满足业界在电源设计、排障和测试方面的需要
在最近几年由于整个工业领域都改用开关电源“功率测量”的定义也有所改变而且需要此类测量的设计应用在数量上也随之改变。
当今的电源设备除了必须提供性能和可靠性外还必须符合国家和区域的供电质量标准(如美国的IEEE519.1992规范)。在设计和生产作业中工程师不仅必须鉴定功率电平、输出纯度和谐波反馈到线路中的情况而且还须测量高频开关设备输出、噪声电平、功率特性等指标。
由于示波器能够轻易地满足这些方面的应用需要故已成为电源设计和排障的首选工具。TDS3000B示波器可以：
·同时进行电压电流和功率测量
·安全地测量浮地电压
·提供谐波测量值
·使测量工作简便并且安全
TDS3000B数字荧光示波器的优点
TDS3000B系列数字荧光示波器(DPO)配有快速傅里叶变换应用模块(TDS3FFT)不仅据有高的带宽和波形捕获速率而且具有高级分析能力可全面满足当今的功率测量设计、排障和测试需要。此外数字荧光示波器还与多种探头兼容其中包括无源(电压)探头有源FET探头、电流探头、差分探头以及高压探头等。后一种探头类型可以安全地与无接地(浮地)电路连接。其内装式TekProbe接口能以适当的测量单位(伏特毫安等)自动地提供标度正确的读数从而简化了功率测量工作程序。
谐波测量与显示
电源谐波测量需要一种可显示信号各种频谱分量的测量工具。TDS3000B的谐波显示功能可揭示谐波与基频的相对量值。装上可选的快速傅里叶变换应用模块(FFT)后TDS3000B佣示波器就可提供此类读数。它所提供的高级分析功能可将时域捕获信号转换为一种真实谐波显示。在50和60Hz电源线上进行谐波测量时这一功能至关重要。
具有可处理最快频率的带宽
开关晶体管和|GBT电路、噪声和瞬态信号都需要一台示波器能够精确而可靠地捕获电源信号。转换频率随着每一代新电源设备的出现而不断加快因此观测这些信号需要极高的带宽。TDS3000B数字荧光示波器(DPO)各类机型提供从100MHz至50MHz不同带宽足以满足用户在测量速度最快的电源换接频率方面的带宽要求。
数字荧光示波器(DPO)能可靠地捕获和显示瞬态信号
判断示波器是否能可靠地捕获到瞬态信号不仅要看其带宽而且要看其波形捕获速率即示波器在每秒内触发、编译波形、绘制新显示、以及重新准备下次触发的次数。
TDS3000B示波器的波形捕获速率远远超过数字存储示波器(DSO)这意昧着捕获瞬态信号的可能性更大。由于DP0的亮度层次数字荧光显示可突出显示这类信号最常出现的区域因此可较容易地将偶尔出现的瞬态信号与背景波形的特点区分开来。
用TDS3000B测量瞬时功率
鉴定开关晶体管中的瞬时功率耗散情况几乎是每一种电源设备设计过程中不可缺少的环节。在选择部件时(如图1中的功率MOSFEt)即有成本效益又能可靠地耐受最恶劣作业条件是至关重要的。选择过程包括在测
量电流的同时可进行浮地测量。TDS3000B示波器的TekProbe接口与P5205高压差分探头和TCP202电流探头相兼容其它探头可提供用于更高的电流测量。这种匹配所提供的测量结果格外精确。
高压差分探头之所以重要是因为相关电压(M0SFET电路上的Vds)接在晶体管的漏-源端子上而且二者均未接地。就像绝大多数示波器一样TDS3000B不能直接测量浮地信号。因此在用TDS3000B进行安全的浮地测量时需要使用差分探头。P5205探头可接受无接地信号并向示波器的输入提供单端接地信号。
进行功率测量前可能需要通过一种被称为“偏移校正”(deskewing)的程序均衡电压和电流探头之间的延迟。P5205和TCP202探头的固有偏移校正匹配值在±2ns之内可最大限度地减少延迟误差但其它探头则需要进行偏移校正。这一步骤至关重要因为电压和电流轨迹定时上哪怕是有很小的偏移也会在瞬时功率读数中造成很大的误差。
TDS3000B示波器的偏移校正存储器可存储探头间的延迟差。在一对探头上进行偏移校正时须用同一脉冲激励两个探头然后使用光标测量时间差，最后将信息输入到偏移校正存储器中(通过Vertical
MENU可进入此选项单)。此步骤用于储存所用探头对的延迟数值。
探头经过偏移校正后便可按图1所示(开关电源中常见的一种功率MOSFET电路)进行连接。
TDS3000B示波器的AutoseT(启动设置)功能可用于设置初始波形显示。Autoset能通过自动调节量程和标度而在屏幕上显示波形。TDS3000B示波器的彩色液晶屏幕(LCD)可用不同的颜色显示电压电流和功率波形从而消除了常见的混淆问题。由于具备TekPROBE接口，所有三个波形的读数和标度都很准确完全不需任何解译。
功率波形只是电压和电流波形的逐点乘法运算(CH1×CH2)而己。按一下TDS3000B示波器的波形MATHf数学运算j按钮就可使用数学运算功能。数学运算功能将两个波形用作变数。图2所示为运算结果。电压电流和功率波形均以适当的测量单位显示。最大的瞬时电压电流和功率可用Max(最大值)测量功能显示使用时可按一下MEASURE键。
排除电源设备故障
数字示波器在功率测量领域中很常见但TDS3000B的数字荧光捕获技术在排障工作中具有其独特的优势尤其是在鉴定开关电源中的调制效应时。
TDS3000B的波形捕获速率是典型的数字存储示波器(DSO)的五十倍。在鉴定调制效应时它具有两个优点。首先TDS3000B可相对增加工作时间从而缩短了显示前的波形处理时间。因此示波器捕获调制信息的机会增加了几百倍。其次数字荧光显示功能可使用户更容易地实时观察调制的波形。TDS3000B的屏幕可突出显示信号轨迹相交较频繁之处就像模拟示波器一样。调制信号比持续重复的主波形暗淡。
用TDS3000B观察调制效应的方法非常简单。图3所示为某电源设备上用于控制电流型控制回路的调制信号。在反馈系统中调制对回路的控制十分重要。但是过多的调制则会使回路变得不稳定。请注意该波形在调制较少的区域中比较暗淡。
用TDS3000B捕获瞬态信号也很简单。示波器的Edge Trigger(边沿触发)功能可提供斜率、电平、耦合和触发延迟设置所需要的灵活性。如果被测电源已经集成到系统设备中，超声波探伤仪维修可能需要在系统的其它地方在有“问题”的信号上触发并监视电源上的测试点以查看是否同时出现瞬态信号。
当然电源设备的直流输出也需要纯净而无瞬态信号出现。TDS3000B示波器的ROLL(滚动)模式结合使用Peak Detect(峰值检测)功能是观察慢速信号或直流电平的畸变的最佳工具。ROLL模式可缓慢地从右至左滚动轨迹动作很像纸条图表记录器可在很低的扫描速率下产生清晰而明亮的轨迹。PeakDetect功能可使示波器能够捕获到窄至1ns的毛刺即使在很慢的扫描速率下也不例外。将这两个功能结合使用时就可生成一条稳定而清晰可见的轨迹即刻揭示瞬态信号情况。
测量线路谐波
测量线路谐波是当今设计工作中的一项关键任务。开关电源往往产生奇次谐波并返回到电网中。其效应是累积性的;当越来越多的开关电源与电网相连时(如某办公室增置了更多的台式计算机)返回到电网的谐波失真的总比率就会上升。由于这种谐波失真会导致电网输电线和变压器温度升高故需最大限度地减少谐波。在监控供电质量方面须按照有关当局制订的标准(如IEC1000.3.2)进行测量。
配备了TDS3FFT应用模块后TDS3000B示波器便可成为功能强大的谐波分析工具。与市上的专用谐波分析器相比具有FFT功能的示波器的成本效益要好得多这等于在用一个用户熟悉的测量仪器做另一种测量工作。TDS3FFT模块采用快速傅里叶变换(FFT)算法能够象频谱分析仪一样显示信号频率分量甚至可在屏幕上同时显示信号波形和频域当量这种功能十分有用。
TDS3FFT模块可提供FFT专用菜单从而简化了设置和测量工作程序。FFT菜单设在MATH按钮菜单之下用户可在有源信号或调用的存储波形上使用FFT。
该作业程序并不比常规波形测量更复杂。本例中的信号是重重复性的周期波形(并非瞬态信号)所以只需触发并且显示。该波形的预相符性测试是根据IEC61000.3.2的标准进行的。为了确保得到较好的频率分辨率至少应显示五个周期。而且须设定垂直标度以便屏幕上能够显示全信号幅度。
TDS3000B的用户设置参数包括垂直标度和各种FFT窗口格式。用户可选用矩形(Rectangular)、汉明(Hamming)、汉宁(Hanning)以及勃勒克曼-哈里斯(BlackmanHarris)四种窗口每种窗口适合于某种特定类型的信号。在检测周期重复性信号(如本例中的信号)时最好选择汉明窗口。
用于FFT显示的垂直标度可为线性标度或对数标度。线性标度是功率测量中较常用的标度。
图4所示为在电源负载电流上进行的谐波分析的结果。用户可用TDS3000B的光标测量单一频率分量的量值或频率。用户还可用ZOOM(缩放)功能放大FFT以便仔细观察。使用ZOOM缩放功能并不影响捕获作业(即触发或时基设置等)；只是放大显示而已。
在许多电源设计项目中验证产品符合有关供电质量规定是-个十分重要的环节。
TDS3000B示波器可提供各种辅助性工作所需的完整的储存和打印能力。它具有专用的HARD COPY(硬拷贝)按钮可以通过与TDS3000B的标准并行口连接的插入式打印机(选用设备)、喷墨或激光打印机印制屏幕图像。用户还可通过同样的方式将屏幕图像以各种出版格式(包括BMP、EPS、TIF及其它格式)存在软盘上。这些格式与最常用的文字处理程序排版程序和幻灯片制作程序兼容。
结 论
功率测量已不再是功率计和谐波分析仪等专用工具的独占领域。配备TDS3FFT应用模块后TDS3000B数字荧光示波器就可以胜任电压电流、功率和谐波测量工作还可用作电源设计和排障工作的一种多用途检测工具。
