптимальные запасы, гарантирующие длительную устойчивую работу импульсного источника, должны составлять 8-10 дБ по амплитуде и 45-60 градусов по фазе.

Наиболее важными частотными характеристиками, отражающими свойства источника, являются:

Где взять ИЧХ

Зарубежными фирмами предлагается целый ряд ИЧХ, которые в англоязычных источниках имеют название Frequency Response Analyzers (FRA). Возможности этих приборов различны как по частотному диапазону и допустимым входным напряжениям, так и по дополнительным опциям, но их стоимость не опускается ниже $11000, а зачастую превышает $20000, что делает их практически недоступными для использования в практике отечественных разработок и эксплуатации устройств и систем силовой электроники.

На кафедре Теории электрических цепей СПбГУТ создан автоматизированный измеритель частотных характеристик, который при существенно меньшей стоимости конкурирует с зарубежными аналогами по функциональным возможностям.

ИЧХ построен на базе USB АЦП/ЦАП TiePie HandyScope3 (Голландия). Кроме него в состав измерительного комплекса входит ноутбук или стационарный ПК, программное обеспечение для измерения частотных характеристик, кабель генератора с трансформаторной развязкой (опционально), усилитель мощности для измерения ЧХ входных и выходных сопротивлений мощных устройств (опционально).

Таблица 1. Компоненты ИЧХ
USB АЦП/ЦАП TiePie HandyScope3 Частота дискретизации 10 МГц или выше В стандартном комплекте TiePie нет кабеля генератора !
Программное обеспечение для измерения ЧХ, разработанное в СПбГУТ
Ноутбук или ПК Не поставляется вместе с ИЧХ, но необходим для измерений. Вы используете свой компьютер.
Кабель генератора с трансформаторной развязкой (опция) Характеристики
Усилитель мощности (опция) Изготовление под конкретную задачу. Сроки и условия обсуждаются индивидуально.

Чтобы измерить частотные характеристики с помощью ИЧХ, необходимо собрать установку для измерения требуемой характеристики, в программе для ПК ввести границы частотного диапазона, количество точек измерения, амплитуду сигнала возмущения, требуемую точность АЧХ и ФЧХ и нажать кнопку "Начать", все остальное - работа прибора.

Общее время измерения зависит от сложности анализируемых сигналов, диапазона частот, количества точек, требуемой погрешности и в среднем составляет 2-3 минуты. Одновременно с измерениями частотных характеристик можно контролировать временные диаграммы процессов и их спектры.

Таблица 2. Технические характеристики ИЧХ
Диапазон измеряемых частот при анализе сложных импульсных сигналов при анализе сигналов, близких к гармоническим	100 Гц – 1 МГц 10 Гц – 4 МГц *
Погрешность измерений АЧХ (отношение амплитуд сигналов на входах) ФЧХ (сдвиг фаз между сигналами на входах)	< 1% < 2 град
Выходное сопротивление генератора	50 Ом
Амплитуда выходного напряжения генератора минимальная максимальная	1 мВ 12 В
Допустимые уровни входных сигналов на измеряемой частоте минимальный максимальный	50 мкВ 40 В
Входное сопротивление / емкость	1 МОм / 30 пФ
Защита входов	200 В
* - требуется предварительная калибровка

Руководство пользователя по программному обеспечению ИЧХ

Скачать (0.8 Мб)

Демонстрационная версия

Демонстрационная версия предназначена для ознакомления с возможностями программы ИЧХ и не позволяет работать с реальными измерительными приборами. Вместо этого программа моделирует сигналы виртуального измерительного стенда и работает с виртуальным генератором и АЦП.

Виртуальный ИЧХ моделирует некоторые неидеальности АЦП и ЦАП, присущие реальным приборам, однако ни в коем случае не является точной моделью реального прибора. Виртуальный ИЧХ является лишь некоторым приближением и служит только для ознакомления с программой.

Скачать (v1.0.0.1) (2.1 Мб)

Результаты измерений

Измеренные частотные характеристики конденсаторов:

Частотные характеристики импульсных источников питания российского и зарубежного производства:

Планы и возможности для сотрудничества

Мы заинтересованы в дешевых устройствах АЦП/ЦАП, не уступающих по характеристикам TiePie HandyScope3 (2 входных канала, частота дискретизации не ниже 10 МГц, разрядность не ниже 12 бит, автоматический выбор диапазона входных напряжений, точность не хуже 1%, один канал генератора, интерфейс USB 2.0, драйверы под Windows). Если Вы знаете такие устройства или можете изготовить, пишите. Возможные улучшения по сравнению с TiePie: гальваническая развязка входов без потери точности измерений, увеличенный объем памяти (>128 КСлов/канал).
Возможна адаптация программы ИЧХ для работы с другими генераторами/регистраторами сигналов, подключаемыми к ПК.

Контакты

По вопросам приобретения, проведения измерений или сотрудничества обращайтесь по электронной почте: info@fastmean.ru

Ссылки

FASTMEAN - программа моделирования электрических цепей, эффективная для анализа импульсных систем и имеющая возможность расчета частотных характеристик модели аналогично тому, как это делает ИЧХ для реального устройства.