. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Metoda zobrazení frekvenčního spektra na osciloskopu
29. listopadu 2010 - 8:33 | Michael Couleur | Metoda zobrazení frekvenčního spektra na osciloskopu | Komentářů: 2  

Metoda zobrazení frekvenčního spektra na osciloskopu

Praktická metoda k extrakci a vizualizaci spínací frekvence v reálném čase na osciloskopu a aplikace na pozorování funkce rozprostřeného spektra obvodu TPS62674 od Texas Instruments.

Účinnost, stabilita nebo produkované rušení, to jsou hlavní problémy, známé z oblasti spínaných konvertorů. K tomu, abychom získali dostatečné množství informací o funkci a správném provozu vlastního převodníku, nám přitom obvykle stačí zjistit frekvenční charakteristiku výstupního signálu. Jednou z technik, jak toho lze docílit, je použití drahého spektrálního analyzátoru.

Každopádně zobrazení frekvenčního spektra dnes umožňuje i většina moderních digitálních osciloskopů. V tomto článku si však představíme jednoduchou metodu zobrazení frekvenčního průběhu signálu v reálném čase, použitelnou ve spojení s libovolným osciloskopem. Zároveň si metodu hned ověříme na obvodu TPS62674, což je nejnovější 6 MHz snižující konvertor od firmy Texas Instruments.

Metoda
Tato metoda může být použita pro jakýkoliv signál, přecházející mezi dvěma logickými úrovněmi. Pomocí jedné z hran signálu, jehož frekvenci chceme sledovat, můžeme jednoduchým derivačním obvodem vytvořit generátor pulzů. Jeho výstupem je pulzní signál s konstantní šířkou pokaždé, když je externě spuštěn. Signál má navíc průměrné napětí, které je přímo úměrné frekvenci vstupního spínacího signálu. Průměrné napětí a frekvence jsou ve vzájemném vztahu podle následující rovnice:

(1)

kde Vavg je průměrná hodnota napětí výstupního pulzního signálu, f je frekvence sledovaného signálu, Tpulse je doba trvání spouštěcího impulsu a Vpulse je velikost napětí spouštěcího impulsu.

Pro získání průměrné hodnoty napětí z výstupu pulzního generátoru je možné použít jednoduchý RC obvod s adekvátně zvolenou časovou konstantou. Získané napětí může být poté snadno přivedeno na vstup jakéhokoliv osciloskopu, který bude zobrazovat velikost napětí, v reálném čase reprezentující zkoumanou spínací frekvenci našeho signálu.


Obr. 1: Schématické znázornění konverze frekvence na napětí, pracující v reálném čase


Obr. 2: Náběžné hrany světle modrého spínacího signálu spouštějí generování signálu konstantní šířky (modrá křivka), který je poté průměrován časovou RC konstantou, produkující téměř konstantní DC napětí (růžový signál), úměrné spínací frekvenci. Podle zvolené charakteristiky pulsu, odpovídají například 2 V růžového průběhu 6 MHz světle modrého signálu.

Abychom mohli vybrat vhodnou průměrovací časovou konstantu, musíme mít alespoň hrubou představu o frekvenční charakteristice zkoumaného signálu. Zvolená průměrovací časová konstanta musí být totiž dostatečně velká ve srovnání s frekvencí pozorovaného signálu a naopak dostatečně malá v porovnání s rychlostí změn, které chceme na signálu pozorovat. Například, pokud bychom chtěli sledovat frekvenční charakteristiku snižujícího převodníku, pracujícího se spínací frekvencí 1 MHz (pulsy každou 1us), je průměrovací časová konstanta s hodnotou 100 us ideální pro zkoumání přechodových stavů v délce řádů alespoň ms. Taková hodnota je dobrou volbou pro odfiltrování 1 MHz složky a přitom výraznější měrou nezasahuje do průměrování přechodových stavů.


Obr. 3: Změna ze 3V až na 4V při pozorování 6 MHz snižujícího konvertoru s rozprostřeným spektrem.
Růžový průběh je výstup popsaného frekvenčního měniče. (2V pro 6MHz) Při pozorování proudu spínací indukčností (zelená křivka) nemáme k dispozici dostatečnou informaci o funkci frekvenčního měniče. Naopak použití popsané metody a uvážlivě zvolené průměrovací časové konstanty nám dává možnost snadno pozorovat funkci rozprostřeného spektra napájecího konvertoru.

Aktivní osciloskopické sondy často měřené prvky zatěžují určitým proudem. Je tedy vhodné, aby bylo dosaženo žádané doby RC konstanty, použít malý odpor a velký kondenzátor. Pokud je odpor RC článku malý, je i úbytek napětí na něm zanedbatelný a následnou chybu měření, spojenou se svodovým proudem osciloskopické sondy, lze zanedbat.

Správným výběrem hodnot Vpulse a Tpulse na výstupu pulzního generátoru, lze velice snadno uskutečnit přímou konverzi z MHz na volty. Například, pokud do rovnice (1) dosadíme Tpulse = 40 ns a Vpulse = 4 V, pak nám podle rovnice (1) při změně frekvence o 1 MHz vyjde hodnota změny průměrného napětí 1 V. To je mnohem větší hodnota než v případě použití klasických konvertorů frekvence/napětí.

Aplikace techniky na pozorování rozprostřeného spektra obvodu TPS62674
TPS62674 je snižující konvertor s vysokou účinností firmy Texas Instruments, pracující na frekvenci 6 MHz a nabízející funkci režimu provozu s rozprostřeným spektrem. Hlavní 6 MHz frekvence je modulována pomocí trojúhelníkového signálu s frekvencí 50 kHz. Cílem toho je samozřejmě rozšíření frekvenčního spektra a snížení hladiny rušení, generovaného konvertorem. Modulační frekvence 50 kHz byla zvolena tak, aby byla co nejnižší, ale zároveň byla dostatečně vzdálena od zvukového pásma. Podle teorie, kdy menší modulační frekvence zvyšuje poměr útlumu vyzařování, je modulační frekvence 50 kHz ideální volbou. Velikost rozmítání hlavní (nosné) frekvence 6 MHz byla zvolena na hodnotu +/- 8 %. Osm procent je dostatečná velikost pro dosažení dobré redukce šumu a zároveň dostatečně malá hodnota, aby kvůli ní nedocházelo k ovlivnění maximálního výstupního napětí či jeho zvlnění, které se dostaví při příliš nízké frekvenci. A konečně trojúhelníková modulační technika byla vybrána z důvodu poskytnutí ploššího rozprostřeného spektra ve srovnání s jinými modulačními technikami. Použitím rozprostřeného spektra je možné s obvodem TPS62674 dosáhnout až o 6 dB nižšího vyzařování, spojeného se spínáním proudu do zátěže na 6 MHz nosné frekvenci. Zároveň je třeba podotknout, že účinnost převodníku není technikou rozprostřeného spektra nijak ovlivněna, neboť průměrná pracovní frekvence zůstává beze změny na hodnotě 6 MHz.


Obr. 4: Obrázek spektra výstupního napětí TPS62674 s (modrý průběh) a bez (žlutý průběh) použití rozprostřeného spektra.
Pro každou harmonickou nosné frekvence je možné dosažení útlumu v hodnotě až 6 dB.

TPS62674 je hysterezní převodník, přirozeně pracující s proměnnou spínací frekvencí a funkcí vnitřní smyčky frekvenčního zámku na 6 MHz. Aplikací trojúhelníkové frekvence rozvažování kolem cílové frekvence 6 MHz, však museli inženýři v Texas Instruments vyřešit i několik problémů s tím spojených.

Po připojení SW výstupu snižujícího převodníku na výše popsanou konstrukci lze snadno na libovolném osciloskopu pozorovat dynamické chování TPS62674 v oblasti pracovní frekvence.


Obr. 5: Proud indukčností TPS62674 (zelený průběh) a pracovní frekvence (růžový průběh).
Hodnoty Vpulse a Tpulse jsou voleny s cílem získání nominální hodnoty 2 V při frekvenci 6 MHz (růžový průběh).
Amplituda napětí 480 mV odpovídá frekvenčnímu zdvihu +/- 450 kHz, průměrná hodnota napětí 2 V odpovídá průměrné pracovní frekvenci 6 MHz.

Na posledním obrázku je možné pozorovat, že i přes hysterezní režim provozu, který není přirozeně schopen zaručit konstantní pracovní frekvenci, vykazuje obvod TPS62674 velmi dobrých výsledků. Konstantní frekvence je rozmítána v katalogové hodnotě +/- 8% a to trojúhelníkovým signálem kolem nosné frekvence, minimálně závislé na teplotě a napájecím napětí. Velikost modulace je totiž řízena vnitřně, samotným kontrolním systémem obvodu a je tak neměnná s teplotou a napájecím napětím.

Závěr
Pomocí jednoduché metody, popsané v tomto článku, lze snadno pochopit způsob, jakým pracuje technika rozprostřeného spektra. Navíc je možné její použití i pro základní kontrolu, zda rozptyl frekvence nepřekračuje požadavky dané aplikace. S touto metodou byla rovněž úspěšně potvrzena deklarovaná funkce obvodu TPS62674 – nového zástupce 6 MHz snižujícího konvertoru firmy Texas instruments.

Autor:
Michael Couleur, TI

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Domovská stránka firmy Texas Instruments v českém jazyce
Přehled distributorů

Informace o obvodu TPS62674







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (2):

Zobrazit starší 30 dnů (2)...



Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
MRF24J40MA
MRF24J40MA je certifikovaný 2,4 GHz IEEE 802.15.4 bezdrátový modul transceiveru.
od 345 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007