CC BY
3Владимир ДьЯКОНОВ, д. т. н., профессор
vpdyak@yandex.ru
измерительная аппаратура i технологии I 1gg
Восьмиканальные осциллографы высокой четкости Teledyne LeCroy HDO8000
для электроэнергетики
Совсем недавно, 17 июня 2014 года, популярные серии осциллографов высокой четкости фирмы Teledyne LeCroy (США) пополнились новейшими 8-канальными приборами серии HDO8000 с сенсорным экраном увеличенного размера. Новые приборы универсальны, но основное их назначение — исследования и контроль компонентов в электроэнергетике, от источников электропитания до систем электропривода и электроэнергетических систем различного назначения.
Осциллографы в силовой электронике
В настоящее время рынок силовой электроники и энергетики динамично развивается, особенно в области мощных 3-фазных систем энергопреобразования, строящихся на основе распределенных альтернативных источников электроэнергии (солнечные батареи, ветрогенераторы и пр.), гибридных и электрических двигательных установок, используемых в гибридных и электромобилях. Количественное и качественное расширение спектра требований по повышению эффективности электромоторов и двигателей переменного тока также стимулирует развитие спроса на 3-фазную силовую электронику. Серия многоканальных цифровых осциллографов HDO8000 — идеальное решение для анализа 3-фазных сетей.
Число точек измерения в 3-фазных системах возрастает более чем втрое, и требуется более качественный контроль даже малых изменений входных и выходных токов и напряжений, с учетом их пульсаций. Четырех аналоговых каналов, присущих обычным осциллографам, уже явно недостаточно для изучения и размещения осциллограмм на экране дисплея. Вот почему осциллографы высокой точности HDO с увеличенным вдвое (до 8) числом аналоговых каналов и большим размером дисплея стали весьма востребованными приборами, несмотря на естественный рост их габаритов и массы.
Кроме того, высокопроизводительные 8-канальные осциллографы необходимы при отладке различных встроенных систем, таких как автомобильные блоки электронного управления, бытовая техника и промышленные установки, в которых сочетаются
элементы силовой электроники, источники питания, таймеры, логические устройства, источники последовательных данных и датчики аналоговых сигналов. Многоканальные системы, использующие технологию высокого разрешения HD4096, обеспечивают максимально достоверное и оптимально быстрое понимание поведения встроенной системы, поиск и устранение проблем при отладке электронных продуктов.
В конце 2013 года Teledyne LeCroy представила миру свои новейшие разработки 12-разрядных приборов высокой точности и четкости серий HDO4000/6000, в том числе с логическим анализатором HDO4000-MS/ HDO6000-MS [1]. Эти осциллографы впервые в мире имеют 12-битовые аналого-цифровые преобразователи (АЦП) в каналах вертикального отклонения вместо 8-битовых, повышенное до 4096 (вместо 256) число ступеней квантования и втрое меньшую, чем у большинства 8-разрядных осциллографов, погрешность (0,5%) вертикального отклонения.
Chestnut Ridge, NY, 17 июня 2014 — американская компания Teledyne LeCroy анонсировала новейшую серию многоканальных цифровых осциллографов HDO8000 [2, 3]. Модели серии HDO8000 обеспечивают 8 аналоговых каналов с полосой пропускания 350 МГц (HDO8038), 500 МГц (HDO8058) и 1 ГГц (HDO8108) и аппаратным разрешением по вертикали 12 бит во всем диапазоне входных частот. Осциллографы HDO8000 обладают максимальной функциональностью и обеспечивают лучшее вложение средств пользователей в различных областях науки, техники и производства по созданию и развитию современных и перспективных технологий. Широкий набор опций — 16-каналь-ный логический анализатор, синхронизация
и декодирование 19 протоколов последовательной передачи данных, увеличение объема памяти до 250 Мбайт на канал, анализ электрической мощности, анализ джиттера, а также поддержка более 30 пробников (токовых, дифференциальных, высоковольтных с интерфейсом ProBus) — все это значительно расширяет область измерительных приложений осциллографов серии HDO8000.
Технология
высокого разрешения HD4096 и мультизакладок Q-Scape
В серии HDO8000 технология высокого разрешения HD4096 реализована на базе 12-битных АЦП с высокой частотой дискретизации, использующих малошумящие входные усилители и системную архитектуру с низким уровнем собственных шумов. Это позволяет осциллографам HDO8000 выполнять захват сигналов в полосе частот до 1 ГГц с высокой дискретизацией и отображать результат с разрешением, которое в 16 раз (!!!) выше, чем у осциллографов других производителей. Дополнительно HDO8000 программно реализует технологию эквивалентного разрешения (ERes), которая повышает разрешение по вертикали до 15-битного АЦП, что позволяет различать близко расположенные уровни напряжения.
HDO8000 поставляется с объемом памяти 50 Мбайт на каждый канал, которая опционально может быть увеличена до 100 или 250 Мбайт на канал. Большой объем памяти является идеальным решением при проведении исследований в объектах силовой электроники и во встроенных электромеханических устройствах, в которых высокоскоростные сигналы микропроцессоров сочета-
1701
технологии I измерительная аппаратура
ются с низкоскоростными ШИМ-сигналами, последовательными данными и сигналами аналоговых датчиков.
Широчайший набор аналитических инструментов в моделях ТеЫупе LeCroy обеспечивает полномасштабный статистический, частотный и временной анализ, применяя графическое представление результатов (треки, тренды, гистограммы) и другие возможности измерительных и математических функций. Например, режим построения треков особенно актуален при проведении анализа ШИМ-сигналов. В HDO8000 доступно и множество других приложений, реализуемых программно (опции).
Новая технология Q-Scape, созданная компанией Teledyne LeCroy, обеспечивает оптимальное использование рабочей части экрана в режимах многоканального отображения, масштабирования и математической обработки (возможно отображение до 40 осциллограмм одновременно). HDO8000 имеет широкоформатный цветной сенсорный дисплей высокого разрешения с диагональю почти 40 см, на котором можно организовывать до четырех выделенных областей. Осциллограммы легко перемещаются в соответствующую область-закладку для более детального исследования и анализа. Так, при мониторинге 3-фазной системы технология Q-Scape позволяет наблюдать процессы по каждой фазе на отдельной закладке.
Через видеопорт DisplayPort 1.2 HDO8000 поддерживает подключение внешнего WQXGA-монитора с огромным разрешением — до 3840x2160. В этом случае на большой экран можно вывести информацию каждой из закладок Q-Scape, а экран осциллографа использовать для отображения результатов действия какой-либо внешней программы обработки данных (например, МА^АВ [4]).
Многоканальные осциллографы Teledyne LeCroy HDO8000
Серия новейших 8-канальных цифровых запоминающих осциллографов HDO8000 (рис. 1) имеет полосу частот от 0,35 до 1 ГГц при частоте дискретизации 2,5 ГГц на канал. Это с избытком превышает требования к осциллографам для наблюдения сигналов в энергетике, включая силовые устройства и устройства питания с высокочастотным резонансным преобразованием и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Приборы созданы на основе открытой архитектуры и имеют выстроенный мощный
Таблица. Классификационные параметры осциллографов HDO8000
IÍM Таив СЛЁГ ^ few Ч—*я
Ijiiä Trifpw
: О AM ■inrni lin В№
НмлюЛЫ О VtarlKtf - ! О
• Г-*ь i - tmm
i*—'-•J* О V iT.V : 0
'ill >11
Gmn
О О ""
Рис. 2. Панель управления осциллографа HDO8000
Модель Полоса, ГГц Время нарастания, пс Частота дискретизации, ГГц Объем памяти, Мбайт
HDP838 0,35 1000 50-256
HDO858 0,5 700 2,5
HDO818 1 450 16-256
и быстродействующий персональный компьютер на базе 4-ядерного микропроцессора Intel Core 2 Quad с тактовой частотой 2,5 ГГц и емкостью оперативной памяти 8 Гбайт. Компьютер оснащен твердотельным жестким диском большой емкости (не менее 40 Гбайт), на котором размещены программы обслуживания осциллографа и внешние программы, например MATLAB [4]. Возможна и полноценная работа с внешним компьютером.
Осциллографы имеют очень большой сенсорный ЖК-экран 39,1 см и входные сопротивления 50 Ом и 1 МОм. Классификационные параметры приборов даны в таблице. Основные характеристики приборов:
• Число входов (аналоговых/цифровых): 8/16.
• Полоса частот аналоговая: 0,35-1 ГГц.
• Время нарастания: 450-1000 пс.
• Частота дискретизации: 2,5 ГГц.
• Входное сопротивление: 50 Ом и 1 МОм.
• Чувствительность по вертикали:
от 1 мВ/дел. до 10 В/дел. (вход 1 МОм) и 1 В/дел. (вход 50 Ом).
• Развертка: от 20 пс/дел. до 5000 с/дел.
• Дисплей сенсорный, цветной, 12 дюймов, разрешение 1280x800 пикселей.
• Отображение одновременно 12 результатов автоматических измерений, 12 функций с их параметрами, 12 математических функций и 12 осциллограмм памяти.
• Режимы работы дисплея: Auto, Single, Dual, Quad, Octal, XY, Single+XY, Dual+XY, Tandem, Quattro, Twelve, Sixteen.
• АЦП 12 бит, с увеличением до 15 бит в режиме эквивалентного разрешения (ERes).
• Анализ смешанных сигналов (16 цифровых каналов): HDO4000-MS и HDO6000-MS; HD08000 (с опцией логического анализатора HDO8k-MS).
• Длинная память (до 250 Мбайт на канал).
• Расширенные инструменты поиска событий: WaveScan.
• Генератор отчетов LabNotebook (записная книжка).
• Режим предыстории History (просмотр ранее собранных данных).
• Большой цветной сенсорный дисплей с технологией MultiTouch (диагональ 40 см).
• Обновленный режим анализатора спектра (с 2D/3D-визуализацией спектрограмм).
• Обширный набор запуска и синхронизации развертки.
• Синхронизация и декодирование последовательных протоколов.
• Анализ смешанных сигналов (16 цифровых каналов): HDO4000-MS и HDO6000-MS; HDO8000 (с опцией логического анализатора HDO8k-MS).
• Расширенный анализ мощности.
• Габариты 37x417x280 мм, вес 12,27 кг.
• Потребляемая мощность: 420 Вт.
• Число типов пробников: более 30. Увеличение числа входов потребовало
изменения панели управления прибором. Передняя панель имеет строгий черный цвет, а панель управления выполнена в стиле панели управления самолетом (рис. 2). Расположение органов управления тщательно продумано, и их число сокращено до минимума с сохранением удобств работы. Панель разбита по функциональному признаку на ряд зон с органами управления (кнопками и поворотными ручками в каждой).
Поворотные ручки имеют переключатель, срабатывающий при нажатии на ручку: при этом устанавливается соответствующий параметр по умолчанию — например, нулевое смещение для ручки смещения по вертикали. Некоторые кнопки имеют цветовую окраску — так, кнопки включения/выключения каналов окрашены в цвета осциллограмм каналов.
измерительная аппаратура
технологии
171
ХЯ1 Ж Р1РЦ. — 4ЧЧ
гл?|1Дш» I тцмряр ш n>j ■ ■ Щ % - щ
■ 11 т
тми™ за* ш> >Ща1 -" Щ
Рис. 3. Виртуальная панель установок спектрального анализа
Рис. 5. Виртуальная панель управления анализом спектра
и ■
и**"*
1 ^
■ж1 L1 Г т I - ^wwVtyif
Снятие осциллограмм
Правила работы с HDO8000 не отличаются от описанных в обзоре [1] по работе с осциллографами HDO4000/6000. Приведенные примеры применения также относятся и к осциллографам HDO8000. Ниже приводится ряд новых примеров, наглядно иллюстрирующих работу с приборами. Для переключения входов используется виртуальная панель (рис. 3) с сенсорным управлением. Она создается на экране осциллографа.
На рис. 4 показаны осциллограммы сигналов от однофазного источника электропитания с широтно-импульсной модуляцией ключа. Следует отметить высокую четкость представления осциллограмм и их мельчайших подробностей.
Выбор автоматических измерений (свыше 50 типов) у осциллографов серии HDO8000 осуществляется из окна, как и в осциллографах HDO4000/6000. Оно содержит вкладки, в которых автоматические измерения собраны в различные группы — горизонтальные (временные), вертикальные (амплитудные), импульсные и т. д. Каждое измерение создает свой дескриптор, и его активизация открывает панель настройки автоматических измерений. Пример вывода таблицы автоматических измерений дан на рис. 4 (снизу под осциллограммами). Одновременно можно выводить до 12 измерений.
Прибор проводит непрерывные измерения ряда статистических параметров осциллограмм. При желании данные статистики можно вывести в дескрипторы осциллограмм и построить по ним микрогистограммы внутри дескрипторов или в полном размере в отдельных окнах.
Реализация БПФ в приборах имеет функции измерения спектральной плотности, реальной и мнимой частей сигнала, амплитуды, фазы и т. д. Специальная опция включает настройки управления, подобные основным настройкам анализатора спектра, — такие как установка центральной частоты, полосы обзора (или начальной и конечной частоты) и полосы частот разрешения RBW (рис. 5).
При БПФ полоса ограничена половиной максимальной частоты дискретизации. Большое значение последней расширяет полосу анализа спектра, а вместе с большой памятью осциллограмм обеспечивает получение малых частот RBW. Осциллограммы спектрального анализа и 3D-спектрограмма показаны на рис. 6.
Рис. 7. Работа с сегментами памяти
Малый участок осциллограммы (он на ней подсвечен) можно развернуть на весь экран (режим Zoom или «электронной лупы времени»). Осциллограф имеет сегментацию памяти (до 65 000 сегментов). Работу с сегментами наглядно иллюстрирует рис. 7, на котором показано выделение и расширенный просмотр сегментов осциллограммы.
Осциллограф в роли логического анализатора
К осциллографу можно спереди подключить пробник MS-250 для логических сигналов (на 16 логических каналов с частотой до 250 МГц) (рис. 8). Это превращает осциллограф в мультисигналь-ный (MSO) и позволяет тестировать параллельные шины передачи данных, логические и цифровые устройства, в частности микропроцессорные. В последнее время они находят широкое применение в электроэнергетических установках. Можно выставлять различные пороги цифровых сигналов, в том числе присущие стандартным микросхемам.
Одной из основных функций современных осциллографов является тестирование последовательных шин и интерфейсов, выполненных по различным стандартам:
компоненты и технологии • № 9 '2014 www.kit-e.ru
• I2C, SPI, UART.
• CAN, LIN, FlexRay, SENT.
• Ethernet 10/100BaseT.
• USB 1.0/1.1/2.0, USB 2.0-HSIC.
• Audio (I2S, LJ, RJ, TDM).
• MIL-STD-1553, ARINC 429.
• MIPI D-PHY, DigRF 3G, DigRFv4.
• Manchester, NRZ.
Декодирование последовательных данных АО соответствующим протоколам (19 протоколов) осуществляется самим осциллографом. На рис. 9 показан экран осциллографа при анализе последовательной шины высокоскоростных данных. Однако полный анализ выполняется для выбранных линий по специальным опциям, приобретаемым отдельно.
Широкий выбор пробников
Подключение осциллографов к тестируемым устройствам реализуется с помощью пробников. Приборы серии HDO8000 позволяют использовать до 30 типов пробников: пассивных, активных, высоковольтных, токовых, дифференциальных и т. д. Пробники имеют достаточную комплектацию. Некоторые из них показаны на рис. 10.
Осциллограф в электроэнергетике
Как уже отмечалось, осциллографы серии HDO8000 предназначены, прежде всего, для тестирования объектов электроэнергетики. В области энергетики малой мощности (примерно до 1 кВт) наблюдается тенденция перехода от устройств с силовыми трансформаторами к «бестрансформаторным» устройствам с высокочастотным широтно-импульсным (ШИМ) регулированием.
Даже простейшие из них — однофазные (рис. 11) — имеют рабочие частоты преобразования до сотен килогерц и единиц мегагерц и ряд реактивностей, оказывающих существенное влияние на их переходные процессы.
Рис. 10. Типовые пробники для осциллографов серии HDO8000
Трансформатор Дроссель
Мостовой выпрямитель
Накопительный - -конденсатор
Однофазный силовой ключ
ШИМ
_1
и H
Оптоизопяция
Схема управления
Выход
U-
Рис. 11. Функциональная схема однофазного бестрансформаторного источника питания
VDS X lDS = Power
Рис. 15. Подсистема электропитания двигателя трехфазным током
Рис. 13. Электродвигатели различного типа:
а) трехфазный двигатель переменного тока промышленного назначения;
б) электродвигатель с постоянными магнитами;
в) серводвигатель постоянного тока
На рис. 12 показаны осциллограммы импульсных процессов переключения ключа в бестрансформаторном источнике электропитания. Процессы отличаются сложностью и наличием медленных и быстрых стадий с быстрыми колебательными процессами. Для исследования таких переходных процессов необходимы широкополосные осциллографы, к которым и относятся HDO8000.
Другими широко распространенными устройствами являются контроллеры электродвигателей самого различного типа (рис. 13). Двигатели представляют собой сложную нелинейную нагрузку на источник электропитания, характерный своими стадиями динамических процессов, например разгона (пуска) и торможения. Источник электропитания может осуществлять управление двигателями по заданному закону с предельно высоким КПД. Часто используется микропроцессорное управление двигателем.
Работа двигателей в динамике оказывает существенное влияние на управляющие и питающие устройства и требует создания специальных устройств контроля — контроллеров. Их тестирование и изучение невозможны без применения осциллографов, подобных HDO8000 (рис. 14).
В промышленности значительное улучшение энергетических показателей достигается переходом к трехфазным системам. Например, электродвигатели могут питаться и управляться от управляемых выпрямителей трехфазного тока, в которых применяются трехфазные мостовые выпрямители на тиристорах, полевых транзисторах и биполярных транзисторах с полевым управлением ЮВТ (рис. 15). Все эти устройства имеют сложные и специфические переходные процессы, которые необходимо тестировать во всех трех фазах, что и требует применения многоканальных осциллографов.
Энергетика больших мощностей строится на основе систем передачи на постоянном и трехфазном переменном токе (рис. 16). Здесь число рабочих процессов очень велико и многоканальные осциллографы необходимы как приборы для поддержки эксплуатации сложного энергетического оборудования и его тестирования и исследования.
Рис. 16. Трехфазная подстанция и линия передачи трехфазного тока
Режим XV
Осциллографы HDO8000 имеют усовершенствованный режим работы XY для построения параметрических кривых, таких как фигуры Лиссажу. В режиме XY (рис. 17) для построения фигур по вертикали используется сигнал от одного канала YT, а по горизонтали — другого канала YT. Оба канала откалиброваны. С помощью фигур Лиссажу удобно производить сравнение двух низких частот (например, сетей переменного тока) и выполнять фазовые измерения.
Осциллографы HDO8000 позволяют использовать режим XY для построения петель гистерезиса, характерных для нелинейных трансформаторов и дросселей в электроэнергетических системах. Также гистерезисный характер имеют передаточные функции некоторых электронных схем и устройств.
Работа
с внешними дисплеями
Осциллографы серии HDO8000 могут эксплуатироваться с дополнительным внешним дисплеем с большим экраном и высоким разрешением (рис. 18). По сравнению с экраном осциллографов HDO4000/6000 область просмотра осциллограмм и других данных увеличена втрое, что позволяет в деталях рассматривать сложнейшие процессы. Это особенно ценно при контроле крупных энергетических систем — электростанций и подстанций.
Для управления форматом дисплея служит виртуальная панель, показанная на рис. 19.
Увеличение общей площади экранов позволяет разместить на них большее число окон с различным оформлением и поместить осциллограммы и диаграммы различного типа (рис. 20). Этому способствует и высокая разрешающая способность экранов основного и дополнительного дисплеев.
ШИ
Рис. 18. Осциллограф с дополнительным дисплеем
Заключение
Осциллографы серии HDO8000 прекрасно приспособлены для контроля сложных процессов в энергетических установках и в энергетическом оборудовании. В то же время они остаются весьма совершенными приборами общего применения. Осциллографы HDO8000 обладают максимальной функциональностью и обеспечивают лучшее вложение средств пользователей в различных
ОАО ТЕХНО
Тел.: (495)735-44-29 Факс: (495)735-44-28 http://www.techno.ru
Москва, 105275 ул. Уткина Дом 40
Микродозирование двухкомпонентных материалов
Серия дозаторов Preeflow предлагает идеальное решение практически для любого применения.
Заливка, склеивание, герметизация, нанесение покрытия с использованием 2-компонентных материалов. Минимальное дозирование - 0,010 мл Производительность до 32 мл/мин Возможная вязкость материала до 2000 Па-с Материалы:
Силиконы, клеи, эпоксидные смолы, полиуретаны, краски
Рис. 19. Виртуальная панель управления дисплеями
областях науки, техники и производства
по созданию и развитию современных и перспективных технологий. ■
Литература
1. Дьяконов В. Осциллографы высокого разрешения Teledyne LeCroy и их возможности // Современная электроника. 2014. № 2.
2. HD08000 Series Oscilloscopes. Maximum Performance — "Further, Finer, Faster". Teledyne LeCroy, 2014.
3. HD08000 High Definition Oscilloscopes 350 MHz - 1 GHz. Teledyne LeCroy, 2014.
4. Дьяконов В. П., Пеньков А. А. MATLAB и SIMULINK в электроэнергетике. Справочник. М.: Горячая линия - Телеком, 2009.
