Измерение фаза петля ноль: Измерение петли фаза-ноль | Заметки электрика

Измерение петли фаза-ноль | Заметки электрика

Уважаемые, посетители!!!

Приветствую Вас на своем ресурсе «Заметки электрика».

В прошлой статье мы узнали с Вами, что такое петля фаза-ноль и для чего нужно проводить измерение сопротивления петли фаза-ноль.

Сегодняшняя статья будет посвящена теме измерения петли фаза-ноль, т.е. разберем пошагово и подробно как самостоятельно произвести измерение. Измерение будем проводить в 2 этапа:

1. Внешний осмотр

Проводим тщательный внешний осмотр:

2. Измерение петли фаза-ноль

Перед измерением необходимо проверить плотность соединения проводов к аппаратам защиты. Если провода не протянуты — то смысла измерения нет, т.к. полученные показатели получатся не достоверными.

Цель  — это выяснить соответствие номинального тока аппаратов защиты и сечение проводов измеряемой цепи.

Замер петли фаза-ноль производим на самой удаленной точке измеряемой линии.

Если же проблематично определить самую дальнюю точку линии, то проводим измерение по всем точкам этой линии.

Измеренные величины записываем в блокнот.

Методика измерения петли фаза-ноль. Как провести замер?

 Существует несколько методов измерения:

• метод падения напряжения в отключенной цепи

• метод падения напряжения на нагрузочном сопротивлении

• метод короткого замыкания цепи

Наша электролаборатория использует для измерения петли фаза-ноль электроизмерительный прибор MZC-300 от фирмы Sonel, который работает по методу падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. Этот метод рекомендуется к использованию ГОСТом  50571.16-99 (приложение D1).

Данный метод измерения я считаю более удобным, а главное безопасным. 

Измерение в рабочей цепи А (L1) — N

Измерение в защитной цепи А (L1) — PE

Проверка защиты от замыкания на корпус электрооборудования в системе заземления TN

Проверка защиты от замыкания на корпус электрооборудования в системе заземления TT

Более подробно видах систем заземления читайте в статьях:  TN-C, TN-C-S, TN-S и TT.

Измерение сопротивления петли мы проводим на электроустановке, которая находится под напряжением.

Как пользоваться прибором MZC-300, более подробно, можно узнать в руководстве по эксплуатации данного прибора.

Периодичность проведения измерений

Согласно нормативно-технического документа ПТЭЭП, измерение петли фаза-ноль проводится с определенной периодичностью, установленной системой ППР организации. Система ППР, включающая в себя циклы текущих и капитальных ремонтов электрооборудования,  утверждается техническим руководителем организации.

Для электроустановок во взрывоопасных зонах, не менее 1 раза в 2 года.

При отказе устройств защиты электроустановок должны выполняться внеплановые электрические измерения.

Как сделать заключение?

Выполнив замер петли фаза-ноль по вышеприведенным  схемам, на дисплее прибора отразится величина однофазного тока короткого замыкания.

Это значение сравниваем по время-токовым характеристикам с током срабатывания расцепителя автоматического выключателя или с плавкой вставкой предохранителя, и делаем соответствующее заключение.

Чтобы сделать правильное и верное заключение необходимо внимательно прочитать выдержки из ПТЭЭП и ПУЭ 7 издания. Я их совместил для Вашего удобства в одну картинку.

(для увеличения нажмите на картинку)

Для более наглядного представления, как сделать правильное заключение при измерении ПФО, приведу Вам пример из личного опыта.

Пример:

Производили замер петли фаза-ноль в помещении библиотеки. Измеряемая линия питается от силовой сборки ЩС автоматическим выключателем с номинальным током 16 (А) и характеристикой С (подробнее о всех видах характеристиках).

Как я уже говорил в статье, измерение проводим на самой отдаленной точке этой линии, в нашем случае это розетка, расположенная в самом дальнем углу библиотеки.

Электроснабжение библиотеки выполнено системой заземления TN-C. Поэтому измерение производим в рабочей цепи (фаза — ноль).

Измеренный ток однофазного короткого замыкания, который показал нам прибор, составлял 87 (А).

Внимательно читаем информацию, приведенную на картинке выше.

В данном примере воспользуюсь пунктом из ПТЭЭП. Т.е. ток однофазного замыкания должен быть не менее, чем 1,1 * 16 * 10 = 176 (А). А у нас ток получился 87 (А) —  условие не выполняется.

При токе 87 (А) электромагнитная защита автоматического выключателя не сработает, а сработает тепловая защита, выдержка времени которой составит несколько секунд (больше, чем 0,4 секунды — ПУЭ). За это время есть большой риск возникновения воспламенения или пожара электропроводки.

Вывод:

В моем примере условие не удовлетворяет требованиям ПТЭЭП и ПУЭ. Поэтому необходимо:

• увеличить сечение проводов, измеряемой линии (при увеличении сечения провода уменьшается его сопротивление, а значит и увеличится ток однофазного замыкания, который пройдет по нашим условиям)
• установить автоматический выключатель с меньшим номинальным током (при уменьшении номинала автомата мы тем самым жертвуем мощностью линии)

Форма протокола измерения петли фаза-ноль

Самым последним этапом является занесение величин измерений в протокол.

(для увеличения нажмите на картинку)

(для увеличения нажмите на картинку)

P.S. Если у Вас в процессе изучения материала появились какие-нибудь вопросы, то смело задавайте их в комментариях. А сейчас смотрите видеоролик про «Измерение петли фаза-ноль в мастерской», который я приготовил специально для Вас. 

Если статья была Вам полезна, то поделитесь ей со своими друзьями:

Методика измерения петли Фаза-Ноль — Электролаборатория

1. Цель проведения измерения.

       Измерение сопротивления петли  “фаза-нуль” проводится с целью проверки срабатывания защиты электрооборудования и отключения аварийного участка при замыкании фазы на корпус. По измеренному полному сопротивлению петли  “фаза-нуль” определяется ток однофазного короткого замыкания. Полученная расчетом величина тока сравнивает с номинальным током защитного аппарата.

2.Меры безопасности.

Пред началом работ необходимо:

• Получить наряд (разрешение) на производство работ
• Подготовить рабочее место в соответствии с характером работы: убедиться в достаточности принятых мер безопасности со стороны допускающего (при работах по наряду), либо принять все меры безопасности самостоятельно (при работах по распоряжению).
• Подготовить необходимый инструмент и приборы.
• При выполнении работ действовать в соответствии с программами (методиками) по испытанию электрооборудования типовыми или на конкретное присоединение.
• При окончании работ на электрооборудовании убрать рабочее место, восстановив нарушенные в процессе работы коммутационные соединения (если таковое имело место).
• Сдать наряд (сообщить об окончании работ руководителю или оперативному персоналу).
• Оформить протокол на проведённые работы

Измерения сопротивления петли «фаза – нуль» необходимо производить, пользуясь диэлектрическими перчатками, предварительно необходимо обесточить испытуемую цепь. Только после отключения напряжения необходимо проводить подключение прибора с последующей подачей напряжения и проведением измерения.

3.Нормируемые величины.

      Измерения сопротивления петли “фаза-нуль” проводится в сроки, устанавливаемые графиком планово-предупредительного ремонта (ППР). По сопротивлению петли “ фаза-нуль”  Z_фо (Ом) ток короткого замыкания I_кз (А) определяется по формуле  I_кз=U_ср/Z_фо

      где U_ср — среднее значение питающего напряжения, В.

      В электроустановках до 1кВ с глухим заземленной нейтралью с целью обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость фазных и нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой защитный проводник возникал ток КЗ, превышающий не менее чем:

• в 3 раза номинальный ток плавкого элемента ближайшего предохранителя;
• в 3 раза номинальный ток нерегулируемого расцепителя или уставку тока регулируемого расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратно зависимую от тока характеристику.

    При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель (отсечку), проводимость указанных проводников должна обеспечивать ток не ниже уставки тока мгновенного срабатывания, умноженной на коэффициент, учитывающий разброс(по заводским данным), и на коэффициент запаса 1,1.

4.Определяемые характеристики.

Согласно ПУЭ в электроустановках до 1000В с глухозаземлённой нейтралью с целью обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость фазных и нулевых рабочих и нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой проводник возникал ток короткого замыкания, который обеспечивает время автоматического отключения питания не превышающего значений, указанных в табл. 1.7.1.

Таблица 1.7.1 Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN

Приведенные значения времени отключения считаются достаточными для обеспечения электробезопасности, в том числе в групповых цепях, питающих передвижные и переносные электроприемники и ручной электроинструмент класса 1. В цепях, питающих распределительные, групповые, этажные и др. щиты и щитки, время отключения не должно превышать 5 с.

Допускаются значения времени отключения более указанных в табл. 1.7.1, но не более 5 с в цепях, питающих только стационарные электроприемники от распределительных щитов или щитков при выполнении одного из следующих условий:

1) полное сопротивление, защитного проводника между главной заземляющей шиной и распределительным щитом или щитком не превышает значения, Ом:

50=Zц/U0,

где Zц — полное сопротивление цепи «фаза-нуль», Ом;

U₀ — номинальное фазное напряжение цепи, В;

50 — падение напряжения на участке защитного проводника между главной заземляющей шиной и распределительным щитом или щитком, В;

2) к шине РЕ распределительного щита или щитка присоединена дополнительная система уравнивания потенциалов, охватывающая те же сторонние проводящие части, что и основная система уравнивания потенциалов.

Допускается применение УЗО, реагирующих на дифференциальный ток.

А также ток возникающий при однофазном КЗ во взрывоопасных зонах должен превышать:

В 6 раз номинальный ток автоматического выключателя с обратнозависимой характеристикой

во взрывоопасном помещении.

В 4 раза номинальный ток плавкой вставки во взрывоопасном помещении

При защите автоматическими выключателями имеющими только электромагнитный расцепитель время отключения должно соответствовать данным таблицы 1.7.1

Для расчёта тока однофазного КЗ по результатам измерения сопротивления петли «фаза–нуль» используют следующую формулу:

Z = U / I,

где Z— сопротивление петли «фаза—нуль», Ом;

U — измеренное испытательное напряжение, В ;

I — измеренный испытательный ток, А..

По рассчитанному току однофазного КЗ определяют пригодность аппарата защиты установленного в цепи питания электроприёмника.

В системе IT время автоматического отключения питания при двойном замыкании на открытые проводящие части должно соответствовать табл. 1.7.2.

Таблица 1.7.2 Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы IT

Для определения времени отключения аппарата защиты после измерения сопротивления петли «фаза-нуль» и расчёта тока однофазного КЗ необходимо использовать время-токовые характеристики данного аппарата (смотри «Методику проведения испытаний автоматических выключателей и аппаратов управления напряжением 0,4кВ»).

5.Условия испытаний и измерений

Измерение сопротивления петли «фаза – нуль» следует производить при положительной температуре окружающего воздуха, в сухую, спокойную погоду. Атмосферное давление особого влияние на качество проводимых испытаний не оказывает, но фиксируется для занесения данных в протокол.

Влияние нагрева проводников на результаты измерений:

а) Рассмотрение повышения сопротивления проводников, вызванного повышением температуры.

Когда измерения проведены при комнатной температуре и малых токах, чтобы принять в расчет повышение сопротивления проводников в связи с повышением температуры, вызванного током замыкания, и убедиться для системы TN в соответствии измеренной величины сопротивления петли «фаза—нуль» требованиям таблицы 1.7.1, может быть применена нижеприведенная методика.

Считают, что требования таблицы 1.7.1 выполнимы, если петля «фаза—нуль» удовлетворяет следующему уравнению

                       Z _S(m)≤ 2U₀ / 3Ia,                       

Где Z_S(m) — измеренная величина сопротивления петли «фаза—нуль», Ом;

U₀ — фазное напряжение. В;

Ia — ток, вызывающий автоматическое срабатывание аппаратов защиты в течение времени, указанного в таблице 1.7.1., или в течение 5 с для стационарных электроприёмников

Если измеренная величина сопротивления петли «фаза—нуль» превышает 2 U₀/3Iа, более точную оценку соответствия требованиям таблицы 1.7.1 можно сделать путем измерения величины сопротивления петли «фаза—нуль» в следующей последовательности:

— сначала измеряют сопротивление петли «фаза—нуль» источника питания на вводе электроустановки Ze;

— измеряют сопротивление фазного и защитного проводников сети от ввода до распределительного пункта или щита управления;

— измеряют сопротивление фазного и защитного проводников от распределительного пункта или щита управления до электроприемника;

— величины сопротивлений фазного и нулевого защитного проводников увеличивают для учета повышения температуры проводников при протекании по ним тока замыкания. При этом необходимо учитывать величину тока срабатывания аппаратов защиты;

— эти увеличенные значения сопротивления добавляют к величине сопротивления петли «фаза—нуль» источника питания Ze и в результате получают реальную величину ZS в условиях замыкания.

6. Применяемые приборы, инструменты и аппараты.

      Измерения проводятся специальным приборами типа EurotestXE 2,5 кВ MI 3102H, позволяющим определять полное сопротивление петли “фаза-нуль” при наличии напряжения на источнике питания в электроустановках напряжением 380 В с глухозаземленной нейтралью питающего трансформатора. Во время работы применяют инструмент с изолированными ручками и индикатор напряжения.

7. Методика проведения измерения.

      7.1 Полное сопротивление контура и предполагаемый ток короткого замыкания

В данной функции доступны две подфункции измерения полного сопротивления контура: Подфункция Z LOOP применяется для измерения полного сопротивления контура в системах питания без встроенного УЗО. Подфункция Zs (узо) – функция блокировки срабатывания УЗО – применяется для измерения полного сопротивления контура в системах питания со встроенным УЗО.

7.1.1. Полное сопротивление контура

Полное сопротивление контура представляет собой полное сопротивление контура  повреждения при возникновении короткого замыкания на открытых проводящих частях (замыкание между фазным проводником и защитным проводником заземления).

7.1.2. Порядок проведения измерения полного сопротивления контура

Шаг 1.  С помощью переключателя функций выберите функцию Контур. Используя кнопки, выберите подфункцию полного сопротивления контура Z LOOP. Подключите измерительный кабель к прибору EurotestХЕ 2,5 кВ.

Шаг 2. Установите следующие параметры измерения:

􀂉 Тип предохранителя,

􀂉 Номинальный ток предохранителя,

􀂉 Время срабатывания предохранителя,

􀂉 Масштабный коэффициент IPSC

Шаг 3. Для измерения полного сопротивления контура подключите прибор к испытываемому объекту в соответствии со схемой соединения, приведенной на рисунке 1.

Рисунок 1: Подключение измерительного кабеля с вилкой и 3-проводного измерительного кабеля

Шаг 4.  Перед началом измерения проверьте отображаемые на дисплее предупреждения и оперативное напряжение / выходной монитор. Если измерение разрешено, нажмите кнопку TEST. После завершения измерения на дисплее отображаются результаты измерений и оценка результата.

Отображаемые результаты:

Z ………….Полное сопротивление контура,

ISC ………..Предполагаемый ток короткого замыкания,

Lim ………Минимальный предел предполагаемого тока короткого замыкания (если применяется).

Примечания:

􀂉 Измерительные выводы L и N автоматически заменяются в следующих случаях: если измерительные провода L/L1 и N/L2 (3-проводный измерительный кабель) подключены в обратном порядке, если выходы сетевой вилки перепутаны или если щуп «commander» перевернут.

􀂉 Минимальный предел тока короткого замыкания зависит от типа предохранителя, номинального тока и времени срабатывания предохранителя, а также от масштабного коэффициента IPSC.

􀂉 Указанная погрешность измеренных параметров действительна только тогда, когда сетевое напряжение стабильно во время измерений. 􀂉 Измерение полного сопротивления контура в подфункции Z LOOP приводит к срабатыванию УЗО.

7.1.3. Функция блокировки срабатывания УЗО

В данной подфункции Zs (узо) измерение полного сопротивления контура не вызывает срабатывания УЗО, благодаря низкому измерительному току. Данная подфункция также может применяться для измерения полного сопротивления контура в электроустановках, оснащенных УЗО с номинальным током срабатывания 10 мA.

7.1.4. Порядок проведения измерения полного сопротивления контура в функции блокировки срабатывания УЗО

Шаг 1. С помощью переключателя функций выберите функцию Контур. Используя кнопки, выберите подфункцию блокировки срабатывания УЗО Zs (узо). Подключите измерительный кабель к прибору EurotestХЕ 2,5 кВ.

Шаг 2. Установите следующие параметры измерения:

􀂉 Тип предохранителя,

􀂉 Номинальный ток предохранителя,

􀂉 Время срабатывания предохранителя,

􀂉 Масштабный коэффициент IPSC

Шаг 3. Для измерения полного сопротивления контура в функции блокировки срабатывания УЗО подключите прибор к испытываемому объекту в соответствии со схемой соединения, приведенной на рисунке 1. При необходимости воспользуйтесь меню помощи.

Шаг 4.  Перед началом измерения проверьте отображаемые на дисплее предупреждения и оперативное напряжение / выходной монитор. Если измерение разрешено, нажмите кнопку TEST. После завершения измерения на дисплее отображаются результаты измерений и оценка

результата.

Отображаемые результаты:

Z ………….Полное сопротивление контура,

ISC ………..Предполагаемый ток короткого замыкания,

Lim ………Минимальный предел предполагаемого тока короткого замыкания (если применяется). Сохраните отображенные результаты с целью дальнейшего документирования.

Примечания:

􀂉 При проведении измерения полного сопротивления контура в функции блокировки срабатывания УЗО, срабатывания УЗО, как правило, не происходит. Однако срабатывание УЗО может произойти вследствие протекания тока утечки по РЕ-проводнику или в случае наличия емкостного соединения между фазным и защитным проводниками.

􀂉Указанная погрешность измеренных параметров действительна только тогда, когда сетевое напряжение стабильно во время измерений.

7.2. Полное сопротивление линии и предполагаемый ток короткого замыкания

Полное сопротивление линии – это полное сопротивление токовой петли при возникновении короткого замыкания между фазным и нулевым проводниками в однофазной системе или между двумя фазными проводниками в трехфазной системе.

7.2.1Порядок проведения измерения полного сопротивления линии

Шаг 1. С помощью переключателя функций выберите функцию Линия.

Подключите измерительный кабель к прибору EurotestХЕ 2,5 кВ.

Шаг 2. Установите следующие параметры измерения:

􀂉 Тип предохранителя,

􀂉 Номинальный ток предохранителя,

􀂉 Время срабатывания предохранителя,

􀂉 Масштабный коэффициент IPSC

Шаг 3.Для измерения сопротивления линии фаза – фаза или фаза – нейтраль подключите прибор к испытываемому объекту согласно схеме соединений, приведенной на рисунке 2.

Рисунок 2: Подключение измерительного кабеля с вилкой или 3-проводного измерительного кабеля при измерении полного сопротивления линии

Шаг 4 Перед началом измерения проверьте отображаемые на дисплее предупреждения и оперативное напряжение / выходной монитор. Если измерение разрешено, нажмите кнопку TEST. После завершения измерения на дисплее отображаются результаты измерений и оценка результата

Отображаемые результаты:

Z ………….Полное сопротивление линии,

ISC ………..Предполагаемый ток короткого замыкания,

Lim ………Минимальный предел предполагаемого тока короткого

замыкания (если применяется).

Примечания:

􀂉 Минимальный предел тока короткого замыкания зависит от типа предохранителя, номинального тока и времени срабатывания предохранителя, а также от масштабного коэффициента IPSC.

􀂉 Указанная погрешность измеренных параметров действительна только тогда, когда сетевое напряжение стабильно во время измерений.

 8.Оформление результатов измерений.

Первичные записи рабочей тетради должны содержать следующие данные:

-дату измерений

-температуру,

-влажность и давление

-наименование, тип, заводской номер оборудования

-номинальные данные объекта испытаний

-результаты испытаний

-используемую схему

Если время срабатывания автоматического выключателя должно быть не более 5 с, то в этом случае считаем, что наиболее вероятно срабатывание обратнозависимого расцепителя, поэтому для определения зоны срабатывания необходимо пользоваться индивидуальной время-токовой характеристикой конкретного автоматического выключателя. На рисунке 5 индивидуальная время-токовая характеристика построена черной линией, принципы построения данной индивидуальной характеристики описаны в «Методике проведения испытаний автоматических выключателей и аппаратов управления напряжением 0,4кВ». При работе с время токовой характеристикой автоматических выключателей промышленного исполнения уставка электромагнитного расцепителя считается основой для определения времени срабатывания. Соответственно при величине однофазного тока КЗ, превышающем уставку электромагнитного расцепителя, считаем, что автоматический выключатель отключится за время меньше 0,4 с. Для определения тока однофазного КЗ при котором автоматический выключатель отключится с временем не более 5 с необходимо, как и в первом случае, пользоваться индивидуальной время-токовой характеристикой для конкретного автоматического выключателя. Цепи с применением УЗО в качестве дополнительных защитных устройств также необходимо проверять на соответствие полного сопротивления петли «фаза-нуль» и времени срабатывания защитных аппаратов, реагирующих на сверхток.

Измерение полного сопротивления петли «фаза-нуль»

Такой тип электроизмерительных работ используется для того, чтобы установить соответствие существующей электросети требованиям безопасности на случай аварийных ситуаций. С помощью специальных приборов мастера электролаборатории производят контроль срабатывания автоматической защиты в момент возникновения неисправностей, а также рассчитывают полное сопротивление, которое оказывает петля фаза ноль, при однофазном коротком замыкании.

Предприятия и организации должны регулярно проводить подобные работы, так как согласно существующим ГОСТ измерение петли фаза ноль является одним из обязательных пунктов контроля состояния электрооборудования. Частные лица могут  осуществлять замер петли фаза ноль при возникновении проблем в домашней электросети или в профилактических целях. Ведь при наличии неисправностей в цепи, простое короткое замыкание приводит к таким серьезным последствиям как поломка электротехники и возникновение пожароопасной ситуации.

Существует несколько способов высчитать полное сопротивление петли фаза нуль. В одном из них используются амперметр и вольтметр. Специалисты искусственно воссоздают ситуацию однофазного короткого замыкания и самостоятельно производят все необходимые вычисления. Такой метод работы требует большого количества времени и отключения электросети, поэтому он считается устаревшим и малоэффективным.

Наши мастера производят измерение сопротивления петли фаза ноль с помощью высокоточного прибора. Он создан специально для осуществления электроизмерительных работ электроустановок, в которых из-за реактивного сопротивления существует большой уровень погрешности. Именно поэтому показания характеризуются высочайшей точностью. Используя этот прибор, мы можем в короткий срок произвести все необходимые измерения и испытания, которые впоследствии вносятся в протокол сопротивления петли фаза ноль. При этом нет необходимости отключать электроснабжение и электрозащитные установки, все измерения осуществляются в рабочем режиме, под напряжением.

Проверка петли фаза ноль производится в соответствии с техническим регламентом электроизмерений, требованиями безопасности при проведении электроизмерительных работ, а также с учетом специфических особенностей электроустановки. По завершению всех требуемых измерений специалисты составляют протокол петля фаза ноль.

Проверка цепи петля фаза-нуль | Электролаборатория ТМ Энерго

Проверка Сопротивления петли фаза-нуль

Протокол отражает проверку автоматического отключения питания путем измерения тока однофазного короткого замыкания. Основной документ для сравнения результатов измерений – это ПУЭ п. 1.7.79 (7–е изд.), а также ГОСТ Р 50030.2-99 и ГОСТ Р 50345-99. Измерение сопротивления петли «фаза-нуль» и токов однофазных замыканий проводится с целью проверки надежности срабатывания аппаратов защиты от сверхтоков при замыкании фазного проводника на открытые проводящие части.

Схема проверки цепи петля «фаза-нуль»

Проверка сопротивления петли фаза-нуль, надежности и быстроты отключения поврежденного участка сети состоит в следующем: Определяется ток короткого замыкания на корпус Iкз. Этот ток сопоставляется с расчетным током срабатывания защиты испытуемого участка сети. Если возможный в данном участке сети ток аварийного режима превышает ток срабатывания защиты с достаточной кратностью, надежность отключения считается обеспеченной. Ток короткого замыкания Iкз — это отношение номинального напряжения сети к полному сопротивлению петли «фаза-нуль». Iкз сравнивается с нормами ПТЭЭП.

Проверка цепи петля Фаза-нуль

Основной документ для сравнения результатов измерений – это ПУЭ п. 1.7.79 (7–е изд.), а также ГОСТ Р 50030.2-99 и ГОСТ Р 50345-99. Измерение сопротивления петли «фаза-нуль» и токов однофазных замыканий проводится с целью проверки надежности срабатывания аппаратов защиты от сверхтоков при замыкании фазного проводника на открытые проводящие части.

При коротком замыкании, в линии возникает мгновенное увеличение силы тока протекающего в цепи, это в свою очередь приводит к превращению электрической энергии в тепловую, которая способна нагреть жилы кабеля и в результате чего произойдет оплавление и возгорание изоляционной оболочки кабеля. Для защиты линии от короткого замыкания и защиты электрооборудования, подключенного к этой линии, устанавливается автоматический выключатель. Автоматические выключатели имеют тепловой и электромагнитный расцепители. Тепловой расцепитель предназначен для защиты электрооборудования от перегрузки по току и срабатывает при превышении номинального тока автоматического выключателя не более чем в 3 раза. Электромагнитный расцепитель срабатывает, если протекающий ток короткого замыкания аварийного режима превышает ток срабатывания автоматического выключателя с достаточной кратностью которая указывается в паспорте и на самом автоматическом выключателе. Таким образом предназначение автоматического выключателя – это защита от перегрузок и коротких замыканий.

Проверка надежности и быстроты отключения поврежденного участка сети состоит в следующем: Определяется ток короткого замыкания фазного проводника на корпус Iкз. Этот ток сопоставляется с расчетным током срабатывания защиты испытуемого участка сети. Если возможный в данном участке сети ток аварийного режима превышает ток срабатывания защиты с достаточной кратностью, надежность отключения считается обеспеченной. Ток короткого замыкания Iкз — это отношение номинального напряжения сети к полному сопротивлению петли «фаза-нуль». То есть измерение петли фаза-нуль показывает полное сопротивление всего участка цепи от точки измерения до нулевой точки источника питания при замыкании фазы на нуль.

Специалисты электролаборатории ООО «ТМ Энерго» тщательно подходят к проверке сопротивления петли фаза-нуль, т.к. это один из основных показателей который определяет защищенность линий, надежного срабатывания защиты и безопасность электроустановки. При измерении петли «фаза-нуль» измеренные токи короткого замыкания обязательно должны превышать токи срабатывания электромагнитных расцепителей автоматических выключателей, тем самым обеспечивая надежную защиту линий. Если, например при коротком замыкании завышены номиналы автоматических выключателей по отношению к сечениям отходящих кабельных линий, тока короткого замыкания в линии может не хватить для срабатывания защиты или если даже номиналы автоматических выключателей не завышены по отношению к сечению проводников, но участок кабельной линии слишком длинный, то автоматический выключатель так же может не сработать или сработать за время большее, чем регламентированное, в таком случае может произойти оплавление проводов и возгорание в этой линии. Чтобы этого не допустить и нужно тщательно подходить к этому виду измерений.

Все измеренные значения токов короткого замыкания и сопротивления цепи «фаза-нуль» сравниваются с токами срабатывания электромагнитных расцепителей автоматических выключателей и заносятся в протокол проверки цепи петля «Фаза-нуль». В конце протокола дается заключение о соответствии измеренных результатов требованиям соответствующих нормативных документов.

Измерение полного сопротивления петли «фаза-нуль»

Электролаборатория

Измерение полного сопротивления петли «фаза-нуль» (тока однофазного короткого замыкания) в установках напряжением до 1000В с глухозаземленной нейтралью.

В электроустановках напряжением ниже 1000В с глухозаземлённой и изолированной нейтралью защита участков сети осуществляется автоматическими выключателями реагирующими на сверхток, как основной параметр аварийного состояния электроустановки (ГОСТ Р50571-2, ПУЭ). В электроустановках с изолированной нейтралью участки сети могут дополнительно защищаться устройствами защитного отключения (УЗО), реагирующими на сверхток, устройствами контроля изоляции и т.п. В электроустановках с глухозаземлённой нейтралью УЗО также могут применяться для защиты розеточных групп зданий, при условии, что к этим розеткам могут быть подключены переносные электроприборы.

Для проверки временных параметров срабатывания защитных устройств реагирующих на сверхток (автоматических выключателей) проводится измерение полного сопротивления петли «фаза-нуль» или токов однофазных замыканий. Работа устройств защитного отключения проверяется другим образом.

Полное сопротивление петли «фаза-нуль», и, соответственно, ток однофазного замыкания будет зависеть в основном от нескольких факторов: характеристик силового трансформатора, сечения фазных и нулевых жил питающего кабеля или ВЛ и контактных соединений в цепи. Проводимость фазных и нулевых проводников на практике можно не только определить, но и изменить, кроме того, расчётное определение проводимости, в стадии проектирования электроустановки может исключить множество проектных ошибок.

Главной целью измерения полного сопротивления петли «фаза-нуль» (тока однофазного короткого замыкания) является определение соответствия номинального тока аппаратов защиты требуемым стандартам. Вторичная цель – это выяснение сечения проводов данной цепи. В большинстве случаев замеры петли «фаза-ноль» осуществляются на самых удаленных точках электрооборудования текущего участка.

В электроустановках напряжением до 1000В с глухозаземленной нейтралью

В электроустановках напряжением до 1000В с глухозаземленной нейтралью безопасность работы оборудования обеспечивается отключением поврежденного участка с как можно более меньшим временем при пробое на корпус. Когда фазный провод замыкается на нулевой провод, соединенный с нейтралью, например, трансформатора или генератора, то это образует контур, который принято называть петлей «фаза-ноль».

Периодичность измерения полного сопротивления петли фаза-ноль в электроустановках напряжением до 1000В с глухозаземленной нейтралью определяется общим состоянием оборудования и условиями эксплуатации. Рекомендуется проводить данные испытания при ремонте. Наиболее эффективна проверка примерно 1 или 2 раза в год. Любая проверка – плановая или внеплановая – будет всегда актуальной, поэтому не стоит пренебрегать этим, ведь от этого может зависеть не только работоспособность оборудования и системы электроснабжения в целом, но и жизни людей. Частые проверки – это гарантия того, что короткое замыкание не случится и не вызовет пожар, последствия которого могут быть самыми плачевными.

Для измерения петли «фаза-нуль» используют несколько методов

Для измерения петли «фаза-нуль» используют несколько методов, однако самым популярным и наиболее эффективным является метод падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. Этот метод весьма отличается безопасностью и быстротой осуществления. Каждый наш клиент в лице частного лица или коммерческой организации желает, чтобы его электрооборудование работало максимально надежно и эксплуатировалось без сбоев. Это особо актуально для случаев короткого замыкания или скачков напряжения в сети, приводящим к перегрузкам. Необходимо, чтобы в таких ситуациях, от которых, к сожалению, никто не застрахован на 100 процентов, мгновенно срабатывали системы защиты, которые защищают оборудование и проводку от выхода из строя.

Нужно проводить своевременные измерения и диагностики всей системы

Самое главное – это, чтобы каждый работник вашего предприятия был максимально защищен, что также в большой степени зависит от таких систем автоматического срабатывания. Практически все аварии происходят от того, что электрическая сеть неисправна или часть ее необходимо заменить, чтобы продлить срок службы и исключить любые аварийные ситуации. Нужно проводить своевременные измерения и диагностики всей системы в целом и каждого ее модуля. Одним из таких измерений является замер полного сопротивления петли «фаза – нуль». Измерения сопротивления цепи «фаза-нуль» необходимо осуществлять с частотой, предписанной системой планово-предупредительного ремонта (ППР).

Согласно ПТЭЭП, проверка петли «фаза-нуль» проводится при:

• • Ремонте;
• • В обязательном порядке не менее одного раза в два года;
• • Отказе устройств защиты.

Измерение сопротивления петли фаза-ноль в Туле

Наша электротехническая лаборатория выполняет измерение петли фаза-ноль высоковольтных выключателей, а также другие работы по проверке, наладке и запуску электрооборудования. Мы предлагаем комплекс услуг по диагностике электроустановок во время приёмо-сдаточных и проверочных испытаний, гарантируем высокую точность и качество измерений.

Главное назначение этого тестирования – это определение того, как поведет себя защитная автоматика при коротком замыкании в сети. Это нештатная ситуация, возникает при повреждении кабеля или его изоляции.

Если электрическое оборудование имеет заземленную нейтраль, то его нулевой и защитный проводники связаны нейтральной линией в трансформаторе. Все это соответственно соединено с контуром заземления. Контур же, образованный полученным соединением и фазным проводником и называется петля фаза – ноль. Измерение петли фаза ноль, должно показать время, за которое сработают автоматы защиты электрического оборудования.

Мы выполняем измерение сопротивления петли «фаза-ноль» на основе действующего свидетельства о регистрации электролаборатории, с учетом действующих нормативных документов: Правил Устройства Электроустановок, Правил Технической Эксплуатации Электроустановок Потребителей, ГОСТ и других.

На основании проделанных работ, наши специалисты составляют протокол и технический отчет. Мы предоставляем заказчикам выводы относительно проведенных измерений, рекомендации насчет дальнейшей эксплуатации и устранения неполадок.

Определение полного сопротивление петли «фаза-нуль»

Проверка сопротивления петли «фаза-нуль» необходимо для надежной защиты электроустановки в случае возникновения аварийных режимов. Электроустановки до 1000В, имеющие глухозаземленную нейтраль, в момент различных повреждений, сохраняются в рабочем состоянии с помощью отключения поврежденного участка с минимальным по времени показателем. При возникновении аварийного режима между фазным и, соединенным с нейтралью генератора, нулевым проводами образуется токопроводящий контур, который состоит из цепи фазного и нулевого проводников. Такую цепь называют петля «фаза-нуль».

Межфазное короткое замыкание имеет большую силу тока, чем однофазное. Сопротивление петли «фаза-нуль» должно быть максимально маленьким, именно в этом случае ток короткого замыкания петли будет наибольшим и защита сработает максимально быстро. Процесс измерения петли «фаза-нуль» необходим для того, чтобы определить время срабатывания защитных устройств в зависимости от их характеристик.

Характеристики, влияющие на сопротивление

Необходимо учитывать, что на сопротивление петли фаза-ноль влияют сразу несколько факторов:

• Длина линии;
• Сечение проводников;
• Способ соединения участков;
• Количество контактных соединений;
• Качество прокладки линии;
• Характеристики силового трансформатора.

Измерение фазы-ноль проводится в два шага:

1. Тщательный внешний осмотр:

   • Сечений отходящих линий;
   • Силовых щитов и сборок на наличие механических повреждений;
   • Автоматических выключателей и предохранителей.





2. Сам процесс измерения:

   • Замер производим на самой удаленной точке линии;
   • Составление заключения по итогам проверки.

Проверка соответствия группового автомата производится измерение петли фаза-ноль в самой удаленной точке. Поскольку чем длиннее линия электропередач, тем больше ее сопротивление, а значит ток короткого замыкания будет на конце этой электропроводки. Основная цель измерения узнать сработает защитный автомат во время короткого замыкания или нет.

Любительскими приборами измерить петлю фаза-ноль практически невозможно из-за больших величин и погрешности. Для точных измерений используют приборы повышенного класса точности. Они требуют специальных навыков и умений. Также прибор необходимо регулярно проверять в метрологической службе. Поэтому данную работу лучше доверить профессионалам. Специалисты нашей компании смогут провести измерение петли фаза-ноль по Туле и области.

Электробезопасность — Измерение цепи фаза-нуль

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПИ ФАЗА-НУЛЬ, ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ

Петлёй «ФАЗА-НУЛЬ» принято называть цепь, состоящую из фазы трансформатора и проводников — нулевого и фазного.
По измеренному полному сопротивлению петли «ФАЗА-НУЛЬ» производится расчет тока однофазного короткого замыкания. Основной целью является проверка временных параметров срабатывания аппаратов защиты от cверхтоков при замыкании фазы на корпус. Данная проверка так же подверждает непрерывность PE цепи. Время срабатывания аппаратов защиты должно удовлетворять требованиям п.1.7.79 ПУЭ.
Надёжность срабатывания защиты от сверхтоков является одним из основных требований как при проектировании, так и при монтаже и требует расчетной и натурной проверки.

Поскольку речь идёт о замыкании на корпус, то под нулевым проводником мы понимаем совокупность защитных (PE) и защитно-рабочих (PEN) проводников от «корпуса» до трансформатора. Таким образом, проверка петли «ФАЗА-НУЛЬ» позволяет оценить и качество защитной цепи.

ИЗМЕРЕНИЯ

Существует несколько методик измерения сопротивления петли «ФАЗА-НУЛЬ» и токов короткого замыкания, как с отключением напряжения линии, так и без.
В настоящее время в основном применяются современные микропроцессорные измерительные приборы, реализующие методику измерения полного сопротивления петли «ФАЗА-НУЛЬ» без отключения напряжения, и автоматического расчета тока короткого замыкания на основании значения сопротивления петли. Применение данных приборов упрощает процесс испытаний. Кроме того, испытания оказываются более щадящими по отношению к испытываемым линиям и аппаратам защиты. Некоторые из этих приборов позволяют проводить измерения без искючения из испытываемой линии УЗО и не вызывают их срабатывания, что представляется достаточно важным и удобным, поскольку измерения проводятся между фазным проводником и нулевым защитным проводником. Измерения проводятся на концах проводников, защищаемых аппаратами защиты от сверхтока.

Результаты измерений оформляются протоколом установленного образца.

Перед проведением измерений петли «ФАЗА-НУЛЬ» рекомендуется провести измерение сопротивлений защитных проводников, проверку их непрерывности (проверка металлосвязи, проверка заземления).

УСТРАНЕНИЕ ДЕФЕКТОВ

Если при проведении измерений петли «ФАЗА-НУЛЬ» в действующей электроустановке получены неудовлетворительные результаты, то требуется срочное устранение дефекта. Как правило, бывает достаточно заменить аппарат защиты от сверхтоков на другой, с более подходящими характеристиками. Но иногда требуется замена существующего кабеля на кабель с другим сечением жил. Подобные случаи, как правило, сложнее с точки зрения монтажа.

РАСЧЁТ ПЕТЛИ «ФАЗА-НУЛЬ»

С целью своевременного согласования параметров кабельных линий и аппаратов защиты от сверхтоков необходимо производить расчёты петли «ФАЗА-НУЛЬ» на стадии проектных работ. Подобные расчеты удобно проводить в комплексе: мощность нагрузки; cos φ; длина кабельной линии; сечение жилы; вид монтажа; падение напряжения на линии; расчетное полное сопротивление петли; прогнозируемый ток короткого замыкания; номинальный ток аппарата защиты; характеристика аппарата защиты. Расчет петли «ФАЗА-НУЛЬ» является одним из наиболее сложных, поскольку требует принятия во внимание ряда трудно учитываемых параметров.

ВРЕМЯ-ТОКОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Согласно ГОСТа Р 50345-99, п.3.5.17 — это наименьшая величина тока, при котором автоматический выключатель сработает (отключится) без выдержки времени, т.е. его электромагнитная защита.

В этом же ГОСТе Р 50345-99, п.5.3.5., говорится, что всего существует три стандартные характеристики (типы мгновенного расцепления):

B — от 3·In до 5·In
C — от 5·In до 10·In
D — от 10·In до 20·In (встречаются от 10·In до 50·In)
In – номинальный ток автоматического выключателя.

Рассмотрим каждый вид характеристики на примере модульного автоматического выключателя ВА47-29.

Время-токовая характеристика типа В

На графике (кривой) показана зависимость времени отключения автоматического выключателя от протекающего через него тока. Ось Х — это кратность тока в цепи к номинальному току автомата (I/In). Ось У — время срабатывания, в секундах.

График разделен двумя линиями, которые и определяют разброс времени срабатывания тепловой и электромагнитной защит автомата. Нижняя линия — это горячее состояние автомата (после срабатывания), а верхняя линия — это холодное состояние.

Характеристики практически всех автоматов изображаются при температуре +30°С. 

На представленных время-токовых характеристиках (сокращенно, ВТХ) пунктирная линия — это верхняя граница (предел) для автоматов с номинальным током меньше 32 (А).

По графику видно:

1. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 3·In, то он должен отключиться за время 0,02 секунды в горячем состоянии, до 35 секунд в холодном состоянии (для автоматов менее 32А) и до 80 секунд в холодном состоянии 

2. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 5·In, то он должен отключиться за 0,01 секунду в горячем состоянии или за 0,04 секунды в холодном. (для автоматов более 32А). 

Автоматы с характеристикой В применяются в основном для защиты потребителей с преимущественно активной нагрузкой, например, электрические печи, электрические обогреватели, цепи освещения.

Правда, в магазинах их количество почему то всегда ограничено, т.к. распространенным видом является характеристика С. И кто так решил? Вполне целесообразно на автоматы групповых линий для освещения и розеток ставить именно тип В, а на вводной автомат — тип С. Так будет соблюдена селективность, и при коротком замыкании где нибудь в линии не будет отключаться вводной автомат и «гасить» всю квартиру.

Время-токовая характеристика типа С

Вот ее график:

1. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 5·In, то он должен отключиться за время 0,02 секунды в горячем состоянии, до 11 секунд в холодном состоянии (для автоматов менее 32А) и до 25 секунд в холодном состоянии (для автоматов более 32А).

2. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 10·In, то он должен отключиться за 0,01 секунду в горячем состоянии или за 0,03 секунды в холодном.

Автоматы с характеристикой С применяются в основном для защиты трансформаторов и двигателей с малыми пусковыми токами. Также их можно использовать для питания цепей освещения. Нашли они достаточно широкое распространение в жилом фонде, хотя свое мнение об этом я высказал чуть выше.

Время-токовая характеристика типа D

График:

1. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 10·In, то он должен отключиться за время 0,02 секунды в горячем состоянии, до 3 секунд в холодном состоянии (для автоматов менее 32А) и до 7 секунд в холодном состоянии (для автоматов более 32А).

2. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 20·In, то он должен отключиться за 0,009 секунд в горячем состоянии или за 0,02 секунды в холодном.

Автоматы с характеристикой D применяются в основном для защиты электрических двигателей с частыми запусками или значительными пусковыми токами (тяжелый пуск).

ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Плавкие предохранители — это электрические аппараты, защищающие установки от перегрузок и токов короткого замыкания.
Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая в рассечку защищаемой цепи, и дугогасительное устройство, гасящее дугу, возникающую после плавления вставки.

К предохранителям предъявляются следующие требования:

1. Времятоковая характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта.
2. При коротком замыкании предохранители должны работать селективно.
3. Время срабатывания предохранителя при коротком замыкании должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны работать с токоограничением.
4. Характеристики предохранителя должны быть стабильными. Разброс параметров из-за производственных отклонений не должен нарушать защитные свойства предохранителя.
5. В связи с возросшей мощностью установок предохранители должны иметь высокую отключающую способность.
6. Замена сгоревшего предохранителя или плавкой вставки не должна требовать много времени.

В промышленности наибольшее распространение получили предохранители типа и ПН-2.

ВРЕМЯ-ТОКОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ СЕРИИ ПН2

Устройство предохранителей ПН-2

Эти предохранители более совершенны, чем предохранители ПР-2. Корпус квадратного сечения №1 предохранителя типа ПН-2 изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие вставки №2 и наполнитель — кварцевый песок №3. Плавкие вставки привариваются к диску №4, который крепится к пластинам №5, связанным с ножевыми контактами №9. Пластины №5 крепятся к корпусу винтами.

В качестве наполнителя в предохранителях ПН-2 используется кварцевый песок с содержанием SiO2 не менее 98 %, с зернами размером (0,2—0,4)10-3 м и влажностью не выше 3 %. Перед засыпкой песок тщательно просушивается при температуре 120—180 °С. Зерна кварцевого песка имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность.

Плавкая вставка предохранителей ПН-2 выполняется из медной ленты толщиной 0,1— 0,2 мм. Для получения токоограничения вставка имеет суженные сечения №8. Плавкая вставка разделена на три параллельных ветви для более полного использования наполнителя. Применение тонкой ленты, эффективный теплоотвод от суженных участков позволяют выбрать небольшое минимальное сечение вставки для данного номинального тока, что обеспечивает высокую токоограничивающую способность. Соединение нескольких суженных участков по-следовательно способствует замедлению роста тока после плавления вставки, так как возрастает напряжение на дуге предохранителя. Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски №7 (металлургический эффект).

Принцип действия предохранителя ПН-2

При коротком замыкании плавкая вставка предохранителя ПН-2 сгорает и дуга горит в канале, образованном зернами наполнителя. Из-за горения в узкой щели при токах выше 100 А дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику. Градиент напряжения на дуге очень высок и достигает (2—6)104 В/м. Этим обеспечивается гашение дуги за несколько миллисекунд.

После срабатывания предохранителя плавкие вставки вместе с диском №4 заменяются, после чего патрон засыпается песком. Для герметизации патрона под пластины №5 кладется асбестовая прокладка №6 что предохраняет песок от увлажнения. При номинальном токе 40 А и ниже предохранитель имеет более простую конструкцию.

Технические характеристики предохранителей ПН-2

Предохранители ПН-2 выполняются на номинальный ток до 630 А. Предельный отключаемый ток короткого замыкания, который может отключаться предохранителем, достигает 50 кА (действующее значение тока металлического короткого замыкания сети, в которой устанавливается предохранитель).
Малые габариты, незначительная затрата дефицитных материалов, высокая токоограничивающая способность являются достоинствами плавкого предохранителя ПН-2.

Материал плавких вставок предохранителей

Плавкие вставки изготовляются из меди, цинка, свинца или серебра.

В современных наиболее совершенных предохранителях отдают предпочтение медным вставкам с оловянным растворителем. Широко распространены также цинковые вставки.
Медные вставки для предохранителей наиболее удобны, просты и дешевы. Улучшение их характеристик достигается наплавлением оловянного шарика в определенном месте, примерно в середине вставки. Такие вставки применяются, например, в упомянутой серии насыпных предохранителей ПН2. Олово плавится при температуре 232°, значительно меньшей, чем температура плавления меди, и растворяет медь вставки в месте соприкосновения с нею. Появляющаяся при этом дуга уже расплавляет всю вставку и гасится. Цепь тока оказывается отключенной.
Таким образом, наплавление оловянного шарика приводит к следующему.
Во-первых, медные вставки начинают реагировать с выдержкой времени на столь малые перегрузки, на которые они при отсутствии растворителя вовсе не реагировали бы. Например, медная проволока диаметром 0,25 мм с .растворителем расплавилась при температуре 280° за 120 мин.

Во-вторых, при одной и той же достаточно большой температуре (т. е. при одинаковой нагрузке) вставки с растворителем реагируют много быстрее, чем вставки без растворителя.
Например, медная проволока диаметром 0,25 мм без растворителя при средней температуре 1 000° расплавилась за 120 мин, а такая же проволока, но с растворителем при средней температуре только 650°, расплавилась всего за 4 мин.

Применение оловянного растворителя позволяет иметь надежные и дешевые медные вставки, работающие при сравнительно низкой эксплуатационной температуре, имеющие относительно малый объем и вес металла (что благоприятствует коммутационной способности предохранителя) и в то же время обладающие большим быстродействием при больших перегрузках и реагирующие с выдержкой времени на относительно малые перегрузки.

Цинк часто используется для изготовления плавких вставок. В частности, такие вставки применяются в упомянутой серии предохранителей ПР-2.
Вставки из цинка более устойчивы против коррозии. Поэтому, несмотря на относительно малую температуру плавления, для них, вообще говоря, можно было бы допустить такую же предельную эксплуатационную температуру, как для меди (250°), и конструировать вставки с меньшим сечением. Однако электрическое сопротивление цинка примерно в 3,4 раза больше, чем у меди.
Чтобы сохранить ту же температуру, надо уменьшить потери энергии в ней, соответственно увеличив ее сечение. Вставка получается значительно более массивной. Это при прочих равных условиях приводит к понижению коммутационной способности предохранителя. Кроме того, при массивной вставке с температурой 250° не удалось бы в тех же габаритах удержать на допустимом уровне температуру патрона и контактов.
Все это заставляет снизить предельную температуру цинковых вставок до 200°, а для этого — еще больше увеличивать сечение вставки. В итоге предохранители с цинковыми вставками при тех же размерах обладают значительно меньшей устойчивостью к токам короткого замыкания, чем предохранители с медными вставками и оловянными растворителями.

Ридли Инжиниринг | — [077] Интерпретация измерений коэффициента усиления контура

Как читать критические области измерения усиления контура и фазы.

Введение

За последние 20 лет в разработке источников питания произошло много кардинальных изменений, но измерение коэффициента усиления контура остается ключом к надежной и агрессивной работе системы. Понимание того, как читать коэффициент усиления петли, очень важно.

Измерения усиления контура в современных системах управления

Несколько лет назад я закончил колледж, чтобы окунуться в мир проектирования коммерческих источников питания.Я изучал микропроцессоры, теорию оптимального управления, многоуровневую обратную связь и был готов взяться за какое-нибудь реальное оборудование и применить на практике все, что, как мне казалось, я знал. Это было время, когда управление текущим режимом только начинало использоваться, и я мог видеть, что текущий режим был классическим примером обратной связи с несколькими состояниями. Все, что нам нужно было сделать, это определить надлежащее усиление для каждого состояния, и мы могли разместить полюса с обратной связью, где бы мы ни захотели — прямо как в колледже!

Но возникла проблема.Никто на работе не знал, о чем я говорю. И, в отличие от наборов задач в курсах колледжа, никто не мог сказать мне, где должны быть полюса замкнутого контура. Все они говорили странными терминами вроде выходного импеданса, коэффициента усиления контура, аудиочувствительности, и было непонятно, что делать дальше.

Я хорошо помню три вещи из знаменитого курса аналоговой электроники Миддлбрука: как работал Кук с нулевыми пульсациями, новый способ решения квадратного уравнения и необходимость измерения контурных коэффициентов усиления в источниках питания.

Затем я посетил знаменитый курс Миддлбрука по проектированию аналоговых схем. Это было давно, но я четко помню три вещи из этого курса:

Во-первых, он измерил коэффициенты усиления контура для всех своих источников питания и других аналоговых образцов и ввел их в контур с помощью токоизмерительного датчика, приводимого в обратном направлении от генератора. Очень изящный трюк, все, что вам нужно было сделать, это поместить петлю провода в цепь обратной связи и закрепить токовый пробник.

Второе, что я помню, это преобразователь Кука с нулевыми пульсациями.Был прозрачный (до Powerpoint дни!), где он вращал изображение связанных ядер, и по мере изменения зазора на ядре пульсации тока выравнивались до нуля на входе и выходе. Это был отличный визуальный ряд, который действительно довел мысль до конца.

И, наконец, он показал, что классическое решение квадратного уравнения с использованием обычного радикала b2 – 4ac было численно неточным, и дал гораздо лучшее решение.

С тех пор я не использовал его квадратичное решение и не разрабатывал преобразователи Чука со связанными индукторами. Но как только я закончил его курс, я начал измерять и понимать петлевые усиления и обнаружил, что они никогда не выходили из моды для импульсных источников питания. Какими бы архаичными они ни казались мне в то время, это просто лучший способ оптимизировать обратную связь вашего источника питания. Даже если вы используете цифровой контроллер, усиление аналогового контура — это просто лучший способ убедиться, что система обратной связи спроектирована и работает правильно.

Если вы понимаете, как правильно интерпретировать циклы, это все, что вам нужно для анализа стабильности.В учебниках рассказывается о графиках Найквиста и характеристических уравнениях, но в реальном мире нам нужно использовать невероятно мощный инструмент для инженеров, который дал нам мистер Боде. Удивительная вещь — с помощью пары штрихов пера на бумаге, показывающих коэффициент усиления и фазу контура, мы можем определить устойчивость систем практически любого порядка. Какой мощный инженерный инструмент, никакой математики, никаких расчетов, только лабораторные измерения! Это был большой вклад Боде.

Большой вклад Боде состоял в том, что он позволил инженерам провести пару линий на листе бумаги и определить, является ли очень сложная нелинейная система высокого порядка стабильной или нет! Нет совпадения, нет необходимости в вычислениях.Что еще мы могли просить?

Мир аэрокосмических разработок, вероятно, наиболее строг в создании полных наборов графиков Боде для входного импеданса, выходного импеданса, аудиочувствительности и контурного усиления. За пределами аэрокосмического мира такой полный набор измерений встречается реже. Большинство опытных разработчиков будут измерять коэффициент усиления контура, так как они считают, что это очень чувствительная мера почти всего, что касается силового каскада и цепи обратной связи. Если какой-то компонент имеет неправильное значение или что-то построено неправильно, коэффициент усиления контура, скорее всего, покажет наличие проблемы.

Критические области измерения коэффициента усиления контура в режиме напряжения

Говоря об усилении петли, в большинстве статей упоминается только частота кроссовера и запас по фазе на этой частоте. На самом деле усиление контура — это гораздо больше, и если вы хотите извлечь максимальную выгоду из этих измерений, важно понимать, где искать.

На рис. 1 показано типичное усиление контура для источника питания с режимом напряжения. Участок рисунка 1 начинается с частоты 10 Гц. Это всегда рекомендуется, независимо от частоты коммутации вашей энергосистемы.Очень часто в первую декаду измерения присутствует значительный шум (звукорежиссеры болезненно осознают это, что касается гула), и вы должны быть в состоянии убедиться, что у вас высокий коэффициент усиления в области низких частот, чтобы исключить линейные и другие низкочастотные помехи. частотный шум. Эта область заштрихована синим цветом на рис. 1. Анализатор частотных характеристик AP300 [2, 3] способен измерять коэффициент усиления более 90 дБ в присутствии сильного шума, и это имеет решающее значение для правильного разрешения высокопроизводительных систем.

Рис. 1. Усиление и фаза контура в режиме напряжения с указанием основных областей измерения.

Основы фазовой автоподстройки частоты (PLL) | Analog Devices

Резюме:

Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) существуют в самых разных высокочастотных приложениях, от простых схем очистки тактового сигнала до гетеродинов (ГГ) для высокопроизводительных линий радиосвязи и сверхбыстрых синтезаторов частоты переключения в векторных анализаторах цепей ( ВНА).В этой статье объясняются некоторые строительные блоки цепей фазовой автоподстройки частоты со ссылками на каждое из этих приложений, в свою очередь, чтобы помочь новичкам и экспертам в области фазовой автоподстройки частоты ориентироваться в выборе деталей и компромиссах, присущих каждому отдельному приложению. В статье упоминается семейство PLL и генераторов, управляемых напряжением (VCO) Analog Devices ADF4xxx и HMCxxx, и используется ADIsimPLL (внутренний симулятор схемы PLL Analog Devices) для демонстрации этих различных рабочих параметров схемы.

Базовая конфигурация: схема очистки часов

В самой базовой конфигурации контур фазовой автоподстройки частоты сравнивает фазу опорного сигнала (F _REF ) с фазой регулируемого сигнала обратной связи (RF _IN ) F ₀ , как показано на рисунке 1. На рис. 2 показан контур управления с отрицательной обратной связью, работающий в частотной области. Когда сравнение находится в установившемся режиме, а выходная частота и фаза совпадают с входной частотой и фазой детектора ошибок, мы говорим, что PLL заблокирован.Для целей этой статьи мы будем рассматривать только классическую цифровую архитектуру PLL, реализованную на семействе PLL Analog Devices ADF4xxx.

Первым важным элементом этой схемы является фазово-частотный детектор (PFD). PFD сравнивает частоту и фазу входа REF _IN с частотой и фазой обратной связи RF _IN . ADF4002 — это PLL, который можно настроить как автономный PFD (с делителем обратной связи N = 1). Таким образом, его можно использовать с высококачественным кварцевым генератором, управляемым напряжением (VCXO), и узким фильтром нижних частот для очистки шумных часов REF _IN .

Рисунок. 1 Базовая конфигурация PLL. Рисунок 2. Базовая конфигурация PLL.

Детектор фазовой частоты

Рисунок 3. Детектор фазовой частоты.

Детектор фазовой частоты на рис. 3 сравнивает вход F _REF на +IN и сигнал обратной связи на –IN. В нем используются два D-триггера с элементом задержки. Один выход Q включает источник положительного тока, а другой выход Q включает источник отрицательного тока. Эти источники тока известны как зарядовый насос.Дополнительные сведения о работе PFD см. в разделе «Петли фазовой автоподстройки частоты для высокочастотных приемников и передатчиков».

Используя эту архитектуру, вход +IN ниже имеет более высокую частоту, чем –IN (рисунок 4), и результирующий выход насоса заряда имеет высокий ток накачки, который при интеграции в фильтр нижних частот PLL будет увеличивать напряжение настройки ГУН вверх. Таким образом, частота –IN будет увеличиваться по мере увеличения VCO, и два входа PFD в конечном итоге сойдутся или зафиксируются на одной и той же частоте (рис. 5).Если частота на –IN выше, чем на +IN, происходит обратное.

Рис. 4. PFD не в фазе и захват частоты. Рис. 5. Детектор фазовой частоты, частота и фазовая синхронизация.

Возвращаясь к нашему исходному примеру шумных часов, которые требуют очистки, профиль фазового шума часов, автономный VCXO и PLL с обратной связью можно смоделировать в ADIsimPLL.

Рисунок 6. Эталонный шум. Рисунок 7. VCXO в свободном режиме. Рисунок 8. Общий шум PLL.

Как видно из представленных графиков ADIsimPLL, зашумленный профиль фазового шума REF _IN (рис. 6) фильтруется фильтром нижних частот.Весь внутриполосный шум, вносимый опорной схемой PLL и схемой PFD, отфильтровывается фильтром нижних частот, оставляя только гораздо более низкий шум VCXO (рис. 7) за пределами полосы пропускания контура (рис. 8). Когда выходная частота равна входной частоте, создается одна из самых простых конфигураций PLL. Такая PLL называется PLL очистки тактовой частоты. Для таких приложений очистки тактового сигнала, как эти, рекомендуется узкая (<1 кГц) полоса пропускания фильтра нижних частот.

Высокочастотная архитектура Integer-N

Для генерации диапазона более высоких частот используется ГУН, который настраивается в более широком диапазоне, чем VCXO. Это регулярно используется в приложениях со скачкообразной перестройкой частоты или в приложениях со скачкообразной перестройкой частоты с расширенным спектром (FHSS). В таких PLL выходная частота кратна опорной частоте. Генераторы, управляемые напряжением, содержат переменный элемент настройки, такой как варакторный диод, который изменяет свою емкость в зависимости от входного напряжения, позволяя настраивать резонансный контур, который позволяет генерировать диапазон частот (рис. 9). PLL можно рассматривать как систему управления для этого VCO.

Делитель обратной связи используется для деления частоты VCO на частоту PFD, что позволяет PLL генерировать выходные частоты, кратные частоте PFD.В опорном тракте также может использоваться делитель, который позволяет использовать более высокие опорные частоты, чем частота PFD. Подобным PLL является ADF4108 от Analog Devices. Счетчики PLL являются вторым важным элементом, который необходимо учитывать в нашей схеме.

Рисунок 9. Генератор, управляемый напряжением.

Ключевыми рабочими параметрами PLL являются фазовый шум, нежелательные побочные продукты процесса синтеза частоты или паразитные частоты (шпоры для краткости). Для целочисленных PLL паразитные частоты генерируются частотой PFD.Ток утечки зарядового насоса будет модулировать порт настройки ГУН. Этот эффект ослабляется фильтром нижних частот, и чем он уже, тем сильнее фильтрация паразитной частоты. В идеальном тоне не должно быть шума или дополнительных побочных частот (рис. 10), но на практике фазовый шум проявляется в виде юбки вокруг несущей, как показано на рис. полоса пропускания 1 Гц, указанная при смещении частоты от несущей.

Рисунок 10. Идеальный спектр гетеродина. Рисунок 11. Фазовый шум одной боковой полосы.

Делитель целого числа N и дробного числа N

Для узкополосных приложений разнос каналов мал (обычно <5 МГц), а счетчик обратной связи N имеет высокий уровень. Получение высоких значений N с небольшой схемой достигается за счет использования двойного модуля предварительного делителя P/P + 1, как показано на рисунке 12, и позволяет вычислять значения N с расчетом N = PB + A, который, используя пример предварительного делителя 8/9 и значения N, равного 90, вычисляет значение 11 для B и 2 для A. Предделитель двойного модуля будет делить на 9 для A или двух циклов. Затем он делится на 8 для оставшихся (BA) или 9 циклов, как описано в таблице 1. Предварительный делитель обычно проектируется с использованием технологии высокочастотных схем, таких как биполярные эмиттерно-связанные логические схемы (ECL), в то время как A и B счетчики могут принимать этот выход предварительного делителя с более низкой частотой и могут быть изготовлены с использованием схемы CMOS с более низкой скоростью. Это уменьшает площадь схемы и энергопотребление. PLL с очисткой низких частот, такие как ADF4002, не используют этот предварительный делитель.

Рис. 12. PLL с двойным модулем N-счетчика.

На внутриполосный (внутри полосы пропускания фильтра контура ФАПЧ) фазовый шум напрямую влияет значение N, а внутриполосный шум увеличивается на 20 log (N). Таким образом, для узкополосных приложений, в которых значение N высокое, во внутриполосном шуме преобладает высокое значение N. Система, которая допускает гораздо более низкое значение N, но при этом обеспечивает высокое разрешение, обеспечивается синтезатором с дробным числом N, таким как ADF4159 или HMC704. Таким образом, внутриполосный фазовый шум может быть значительно уменьшен. На рисунках с 13 по 16 показано, как это достигается. В этих примерах два PLL используются для генерации частот, подходящих для гетеродина системы 5G (LO) в диапазоне от 7.От 4 ГГц до 7,6 ГГц с разрешением канала 1 МГц. ADF4108 используется в конфигурации с целочисленным N (рис. 13), а HMC704 — в конфигурации с дробным N. HMC704 (рис. 14) можно использовать с частотой PFD 50 МГц, что снижает значение N и, следовательно, внутриполосный шум, но при этом допускает размер шага частоты 1 МГц (или даже меньше) — улучшение на 15 дБ (при частоте смещения 8 кГц) (рис. 15 и рис. 16). Однако ADF4108 вынужден использовать PFD с частотой 1 МГц для достижения того же разрешения.

Необходимо соблюдать осторожность при работе с PLL с дробным коэффициентом деления, чтобы паразитные тоны не ухудшали производительность системы. В PLL, таких как HMC704, наибольшую озабоченность вызывают целочисленные граничные шпоры (генерируемые, когда дробная часть значения N приближается к 0 или 1, например, 147,98 или 148,02, очень близкие к целочисленному значению 148). Это можно смягчить путем буферизации выхода VCO на вход RF и/или тщательного частотного планирования, при котором REF _IN можно изменить, чтобы избежать этих более проблемных частот.

Рисунок 13. Целочисленный N PLL.

Рис. 14. ФАПЧ с дробным коэффициентом деления.

Рис. 15. Внутриполосный фазовый шум Integer N PLL.

Рис. 16. Внутриполосный фазовый шум системы ФАПЧ с дробным коэффициентом деления.

Для большинства PLL внутриполосный шум сильно зависит от значения N, а также от частоты PFD. Вычитание 20 log (N) и 10 log (F _PFD ) из плоской части измерения внутриполосного фазового шума дает показатель качества (FOM). Обычной метрикой для выбора PLL является сравнение FOM.Другим фактором, влияющим на внутриполосный шум, является шум 1/f, который зависит от выходной частоты устройства. Вклад FOM и шум 1/f вместе с опорным шумом доминируют над внутриполосным шумом системы PLL.

Узкополосный гетеродин для связи 5G

Для систем связи основными характеристиками с точки зрения PLL являются модуль вектора ошибки (EVM) и характеристики блокировки VCO. EVM похож по объему на интегрированный фазовый шум, который учитывает вклад шума в диапазоне смещений.Для системы 5G, упомянутой ранее, пределы интеграции довольно широки, начиная с 1 кГц и продолжая до 100 МГц. EVM можно рассматривать как процентное ухудшение идеально модулированного сигнала по сравнению с его идеальной точкой, выраженное в процентах (рис. 17). Аналогичным образом интегрированный фазовый шум интегрирует мощность шума при различных смещениях от несущей и выражает этот шум как число дБн по сравнению с выходной частотой. ADIsimPLL можно настроить для расчета EVM, интегрированного фазового шума, среднеквадратичной фазовой ошибки и джиттера. Современные анализаторы источников сигналов также включают эти числа нажатием кнопки (рис. 18). По мере увеличения плотности схем модуляции значение EVM становится критическим. Для 16-QAM требуемый минимальный EVM согласно спецификации ETSI 3GPP TS 36.104 составляет 12,5%. Для 64-QAM требование составляет 8%. Однако, поскольку EVM состоит из различных других неидеальных параметров из-за искажений усилителя мощности и нежелательных продуктов смесителя, интегральный шум (в дБн) обычно определяется отдельно.

Рисунок 17.Визуализация фазовой ошибки.

Рис. 18. График анализатора источника сигнала.

Спецификации блокировки VCO

очень важны в сотовых системах, которые должны учитывать наличие сильных передач. Если сигнал приемника слабый, а ГУН слишком шумный, то сигнал соседнего передатчика может смешаться и заглушить полезный сигнал (рис. 19). На рисунке 19 показано, как ближайший передатчик (на расстоянии 800 кГц), передающий с мощностью –25 дБм, может, если ГУН приемника зашумлен, заглушить полезный сигнал на уровне –101 дБм. Эти спецификации являются частью стандарта беспроводной связи. Спецификации блокировки напрямую влияют на требования к производительности ГУН.

Рисунок 19. Блокировщики шума ГУН.

Генераторы, управляемые напряжением (VCO)

Следующим элементом схемы ФАПЧ, который необходимо рассмотреть в нашей схеме, является генератор, управляемый напряжением. При использовании ГУН необходим фундаментальный компромисс между фазовым шумом, охватом частот и потребляемой мощностью. Чем выше добротность (Q) генератора, тем ниже фазовый шум ГУН.Однако цепи с более высокой добротностью имеют более узкие частотные диапазоны. Увеличение мощности также снизит фазовый шум. Что касается семейства ГУН Analog Devices, HMC507 охватывает диапазон от 6650 МГц до 7650 МГц, а шум ГУН на частоте 100 кГц составляет примерно –115 дБн/Гц. В отличие от этого, HMC586 охватывает полную октаву от 4000 МГц до 8000 МГц, но имеет более высокий фазовый шум –100 дБн/Гц. Одной из стратегий минимизации фазового шума в таких ГУН является увеличение диапазона перестройки напряжения V _TUNE по отношению к ГУН (до 20 В или выше). Это увеличивает сложность схемы ФАПЧ, так как большинство насосов заряда ФАПЧ могут настраиваться только на 5 В, поэтому активный фильтр с использованием операционных усилителей используется для увеличения напряжения настройки схемы ФАПЧ самостоятельно.

Многополосные интегрированные PLL и VCO

Еще одна стратегия увеличения частотного охвата без ухудшения фазового шума ГУН заключается в использовании многополосного ГУН, в котором перекрывающиеся частотные диапазоны используются для покрытия октавы частотного диапазона, а более низкие частоты могут генерироваться с помощью делителей частоты на выходе ГУН. .Таким устройством является ADF4356, в котором используются четыре основных ядра ГУН, каждое из которых имеет 256 перекрывающихся частотных диапазонов. Внутренний эталонный делитель частоты и делитель частоты обратной связи используются устройством для выбора подходящего диапазона ГУН. Этот процесс известен как выбор диапазона ГУН или автокалибровка.

Широкий диапазон настройки многодиапазонных ГУН делает их подходящими для использования в широкополосных приборах, в которых они генерируют широкий диапазон частот. 39-битное разрешение с дробным числом N также делает их идеальными кандидатами для приложений с точной частотой.В таких приборах, как векторные анализаторы цепей, крайне важна сверхбыстрая скорость переключения. Этого можно добиться, используя очень широкую полосу пропускания фильтра нижних частот, который очень быстро настраивается на конечную частоту. В этих приложениях процедуру автоматической калибровки частоты можно обойти, используя справочную таблицу со значениями частоты, непосредственно запрограммированными для каждой частоты. Настоящие одноядерные широкополосные ГУН, такие как HMC733, также могут использоваться с меньшей сложностью.

Для контуров фазовой автоподстройки частоты полоса пропускания фильтра нижних частот оказывает прямое влияние на время установления системы.Фильтр нижних частот является последним элементом нашей схемы. Если время установления имеет решающее значение, полосу пропускания контура следует увеличить до максимально допустимой полосы пропускания для достижения стабильной синхронизации и соответствия требованиям по фазовому шуму и паразитным частотам. Узкополосные требования в линии связи означают, что оптимальная полоса пропускания фильтра нижних частот для минимального интегрального шума (от 30 кГц до 100 МГц) составляет около 207 кГц (рис. 20) при использовании HMC507. Это обеспечивает примерно –51 дБн интегрального шума и обеспечивает синхронизацию частоты с погрешностью в пределах 1 кГц примерно за 51 мкс (рис. 22).

Напротив, широкополосный HMC586 (охватывающий диапазон от 4 ГГц до 8 ГГц) обеспечивает оптимальное среднеквадратичное значение фазового шума с более широкой полосой пропускания, близкой к полосе пропускания 300 кГц (рис. 21), достигая интегрального шума –44 дБн. Однако он обеспечивает привязку частоты к той же спецификации менее чем за 27 мкс (рис. 23). Правильный выбор деталей и конструкция окружающей схемы имеют решающее значение для достижения наилучшего результата для приложения.

Рис. 20. Фазовый шум HMC704 плюс HMC507.

Рис. 21. Фазовый шум HMC704 плюс HMC586.

Рис. 22. Установка частоты: HMC704 плюс HMC507.

Рис. 23. HMC704 плюс HMC586.

Синхронизация с низким джиттером

Для высокоскоростных цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) четкие тактовые импульсы с низким джиттером являются важным строительным блоком. Для минимизации полосового шума желательно низкое значение N; но для минимизации паразитного шума предпочтительнее использовать целое число N.Синхронизация имеет фиксированную частоту, поэтому частоты могут быть выбраны таким образом, чтобы частота REF _IN была точно кратна входной частоте. Это обеспечивает самый низкий уровень шума внутриполосной системы ФАПЧ. ГУН (независимо от того, встроенный он или нет) необходимо выбирать так, чтобы обеспечить достаточно низкий уровень шума для приложения, уделяя особое внимание широкополосному шуму. Затем необходимо тщательно разместить фильтр нижних частот, чтобы гарантировать пересечение внутриполосного шума ФАПЧ с шумом ГУН — это обеспечивает наименьшее среднеквадратичное дрожание.Фильтр нижних частот с запасом по фазе 60° обеспечивает минимальные пики фильтра, что сводит к минимуму джиттер. Таким образом, тактирование с малым джиттером занимает промежуточное положение между применением очистки тактового сигнала первой схемы, обсуждаемой в этой статье, и возможностью быстрого переключения последней обсуждаемой схемы.

Для схем синхронизации среднеквадратичное дрожание тактового сигнала является ключевым параметром производительности. Это можно оценить с помощью ADIsimPLL или измерить с помощью анализатора источника сигнала. Для высокопроизводительных компонентов системы ФАПЧ, таких как ADF5356, относительно широкая полоса пропускания фильтра нижних частот 132 кГц в сочетании со сверхнизким источником REF _IN , таким как Wenxel OCXO, позволяет пользователю проектировать часы со среднеквадратичным джиттером ниже 90 фс (рис. 26). ).Управление размещением полосы пропускания контурного фильтра ФАПЧ (LBW) показывает, как слишком сильное ее уменьшение приводит к тому, что шум ГУН начинает доминировать при малых смещениях (рис. 24), где внутриполосный шум ФАПЧ фактически был бы ниже, и увеличивается это слишком много означает, что внутриполосный шум преобладает на смещениях, где вместо этого шум VCO был бы значительно ниже (рис. 25).

Рис. 24. LBW = 10 кГц, джиттер 331 фс.

Рис. 25. LBW = 500 кГц, джиттер 111 фс.

Рис. 26. LBW = 132 кГц, джиттер 83 фс.

использованная литература

Коллинз, Ян. «Интегрированные PLL и VCO для беспроводных приложений». Радиоэлектроника , 2010.

Кертин, Майк и Пол О’Брайен. «Петли фазовой автоподстройки частоты для высокочастотных приемников и передатчиков». Аналоговый диалог, Том. 33, 1999.

Патент США на встроенное измерение отклика с фазовой автоподстройкой частоты Патент (Патент № 11,018,679, выдан 25 мая 2021 г.)

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к контурам фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и, в частности, к измерению характеристик отклика ФАПЧ.

Описание предшествующего уровня техники

Передаточная функция замкнутого контура ФАПЧ часто измеряется на тестере с использованием генератора синусоидальных сигналов для модуляции опорного тактового сигнала и анализатора спектра/осциллографа для измерения отклика ФАПЧ путем отправки выходного тактового сигнала от чипа к испытательному оборудованию. Такой подход к измерению характеристик PLL занимает много времени, требуя многих секунд и даже минут для завершения тестирования, и использует сложную внешнюю тестовую установку.Внешняя измерительная цепь часто влияет на результаты испытаний и приводит к тому, что результаты испытаний отклоняются от фактической передаточной функции замкнутого контура ФАПЧ. Соответственно, были бы желательны улучшенные методы измерения характеристик PLL.

СУЩНОСТЬ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В варианте осуществления способ определения отклика контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) включает в себя вставку цифрового смещения фазы в цифровое представление тактового сигнала, подаваемого на детектор фазы и частоты ( PFD) PLL, цифровое смещение фазы, представляющее шаг фазы.Способ дополнительно включает в себя определение промежутка времени между вставкой цифрового сдвига фазы и первым пересечением нуля фазовой ошибки, поступающей от PFD после вставки цифрового сдвига фазы, причем продолжительность времени обратно пропорциональна ширине полосы частот PLL. Способ может дополнительно включать в себя определение максимального выброса фазовой ошибки в результате введения цифрового смещения фазы и определение пиковой характеристики PLL, частично основанной на максимальном выбросе фазовой ошибки.

В другом варианте осуществления интегральная схема включает преобразователь времени в цифру для генерирования цифрового представления тактового сигнала. Суммирующая схема добавляет цифровое смещение фазы к цифровому представлению тактового сигнала, причем цифровое смещение фазы представляет шаг фазы. Счетчик отсчитывает период времени, начиная с момента вставки цифрового смещения фазы. Первая схема обнаружения пересечения нуля обнаруживает первое пересечение нуля фазовой ошибки между тактовым сигналом и вторым тактовым сигналом после вставки цифрового смещения фазы и выдает индикацию пересечения нуля.Значение счета счетчика сохраняется в ответ на подтверждение индикации пересечения нуля.

В другом варианте осуществления интегральная схема включает в себя схему суммирования для добавления цифрового смещения фазы к цифровому представлению первого тактового сигнала, при этом цифровое смещение фазы соответствует шагу фазы в первом тактовом сигнале. Детектор фазы и частоты контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) принимает цифровое представление первого тактового сигнала и цифровое представление второго тактового сигнала и выдает сигнал фазовой ошибки, указывающий на разницу между первым тактовым сигналом и вторым тактовый сигнал.Первая схема обнаружения пересечения нуля принимает фазовую ошибку и обнаруживает первое пересечение нуля фазовой ошибки после вставки смещения фазы. Счетчик определяет время, прошедшее между введением смещения фазы и первым пересечением нуля. Схема максимальной фазовой ошибки принимает сигнал фазовой ошибки и обнаруживает максимальное превышение фазовой ошибки в результате введения цифрового смещения фазы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение может быть лучше понято, а его многочисленные задачи, признаки и преимущества станут очевидными для специалистов в данной области техники при обращении к прилагаемым чертежам.

РИС. 1 иллюстрирует блок-схему высокого уровня системы, которая включает в себя возможность измерения отклика встроенной ФАПЧ.

РИС. 2 иллюстрирует функциональную блок-схему схемы детектора синхронизации, которая включает в себя схему контроля синхронизации по частоте и схему контроля синхронизации по фазе.

РИС. 3 иллюстрирует функциональную блок-схему варианта осуществления схемы контроля фазовой синхронизации.

РИС. 4 иллюстрирует передачу флуктуаций ФАПЧ с различными полосами пропускания ФАПЧ и пиками.

РИС. 5A иллюстрирует реакцию фазовой ошибки PLL на фазовый скачок.

РИС. 5B показана реакция фазовой ошибки PLL на фазовый скачок, показывающая, что сигнал фазовой ошибки устанавливается в устойчивое состояние.

РИС. 6А иллюстрирует функциональную блок-схему варианта осуществления схемы измерения отклика встроенной ФАПЧ.

РИС. 6В показан компаратор, используемый в качестве детектора пересечения нуля.

РИС. 7 иллюстрирует график времени кроссовера в зависимости от обратного значения полосы пропускания с обратной связью по уровню 3 дБ.

РИС. 8 иллюстрирует график максимального выброса фазовой ошибки в зависимости от пикового значения замкнутого контура.

РИС. 9 представляет собой временную диаграмму, показывающую тестирование отклика системы ФАПЧ с использованием применяемого фазового шага.

РИС. 10 представляет собой блок-схему, показывающую поток управления высокого уровня для определения отклика PLL.

Использование одних и тех же условных обозначений на разных чертежах указывает на сходные или идентичные элементы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Измерение отклика системы ФАПЧ на кристалле обеспечивает более быстрое и точное измерение характеристик ФАПЧ по сравнению с традиционными подходами, использующими внешнее тестовое оборудование.Измерение отклика ФАПЧ включает измерение полосы пропускания ФАПЧ и пиков ФАПЧ. Кроме того, измерение на кристалле обеспечивает большую гибкость с точки зрения возможности измерения отклика PLL в производственной среде, в лаборатории или в среде отладки и даже в полевых условиях.

РИС. 1 иллюстрирует блок-схему высокого уровня системы, которая включает в себя контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) , 100, и детектор синхронизации , 101, . PLL 100 включает встроенную схему измерения отклика 102 , которая получает фазовую ошибку 119 и выдает индикацию максимального выброса 104 и время перехода через нуль 106 , которые можно использовать для определения отклика PLL. с точки зрения выделения пиков и полосы пропускания, как поясняется далее в данном документе.В одном варианте осуществления части детектора блокировки могут успешно использоваться для определения отклика PLL на кристалле.

PLL 100 получает опорный тактовый сигнал 103 , который может подаваться, например, от кварцевого генератора, генератора на микроэлектромеханической структуре (MEMS) или другого подходящего источника тактового сигнала с низким джиттером. Генератор с цифровым управлением (DCO) 110 выдает выходной тактовый сигнал 105 . Делитель 107 обратной связи принимает выходной тактовый сигнал 105 и подает тактовый сигнал обратной связи 109 .Преобразователи времени в цифровые преобразователи (TDC) 111 и 115 преобразуют опорный тактовый сигнал 103 и тактовый сигнал обратной связи 109 в цифровые представления тактовых сигналов, которые предоставляются, например, в виде меток времени (указывающих время появления нарастающего или спадающего фронта (или обоих) для цифрового фазово-частотного детектора (PFD) 117 . PFD 117 предоставляет фазовую ошибку 119 , указывающую разность фаз между опорным тактовым сигналом 103 и тактовым сигналом обратной связи 109 .Цифровой контурный фильтр 121 и детектор блокировки 101 получают фазовую ошибку от цифрового PFD 117 .

Детектор блокировки 101 также получает метки времени от TDC 111 и 115 . По меньшей мере в одном варианте осуществления TDC 111 и TDC 115 реализованы соответствующими схемами счетчиков. Детектор блокировки использует эти временные метки для измерения смещения частоты между часами и предоставления статуса блокировки частоты.Детектор блокировки использует как разрешение по времени, так и разрешение по частоте при определении того, заблокирована система или нет.

В одном из вариантов детектор блокировки 101 обеспечивает индикатор потери синхронизации при потере синхронизации по фазе или по частоте. Детектор блокировки отслеживает информацию об ошибке фазы от цифрового PFD 117 , чтобы определить, синхронизирована ли фаза PLL. Потеря синхронизации по частоте указывает, что смещение частоты между опорным тактовым сигналом , 103, и сигналом обратной связи , 109, больше, чем пороговое значение смещения частоты.Потеря блокировки фазы указывает, превышает ли фазовая ошибка пороговое значение фазовой ошибки. Кроме того, детектор блокировки 101 обеспечивает количественное значение смещения частоты и фазовой ошибки. Большинство существующих методов обеспечивают либо фазовый, либо частотный контроль, но не оба одновременно. Кроме того, существующие методы не учитывают стохастическое поведение эталонных часов и не учитывают, как обеспечить более быстрое обнаружение разблокировки во время этих переходных событий и избежать любого дребезга состояния блокировки для работы в установившемся режиме.

РИС. 2 показана блок-схема детектора блокировки 101 . Детектор 101 блокировки включает в себя схему 201 контроля синхронизации частоты, схему 203 контроля фазовой синхронизации, схему 204 подтверждения и схему 205 сброса блокировки на основе таймера, которая отслеживает настройки полосы пропускания контурного фильтра. Дополнительные сведения о схеме контроля блокировки частоты 201 , схеме подтверждения 204 и схеме сброса потери блокировки на основе таймера 205 можно найти в приложении, озаглавленном «Точный и надежный цифровой индикатор блокировки PLL». Каннантодат В.Джаякумар и др. как изобретатели, заявка сер. № 16/580,161, поданной 24 сентября 2019 г., эта заявка полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.

Схема контроля фазовой синхронизации 203 может быть успешно использована для реализации части встроенной схемы измерения отклика ФАПЧ 102 (см. фиг. 1). Фазовая ошибка/временная ошибка часов – это разница между временем, показанным тестируемыми часами и эталонными часами, которую можно обозначить как фазовая ошибка (t)=T _fb (t)−T _ref (t ), где T _fb — это время часов обратной связи, представленных в виде метки времени, а T _ref — время эталонных часов, представленных в виде метки времени.В варианте осуществления схема контроля фазовой синхронизации принимает фазовые ошибки , 119, , которые подвергаются передискретизации в цифровом PFD , 117, (см. фиг. 1). Интегратор 231 интегрирует выборки с частотой, соответствующей скорости PFD без передискретизации, и выдает интегрированную фазовую ошибку 232 .

Компаратор 233 получает интегрированную фазовую ошибку 232 и сравнивает фазовую ошибку 232 с пороговым значением фазовой ошибки и выдает индикатор потери фазы 235 , указывающий на сравнение, вместе с величиной фазовой ошибки 237 .Кроме того, в вариантах осуществления фильтр нижних частот , 239, принимает фазовую ошибку , 232, и выдает среднюю фазовую ошибку , 241, . В то время как фиг. 2 показан фильтр , 239, в качестве фильтра второго порядка, в другом варианте осуществления можно использовать фильтр более высокого порядка для лучшей фильтрации шума, присутствующего в информации о фазовой ошибке, и, следовательно, для более точного определения состояния фазовой синхронизации. Выбор фильтра зависит от системных требований. Схема компаратора 233 сравнивает среднюю фазовую ошибку 241 с пороговым средним значением фазовой ошибки для определения состояния потери синхронизации.Сравнение одной или обеих из средней фазовой ошибки , 241, и фазовой ошибки , 232, с соответствующими пороговыми значениями может использоваться для определения того, когда следует установить потерю фазы сигнала , 235, синхронизации. Как поясняется далее в данном документе, эти пороговые значения также можно использовать для определения перехода через нуль фазовой ошибки и, таким образом, времени перехода как части определения полосы пропускания PLL.

РИС. 3 иллюстрирует дополнительные детали варианта осуществления схемы , 203, контроля фазы.Схема контроля фазы использует информацию об ошибке фазы от цифровой схемы PFD, чтобы определить, находится ли ошибка в пределах порога ошибки фазы, чтобы определить, синхронизирована ли фаза PLL. Фазовая ошибка 119 , обеспечиваемая цифровым PFD, имеет интерполированную скорость PFD. В варианте осуществления информация о фазовой ошибке, предоставляемая PFD, имеет частоту N×PFD, где N является коэффициентом интерполяции. Фазовая ошибка, которую измеряет PFD, распределяется меньшими порциями на более высокой скорости в схему обнаружения блокировки.PFD отправляет фазовую ошибку таким образом из-за требований к интерфейсу с контурным фильтром. Схема фазовой ошибки 203 использует схему интегрирования и сброса 301 для интегрирования фазовой ошибки 119 из цифрового PFD и определения того, находится ли фазовая ошибка между сигналами обратной связи и опорными тактовыми импульсами в пределах или превышает порог фазовой синхронизации. Интегральная схема и схема дампа накапливают выборки в течение выбранного интервала времени измерения (N выборок), а затем «сбрасывают» результирующее значение.Блок насыщения 302 обеспечивает, чтобы значение ошибки PFD не превышало предел и не переходило, например, от высокого значения к низкому значению. Как обсуждалось ранее, PFD предоставляет информацию о фазовой ошибке на частоте N×PFD. Интегратор накапливает фазовую ошибку для N выборок. Понижающий дискретизатор 303 выводит интегрированную фазовую ошибку на частоте PFD, которая соответствует частоте понижающей дискретизации по сравнению со скоростью ввода. Это позволяет схеме 203 контроля фазовой синхронизации констатировать потерю фазовой синхронизации для одиночных переходных процессов эталонного сигнала или синхросигнала обратной связи, которые вызывают фазовую ошибку, превышающую пороговое значение фазовой ошибки.Чтобы иметь дело со стохастическим характером входных тактовых импульсов, схема обнаружения фазовой ошибки может использоваться для быстрого срабатывания потери синхронизации. Однако опорный тактовый сигнал включает в себя шум, например, из-за дрожания и дрейфа, а тактовый сигнал обратной связи также может включать шум, и настройки порога должны предусматривать соответствующий запас для такого шума, чтобы не запускаться слишком часто из-за переходных процессов.

В одном или нескольких вариантах осуществления схема 203 монитора фазы также предоставляет информацию о средней фазовой ошибке.Схема усреднения фазовой ошибки 305 использует информацию от схемы интегрирования и сброса и пропускает ее через CIC-фильтр второго порядка. Этот фильтр имеет программируемую длину окна усреднения (путем корректировки коэффициента выборки вниз по желанию) для настройки длины окна. Фильтр CIC удаляет высокочастотный шум. По мере увеличения усреднения фазовая ошибка будет приближаться к информации о постоянной (статической) фазовой ошибке, что можно рассматривать как истинное условие фазовой синхронизации. В варианте осуществления схема селектора 309 выбирает между фазовой ошибкой 304 за один цикл или средней фазовой ошибкой 307 и подает выбранную фазовую ошибку на компаратор 311 .Компаратор 311 подает сигнал на индикатор фазовой синхронизации 315 после сравнения выбранной фазовой ошибки с программируемыми пороговыми значениями, чтобы определить, превышает ли фазовая ошибка установленный порог, вызывающий активацию индикатора фазовой синхронизации для индикации состояния отсутствия синхронизации или сбрасывается, если фазовая ошибка ниже порогового значения, указывающего на состояние блокировки. Программируемость порогов позволяет использовать компаратор для помощи в определении переходов через нуль, как описано далее в данном документе.

Отклик контура ФАПЧ определяется передаточной функцией замкнутого контура фазовой модуляции. PLL ведет себя как фильтр нижних частот эталонной модуляции, поскольку его выход следует за эталоном на низкой частоте модуляции и не может отслеживать высокие частоты модуляции. В частности: θ _in (t)=2πf _ref t+A _in sin(2πf _m t), где θ _in (t) – фаза опорного тактового сигнала, f _ref — частота опорного тактового сигнала, а f _m — частота модуляции опорного тактового сигнала.θ _out (t, f _m )=N(2πf _ref t)+A _out (f _m )sin(2πf _m t+θ _m ) ), где θ _вых (t, f _m ) – фаза выходного сигнала DCO, N – делитель обратной связи, A _вых (f _m ) и θ _m (f _m ) — амплитудная и фазовая характеристики модуляции эталонного тактового сигнала.

Таким образом, результирующая амплитудная характеристика передаточной функции ФАПЧ равна

H⁡(fm)=1N⁢Aout⁡(fm)Ain,
, что является нормализованным делителем обратной связи для учета действия умножения частоты и фазы PLL.

Отклик системы ФАПЧ суммируется по полосе пропускания и характеристикам пиков. Полоса пропускания ФАПЧ, измеренная в точке –3 дБ, выбирается путем балансировки эффектов эталонного входного шума и внутреннего шума ФАПЧ для достижения наименьшего дрожания выходного тактового сигнала ФАПЧ. Более низкая полоса пропускания ослабляет больше шума на входе эталонного тактового сигнала за счет подавления меньшего количества шума, генерируемого схемой ФАПЧ, в то время как более высокая полоса пропускания обеспечивает противоположное. Максимальное значение в передаточной функции называется пиком усиления.Более высокие пики нежелательны с точки зрения джиттера, поскольку PLL усиливает фазовую модуляцию на пиковой частоте.

РИС. 4 иллюстрирует передаточные функции фазового дрожания PLL с различными полосами пропускания и различными пиковыми значениями. CL(z) представляет собой величину замкнутого контура в дБ, а ось x представляет собой нормализованную частоту эталонного тактового сигнала в Гц. Передаточная функция 401 показывает большее пиковое значение (меньшее демпфирование) и меньшую полосу пропускания по сравнению с передаточной функцией 403 , которая показывает меньшее пиковое значение (более высокое демпфирование) и более широкую полосу пропускания.ИНЖИР. 4 показано, что разные конфигурации PLL могут обеспечивать разную полосу пропускания и разные пиковые характеристики для одинаковых эталонных тактовых импульсов и выходных частот. ИНЖИР. 4 показывает, что характеристика передачи PLL имеет низкочастотную характеристику для фазовой модуляции входного тактового сигнала. Схема измерения отклика на кристалле может определить, соответствуют ли фактические результаты на кристалле ожидаемым результатам, таким как показанные на фиг. 4.

РИС. 5А показана типичная переходная характеристика системы ФАПЧ на индуцированный скачок входной фазы в момент времени 0 .Фазовый этап предоставляется в соответствии с вариантами осуществления, описанными в данном документе. PLL имеет тенденцию к чрезмерной коррекции (или перерегулированию), поскольку она пытается устранить добавленный фазовый шаг. На фиг. 5, имитационная модель PLL была сконфигурирована так, чтобы иметь недостаточное демпфирование, и в результате она демонстрирует больше звона, чтобы более четко показать эффекты звона. Ключевым показателем в переходной характеристике ФАПЧ является переход T 501 , определяемый как прошедшее время с момента применения входного шага до начала начального выброса фазы при пересечении нуля 502 .Еще одна ключевая метрика, показанная здесь, — это максимальное превышение 503 , которое указывает на максимальную избыточную коррекцию применяемого фазового шага. ИНЖИР. 5B показан другой пример реакции PLL на фазовый шаг, показывающий, что после фазового шага система в конечном итоге устраняет добавленный фазовый шаг.

РИС. 6A показаны дополнительные детали схемы на кристалле для измерения отклика PLL. Варианты осуществления могут также включать детектор блокировки , 101, , показанный на ФИГ. 1. Встроенная схема измерения отклика выполняет измерения выходной фазы ФАПЧ во временной области в ответ на индуцированный фазовый скачок.Эти измерения коррелируют с полосой пропускания и пиками в частотной области. Фаза эталонного тактового сигнала мгновенно увеличивается (шаг фазы), и результирующий переходный процесс фазовой ошибки записывается. Чтобы вставить шаг фазы, цифровой сдвиг фазы сохраняется в памяти 601 , а цифровой сдвиг фазы, который может быть положительным или отрицательным сдвигом, подается в сумматор 603 . Следует отметить, что вместо вставки шага фазы в цифровое представление опорного тактового сигнала другие варианты осуществления вводят фазовый сдвиг в цифровое представление тактового сигнала обратной связи.Как только смещение вставлено, сумматор 603 отключается на оставшуюся часть теста с помощью переключателей или в суммирующую схему 603 подается нулевой код смещения. PFD 117 передает информацию о цифровой фазовой ошибке 119 в схему интегрирования и сброса 605 . Как объяснено в связи с фиг. 3, схема интегрирования и сброса 605 интегрирует фазовую ошибку 119 из цифрового PFD 117 . Интегральная схема и схема дампа 605 накапливает выборки в течение выбранного периода времени измерения (N выборок), а затем «сбрасывает» результирующее значение.Блок насыщения 607 обеспечивает, чтобы значение ошибки PFD не превышало предел и не переходило, например, от высокого значения к низкому значению. Как обсуждалось ранее, PFD предоставляет информацию о фазовой ошибке на частоте N×PFD. Интегратор накапливает фазовую ошибку для N выборок. Понижающий дискретизатор 609 сбрасывает интегрированную фазовую ошибку с частотой дискретизации с понижением частоты. В других вариантах осуществления интегральная схема и схема дампа , 301, , показанная на фиг. 3 можно использовать во время тестирования отклика PLL.В других вариантах осуществления, в зависимости от конкретной конфигурации PFD и подхода к выборке (например, PFD выдает фазовую ошибку на частоте PFD, а не на интерполированной скорости), схема 605 интегрирования и сброса может быть исключена. Схема 615 максимальной фазовой ошибки и схема 617 обнаружения пересечения нуля получают фазовую ошибку 611 , поступающую от схемы 605 интегрирования и сброса. Сигнал разрешения тестирования 619 запускает тестирование отклика PLL.При подтверждении сигнала разрешения тестирования 619 смещение фазы вставляется в цифровое представление опорного тактового сигнала (или тактовый сигнал обратной связи). Одновременно со вставкой фазового шага счетчик 621 начинает отсчет. Со ссылкой на фиг. 5А, детектор перехода через нуль ищет, чтобы фазовая ошибка стала равной нулю на уровне 502 в первый раз после введения фазового шага. В варианте осуществления компаратор , 631, , показанный на фиг. 6B реализует эту функцию путем установки порога сравнения 633 на значение, соответствующее нулю, для сравнения с фазовой ошибкой.Фазовая ошибка, превышающая это пороговое значение в первый раз, указывает на первое пересечение нуля 635 . Обнаружение пересечения нуля приводит к тому, что значение счетчика 621 сохраняется в памяти 623 (или сохраняется путем остановки счетчика 621 ), и это значение счетчика используется для определения пропускной способности PLL.

Логическая схема максимальной фазовой ошибки 615 определяет максимальное превышение путем сравнения текущей фазовой ошибки с текущей максимальной фазовой ошибкой, которая сохраняется, и заменяет текущий максимум, если текущая фазовая ошибка больше текущего максимального значения.Логика максимальной фазовой ошибки начинает отслеживать текущую фазовую ошибку после того, как произошло событие пересечения нуля. Логика максимальной фазовой ошибки прекращает отслеживать фазовую ошибку в конце цикла измерения (конец теста), как только будет достигнута устойчивая синхронизация, указывающая на то, что фазовая ошибка установилась и сойдется почти к нулю после инициирования фазового скачка для измерения или по истечении заданного периода времени после пересечения нуля или заданного периода времени после утверждения теста включения 619 .Например, среднюю фазовую ошибку 307 (см. фиг. 3) можно использовать для определения окончания теста. Максимальная фазовая ошибка — это максимальное превышение, используемое для определения пикового значения PLL.

Максимальный выброс и время перехода через ноль можно использовать для определения отклика ФАПЧ на основе отношения времени перехода через нуль к обратной величине полосы пропускания и на основе отношения максимального выброса фазовой ошибки к пиковым значениям ФАПЧ. Для определения отклика PLL можно использовать специальные схемы, или центральный процессор (ЦП) в блоке микроконтроллера (MCU) или другой процессор на интегральной схеме можно использовать для обработки данных максимального выброса и времени перехода для характеристики отклика ФАПЧ. .

Полоса пропускания ФАПЧ второго порядка может быть определена, как показано ниже в уравнении (1), где ω _{3 дБ} — ширина полосы 3 дБ, а ω _n — собственная частота ФАПЧ, а ζ — коэффициент демпфирования. .
θ _3db =ω _n (2ζ ² +1+√{квадратный корень из (((2ζ ² +1) ² +1)))} ^{1/2 907}

Для PLL с определенным коэффициентом демпфирования и собственной частотой мы имеем теоретическую полосу пропускания контура 3 дБ.Собственная частота ФАПЧ ω _n обратно пропорциональна фильтру контура постоянной времени ФАПЧ

(ωn∝1τ).
Таким образом, длительность перехода (T _{кроссовер} ) во время индуцированного фазового скачка обратно пропорциональна полосе пропускания PLL. Ссылаясь на фиг. 7 показано, что время перехода (T _{кроссовер} ) линейно пропорционально обратному значению ширины полосы пропускания замкнутого контура 3 дБ системы ФАПЧ, как показано в результатах моделирования, показанных на фиг. 7. Фиг. 7 показано, что чем ниже полоса пропускания, тем выше кроссовер T .Отметим, что кроссовер T не очень чувствителен к величине фазового шага. ИНЖИР. 7 показано, что время перехода обратно пропорционально ширине полосы, при условии, что все остальные параметры PLL поддерживаются постоянными. Например, наклон графика изменяется при изменении коэффициента демпфирования. В одном примере время перехода приблизительно равно 2,5/BW для коэффициента демпфирования 1.

Моделирование и уравнения контура также предсказывают, что максимальное превышение пропорционально максимальному пику в передаточной функции замкнутого контура.В частности, чем больше перерегулирование, тем сильнее пик. Величина выброса также пропорциональна величине фазового шага. Максимальное превышение или пиковое выходное значение во время индуцированного фазового скачка можно определить примерно так, как показано ниже.

Макс⁢⁢выброс=фазовый шаг*(1+exp⁡(-ζ1-ζ2)*Tp*(cos⁢⁢Tp-ζ1-ζ2⁢sin⁢⁢Tp)(2)
где T _p =ω _n √{квадратный корень из (1−ζ ² )}. Здесь фаза _{, шаг} — это индуцированный фазовый шаг в PLL, ω _n — собственная частота PLL, а ζ — коэффициент демпфирования.ИНЖИР. 8 показаны результаты моделирования отклика для фазовых скачков двух различных величин и показана прямо пропорциональная зависимость между максимальным выбросом фазы и пиковым значением дрожания замкнутого контура ФАПЧ при постоянном наборе других параметров ФАПЧ при моделировании. Ответ 801 является линией наилучшего соответствия для первого шага фазы 85% по отношению к эталонному тактовому сигналу, т. е. 85% периода эталонного тактового сигнала. Ответ 803 иллюстрирует линию наилучшего соответствия для фазового шага 50% по отношению к эталонным часам.

Хотя на фиг. 6А показана отдельная схема , 102, измерения отклика на кристалле, в вариантах осуществления, возможности на кристалле, описанные на ФИГ. 1, 2 и 3 можно использовать при тестировании отклика PLL. Входные эталонные часы преобразуются в представление временного кода преобразователем времени в цифру (TDC). Временные коды от TDC проходят через схему сумматора/вычитателя , 603, (см. фиг. 6A), прежде чем они достигают цифровой схемы PFD и детектора блокировки , 101, (см. фиг.1). Проверка инициируется путем подачи сигнала разрешения проверки , 619, , показанного на фиг. 6А, который, в свою очередь, активирует необходимые схемы, необходимые для измерения переходных характеристик системы ФАПЧ для индуцированного фазового скачка.

Утверждение сигнала разрешения тестирования 619 позволяет добавить или вычесть значение временного кода из фактического временного кода из TDC, представляющего опорный тактовый сигнал, тем самым создавая фазовый скачок, если смотреть с цифрового PFD 117 и блокировать детектор 101 .Индуцированный фазовый скачок воспринимается PFD как фазовая ошибка между опорным тактовым сигналом и тактовым генератором обратной связи, и PLL реагирует на фазовый скачок на основе своих характеристик. Реакция PLL постоянно контролируется и фиксируется детектором блокировки. Информация об ошибке фазы обрабатывается схемой контроля фазовой синхронизации , 203, (см. фиг. 3), а схема контроля фазовой синхронизации , 203 предоставляет информацию, используемую для определения полосы пропускания и максимального выброса, создаваемого тестируемой PLL.

Схема контроля фазовой синхронизации 203 имеет программируемые пороговые значения для определения того, является ли фазовая ошибка в контуре ФАПЧ больше или меньше пределов. В одном варианте осуществления это достигается путем установки порога срабатывания для определения того, превышает ли фазовая ошибка, вносимая в контур, установленный предел (не синхронизировано), и четкого порога, который заставляет индикацию блокировки утверждаться, если фазовая ошибка ниже установленного предела. четкий порог. Схема имеет внутренний счетчик (не показан на фиг.3), который начинает подсчет в ответ на фазовую ошибку, превышающую порог запуска (в ответ на потерю блокировки фазы), и прекращает подсчет, когда фазовая ошибка меньше порога очистки, указывающего, что фаза заблокирована. Таким образом, эти пороги можно использовать, установив порог срабатывания чуть ниже фазового шага и установив порог сброса, близкий к нулю. Таким образом, внутренний счетчик в схеме контроля фазовой синхронизации может использоваться для запуска счета при применении фазового шага и остановки счета, когда фазовая ошибка пересекает ноль.В варианте осуществления счетчик работает на осцилляторе с внутренней калибровкой, который позволяет преобразовывать значение счета в представление времени. Конечно, другие варианты осуществления могут использовать выделенные схемы для встроенной схемы измерения отклика или другую комбинацию доступных схем и выделенных схем.

РИС. 9 показана временная диаграмма, иллюстрирующая операцию тестирования отклика PLL. ИНЖИР. 9 показаны опорные часы (ref) и часы обратной связи (fb) с соответствующей информацией об отметках времени во временных кодах.Также отображается временной код фазового шага. Временной код фазового шага суммируется с эталонным временным кодом один раз по адресу 901 . Это вводит в контур фазовый скачок, и PLL устраняет вносимую фазовую ошибку. ИНЖИР. 9 также показано влияние 903 на опорный тактовый сигнал, а также утверждение сигнала разрешения тестирования на 905 . Наконец, фиг. 9 иллюстрирует фазовую ошибку во временных кодах. Отметим, что форма фазовой ошибки, показанная на фиг. 9 может выглядеть как фазовая ошибка, показанная на фиг.5A и 5B, но зависит от коэффициента демпфирования PLL.

Обработанная информация о фазовой ошибке от детектора блокировки или выделенных цепей может непрерывно передаваться во внутреннюю память MCU для последующей обработки MCU или другим встроенным процессором для определения времени перехода через нуль и максимального выброса вместо использования выделенного схема для определения максимального выброса и времени перехода через ноль в режиме реального времени. Кроме того, запрограммированный процессор может определить полосу пропускания по времени перехода через нулевое значение и пиковое значение ФАПЧ по максимальному выбросу.Эти данные могут быть предоставлены, как и другие диагностические данные или данные об ошибках, вне микросхемы через последовательный порт или другой путь передачи отчетов. Дополнительные характеристики PLL также могут быть определены для тестируемой PLL, такие как время установления (см. последовательные пики (например, 507 , 509 и 511 на фиг. 5B) переходной характеристики.Эта информация может использоваться для определения коэффициента демпфирования PLL, собственной частоты PLL и времени установления для PLL. Можно использовать специальную схему или встроенный запрограммированный процессор для определения различных характеристик описанной здесь PLL.

РИС. 10 иллюстрирует блок-схему высокого уровня для внутрикристального измерения отклика PLL. По адресу 1001 включается тест PLL, в результате чего вставляется фазовый шаг, и счетчик для детектора пересечения нуля начинает свой отсчет.Детектор пересечения нуля оценивает информацию о фазе и ищет пересечение нуля фазовой ошибки в 1003 . Переход через нуль может быть обнаружен, например, с использованием компаратора для определения первого перехода через нуль. Тест ожидает, пока фазовая ошибка не станет равной нулю в 1003 , и при обнаружении пересечения нуля в 1005 сохраняет значение счетчика при пересечении нуля. Обнаружение пересечения нуля приводит к тому, что детектор максимальной ошибки начинает искать максимальную фазовую ошибку.В 1007 логика проверяет, превышает ли текущая фазовая ошибка текущий максимум, и если да, заменяет текущий максимум. В 1009 логика максимальной фазовой ошибки проверяет, закончился ли тест на основании, например, того, что заданное количество фазовых ошибок меньше порогового значения (или средняя фазовая ошибка меньше порогового значения), истек заданный период времени, или какой-либо другой индикатор того, что максимальная фазовая ошибка уже обнаружена. Если тест завершен, максимальная фазовая ошибка является максимальным выбросом и доступна для определения пикового значения PLL, а время перехода через нуль доступно для расчета полосы пропускания.В вариантах осуществления встроенный микроконтроллер 108 (см. фиг. 1) запрограммирован для расчета полосы пропускания на основе линейной зависимости, показанной, например, на фиг. 7. Кроме того, встроенный микроконтроллер может вычислять пиковые значения PLL на основе соотношений, показанных на фиг. 8 или другую кривую, подходящую для конкретного размера фазового шага. В дополнение к характеристике ФАПЧ на основе полосы пропускания и пиковых значений, если фазовая ошибка сохраняется или предусмотрена дополнительная выделенная схема, время установления, пиковый выброс и временная разница между последовательными пиками переходной характеристики могут быть использованы для дальнейшего использования. охарактеризовать PLL.Эта информация может использоваться для определения коэффициента демпфирования PLL, собственной частоты PLL и времени установления для PLL. В вариантах осуществления, если встроенный процессор недоступен, время перехода через нуль и максимальное превышение фазовой ошибки обеспечиваются вне кристалла для дополнительной обработки.

Таким образом, были описаны методы определения отклика системы ФАПЧ с использованием встроенной схемы. Описание изобретения, изложенное здесь, является иллюстративным и не предназначено для ограничения объема изобретения, изложенного в следующей формуле изобретения.Вариации и модификации раскрытых здесь вариантов осуществления могут быть сделаны на основе изложенного здесь описания без отклонения от объема изобретения, изложенного в следующей формуле изобретения.

Недорогое измерение фазового шума |

Малошумящие кварцевые генераторы могут демонстрировать исключительно низкий близкий фазовый шум, который невозможно напрямую измерить с помощью анализатора спектра или частотного дискриминатора. Наиболее распространенный метод измерения сравнивает фазу тестируемого генератора с эталонным генератором с аналогичными или лучшими шумовыми характеристиками.Обычный PLL может упростить измерения, удерживая относительную фазу двух генераторов в квадратуре, что обычно является лучшей точкой для преобразования небольших изменений фазы в изменения напряжения. Хотя PLL постоянно работает над устранением этих фазовых изменений, постоянная времени может быть установлена ​​достаточно долго, чтобы сохранить самые медленные интересующие фазовые изменения. Ниже показана типичная блок-схема, на которой тестируемый генератор и опорный генератор напрямую подключены к диодному смесителю с двойной балансировкой.Выход микшера подключается через фильтр нижних частот для блокировки радиочастот к усилителю фазовой автоподстройки частоты. Резисторы и конденсатор выбираются так, чтобы полоса пропускания контура была значительно ниже самой низкой измеряемой частоты. Наклон фазы равен вольтам на радиан, а чувствительность настройки равна радианам на секунду – вольтам, что составляет 2 pi Гц на вольт. (См.: полезных электронных таблиц )

Фильтр нижних частот должен удалять радиочастоты, но его частота спада не должна быть близкой к полосе пропускания петли, иначе петля может стать нестабильной, и он должен иметь достаточно широкую полосу пропускания, чтобы пропускать шум на самой высокой интересующей частоте.Шумовой выход обычно отправляется на малошумящий усилитель, за которым следует анализатор звукового спектра, волновой анализатор или фильтр. Малошумящий усилитель может не понадобиться, если уровень собственных шумов анализатора достаточно низок.

Осложнения

Вышеприведенная схема внешне проста, но имеет ряд вариантов, сложностей и подводных камней.

• Сначала смеситель преобразует колебания фазы в колебания напряжения с чувствительностью преобразования, которую необходимо определить.
  • Одним из способов определения коэффициента преобразования является отключение электрической настройки и регулировка частот генератора до тех пор, пока на выходе микшера не появится биение с помощью осциллографа. Наклон пересечения нуля можно определить в вольтах на радиан, имея в виду, что одна полная нота доли соответствует 2 пи радианам. Подводные камни: Усилители, подключенные к PLL, могут быть перегружены нотой биений и вызвать ошибку измерения. Если они отключены, то изменяется нагрузка смесителя, что может изменить наклон фазы, особенно если на выходе смесителя не используется нагрузка с низким импедансом (для лучшего наклона фазы).Полезен усилитель, который можно переключить на более низкий коэффициент усиления без изменения его входных характеристик. Кроме того, положительный и отрицательный наклоны фазы могут различаться, и возникает необходимость определить, какой наклон используется при блокировке контура. Различные положительные и отрицательные наклоны могут указывать на «блокировку инжекции», вызванную недостаточной изоляцией генератора. Буферные усилители или даже умножители частоты обычно уменьшают или устраняют блокировку инжекции. Наклон фазы проверяется только на одной частоте, и частотная характеристика может быть неравномерной, особенно если для увеличения наклона фазы используется необычная схема смесителя.Когда необходимо измерить только близкий шум или уровень шума не выходит за пределы измерения, рекомендуется нагрузить выход микшера сопротивлением 50 Ом.
  • Другой метод определения наклона заключается в тщательном определении чувствительности электрической настройки одного из генераторов и применении звукового сигнала для создания точной частотной модуляции. Сеть электрической настройки генератора должна иметь достаточную полосу пропускания, чтобы не скатывать сигнал модуляции, и при перемещении точки постоянного тока необходимо учитывать нелинейность настройки.Может оказаться выгодным подключить напряжение настройки PLL к O.U.T. так что модуляция может быть применена к электрической настройке опорного генератора с фиксированным смещением постоянного тока. Чтобы измерить крутизну, заблокируйте PLL и подайте слабый звуковой тон на низкой частоте (находящейся в пределах полосы настройки генератора) и достаточно малой, чтобы не перегрузить малошумящий усилитель. Результирующий уровень модуляции в радианах рассчитывается как Xrad = Vmod (вольты) x чувствительность настройки (Гц/вольт) / частота тона (Гц).Измерьте высоту сигнала на анализаторе, и отношение этого измерения к рассчитанному значению в радианах будет наклоном фазы. Некоторые анализаторы используют переменную ширину полосы измерения, а затем нормализуют измерение шума для 1 Гц. Не забудьте отключить эту нормализацию полосы пропускания (вольт на корень-Гц) при измерении наклона фазы или других неслучайных сигналов. Вы также можете измерить калибровочную модуляцию с помощью осциллографа, подключенного к выходу малошумящего усилителя.
• Шум, вносимый PLL, может перекрыть шум генератора.Используйте резисторы с меньшим номиналом и малошумящий операционный усилитель.
• Низкий коэффициент демпфирования в PLL может давать шумовой «удар», который усиливает шум вблизи частоты полосы пропускания контура.
• Сильные сигналы, частоты, связанные с линией, и низкочастотный шум большой амплитуды могут вызвать перегрузку усилителя, что приведет к ложным показаниям.
• Звуковой шум на земле может попасть в малошумящий аудиоусилитель и вызвать ложно высокие показания. Шунтируйте токи печи и другие токи источника питания непосредственно обратно к источнику питания, а не по сигнальному кабелю, если это возможно.

Ниже приведена упрощенная процедура измерения фазового шума:

• Измерьте наклон фазы.
• Подключите электрическую настройку и PLL и малошумящий усилитель. Отрегулируйте частоту генератора, чтобы добиться синхронизации с напряжением настройки около середины диапазона настройки. Выход LPF должен быть около нуля вольт.
• Измерьте звуковой спектр на выходе малошумящего усилителя.

Вот пример типичного измерения и необходимых расчетов:

Предположим, что волновой анализатор с полосой пропускания 9 Гц измеряет среднеквадратичное значение 17 мкВ на частоте 1 кГц, а наклон фазы смесителя равен 0.8 вольт/радиан. Также предположим, что малошумящий усилитель имеет коэффициент усиления 60 дБ. Сначала разделите 17 мкВ на 0,8 вольт/радиан, чтобы преобразовать напряжение в радианы. Теперь разделите на квадратный корень из полосы пропускания измерения (sqrt(9) = 3), чтобы нормализовать полосу пропускания 1 Гц. Теперь вычислите логарифм (по основанию 10) и умножьте на 20. Вычтите усиление усилителя (60 дБ), вычтите 3 дБ, если вы предполагаете, что генераторы вносят одинаковый шум в измерение, и вычтите 3 дБ, чтобы скорректировать тот факт, что измерение на самом деле двухполосный:

L(f) = 20log(17 x 10-6/(0.8 x 3))-60-3-3 = -169 дБн.

Измерение наклона фазы с помощью метода нот долей:

Отключите электрическую настройку и малошумящий усилитель. Подключите осциллограф к выходу LPF. Вход прицела и триггер должны быть соединены по постоянному току! Расстраивайте один генератор до тех пор, пока один полный цикл не заполнит экран с довольно низкой скоростью развертки. Увеличьте скорость развертки точно в 100 раз. Полный экран теперь составляет 0,02 pi радиан. Отрегулируйте триггер (не вертикальное положение!), чтобы измерить наклон кривой, когда она пересекает ноль вольт.Если кривая кривая, попробуйте оценить линию, которая лучше всего соответствует кривой на пересечении нуля. Например, если кривая (или лучшая прямая) охватывает 50 мВ, то наклон фазы составляет 0,05/0,02 пи = 0,8 вольт/радиан

.

Схемы

Аудиоусилитель

: довольно легко построить превосходный малошумящий аудиоусилитель с обычными операционными усилителями. Многие усилители доступны с шумовым напряжением ниже 5 нВ на корневую частоту Гц, а некоторые демонстрируют шум ниже 1 нВ. Полезно иметь выбор связи по переменному или постоянному току и, возможно, две настройки усиления.Используйте маломощные малошумящие резисторы для настройки усиления. В технической библиотеке есть необычная схема усилителя с полевыми транзисторами с низким уровнем шума. Эта схема обеспечивает 60 дБ усиления по переменному току с тремя настройками фильтра верхних частот, настройку 30 дБ со связью по постоянному току и настройку усиления 0 дБ для измерения наклона фазы. Усилитель фазовой синхронизации включает поворотный переключатель для фазовой синхронизации скорости. Вход и выход PLL буферизуются. Новый модуль аудиоусилителя Blue Top (LNAA) теперь доступен с шумом ниже 1 нВ/корень-Гц и коэффициентом усиления от 30 до 60 дБ.Полоса пропускания составляет более 2 МГц при усилении 30 дБ. Модуль имеет сильноточный выходной буфер и дополнительную входную нагрузку 50 Ом. Этот модуль является новым, и его техническое описание находится в стадии подготовки.

PLL: Усилитель с фазовой синхронизацией может быть обычным операционным усилителем в большинстве приложений. Схема усилителя, ссылка на которую приведена выше, включает в себя усилитель с ФАПЧ. Полный PLL, включая фазовый детектор, фильтр, синхронизирующий усилитель и регулятор напряжения, доступен в модуле Blue Top (LNPLL).

Смеситель, фильтр: Наилучшим выбором смесителя для измерения фазового шума является обычный диодный смеситель с двойной балансировкой.Фильтр, который следует за микшером, не имеет особого значения, поскольку частота РЧ-сигналов, которые должны быть заблокированы, обычно намного выше, чем самая высокая интересующая частота фазового шума. Подходящие смесители и фильтры доступны из линейки Blue Tops .

Другим вариантом является коммерческая система измерения фазового шума. Системы доступны по цене от нескольких тысяч до почти ста тысяч долларов, а поставщики варьируются от компаний с небольшим числом сотрудников до крупнейших производителей оборудования.

LAB WM750A — полоса пропускания контура ФАПЧ

Распространение джиттера в системах синхронизации с фазовой автоподстройкой частоты можно определить путем измерения передаточной функции джиттера компонентов системы. Этот тест характеризует амплитудную характеристику джиттера тестируемого устройства как функцию частоты джиттера. На рис. 1 показан результат типичного теста передаточной функции джиттера, выполненного с использованием генератора сигналов произвольной формы LeCroy LW420 и цифрового осциллографа LeCroy WaveMaster™ с расширенной математической опцией XMAP.XMAP включает в себя параметры измерения джиттера и синхронизации (JTA), используемые в этом примере.

Тест может быть выполнен с использованием источника сигнала, способного генерировать фазово-модулированный сигнал с регулируемой фазовой девиацией и достаточной шириной полосы модуляции для охвата желаемого диапазона частот. LeCroy LW420 позволяет генерировать фазово-модулированные сигналы с шириной полосы модуляции, достаточной для тестирования на частотах до десятков МГц. Тесты проводились с использованием ступенчатой ​​частотной синусоидальной модуляции, а также с функцией широкополосной ступенчатой ​​модуляции.В обоих случаях ширина полосы модуляции была ровной до более чем 10 МГц.

Ступенчатая функция использовалась для модуляции фазы несущей 66,67 МГц входного сигнала. На рисунке 3 была обнаружена переходная характеристика как для входа, так и для выхода тестируемого устройства (кривые F2 и F5) с использованием трека параметра ошибки временного интервала (TIE). Параметр TIE измеряет разницу во времени между фронтом сигнала и идеальным эталонным тактовым сигналом. На практике TIE измеряет мгновенную фазу сигнала.Функция отслеживания строит параметр TIE цикл за циклом в зависимости от времени и демодулирует фазово-модулированный сигнал. Демодулированная ступенчатая функция дифференцируется для получения импульсной характеристики (кривые F3 и F6). Усредненное быстрое преобразование Фурье (БПФ) преобразует функции импульсной характеристики в частотную характеристику входа и выхода PLL, кривые F4 и F7 соответственно. Последним шагом является нормализация спектра отклика на выходе к спектру отклика на входе. На рис. 4 показана нормализованная частотная характеристика, отображаемая в формате Log-Lin.Для преобразования в обычный формат Log-Log данные передаются в Excel в формате электронной таблицы ASCII. Этот результат ранее был показан на рисунке 1.

Использование 8 математических кривых, доступных с опцией WaveMaster XMAP, облегчает одновременное вычисление всех компонентов измерения. Это дополнительно улучшено за счет прямой связи со сторонними приложениями Windows, такими как Excel, который предоставляет собственные расширенные функции анализа и построения графиков. Результатом стал измерительный прибор с превосходной производительностью и простотой использования.

Измерение отклика контура управления источником питания с помощью графика Боде II

Стабильность — одна из наиболее важных характеристик при проектировании источников питания. Традиционно для измерения стабильности требуются дорогостоящие анализаторы частотных характеристик (АЧХ), которые не всегда доступны в лаборатории. Компания SIGLENT выпустила функцию графика Боде Ⅱ для осциллографов серий SIGLENT SDS1104X-E, SDS1204X-E, SDS2000X-E, SDS2000X Plus и SDS5000X. В сочетании с генератором сигналов произвольной формы Siglent (SDG или SAG) и инжекционным трансформатором можно создавать быстрые кривые частотной характеристики.

В этом примечании по применению мы покажем вам основные принципы проведения этого измерения стабильности и способы использования этих инструментов для выполнения измерения.

Рисунок 1: Установка Bode II

Стабилизированный источник питания на самом деле является усилителем с обратной связью с большим количеством источников тока. Любая теория, применимая к базовому усилителю с обратной связью, применима и к регулируемому источнику питания.

В теории обратной связи устойчивость системы с обратной связью может быть определена путем оценки передаточной функции контура.Более практичным способом является измерение графика Боде коэффициента усиления контура. На рис. 2 показана типичная система обратной связи.

Передача с обратной связью A представляет собой математическое соотношение между входом x и выходом y. Усиление контура T по его названию определяется как усиление сигнала, проходящего по контуру.

Рисунок 2: Типичная петля обратной связи

Поскольку α и β являются комплексными переменными, они имеют не только модуль, но и фазовый угол, как и коэффициент усиления контура T. Если фазовый угол T достигает -180 °, а модуль равен 1, передаточная функция замкнутого контура A становится бесконечностью.В этой ситуации система будет поддерживать выходной сигнал, пока нет входного сигнала. Таким образом, система действует как осциллятор, а не как усилитель, что означает, что система нестабильна.

Если мы нанесем контурное усиление на график Боде, мы сможем оценить стабильность, найдя запас по фазе и запас по усилению. Запас по фазе определяется как то, на сколько градусов можно уменьшить фазу, прежде чем она достигнет -180 °, в то время как амплитуда равна 1 (или 0 дБ). Запас по усилению определяется как количество дБ по величине, которое может быть добавлено до достижения 1 (или 0 дБ) при фазе -180°.

Рисунок 3: График Боде, фаза и коэффициент усиления

Чтобы получить желаемое усиление петли, мы просто разрываем петлю. На рис. 4 показано, как разорвать цикл в типичной системе с обратной связью. Технически вы можете разорвать петлю в любом месте. Обычно мы выбираем разрыв контура в точке между выходом усилителя и цепью обратной связи. Затем мы вставляем тестовый сигнал i для обхода контура. Усиление контура представляет собой математическое соотношение между выходным сигналом y и тестовым сигналом i .

Рисунок 4: Разрыв петли в типичной системе с обратной связью

  В действительности мы никогда не сможем действительно разорвать петлю, потому что петля обратной связи служит для поддержания рабочей точки цепей в состоянии покоя постоянного тока. Без контура обратной связи тестируемое устройство насыщается из-за небольшого входного напряжения смещения, и тогда нельзя будет измерить никакого полезного результата.

Чтобы преодолеть это, мы должны измерить отклик разомкнутого контура внутри замкнутого контура.Поэтому мы просто вводим сигнал в петлю, а не разрываем петлю. На рис. 5 показан типичный метод петлевой инъекции. Точка инжекции выбрана таким образом, чтобы импеданс в направлении контура был намного выше, чем в обратном направлении. Одна из возможных точек находится между выходом и сетью обратной связи резисторного делителя. Могут быть выбраны другие точки, отвечающие этому требованию.

Рисунок 5: Циклическая инъекция

Для поддержания замкнутого контура в точку инжекции вставлен небольшой инжекторный резистор Ri.Резистор должен быть достаточно мал, чтобы он мало влиял на схему, а также, чем меньше номинал резистора, тем ниже частота, на которой будет работать трансформатор. Picotest рекомендует сопротивление резистора 4,99 Ом для J2100A, и большее значение может быть выбрано в зависимости от схемы. Затем сигнал инжекции подается на резистор инжекции.

Введенный сигнал не должен влиять на рабочую точку цепи постоянного тока. Одним из способов решения проблемы общего заземления является использование инжекторного трансформатора, как показано на рис. 6.

Рисунок 6: Инжекторный трансформатор

Сигнал инжекции начинается с одного конца резистора инжекции, проходит через цепь обратной связи резистивного делителя, усилитель ошибки и транзистор с проходным элементом и, наконец, поступает на выход, который является другим концом резистора инжекции. Соотношение между входным сигналом i и выходным сигналом y представляет собой коэффициент усиления контура, который мы хотим измерить.

Имейте в виду, что мы измеряем параметр разомкнутого контура внутри замкнутого контура, фаза начинается с 180° и уменьшается до 0°, а не начинается с 0° и уменьшается до -180°.Поэтому запас по фазе следует измерять относительно 0°.

Осциллограф: Siglent SDS1204X-E с версией микропрограммы выше 6.1.27R1 (выпуск Боде Plot Ⅱ)

Источник сигнала: Siglent SDG2042X

Блок питания: Siglent SPD3303X

Датчик: Пассивный датчик Siglent PP215 переключен на 1X

Инжекторный трансформатор: Picotest J2100A

Тестируемое устройство: Picotest VRTS v1.51

  Picotest VRTS v1.51 — это демонстрационная плата для тестирования регуляторов напряжения. Технически это линейный стабилизатор, построенный на знаменитом TL431 и дискретном транзисторе. Схема показана на рис. 7. Можно выбрать различные выходные конденсаторы, чтобы увидеть влияние на стабильность контура управления.

Рисунок 7: Схема VRTS v1.51

Для предлагаемого измерения отклика контура управления источником питания точкой ввода являются TP3 и TP4.Схема подключения показана на рисунке 8.

Генератор подключается к осциллографу через USB (также поддерживается подключение через Ethernet).

Инжекторный трансформатор подключен параллельно с инжекторным резистором, так что сигнал подается в контур, предотвращая влияние генератора на рабочую точку цепи постоянного тока.

Точки TP3 и TP4 также подключены к осциллографу, и TP4 определяется как вход ИУ, а ТР3 — как выход ИУ на графике Боде Ⅱ.

Рисунок 8: Подключение цепи

Рисунок 9: Подключение датчика и трансформатора к тестируемому устройству

В этом разделе мы покажем, как должна быть выполнена конфигурация ключа для правильного измерения. Полные инструкции по графику Боде Ⅱ см. в руководстве пользователя и кратком руководстве.

Перед входом в график Боде Ⅱ рекомендуется включить настройку ограничения полосы пропускания осциллографа 20 МГц.

В настоящее время мы хотим измерить график Боде от 10 Гц до 100 кГц. Этого частотного диапазона должно хватить для схемы с ожидаемой частотой кроссовера около 10 кГц.

Войдите в меню Config и установите для параметра Sweep Type значение Simple, затем введите Set Sweep, чтобы задать частоту сканирования. Установите режим на «Декада» и «Начало» на 10 Гц, «Стоп» на 100 кГц. Установите Points/dec на 20, достаточно для типичной развертки. Войдите в меню Set Stimulus, чтобы установить Amplitude на 50 мВ. Войдите в меню «Установить канал», чтобы установить вход ИУ на канал 2, а выход ИУ на канал 3.

Рисунок 10: Конфигурация прицела Bode II

После завершения настройки вернитесь в главное меню и нажмите «Выполнить», чтобы начать развертку.

Дождитесь результатов, как показано на рис. 11.

Результат несколько сбивает с толку и вызывает подозрения из-за кривой на низкой частоте, особенно фазовой кривой, чередующейся вверх и вниз. В следующем разделе мы представим метод под названием Vari-level для решения этой проблемы.

Рисунок 11: Результаты измерений

После завершения развертки снова нажмите Run, чтобы остановить развертку.Войдите в меню «Дисплей», а затем войдите в меню «Курсоры», чтобы включить курсоры. С помощью ручки настройки переместите курсоры и установите запас по фазе, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12: Курсорное измерение на графике Боде

Вы также можете включить функцию «Список» в меню «Данные», чтобы просмотреть измеренные данные, или вы можете экспортировать данные во внешний USB-накопитель для дальнейшего анализа на компьютере.

Рисунок 13: Экспорт данных

В предыдущем разделе мы видим, что результаты не идеальны для трассировки дребезга на низкой частоте.Это связано с тем, что на низкой частоте разность амплитуд между входным и выходным каналами относительно велика, а поскольку мы используем относительно небольшой сигнал возбуждения (на этот раз 50 мВ пик-пик), сигнал, представленный на входном канале ИУ, чрезвычайно мал, так что Коммерческий осциллограф общего назначения не может измерить его точно.

Но мы не можем просто увеличить амплитуду сигнала стимула. Результат будет аналогичен показанному на рис. 14. Сильный сигнал вблизи области частот кроссовера вызывает серьезные искажения в петле.Искаженный сигнал во временной области показан на рисунке 15.

Помните, что график Боде имеет смысл только в линейной системе и не имеет смысла в сильно нелинейной системе. Результат бесполезен.

Рисунок 14: Увеличенная амплитуда и искажение стимулирующего сигнала

Рисунок 15: Искажение во временной области

Одним из возможных решений этой проблемы является Vari-level (другие производители могут называть его «Shaped Level» или «Level Profile»). Концепция переменного уровня проста: амплитуда стимулирующего сигнала изменяется в зависимости от частоты.Если мы используем большой сигнал на низких частотах и ​​уменьшаем амплитуду до довольно малого уровня вблизи области кроссовера, чтобы он вызывал небольшие искажения в петле, теоретически мы можем получить идеальный результат.

В меню «Конфигурация» установите для параметра «Тип развертки» значение «Простой» на «Переменный уровень» и нажмите «Установить переменный уровень», чтобы открыть редактор профиля «Переменный уровень».

Рисунок 16. Установите тип сканирования на переменный уровень

На рис. 17 показан редактор профилей Vari-level. Параметр «Профиль» позволяет пользователю выбрать и сохранить до 4 профилей.Узлы задают количество узлов в трассе профиля, минимально допустимое количество узлов равно 2, поскольку по крайней мере 2 точки могут определять линию, и всегда первый и последний узлы задают начало и конец трассы. Нажмите Edit Table, чтобы войти в режим редактора профиля. Редактируемый параметр выделяется курсорами, а затем снова нажмите Edit Table, чтобы переключить курсоры между «Freq», «Ampl» и всей строкой, что позволяет пользователю перемещаться по всей таблице. Пользователи могут использовать ручку регулировки для установки выделенного параметра, а нажатие на ручку вызовет визуальную клавиатуру, которая позволяет напрямую вводить параметр.Опции Set Sweep и Set Stimulus в чем-то похожи на опции простого типа развертки, но они не коррелируют друг с другом. На этот раз мы устанавливаем режим развертки на «Декада», и достаточно 40 точек за декаду. В этом измерении используется профиль, показанный на рисунке 17. Это не оптимальный профиль для этой схемы, но с него можно начать.

Рисунок 17: Редактор многоуровневых профилей

На практике всегда следует экспериментировать с этими параметрами, чтобы найти оптимальное решение для конкретной схемы.

Одним из практических способов сделать это является мониторинг сигнала во временной области, уменьшение амплитуды стимулирующего сигнала до тех пор, пока не перестанут наблюдаться видимые искажения, а затем уменьшение амплитуды еще на 6 дБ. Затем запишите амплитуду и частоту, перейдите на другую частоту и повторите процесс.

Существует лучший способ найти оптимальный профиль, если у вас уже есть заведомо исправный профиль. Уменьшите амплитуду сигнала на 6 дБ и запустите развертку, чтобы увидеть, изменится ли график.Если она изменится, уменьшите амплитуду еще на 6 дБ и повторите развертку. Пока результат не изменится, можно увеличить амплитуду на 6 дБ и это оптимальный профиль. Это отнимает много времени, но необходимо для получения значимого результата.

После завершения редактирования профиля вернитесь в главное меню и нажмите «Выполнить», чтобы начать развертку. На рис. 18 показан окончательный результат измерения с помощью Vari-level. Изменение переключателя выбора конденсатора S1 на демонстрационной плате VRTS v1.51 изменит характеристику контура из-за воздействия различных конденсаторов.

Рисунок 18: Результаты с Vari-level

  Осциллограф Siglent с недавно выпущенным графиком Боде Ⅱ вместе с генератором сигналов Siglent и инжекционным трансформатором Picotest представляют собой очень гибкую и простую в использовании систему измерения контура управления источником питания.

Что такое контур фазовой автоподстройки частоты (PLL)?

Что такое контур фазовой автоподстройки частоты (PLL)?

Контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) — это электронная схема с генератором, управляемым напряжением или напряжением, который постоянно настраивается в соответствии с частотой входного сигнала.PLL используются для генерации, стабилизации, модуляции, демодуляции, фильтрации или восстановления сигнала из «зашумленного» канала связи, где данные были прерваны.

PLL широко используются в беспроводных или радиочастотных (RF) приложениях, включая маршрутизаторы Wi-Fi, широковещательные радиостанции, рации, телевизоры и мобильные телефоны.

В простейшем случае схема фазовой автоподстройки частоты представляет собой замкнутую цепь управления с обратной связью, чувствительную как к частоте, так и к фазе. PLL — это не отдельный компонент, а система, состоящая как из аналоговых, так и из цифровых компонентов, соединенных между собой в конфигурации с отрицательной обратной связью.Считайте это аналогом сложной схемы усилителя на основе операционного усилителя (операционного усилителя).

Для чего используется контур фазовой автоподстройки частоты?

Основной задачей PLL является синхронизация выходного сигнала генератора с опорным сигналом. Даже если два сигнала имеют одинаковую частоту, их пики и впадины могут не появляться в одном и том же месте. Проще говоря, они не достигают одной и той же точки на осциллограмме в одно и то же время.

Известная как разность фаз , измеряется как угол между сигналами.Для сигналов с различными частотами разность фаз между ними всегда будет разной, что означает, что один сигнал будет отставать или опережать другой на разную величину.

Во время разности фаз ведущая фаза относится к волне, возникающей «впереди» другой волны той же частоты, в то время как отстающая фаза указывает на волны, возникающие «позади» другой волны той же частоты.

PLL уменьшает фазовые ошибки между выходной и входной частотами. Когда разность фаз между этими сигналами равна нулю, говорят, что система «заблокирована».И это блокирующее действие зависит от способности PLL обеспечивать отрицательную обратную связь, т. е. направлять выходной сигнал обратно на фазовый детектор.

Помимо синхронизации выходной и входной частот, PLL также помогает установить фазовое соотношение вход-выход для создания соответствующего управляющего напряжения. Таким образом, это помогает достичь синхронизации частоты и фазы в цепи.

Ключевые компоненты контура фазовой автоподстройки частоты

PLL состоит из трех основных компонентов:

• Фазовый детектор (также известный как фазовый компаратор или смеситель).Он сравнивает фазы двух сигналов и генерирует напряжение в соответствии с разностью фаз. Он умножает опорный вход и выходной сигнал генератора, управляемого напряжением.
• Генератор, управляемый напряжением . Генерирует синусоидальный сигнал, частота которого близко соответствует центральной частоте, обеспечиваемой фильтром нижних частот.
• Фильтр нижних частот . Своего рода петлевой фильтр, который ослабляет высокочастотную составляющую переменного тока (AC) входного сигнала, чтобы сгладить и сгладить сигнал, чтобы сделать его более похожим на постоянный ток.

Здесь фазовый детектор функционирует как аналоговый умножитель , генератор, управляемый напряжением, как усиление блок, и фильтр нижних частот как запаздывающий блок .

Вместе контур фазовой автоподстройки частоты, управляемый напряжением генератор, опорный генератор и фазовый компаратор составляют синтезатор частоты — электронную систему, которая производит диапазон частот от одного фиксированного генератора.Беспроводное оборудование, в котором используется этот тип управления частотой, называется частотно-синтезирующим.

Другие устройства синтеза частоты включают:

• мобильные телефоны
• спутниковые ресиверы
• Системы GPS

Базовый механизм PLL работает на основе разности фаз между двумя сигналами. Он обнаруживает эту разницу и обеспечивает механизм обратной связи для изменения частоты генератора, управляемого напряжением.

PLL сравнивает сигнал генератора, управляемого напряжением, с входным/опорным сигналом.Поскольку система ФАПЧ чувствительна как к частоте, так и к фазе, она может обнаруживать разницу как в частоте, так и в фазе между двумя сигналами.

Генерирует сигнал ошибки, соответствующий разности фаз между сигналами. Эта разность передается на фильтр нижних частот, который удаляет любые высокочастотные элементы и фильтрует сигнал ошибки в переменный уровень постоянного тока (DC). Затем этот «сигнал обратной связи» подается обратно на генератор, управляемый напряжением, для управления его частотой.

Упрощенный взгляд на то, как постоянно работает контур фазовой автоподстройки частоты для регулировки напряжения в соответствии с частотой входного сигнала.

Для начала этот цикл будет разблокирован. Сигнал ошибки сдвинет частоту генератора, управляемого напряжением, к опорной частоте и будет продолжать делать это до тех пор, пока он не сможет больше уменьшить ошибку. Однако в какой-то момент разность фаз между двумя сигналами станет равной нулю (т. е. они оба будут иметь одну и ту же частоту).

Это когда считается, что петля заблокирована, и возникает установившееся напряжение ошибки.

Общие приложения с фазовой автоподстройкой частоты

PLL используются в десятках приложений; среди них:

• телекоммуникационные системы
• компьютеров
• радио
• прочие электронные системы

Контуры фазовой автоподстройки частоты часто используются в беспроводной связи, прежде всего для передач с частотной модуляцией (FM), где они позволяют демодулировать высококачественный звук из FM-сигнала. Они также используются для передачи с фазовой модуляцией (ФМ).

Три типа волновой модуляции, то есть преобразование данных в радиоволны путем добавления информации к сигналу.

Косвенные синтезаторы частоты — еще одно важное применение PLL. Два других ключевых приложения PLL:

• Распределение времени. Для точного распределения тактовых импульсов в цифровых логических схемах (например, в микропроцессорных системах).
• Восстановление сигнала. Для обеспечения «чистого» сигнала и запоминания частоты в случае прерывания (т.г., при использовании импульсных передач).

При передаче цифровых данных фазовая автоподстройка частоты используется чаще, чем при аналоговой передаче. Они также чаще производятся в виде интегральных схем, хотя для обработки микроволновых сигналов используются дискретные схемы.

.