Петля фаза ноль периодичность проверки: Замер полного сопротивления цепи «фаза-нуль»

Периодичность проведения измерения полного сопротивления петли фаза-нуль

• На основании правил технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП), измерения сопротивления цепи «фаза-нуль» должны проводиться с периодичностью, установленной системой планово-предупредительного ремонта (ППР), утвержденного техническим руководителем Потребителя.

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

• при капитальном, текущем ремонтах и межремонтных испытаниях

• для электроустановок во взрывоопасных зонах, не менее одного раза в два года

• При отказе устройств защиты электроустановок должны выполняться внеплановые электроизмерения!

Требования к кратности тока КЗ в электроустановках во взрывоопасных зонах

•   расчет токов короткого замыкания  в  сетях  напряжением  до   1000 В (однофазного — для сетей с глухозаземленной нейтралью и двухфазного — для сетей  с  изолированной  нейтралью).  При  этом  должна  быть   проверена кратность  токов  КЗ  относительно  номинального  тока  плавкой   вставки ближайшего предохранителя или расцепителя автоматического выключателя для сетей с глухозаземленной нейтралью

• 7.3.11. В электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью во время капитальных ремонтов и межремонтных испытаний, но не меньше 1 раза в 2 года, следуети змерять полное сопротивление петли фаза-ноль электроприемников,что относятся к данной электроустановке и присоединенные к каждой сборке, шкафу и тому подобное. В этом случае, с целью обеспечения автоматического отключения аварийного участка, полное сопротивление петли должно быть таким, чтобы во время замыкания на корпус или на нулевой защитный проводник возникал ток КЗ, который превышал бы, не менее чем в четыре раза, нормальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя и, не менее чем в шесть раз -ток разцепителя автоматического выключателя, который имеет обратно зависимую от тока характеристику. В случаях защиты сетей автоматическими выключателями, которые имеют только электромагнитный разцепитель(отсечку), проводимость указанных проводников должен обеспечивать ток не ниже уставки тока мгновенного срабатывания, умноженного на коэффициент, что учитывает разброс (по заводским данным), и на коэффициент запаса 1,1. За отсутствия заводских данных для автоматических выключателей с номинальным током до 100 А кратность тока КЗ относительно уставки положено принимать не меньше чем 1,4, а для автоматических выключателей с номинальным током более 100 А — не меньше 1,25. В действующих электроустановках, где отсутствует специальная третья или четвертая жила кабеля или провода, сопротивление петли фаза ноль должно измеряться не менее одного раза на два года. После случаев отказа в работе средств защиты электроустановок должны выполняться внеплановые измерения.

Организационные и технические мероприятия обеспечивающие безопасность работ при эксплуатации электроустановок

• 2.1.1. Организационными мероприятиями, обеспечивающими безопасность работ в электроустановках, являются: — оформление работ нарядом, распоряжением или перечнем работ, выполняемых в порядке текущей эксплуатации; — допуск к работе; — надзор во время работы; — оформление перерыва в работе, перевода на другое место, окончания работы.

Электро-техническая лаборатория от Фокстрот Фасилити Менеджмент

Периодичность проведение электроизмерений

Периодичность проведения электроизмерений сопротивления изоляции

Измерение сопротивления изоляции кабельных линий проводится согласно с Правилами пожарной безопасности Украины (ППБУ) и ПТЭЭП

− 1 раз в 2 года, согласно ППБУ от 3.10.2017, п.1.20, глава 4;

− обязательно каждый раз после монтажных работ и ремонта кабельных линий — перед включением согласно ПТЭЭП, Дополнение 2, табл. 11;

− 1 раз в год для особо опасных помещений и согласно ПТЭЭП, Дополнение 2, табл. 48, п.5;

− 1 раз в 3 года в взрывоопасных и пожароопасных помещения, а так же в помещениях с массовым скоплением людей согласно ПТЭЭП, Дополнение 2, табл. 48, п.5;

− при введении электроустановок в эксплуатацию или после их ремонта / модернизации обязательно для частного сектора согласно ПТЭЭП, Дополнение 2, табл. 48., п.5.

Периодичность проведения электроизмерений контура заземления

Измерение сопротивления контура заземления проводится согласно со следующими нормативными документами: правила устройства электроустановок (ПУЭ), ПТЭЭП и должен проводиться не реже 1-го раза в год для электроустановок особо опасных условий эксплуатации — лифты, кухни, столовые, грузоподйомные машины и т.д.

Для силовых подстанций — после монтажных работ и ремента — 1 раз в 6 лет (ПТЭЭП, глава 7, п.7.7.), а также после монтажных работ, модификации, ремонта электроустановок — не реже 1 раза в 12 лет (ПТЭЭП, Дополнение 1, табл. 25). И согласно с установленной на предприятии системой технического обслуживания и ремонта (ТОР).

Как правило проводится совместно с другими основными электроизмерениями.

Периодичность проведения электроизмерений петли «Фаза-ноль»

Измерение сопротивления петли «фаза-ноль» проводится согласно со следующими нормативными документами: ПУЭ, ПТЭЭП и должно проводиться не реже 1 раза в 6 лет. Данный вид измерений в обязательном порядке должен проводиться при изменениях в электроустановках (после монтажа, капитального ремонта, реконструкции), а также согласно установленной на предприятии системой ТОР.

Как правило проводится совместно с другими основными электроизмерениями.

Периодичность проведения электроизмерений сопротивления металосвязи

Измерение сопротивления металлосвязи проводится согласно со следующими нормативными документами: ПУЭ, ПТЭЭП и должно проводиться каждый раз после монтажных работ, модификации электроустановок и их ремонта. А для электроустановок, которые эксплуатируются в особо опасных условиях — не реже 1 раза в год, а также согласно с установленной на предприятии системой ТОР.

Как правило проводится совместно с другими основными электроизмерениями.

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.

Проверка петли фаза ноль в Москве, цена измерений от 140 руб

Понятие петли фаза-ноль

Электроустановки, имеющие напряжение до 1000 вольт и нейтраль глухого заземления, должны иметь металлическую связь между частями, которые необходимо заземлять, и нейтралью установки, также подлежащей заземлению. 

Нужно обязательно измерить показатель сопротивления петли, возникающей в условиях КЗ. Показатель этого сопротивления равняется следующей сумме:  полному сопротивлению, которое показывает фазовый провод; сопротивлению трансформаторной фазы; сопротивлению, которое показывает нулевой провод.

Образование петли фаза ноль в электрических установках, имеющих глухозаземлённую нейтраль, происходит, когда фазный провод замыкается на нулевой провод либо на корпус электрического оборудования. Чаще всего это случается, когда повреждена изоляция проводки. 

Уровень сопротивления петли ФН зависит от нескольких факторов:  сечения кабельных жил; протяжённости кабеля; сопротивления на переходах соединительных коробок линии. Все параметры измеряют на участке, имеющем максимальное удаление от защитного аппарата.

Для чего нужны замеры?

Если оборудование или электропроводка повреждены в результате КЗ, защитная система должна мгновенно отключать участок электроцепи, который повреждён. Измерение нужно для того, чтобы проверить, насколько соответствуют уставка отсечки тока автовыключателей, реле и других автоматических устройств току КЗ.  Иными словами, необходимо понять, станет ли защитная система отключать повреждённый участок и в какое время это произойдёт.

Благодаря такой проверке можно определить уровень качества монтажа электрической проводки, а также подобрать правильное сечение проводов и защитную автоматику. Замер сопротивления контура поможет обеспечить электробезопасность на производстве в Москве и Московской области. Это обязательный вид испытаний.

Потребность в проведении такого измерения возникает в трех ситуациях:

1. при проведении первичных испытаний объекта — вводе в эксплуатацию электрических сетей после монтажа или реконструкции;
2. по требованию контролирующих органов, запрашивающих отчёт;
3. в целях контроля электробезопасности сетей.

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 сопротивления петли фаза-нуль

ООО «Электролаборатория» проведет измерение сопротивления одного из основополагающих компонентов электробезопасности — петли «фаза-нуль»

При возникновении аварийного режима (К.З., перегрузки) проводки и электрооборудования, должно сработать защитное устройство реагирующее на сверхток и соответственно обесточить поврежденный участок электроцепи. Иначе произойдут серьезные повреждения части (а то и всей) электроустановки в случае возгорания. После проверки сопротивления цепи фаза-нуль (фаза-ноль) становится ясно правильно ли выбраны аппарат защиты (по току и времени отключения), сработает ли автоматическое отключение питания в случае к. з.

Звоните нам! 8 (8442) 98-95-47 и 8 (927) 253-36-76

Петля фаза-нуль — это контур образованный нулевым рабочим (или защитным) и фазным проводниками. Проверка параметров цепи помогает определить величину тока однофазного к.з. (измеряется прибором типа МZC-300 и др.) и подтверждает целостность цепи. Методика измерения петли фазу нуль (фаза ноль) — это  совокупность защитного PE и совмещенного “нулевого защитного” и “нулевого рабочего” PEN проводников от корпуса электрооборудования до источника питания (силовой трансформатор). Поэтому, проверка петли позволяет оценить и качество защитной цепи.

Срабатывание устройства защиты от сверхтока должно происходить надежно и за время удовлетворяющее требованиям ПУЭ (п.1.7.79). Эти условия учитываются при проектировании, монтаже, эксплуатации электроустановок и электрооборудования, и требуют грамотного расчета и фактической проверки.

Величина тока однофазного к.з. зависит от нескольких параметров: характеристик силового трансформатора, поперечного сечения (и материал) фазных и нулевых жил проводников и качества контактных соединений в цепи. После расчета или измерения величины тока к. з., который зависит от параметров электросети, полученные данные сравнивают с установкой теплового и/или электромагнитного расцепителя защитного устройства реагирующего на сверхток и определяют время срабатывания защитного аппарата по его время-токовой характеристике.

Периодничность проверки петли фаза нуль

В соответствии с ПТЭЭП, замеры сопротивления цепи «фаза-нуль» и замеры цепи между заземлёнными установками и элементами заземлённой установки проводятся с периодичностью, установленной системой ППР (планово-предупредительный ремонт), утвержденной техническим руководителем Потребителя. Визуальный осмотр между защитным проводником и электрооборудованием производиться не реже 1 раза в 6 месяцев.

Замер сопротивления петли фаза нуль проводится по следующим причинам:

• при вновь вводимой электроустановке или её реконструкции;
• периодических (эксплуатационных) измерениях;
• по требованию инспекторов рос.технадзора и МЧС.

По окончании измерения сопротивления петли фаза-нуль инженерами электролаборатории выдается технический отчет (протокол проверки петли фаза нуль) установленной формы, содержащий информацию о величине тока к.з. защищаемого участка, а так же заключение о соответствии (не соответствии) измеренных параметров требованиям НТД.

Периодичность проведения измерений и испытаний в электроустановках * Электроизмерения Воронеж (Воронежская область)

Документы, регламентирующие периодичность электроизмерений

В Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) и Правилах технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП) указана обязанность потребителей электроэнергии проводить испытания и электроизмерения. В этих же документах строго регламентируется периодичность электроизмерений и испытаний.

Комплекс электроизмерений включает в себя:
1. Визуальный осмотр электропроводки и электрооборудования
2. Измерение сопротивления заземления
3. Измерение сопротивления изоляции
4. Измерение сопротивления цепи фаза-ноль
5. Испытание выключателей автоматических управляемых дифференциальным током (УЗО)
6. Проверка «металлосвязи»

В соответствии с ПТЭЭП, измерения сопротивления цепи «фаза-нуль» (измерение тока короткого замыкания) и измерения цепи между заземлёнными установками и элементами заземлённой установки (металлосвязь) должны проводиться с периодичностью, установленной системой планово-предупредительного ремонта (ППР), утвержденного руководителем Потребителя электроэнергии.

В соответствии с требованиями Ростехнадзора, электроизмерения сопротивления петли «фаза-нуль» и цепи между заземлёнными установками и элементами заземлённой установки, проводят не реже чем 1 раз в 3 года.

Измерение сопротивления изоляции проводов и кабелей проводятся не реже чем 1 раз в 3 года.

Визуальный осмотр между защитным проводником и электрооборудованием должен проводиться не реже 1 раза в 6 месяцев.

При отказе устройств защиты (п.3.4.12 ПТЭЭП) и после переустановки электрооборудования, необходимо провести электроизмерения цепи между заземлёнными установками и элементами заземлённой установки и электроизмерения сопротивления петли «фаза-нуль».

Периодичность проведения измерений и испытаний в электроустановках

ПТЭЭП
п. 2.7.9
Визуальные осмотры видимой части заземляющего устройства должны производиться по графику, но не реже 1 раза в 6 месяцев ответственным за электрохозяйство Потребителя или работником им уполномоченным.
При осмотре оценивается состояние контактных соединений между защитным проводником и оборудованием, наличие антикоррозионного покрытия, отсутствие обрывов.
Результаты осмотров должны заноситься в паспорт заземляющего устройства (да, на каждое заземляющее устройство должен быть оформлен паспорт).

п. 2.7.13
Для определения технического состояния заземляющего устройства в соответствии с нормами испытаний электрооборудования (Приложение 3) должны производиться:
измерение сопротивления заземляющего устройства;
измерение напряжения прикосновения (в электроустановках, заземляющее устройство которых выполнено по нормам на напряжение прикосновения), проверка наличия цепи между заземляющим устройством и заземляемыми элементами, а также соединений естественных заземлителей с заземляющим устройством;
измерение токов короткого замыкания электроустановки, проверка состояния пробивных предохранителей;
измерение удельного сопротивления грунта в районе заземляющего устройства.
Для ВЛ измерения производятся ежегодно у опор, имеющих разъединители, защитные промежутки, разрядники, повторное заземление нулевого провода, а также выборочно у 2% железобетонных и металлических опор в населенной местности.
Измерения должны выполняться электролабораторией в период наибольшего высыхания грунта (для районов вечной мерзлоты – в период наибольшего промерзания грунта).
Результаты измерений оформляются протоколами.
На главных понизительных подстанциях и трансформаторных подстанциях, где отсоединение заземляющих проводников от оборудования невозможно по условиям обеспечения категорийности электроснабжения, техническое состояние заземляющего устройства должно оцениваться по результатам измерений и в соответствии с п.п.2.7.9-11.

п.2.7.14
Измерения параметров заземляющих устройств – сопротивление заземляющего устройства, напряжение прикосновение, проверка наличия цепи между заземлителями и заземляемыми элементами – производится также после реконструкции и ремонта заземляющих устройств, при обнаружении разрушения или перекрытия изоляторов ВЛ электрической дугой.
При необходимости должны приниматься меры по доведению параметров заземляющих устройств до нормативных.

п.2.12.17
Проверка состояния стационарного оборудования и электропроводки аварийного и рабочего освещения, испытание и измерение сопротивления изоляции проводов, кабелей и заземляющих устройств должны проводиться при вводе сети электрического освещения в эксплуатацию, а в дальнейшем по графику, утвержденному ответственным за электрохозяйство Потребителя, но не реже одного раза в три года. Результаты замеров оформляются актом (протоколом) в соответствии с нормами испытания электрооборудования (Приложение 3).

п.3.4.12
В электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью (системы TN) при капитальном, текущем ремонтах и межремонтных испытаниях, но не реже 1 раза в 2 года, должно измеряться полное сопротивление петли фаза-нуль электроприемников, относящихся к данной электроустановке и присоединенных к каждой сборке, шкафу и т.д., и проверяться кратность тока КЗ, обеспечивающая надежность срабатывания защитных устройств.
Внеплановые измерения должны выполняться при отказе устройств защиты электроустановок.

п.3.6.2
Конкретные сроки испытаний и измерений параметров электрооборудования электроустановок при капитальном ремонте (далее – К), при текущем ремонте (далее – Т) и при межремонтных испытаниях и измерениях, т.е. при профилактических испытаниях, выполняемых для оценки состояния электрооборудования и не связанных с выводом электрооборудования в ремонт (далее – М), определяет технический руководитель Потребителя на основе Приложения 3 настоящих Правил с учетом рекомендаций заводских инструкций, состояния электроустановок и местных условий.
Указанная для отдельных видов электрооборудования периодичность испытаний в разделах 1-28 является рекомендуемой и может быть изменена решением технического руководителя Потребителя.

п.3.6.3
Для видов электрооборудования, не включенных в настоящие нормы, конкретные нормы и сроки испытаний и измерений параметров должен устанавливать технический руководитель Потребителя с учетом инструкций (рекомендаций) заводов-изготовителей.

п.3.6.4
Нормы испытаний электрооборудования иностранных фирм должны устанавливаться с учетом указаний фирмы-изготовителя.

Приложение 3
п.26
Заземляющие устройства
К, Т, М – производятся в сроки, устанавливаемые системой ППP

п.28
Электроустановки, аппараты, вторичные цепи, нормы испытаний которых не определены в разделах 2-27, и электропроводки напряжением до 1000 В К, Т, М – производятся в сроки, устанавливаемые системой ППP

п.28.4
Проверка срабатывания защиты при системе питания с заземленной нейтралью (TN-C, TNC-S, TN-S)
Проверяется непосредственным измерением тока однофазного короткого замыкания с помощью специальных приборов или измерением полного сопротивления петли фаза-нуль с последующим определением тока короткого замыкания. У электроустановок, присоединенных к одному щитку и находящихся в пределах одного помещения, допускается производить измерения только на одной, самой удаленной от точки питания установке. У светильников наружного освещения проверяется срабатывание защиты только на самых дальних светильниках каждой линии. Проверку срабатывания защиты групповых линий различных приемников допускается производить на штепсельных розетках с защитным контактом.

п.28.5
Проверка наличия цепи между заземленными установками и элементами заземленной установки:
Производится на установках, срабатывание защиты которых проверено.

Приложение 3.1
Таблица 37
— Электропроводки, в том числе осветительные сети:
Измерения сопротивления изоляции в особо опасных помещениях и наружных установках производятся 1 раз в год. В остальных случаях измерения производятся 1 раз в 3 года. При измерениях в силовых цепях должны быть приняты меры для предотвращения повреждения устройств, в особенности микроэлектронных и полупроводниковых приборов.
В осветительных сетях должны быть вывинчены лампы, штепсельные розетки и выключатели присоединены.

— Стационарные электроплиты:

Измерения сопротивления изоляции производится при нагретом состоянии плиты не реже 1 раза в год.

Все указанные выше работы должны осуществляться электролабораторией, зарегистрированной в установленном порядке.

Похожее

Цепи с фазовой синхронизацией — обзор

Цепи с фазовой синхронизацией

Цепь с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) — это схема управления с обратной связью, чувствительная к частоте и фазе. Он состоит из трех основных частей: смесителя или фазового детектора, ФНЧ и ГУН, как показано на рис. 4.19. Сигнал от VCO сравнивается с входным сигналом. Если между ними есть разница в частоте (или фазе), генерируется сигнал ошибки. Этот сигнал ошибки фильтруется LPF до переменного уровня постоянного тока и используется для управления частотой VCO.Это сигнал обратной связи.

Рисунок 4.19. Фазовая автоподстройка частоты.

Если частота VCO, f _o , отличается от частоты входного опорного сигнала, фазовый детектор рассматривает это как фазовый сдвиг. Это заставляет фазовый детектор вырабатывать сигнал ошибки. Этот сигнал ошибки фильтруется в изменяющийся сигнал постоянного тока, который используется для управления ГУН.

ГУН может быть либо генератором синусоидальной волны, либо генератором прямоугольной волны, в зависимости от желаемой формы волны на выходе.В любом случае выходная частота ГУН прямо пропорциональна управляющему напряжению постоянного тока. В ГУН существует линейная зависимость напряжения от частоты. Это означает, что изменение управляющего напряжения приводит к пропорциональному изменению выходной частоты. Если напряжение повышается, повышается и частота.

Теперь, если входной опорный сигнал, частота которого близка к частоте ГУН, подается на ФАПЧ, фазовый детектор будет генерировать выходное напряжение, пропорциональное разности частот.Этот сигнал фильтруется, и результирующее управляющее напряжение постоянного тока подается на ГУН. Управляющее напряжение таково, что заставляет частоту ГУН двигаться в направлении, которое уменьшает сигнал ошибки. Это означает, что частота VCO будет изменяться до тех пор, пока не станет равной частоте входного опорного сигнала. Когда это происходит, два сигнала синхронизируются или «блокируются». Разность фаз заставляет фазовый детектор вырабатывать напряжение постоянного тока на входе ГУН, чтобы синхронизировать ФАПЧ с входным сигналом.

Если входной опорный сигнал изменяется, то фазовый детектор распознает разность частот (или фаз) между входом и выходом ГУН. В результате LPF будет производить другой управляющий сигнал постоянного тока, который заставит VCO измениться так, чтобы он стал равным новой входной частоте. Как вы можете видеть, ФАПЧ будет «отслеживать» частоту входного сигнала по мере ее изменения.

Диапазон частот, в котором ФАПЧ будет отслеживать входной сигнал и оставаться заблокированным, известен как диапазон синхронизации.Это диапазон частот выше и ниже частоты холостого хода VCO. ФАПЧ может отслеживать и «блокировать» любую входную частоту в этом диапазоне. Если применяется входной сигнал вне диапазона блокировки, ФАПЧ не будет синхронизироваться.

Если входной сигнал изначально выходит за пределы диапазона блокировки, ФАПЧ не блокируется. Но ФАПЧ перейдет в состояние блокировки, как только входная частота приблизится к частоте ГУН. Другими словами, ФАПЧ будет «захватывать» входящий сигнал, если он достаточно близок к частоте ГУН.После захвата входного сигнала ФАПЧ блокируется и будет отслеживать дальнейшие изменения частоты входного сигнала.

Диапазон частот, в котором ФАПЧ может захватывать сигнал, известен как диапазон захвата. Как и диапазон блокировки, он также ориентирован на частоту свободного хода. Но диапазон захвата уже, чем диапазон захвата. ФАПЧ действует как частотно-чувствительная схема в узком диапазоне частот.

Поскольку ФАПЧ будет захватывать и фиксировать только входные сигналы в определенной узкой полосе, ФАПЧ действует как полосовой фильтр.По этой причине ФАПЧ — отличный стабилизатор сигнала. Вы можете взять шумный входной сигнал или сигнал с нежелательными помехами и отфильтровать его с помощью ФАПЧ. ФАПЧ будет фиксироваться только на желаемой частотной составляющей входа. ГУН воспроизводит входной сигнал на той же частоте, но без шума и помех. ФАПЧ не только очищает сигнал, но также может отслеживать его изменение частоты.

ФАПЧ широко используется для различных целей. Он используется для восстановления тактового сигнала в некоторых беспроводных приложениях.Он используется для восстановления исходного сигнала в радио с частотной модуляцией. Он используется для умножения частоты на фиксированный коэффициент. Его можно использовать для управления скоростью двигателя. Почти все электронные продукты содержат ФАПЧ.

A Цифровой прибор с постоянной частотой и импульсной синхронизацией по фазе для абсолютных ультразвуковых измерений фазы в реальном времени

Ред. Sci Instrum. Авторская рукопись; доступно в PMC 19 июля 2019 г.

Опубликован в окончательной отредактированной форме как:

PMCID: PMC6639803

NIHMSID: NIHMS1533428

Harold A.Халдрен

Университет Вирджинии, Чарльз Л. Браун, Факультет электротехники и вычислительной техники, Торнтон-холл, 351 Маккормик-роуд, Шарлоттсвилл, Вирджиния 22904

Мул К. Гупта

Университет Вирджинии, Чарльз Л. Браун Факультет электротехники и компьютеров Engineering, Thornton Hall, 351 McCormick Rd, Charlottesville, VA 22904

Daniel F. Perey

Исследовательский центр NASA в Лэнгли, 4 Langley Blvd, Bldg. 1230, MS 231, Хэмптон, Вирджиния 23681

Уильям Т.Йост

Исследовательский центр NASA в Лэнгли, 4 Langley Blvd, Bldg. 1230, MS 231, Hampton, VA 23681

K. Elliott Cramer

Исследовательский центр NASA в Лэнгли, 4 Langley Blvd, Bldg. 1230, MS 231, Хэмптон, Вирджиния 23681

Гарольд А. Халдрен, Университет Вирджинии, Чарльз Л. Браун, факультет электротехники и вычислительной техники, Торнтон-Холл, 351 Маккормик-роуд, Шарлоттсвилль, Вирджиния 22904;

Окончательная отредактированная версия этой статьи издателем доступна в Rev Sci Instrum. См. Другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.

Abstract

Разработан прибор с цифровым управлением для проведения одночастотных и одночастотных ультразвуковых фазовых измерений на основе импульсной системы фазовой автоподстройки частоты с постоянной частотой (CFPPLL). В этом приборе используется пара цифровых синтезаторов прямого действия для генерации тонального пакета с ультразвуковым приемом и внутреннего эталонного сигнала для сравнения фаз. Отслеживание фазы с постоянной частотой в реальном времени в исследуемом образце возможно с разрешением 0.00038 радиан (0,022 °), и можно получить измерения фазы с качающейся частотой. Используя фазовые измерения, представлена ​​абсолютная толщина боросиликатного стекла, чтобы показать эффективность прибора, и эти результаты сравниваются с традиционными ультразвуковыми измерениями времени пролета (ToF) с помощью эхо-импульсов. Недавно разработанный инструмент предсказал толщину со средней ошибкой -0,04 мкм и стандартным отклонением ошибки 1,35 мкм. Новый прибор CFPPLL с цифровым управлением обеспечивает более высокую точность и прецизионность, чем обычные измерения ToF с помощью эхо-импульсов, обеспечивает измерение абсолютной скорости ультразвука или длины пути в твердых или жидкостях с высоким разрешением, а также отслеживание изменений свойств материала с высокой чувствительностью.В дополнение к улучшенному разрешению, измерения фазы с качающейся частотой добавляют полезные возможности для измерения свойств слоистых структур, таких как склеенные соединения, или материалов, которые демонстрируют нелинейное частотно-зависимое поведение, таких как дисперсионные среды.

I. ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковые фазовые измерения уже много лет используются для измерения абсолютных и относительных свойств материала. Фаза, а не амплитуда ультразвуковых волн идеально подходит для этих измерений из-за их чувствительности к длине волны и толщине образца материала.Методы точного определения временной задержки между полученными ультразвуковыми эхо-сигналами появились еще в 1960-х годах с помощью метода наложения импульсов МакСкимина [1] и метода наложения эхо-импульсов Пападакиса [2]. Несколько улучшений широкополосных ультразвуковых измерений изменения скорости во временной области с помощью демпфированных преобразователей были сделаны на протяжении многих лет [3], [4]. Другие методы эхо-импульса включают определение резонансной частоты материала [5], [6] или использование источников непрерывных волн для введения стоячих волн, а не широкополосных источников [7].

Для высокоточных измерений ультразвуковые методы одночастотной стробированной непрерывной волны (тональной посылки) увеличивают отношение сигнал / шум по сравнению с их широкополосными аналогами. Сравнивая полученный сигнал ультразвуковой волны с опорным сигналом и регулируя частоту возбуждения до тех пор, пока волны не станут квадратурными (разность фаз π / 2), можно получить высокочувствительное измерение изменений скорости звука или толщины материала [8]. С тех пор метод сравнения фаз породил несколько разновидностей ультразвуковых методов измерения фазы с помощью импульсной петли фазовой автоподстройки частоты (PPLL).

Исходные системы PPLL с регулируемой частотой использовались в приложениях для контроля натяжения болтов [9], а также для обнаружения изменений скорости звука [10]. Основным недостатком методов измерения фазы с переменной частотой является их чувствительность к частотно-зависимым источникам фазовой ошибки в измерительной электронике, преобразователях и материалах. Кроме того, методы переменной частоты не могут измерить истинные изменения фазы в образце, так как они полагаются на изменение частоты для проведения однофазного измерения.Следовательно, PPLL с постоянной частотой (CFPPLL) обеспечивает значительное улучшение при проведении ультразвуковых фазовых измерений [10].

В оригинальной конструкции CFPPLL использовалась одна частота возбуждения, фазовращатель, управляемый напряжением, и фазовый детектор, чтобы синхронизировать переданную и опорную волны в квадратуре [11]. Этот прибор измерял абсолютные фазовые скорости в жидкостях, отслеживая фазовый сдвиг, вызванный изменением длины ультразвукового пути; однако в твердых телах можно было измерить только изменения скорости ультразвука из-за внешних стимулов, таких как давление или температура.Тем не менее, по сравнению с аналогом PPLL переменной частоты, CFPPLL обеспечивает очень высокую точность и чувствительность.

Исследуется прибор CFPPLL с цифровым управлением, способный в реальном времени отслеживать ультразвуковые измерения фазы и фазы с качанием частоты как твердых, так и жидких тел. Этот инструмент предлагает значительные улучшения в простоте использования благодаря возможностям цифрового управления и сбора данных. В то время как предыдущие инструменты на основе PPLL требовали изменения длины пути для проведения измерений абсолютной скорости звука в жидкостях, как с отслеживанием фазы с постоянной частотой, так и с фазой vs.частотные измерения этого прибора CFPPLL позволяют использовать другие экспериментальные подходы. Чтобы проиллюстрировать эту гибкость, экспериментальные измерения небольших различий в длине пути в боросиликатном стекле с помощью прибора CFPPLL показаны и сравниваются с традиционными измерениями времени пролета (ToF) с помощью эхо-импульсов для точности измерения толщины.

II. ЦИФРОВОЙ УПРАВЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ЧАСТОТОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ПЕТЛИ С ФАЗОВОЙ БЛОКИРОВКОЙ

Все устройства PPLL состоят из двух сигнальных трактов, по которым фаза первого, принятого ультразвуком тонального пакета сравнивается с опорной волной.На пути 1 преобразователь генерирует ультразвуковой импульс, который проходит через образец материала. В компоновке импульс-эхо один и тот же преобразователь принимает и преобразует тональную посылку обратно в электрический сигнал, тогда как в компоновке с захватом основного тона для приема тональной посылки используется второй преобразователь. На тракте 2 опорная волна сравнивается по фазе с принятой тональной посылкой из первого тракта. В PPLL с переменной частотой частота принятого тонального пакета изменяется до тех пор, пока сигналы не будут находиться в квадратуре, в то время как в CFPPLL изменяется относительная фаза принятого сигнала.В этом случае считается, что система находится в заблокированном состоянии, и квадратура поддерживается посредством постоянного обновления частоты или относительной фазы принятого сигнала.

В приборе CFPPLL с цифровым управлением пара прямых цифровых синтезаторов (DDS) генерирует синусоидальные волны с повторяемым постоянным сдвигом фазы, что позволяет проводить абсолютные ультразвуковые измерения фазы. Пока система находится в заблокированном состоянии, выходное напряжение фазового детектора дискретизируется микроконтроллером, который дает команду DDS отрегулировать фазу принятой тональной посылки для поддержания квадратуры с опорной волной.Программируемая вентильная матрица (FPGA) управляет параметрами синхронизации и стробированием в системе.

Блок-схема разработанного ультразвукового прибора для измерения фазы на основе CFPPLL представлена ​​на рис. Используя компьютерный терминал, пользователь регулирует форму сигнала и системные параметры, такие как положение выборки и удержания (S / H), количество циклов тональной посылки, частота повторения тональной посылки и количество точек дискретизированных данных для усреднения, когда проведение фазовых измерений. После первоначальной настройки пользователь блокирует систему, которая выводит корректировки фазы на компьютер.

Блок-схема прибора CFPPLL с цифровым управлением

Двойные DDS генерируют синусоидальные волны с частотой, амплитудой и фазой, установленной микроконтроллером. Одинаковая тактовая частота входного сигнала 1 ГГц используется для обоих DDS, и при запуске системы микроконтроллер синхронизирует их выход с помощью одновременной команды сброса. DDS используют справочные таблицы для генерации частоты и фазы ультразвуковых волн, которые обеспечивают абсолютные пределы разрешения настройки частоты и фазы.DDS имеют разрешение по фазе 14 бит и разрешение по частоте 48 бит, что дает минимальный сдвиг фазы ~ 0,00038 рад (0,022 °) и минимальный сдвиг частоты ~ 3,55 мкГц. На основе информации о синхронизации, установленной микроконтроллером, FPGA использует сигнал разрешения передачи (TX EN) для стробирования принятой волны в тракте 1, формируя тональный пакет с заданным числом периодов.

Тональный сигнал в тракте 1 усиливается и отправляется на датчик, который ультразвуковым методом опрашивает образец материала через соединительную среду.После отражения от задней стенки испытуемого образца акустический импульсный сигнал принимается тем же преобразователем в установке эхо-импульса, как показано на рис. Изменения свойств материала из-за внешних воздействий, таких как давление, температура, эластичность или длина пути, затем обнаруживаются с помощью ультразвуковых фазовых сдвигов. После получения ультразвукового отражения преобразователь преобразует тональную вспышку в электрический сигнал. Синхронизация FPGA обеспечивает непрерывный прием сигналов с использованием сигнала разрешения приема (RX EN), за исключением короткой продолжительности во время передачи тональной посылки.

Принятый пакетный сигнал усиливается и фильтруется с помощью полосовой фильтрации для уменьшения шума сигнала, а опорная волна проходит через полосовой фильтр идентичной конструкции. В настоящее время прибор работает с центральной частотой около 10 МГц, и согласно измерениям обе цепи полосовой фильтрации имеют полосу пропускания –6 дБ от 8,8 до 11,0 МГц. На практике коммерческие преобразователи с демпфированием демонстрируют более широкую полосу пропускания, чем схемы полосовой фильтрации, обеспечивая минимальное изменение полосы пропускания системы, но обеспечивая измеримую фазовую характеристику, которая должна быть охарактеризована для высокоточных измерений фазы.

После фильтрации принятый и опорный сигналы попадают в фазовый детектор. Фазовый детектор выдает напряжение, зависящее от разности фаз между двумя сигналами, используя смещение π / 2 при опорном напряжении 0 В. Выходное напряжение фильтруется нижними частотами для минимизации шума, отличного от постоянного тока, а затем дискретизируется и удерживается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выходной сигнал которого проходит в микроконтроллер. Положение S / H на полученном выходном сигнале фазового детектора устанавливается FPGA и определяется пользователем.Каждый раз, когда микроконтроллер получает выходной сигнал фазы, также измеряется выходное напряжение датчика температуры, который обычно прикреплен к образцу материала для испытаний.

Для правильного мониторинга системы на осциллографе отображаются импульсы SYNC и S / H от FPGA, амплитуда принятого тонального пакета после полосовой фильтрации и выходное напряжение фазового детектора. показывает пример отображения сигнала CFPPLL осциллографа. Сигнал SYNC представляет собой начало каждой передачи тонального пакета и запускает осциллограф.Отфильтрованный амплитудный сигнал или видеосигнал используется для наблюдения ультразвуковых отражений и помогает пользователю определять параметры формы волны. Часто количество переданных циклов выбирается так, чтобы минимизировать промежуток между последовательными отражениями без перекрытия. Сигналы фазы и S / H используются для установки положения S / H, обычно в той части принятого тонального пакета, где фаза кажется ровной. Следует отметить небольшую временную задержку между сигналом амплитуды видео и выходным сигналом фазового детектора; таким образом, положение S / H возникает немного раньше, чем оно появляется на амплитудном сигнале.

Типичные формы принимаемых ультразвуковых волн амплитуды, выходного сигнала фазового детектора и сигналов выборки и удержания (S / H), видимые на осциллографе при использовании прибора CFPPLL

Часть формы сигнала, проходящая через поток, на самом деле никогда не передается ультразвуковым методом, но вместо этого остается в пределах схемы. Пока сигнал RX EN выключен во время периода передачи, некоторая небольшая амплитуда просачивается и усиливается, как полученные ультразвуковые отражения. Сначала считалось, что этот «сквозной» сигнал нежелателен; однако с тех пор он оказался полезным при измерении фазовой характеристики схем фильтрации.

III. ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ

A. Теория

Предположим, что плоская волна ультразвукового смещения распространяется в недисперсионной среде конечной толщины, Medium 1. После отражения от границы с некоторым полупространством, Medium и принимается, как показано на , фаза ультразвуковой волны выражается как

ϕuR = −2k1L1 = −720fL1c1 [градус],

(1)

где k ₁ = ω / c ₁ — волновое число в Среде 1 со скоростью звука c ₁ , ω = 2 πf [ рад, ] = 360 f [ ° ] — это частота возбуждения с частотой возбуждения f , а L ₁ — толщина среды 1.Фактор два возникает из-за двукратного распространения по толщине Среды 1. В уравнении 1 предполагается, что акустический импеданс среды 1 больше, чем в среде 2, иначе отраженная волна будет на π не в фазе с падающей волной.

Представление отражений ультразвуковой волны на границе между средой 1 / средой 2 и слоем связующего вещества

a.) Измерения фазы с качающейся частотой

Фаза отраженной волны используется для измерения скорости звука или толщины материала, при заданном другой параметр.В недисперсных средах групповая скорость c _g = dω / dk равна фазовой скорости c _p = dx / dt [10]. Таким образом, одночастотные фазовые измерения могут определять групповую скорость, а также фазовую скорость в недисперсионных средах.

Поскольку фаза с постоянной частотой измеряет относительные доли длины волны, выраженные между — π и π , трудно получить измерения абсолютной толщины или скорости звука, поскольку общее количество распространяющихся длин волн неизвестно.Предыдущие методы на основе PPLL могли измерять абсолютную скорость звука в жидких средах, где длина акустического пути варьировалась и измерялась ∂ϕ _{u R} / ∂L ₁ [10], [11]. В твердых средах можно было измерить только изменения скорости звука, так как длину пути нельзя было изменить.

С помощью прибора CFPPLL с цифровым управлением частота ультразвукового возбуждения может быть изменена при сохранении фазового соотношения между принятым и опорным сигналами, что позволяет измерять ϕ _{u R} ( f ).Путем качания частоты возбуждения и измерения фазовой характеристики скорость звука или толщина образца извлекаются с помощью соотношения,

∂ϕuR∂f = −720L1c1 [градусы].

(2)

b.) Времяпролетные измерения импульсного эхо-сигнала

Традиционный ультразвуковой импульс-эхо может измерять скорость звука или толщину материала, зная один из параметров. После передачи широкополосного ультразвукового импульса через материал измеряется время пролета (ToF) принятого импульса.Учитывая структуру материала в, ToF для отраженных волн находится путем подстановки зависимости между временной задержкой и фазой, Δ t = ϕ / ω , в уравнение 1, чтобы найти

Поскольку ToF не страдает от ограниченного диапазона возможных значений, таких как измерение фазы с постоянной частотой, одно значение ToF может использоваться для измерения скорости звука или толщины образца.

c.) Уменьшение других фазовых сдвигов / временных задержек

В практической ультразвуковой системе измерения с прямым контактом электронная схема, ультразвуковой преобразователь и слой ультразвукового связующего вещества обеспечивают временные задержки или фазовые сдвиги.Чтобы избежать этих ошибок, используются разные методы, чтобы уменьшить или свести на нет их влияние. В традиционных измерениях ToF импульс-эхо основным методом устранения внешних временных задержек является измерение разницы ToF между последовательными эхо-сигналами от задней стенки от материала. Задержки, связанные с приборами, преобразователем и двойной передачей через слой связующего вещества, одинаково влияют на последовательные эхо-сигналы, поэтому вычитание последовательных эхо-сигналов удалит временные задержки на основе схемы.

Этот метод также может быть применен к измерениям фазы с постоянной частотой.Учитывая внешние источники фазового сдвига для ультразвуковых эхо-сигналов от материальной системы, измеренная фаза для эхо-сигнала n ^th может быть описана следующим образом:

ϕn = ϕinstr. + Φtrans. + 2ϕcoup.T + 2ϕUR + (n − 1) (2ϕUR + ϕcoup.R),

(4)

где ϕ _инстр. — фазовый сдвиг от приборов, ϕ _транс. — фазовый сдвиг от ультразвукового преобразователя, ϕ _{coup. T} — фазовый сдвиг от передачи через слой связующего вещества, ϕ _coup.R — это фазовый сдвиг от отражения от связующего слоя, возникающий для вторичных эхо-сигналов, а ϕ _{U R} — фазовый сдвиг от исследуемого материала, как определено в уравнении 1. Разность фаз между последовательными отражениями от Уравнение 4 можно записать как

Δϕ = ϕn + 1 − ϕn = 2ϕUR + ϕcoup.R,

(5)

где исключено несколько внешних источников фазового сдвига.

В уравнении 5 остается фазовый сдвиг отражения от границы раздела исследуемый материал-связующее вещество-преобразователь.Было несколько обработок влияния связующего слоя на амплитуду [12] [13] [14] [15] и временную задержку [16] ультразвуковой волны. При использовании пьезоэлектрического преобразователя с неизолированным элементом влияние связующего слоя на отраженную фазу может быть получено с учетом свойств материала активного элемента, связующего и тестируемого материала. Однако имеющиеся в продаже широкополосные ультразвуковые преобразователи содержат дополнительные слои, которые усложняют анализ [16]. Кроме того, внутренняя настройка коммерческих преобразователей часто является частной, что затрудняет анализ коэффициента отражения ультразвука без многих допущений.

Несмотря на трудности с вычислением фактического коэффициента отражения от поверхности раздела контактного вещества, можно показать, что по мере того, как контактное вещество становится тоньше, его влияние на амплитуду и фазу ультразвука уменьшается. Предполагая наличие тонкого слоя жидкости между двумя полупространствами, можно приблизительно оценить эффект тонкого слоя связующего вещества [17]. Предполагая, что датчик PZT5A, водная связка и образец боросиликатного стекла, фаза коэффициента отражения ультразвука как функция частоты для контактной жидкости различной толщины показана на рис.Отличие от сдвига фазы на 180 ° для бесконечно тонкого слоя связующего вещества становится более явным, когда толщина связующего слоя становится больше по отношению к длине волны. Поскольку фазовый сдвиг может резко меняться при небольших различиях в толщине, необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить постоянную толщину связующего вещества для достижения высокой воспроизводимости.

Фаза в зависимости от частоты отражения ультразвука от границы раздела контактной жидкости для разной толщины контактной жидкости

B. Экспериментальная

Для демонстрации возможностей ультразвукового прибора для измерения фазы на основе CFPPLL, измерения разницы толщины в микрометрах на толщине ~ 11 мм гладкие образцы стекла.Шесть квадратных образцов размером 5,08 см × 5,08 см вырезали из пластины Schott Borofloat® 33, флоат-версии боросиликатного стекла, закупленной у S. I. Howard Glass Company. Перед испытанием образцы очищали в ультразвуковой ванне с этанолом в течение 30 минут. Затем на каждом образце была размечена сетка 3×3 с помощью тонких полосок ленты, которые использовались для измерения толщины.

В каждом из девяти мест на шести образцах для испытаний толщина измерялась с помощью откалиброванного микрометра Старретта.Микрометр был откалиброван с использованием измерительных блоков Starrett-Webber в интересующем диапазоне толщины 10,9-11,0 мм через каждые 1 мкм. После корректировки измерения микрометра в указанном диапазоне имели стандартное отклонение ошибки 1,05 мкм.

Для поддержания постоянной толщины слоя связующего вещества между измерениями использовался винтовой зажим для поддержания постоянного давления, а датчик нагрузки был помещен на пути между зажимом и ультразвуковым преобразователем. Был проведен эксперимент по изменению давления на преобразователь при измерении результирующего фазового сдвига отражения от задней стенки одного из стеклянных образцов.

Другой эксперимент был проведен на одном из образцов стекла для измерения фазового отклика на изменение температуры около комнатной. Зажим преобразователя помещали в специально изготовленную климатическую камеру с температурной стабильностью ± 0,01 ° C в течение одного часа. Удерживая постоянное давление на уровне ~ 2,8 МПа, температуру циклически меняли от 20 ° C до 25 ° C и отслеживали фазовую характеристику ультразвукового сигнала первого отражения от задней стенки при частоте возбуждения 10 МГц.

Ультразвуковые измерения для оценки толщины проводились в каждом из девяти мест на шести испытательных образцах.Для поддержания постоянной толщины связующего вещества на датчик нагружали давление ~ 2,8 МПа при каждом испытании. Вода использовалась в качестве связующего вещества для всех измерений, показанных в этой работе, благодаря хорошо известным свойствам материала; однако другие коммерчески доступные связующие дали аналогичные результаты. Для большинства измерений использовался широкополосный ультразвуковой преобразователь Olympus V112 с высокой степенью демпфирования диаметром 6,35 мм, номинально рассчитанный на работу на частоте 10 МГц, за исключением некоторых измерений ToF с использованием преобразователя на 50 МГц.

С помощью недавно разработанного ультразвукового прибора для измерения фазы на основе CFPPLL отслеживалась фаза принятой волны, поскольку частота входного тонального сигнала изменялась от 9 МГц до 10 МГц с разрешением 10 кГц. На каждой частоте фаза усреднялась по 32 повторяющимся тональным пакетам, чтобы уменьшить влияние шума. Были измерены зависимости фазы от частоты как первого, так и второго отражений от задней стенки от образцов Borofloat.

Еще находясь под давлением, ультразвуковой преобразователь был отключен от прибора CFPPLL и подключен к импульсному приемнику GE Panametrics, модель 5900PR, для генерации и приема широкополосных импульсов для сравнительных измерений ToF.Сгенерированный импульс содержал 1 мкДж энергии, а полученная волна была усилена на 40 дБ и ослаблена на 11 дБ. Полоса пропускания генерируемого импульса была выбрана от 1 кГц до 200 МГц, чтобы ультразвуковой преобразователь стал элементом системы, ограничивающим полосу пропускания. После усиления полученные от образцов эхо-сигналы отображались на осциллографе LeCroy WaveRunner 6200 с временным разрешением 0,1 нс. Измерения ToF проводились путем измерения разницы во времени пиковых амплитуд первых двух отражений от задней стенки и усреднения по 500 переданным импульсам.

После измерения фазы и ToF ультразвуковой преобразователь 10 МГц был заменен широкополосным ультразвуковым преобразователем Olympus V214 диаметром 6,35 мм с сильным демпфированием, рассчитанным на работу на частоте 50 МГц. Обычные измерения ToF импульс-эхо были получены с помощью преобразователя, аналогично измерениям, выполненным с помощью преобразователя 10 МГц.

C. Результаты и обсуждение

Перед анализом эффект отражения связующего вещества был устранен путем применения линейной аппроксимации ToF или фазы vs.кривая измеренной толщины. Пересечение оси Y линии наилучшего соответствия при нулевой толщине соответствует экстраполированному смещению фазы или временной задержки. В общей сложности из измерений ToF и фазы было извлечено 4 параметра для прогнозирования толщины стекла Borofloat: разница ToF между эхо-сигналами с датчиком 10 МГц, разница ToF между эхо-сигналами с датчиком 50 МГц, крутизна фазы в зависимости от частоты в диапазоне 9-10 МГц от первого донного эхо-сигнала и крутизны разности фаз между задними эхо-сигналами по сравнению счастота в диапазоне 9-10 МГц.

a.) Поправка на временную задержку и фазовые сдвиги

показывает графики двух параметров временной задержки в зависимости от толщины образца. На каждом графике есть линия наилучшего соответствия данных, которая используется для интерполяции временной задержки или сдвига фазы при нулевой толщине образца. Предполагая, что толщина и качество связующего вещества одинаковы для каждого измерения, смещение измеряет влияние фазы от всех источников, кроме испытуемого образца.Сравнивая разность фаз между двумя последовательными эхо-сигналами с фазой первого эхо-сигнала, смещение фазы упало по величине, что согласуется с теорией, согласно которой разность фаз вычитает некоторые внешние источники фазового сдвига, присутствующие в каждом эхо-сигнале.

Зависимость параметра временной задержки от толщины для каждого из 54 местоположений, включая линейную аппроксимацию для ToF с датчиком 10 МГц и d Δ ϕ / df между последовательными задними эхосигналами в диапазоне 9–10 МГц

b.) Толщина стекла по результатам ультразвуковых измерений

После нахождения смещения фазы или временной задержки для каждого параметра толщина для каждого измерения была рассчитана по уравнениям 2 и 3. Показывает разницу между толщиной, измеренной ультразвуком, и толщиной, измеренной микрометром в каждом месте. , для двух параметров задержки. Кроме того, показан прямоугольный график прогнозируемой ошибки толщины по всем параметрам с отображением медианы, а также первого и третьего квартилей данных.Маленькие знаки плюса на прямоугольной диаграмме представляют данные о потенциальных выбросах, которые выходят за пределы квартилей более чем в 1,5 раза от межквартильного размаха. Обратите внимание, что phi_diff — это разность фаз Δ ϕ между первым и вторым задними эхо-сигналами.

Разница между толщиной, измеренной ультразвуком, и толщиной, измеренной микрометром, для ToF с датчиком 10 МГц и dΔϕ / df между последовательными задними эхосигналами в диапазоне 9–10 МГц параметры фазы

Сравнивая расчетную толщину с измерениями с помощью калиброванного микрометра, можно сделать несколько выводов.Наихудшим тестируемым параметром были измерения ToF с датчиком 10 МГц с наиболее значимым средним значением и стандартным отклонением ошибки. Используя тот же ультразвуковой преобразователь, параметры ультразвукового измерения на основе CFPPLL выполнялись более точно и отображали меньшую погрешность. Как и предполагалось, датчик на 50 МГц работал более точно, чем его аналог на 10 МГц. Считается, что большая длительность импульса датчика 10 МГц по сравнению с датчиком 50 МГц приводит к большей погрешности.Важно отметить, что каждый из фазовых параметров на основе CFPPLL показал такую ​​же или лучшую точность и точность, чем измерения ToF от гораздо более высокочастотного преобразователя. Кроме того, разность фаз между последовательными эхо-сигналами привела к уменьшению средней ошибки и неопределенности для параметра dϕ / df . Это обеспечивало наименьшую среднюю ошибку и неопределенность по толщине всех параметров. dΔϕ / df между первым и вторым задними эхосигналами обеспечили среднюю прогнозируемую ошибку толщины -0.04 мкм и стандартное отклонение прогнозируемой ошибки толщины 1,35 мкм .

c.) Источники неопределенности фазовых измерений

Для повышения точности фазовых измерений были проанализированы источники неопределенности. Измерения давления, приложенного к датчику, и температуры окружающей среды во время испытаний позволили изучить влияние этих источников неопределенности. Из эксперимента по отслеживанию фазового сдвига из-за давления на ультразвуковой преобразователь было обнаружено, что фаза выравнивается около ~ 2 МПа, выше которого ∂ϕ / ∂f линейно изменяются на 0.439 (град / МГц) / МПа, а фаза на частоте 10 МГц изменялась на 3,915 град / МПа. Во время экспериментов по измерению толщины среднее давление на преобразователе было измерено и составило 2,754 МПа со стандартным отклонением 0,031 МПа. Следовательно, погрешность измерения фазы из-за приложенных перепадов давления составляет 0,014 град / МГц для dϕ / df и 0,112 градуса для фазы на частоте 10 МГц.

Было обнаружено, что фазовый сдвиг на 10 МГц в стеклянных образцах из-за небольших колебаний температуры линейно изменяется на 0,715 град / ° C в диапазоне 20–25 ° C на основании испытаний в климатической камере.Средняя температура во время ультразвуковых испытаний толщины была измерена и составила 20,51 ° C со стандартным отклонением 0,18 ° C. Используя соотношение между фазой и температурой, обнаруженное в эксперименте с климатической камерой, погрешность измерения фазы на 10 МГц из-за погрешности температуры составляет 0,129 градуса.

Стандартное отклонение фазовых измерений на частоте 10 МГц составляет 0,171 град. Преобразование в неопределенность измерения толщины стекла Borofloat с помощью уравнения 1 дает стандартное отклонение неопределенности измерения толщины, равное 0.14 мкм из-за колебаний давления и температуры преобразователя. В сочетании с погрешностью измерения откалиброванного микрометра в диапазоне толщины 10,9–11,0 мм погрешность измерения толщины из-за погрешности измерения в микрометре, колебаний температуры и давления преобразователя составляет 1,06 мкм. Таким образом, большая часть неопределенности 1,35 мкм при использовании метода измерения фазы d Δ ϕ / df приписывается известным источникам, большая часть которых связана с измерениями толщины в микрометрах.Сравнение ультразвуковых фазовых измерений на основе CFPPLL с более точным методом или с использованием испытательных образцов с толщиной, известной с субмикронными допусками, должно улучшить прогнозируемую неопределенность толщины.

Еще одним потенциальным источником неопределенности является небольшая нелинейность фазовой характеристики в диапазоне 9–10 МГц, вызванная отражением от слоя связующего вещества. Использование наклона зависимости фазы от частотной характеристики отражений от задней стенки зависит от линейной зависимости между фазой и частотой испытуемого образца, как описано уравнением 1.Однако отражение от тонкого связующего слоя имеет вогнутость вверх, как видно на рисунке, и может быть аппроксимировано линейным только в достаточно малом диапазоне частот. Следовательно, точность и погрешность измерения можно было бы дополнительно повысить за счет развертки в меньшем частотном диапазоне.

Последним источником неопределенности является непостоянная плоскостность и параллельность испытуемых образцов. Как видно из значений толщины от, образцы различались по толщине по всей поверхности до 14 мкм.Таким образом, стеклянным образцам действительно присуща некоторая недостаточность плоскостности или параллельности, что способствует наблюдаемой неопределенности. Попыток исправить фазовые измерения на проблемы плоскостности и параллельности в данной работе не проводилось.

IV. ВЫВОДЫ

Новый одночастотный ультразвуковой прибор для измерения фазы был построен и испытан, чтобы показать его эффективность по сравнению с традиционными ультразвуковыми методами измерения задержки по времени. Прибор имеет цифровое управление и основан на конструкции CFPPLL, которая обеспечивает беспрецедентное разрешение ультразвуковых фазовых измерений до 0.00038 радиан (0,022 °) или одна часть на 6,1 × 10 ⁻⁵ длины ультразвуковой волны. Ультразвуковая фаза может отслеживаться в режиме реального времени для измерения изменений свойств материала из-за внешних воздействий. В отличие от предыдущих ультразвуковых приборов для измерения фазы на основе PPLL, система может изменять частоту возбуждения, сохраняя при этом прежнее соотношение фаз, поэтому измерения фазы с разверткой частоты можно проводить с разрешением всего 3,55 мкГц.

Используя стеклянные образцы, ультразвуковые фазовые измерения с качающейся частотой, полученные с помощью прибора CFPPLL, сравнивались с традиционными широкополосными измерениями ToF с помощью генератора-приемника.После вычета смещения временной задержки из-за внешних источников измерения фазы CFPPLL превзошли обычные измерения ToF как по точности, так и по точности. Кроме того, измерения фазы CFPPLL около 10 МГц превосходят измерения ToF на более высоких частотах 50 МГц. Наклон линии фаза-частота, полученный с помощью прибора CFPPLL, позволил предсказать толщину со средней ошибкой -0,04 мкм и стандартным отклонением ошибки 1,35 мкм , что было близко к калиброванному микрометру 1.Погрешность 06 мкм. При номинальной толщине 10,95 мм средняя ошибка измерения толщины составляла -0,00037% от общей толщины, а стандартное отклонение неопределенности измерения толщины составляло 0,012%.

Недавно разработанный прибор для измерения фазы на основе CFPPLL с цифровым управлением может обеспечивать ультразвуковые измерения временной задержки с высоким разрешением и низкой погрешностью. Его цифровое управление и генерация сигналов обеспечивают значительное улучшение разрешения и простоты использования по сравнению с предыдущими ультразвуковыми фазовыми измерительными приборами на основе PPLL.Дополнительная возможность проведения фазовых измерений с качающейся частотой найдет применение в самых разных областях. В дополнение к усовершенствованию традиционных методов измерения скорости звука или толщины в твердых телах или жидкостях ToF, фазовые измерения с высоким разрешением с качающейся частотой могут быть применимы в таких областях, как оценка качества адгезионного соединения, определение характеристик тонких пленок и ультразвуковой анализ сложных структур. такие как композиты.

V. БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы хотели бы поблагодарить Анжелу Селден и Джона Каллахана за их работу по созданию и тестированию частей прибора CFPPLL.Эта работа была поддержана стипендиатом НАСА по исследованию космических технологий и программой профессоров НАСА в Лэнгли.

Информация для авторов

Гарольд А. Холдрен, Университет Вирджинии, факультет электротехники и вычислительной техники Чарльза Л. Брауна, Торнтон-Холл, 351 Маккормик-роуд, Шарлоттсвилль, Вирджиния 22904.

Мул К. Гупта, Университет Вирджинии, Чарльз Л. Браун, Департамент электротехники и вычислительной техники, Торнтон-холл, 351 Маккормик-роуд, Шарлоттсвилл, Вирджиния 22904.

Дэниел Ф. Перей, Исследовательский центр НАСА в Лэнгли, 4 Langley Blvd, Bldg. 1230, MS 231, Хэмптон, Вирджиния 23681.

Уильям Т. Йост, Исследовательский центр НАСА в Лэнгли, 4 Langley Blvd, Bldg. 1230, MS 231, Хэмптон, Вирджиния 23681.

К. Эллиот Крамер, Исследовательский центр НАСА в Лэнгли, 4 Langley Blvd, Bldg. 1230, MS 231, Хэмптон, Вирджиния 23681.

VI. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] МакСкимин HJ, «Метод наложения импульсов для измерения скорости ультразвуковых волн в твердых телах», Журнал Акустического общества Америки, вып.33, нет. 1, pp. 12–16, 1961. [Google Scholar] [2] Пападакис Е.П., «Ультразвуковая фазовая скорость с помощью метода перекрытия эхо-импульсов, включающего дифракционную фазовую коррекцию», Журнал акустического общества Америки, стр. 1045– 1051, 1967. [Google Scholar] [3] Odru R, Riou C, Vacher J, Deterre P, Peguin P и Vanoni F, «Новый прибор для непрерывной и одновременной регистрации изменений в затухании и скорости ультразвука», Review of Scientific Instruments , т. 49, нет. 2, pp. 238–241, 1978. [PubMed] [Google Scholar] [4] Таки С., Фурута Ю. и Такемура Т. «Новый прибор для быстрого измерения изменений скорости ультразвука», Review of Scientific Instruments, vol.52, нет. 9, pp. 1388–1391, 1981. [Google Scholar] [5] Пиалуча Т. и Коули П., «Обнаружение тонких встроенных слоев с помощью ультразвука с нормальным падением», Ультразвук, вып. 32, нет. 6, pp. 431–440, 1994. [Google Scholar] [6] Лаврентьев А.И., Рохлин С.И., «Определение модулей упругости, плотности, затухания и толщины слоя с помощью ультразвуковой спектроскопии под двумя углами», Journal of the Acoustical Общество Америки, т. 102, вып. 6, pp. 3467–6477, 1997. [Google Scholar] [7] Джин К., «Метод непрерывных волн для одновременных измерений скорости звука и затухания», Review of Scientific Instruments, vol.67, нет. 1, pp. 271–273, 1996. [Google Scholar] [8] Blume RJ, «Инструмент для непрерывного измерения изменений скорости ультразвука с высоким разрешением», Review of Scientific Instruments, vol. 34, нет. 12, pp. 1400–1407, 1963. [Google Scholar] [9] Heyman JS и Chern EJ, «Ультразвуковое измерение осевого напряжения», ASTM Journal of Testing and Evaluation, vol. 10, вып. 5, pp. 202–211, 1982. [Google Scholar] [10] Йост В.Т., Кантрелл Дж. Х. и Кушник П. В., «Фундаментальные аспекты методов измерения скорости ультразвука на основе технологии импульсной фазовой автоподстройки частоты», Journal of the Acoustical Общество Америки, т.91, нет. 3, pp. 1456–1468, 1992. [PubMed] [Google Scholar] [11] Йост В.Т., Кантрелл Дж. Х. и Кушник П. В., «Импульсный прибор с фазовой автоподстройкой частоты с постоянной частотой для измерения скорости ультразвука», Review of Scientific Instruments , т. 62, нет. 10, pp. 2451–2456, 1991. [Google Scholar] [12] Биндал В.Н., «Связующие вещества на водной основе для общего использования в ультразвуковых приложениях неразрушающего контроля», Journal of Scientific and Industrial Research, vol. 59, pp. 935–939, 2000. [Google Scholar] [13] Редвуд М. и Лэмб Дж. «Об измерении затухания в ультразвуковых линиях задержки», Труды IEEE: Radio and Electronic Engineering, vol.103, нет. 12, pp. 773–780, 1956. [Google Scholar] [14] Инамура Т. «Влияние связующих материалов на характеристики ультразвуковых линий задержки с пьезоэлектрическими преобразователями», Японский журнал прикладной физики, вып. 9, вып. 3, pp. 255–259, 1970. [Google Scholar] [15] Ким Й.Х., Сонг С.Дж., Ли С.С., Ли Дж.К., Хонг С.С. и Эом Х.С., «Исследование влияния сочетания на контактное ультразвуковое тестирование», Journal of Корейское общество неразрушающего контроля, т. 22, нет. 6, pp. 621–626, 2002. [Google Scholar] [16] Винсент А., «Влияние толщины изнашиваемой пластины и связующего слоя на измерение скорости ультразвука», Ультразвук, том.25, pp. 237–243, 1987. [Google Scholar] [17] Реддихофф Т., Касоланг С., Дуайер-Джойс Р.С. и Дринкуотер Б.В., «Фазовый сдвиг ультразвукового импульса в масляном слое и определение толщины пленки», Труды Института инженеров-механиков, Часть J: Журнал инженерной трибологии, вып. 219, нет. 6, pp. 387–400, 2005. [Google Scholar] Тестовый элемент осциллятора

с разомкнутым контуром (замкнутая форма): OSCTEST

OSCTEST используется для определения коэффициента усиления контура в конструкции генератора и для разрыва контура обратной связи. осциллятора в прямом направлении на основной частоте.Когда это будет сделано, источник на порте 3 используется для замены сигнала обратной связи, а сама обратная связь измеряется на порт 4. Это позволяет определить коэффициент усиления без обратной связи схемы при большом сигнале. условия.

На следующем рисунке показано использование OSCTEST. Применяется сильносигнальное возбуждение. к порту 1, и контролируется S-параметр большого сигнала S21 на основной частоте.Частота среза FC должна быть установлена ​​на любое значение между основной частотой и вторая гармоника. Когда возбуждение слабое, | S21 | должно быть больше единицы, иначе цепь не будет колебаться. По мере увеличения уровня возбуждения | S21 | уменьшается по мере того, как цепь входит в насыщение, и на некоторой частоте и некотором уровне возбуждения | S21 | = 1 и его фаза нуль. Эта точка соответствует частоте колебаний, а выходная мощность при этих condition — выходная мощность генератора.

Перед тем, как OSCTEST можно будет использовать в условиях сильного сигнала, первоначальная конструкция для слабого сигнала генератора надо сделать. Схема должна быть настроена так, чтобы | S21 | > 1 и его фаза равна нулю, в условиях слабого сигнала, на желаемой частоте колебаний. Как возбуждение увеличивается, частота нулевого фазового сдвига изменяется, и может потребоваться «подправьте» дизайн, чтобы поддерживать правильную частоту.

На частотах ниже FC OSCTEST имеет следующие S-параметры:

На частотах выше FC S-параметры равны

Все остальные S-параметры равны нулю.

В этом элементе используется специальная ячейка разводки для короткого замыкания. Ячейка макета позволяет элементы, соединенные с обеих сторон элемента, чтобы смотреть сквозь него.Например, когда MLIN подключен к модели TFCM (конденсатор) и в проекте есть код моста настроенная линия рисует правильное соединение между линией и колпачком. Если это элемент помещается между линией и колпачком, макет все равно отрисовывается.

Вы обычно не назначаете этим элементам ячейки иллюстраций.

Отрицательная обратная связь, часть 9: Разрыв петли

Простая методика моделирования «разрыва петли обратной связи» обеспечивает удобный анализ устойчивости, особенно со сложными схемами.

Предыдущие статьи этой серии

• Отрицательная обратная связь, часть 1: Общая структура и основные понятия
• Отрицательная обратная связь, часть 2: повышение чувствительности и полосы пропускания
• 316207 Отрицательная обратная связь, часть 3: Улучшение шума, линейности и импеданса 324
• Отрицательная обратная связь, часть 4: Введение в стабильность 325
• Отрицательная обратная связь, часть 5: маржа усиления и запас фазы 326
• Отрицательная обратная связь, часть 6: Новый и улучшенный анализ устойчивости
• Отрицательная обратная связь, часть 7: частотно-зависимая обратная связь
• 327 Отрицательная обратная связь, часть 8: Анализ стабильности трансимпедансного усилителя 500471

Дополнительная информация

Усиление неуловимого цикла

Вы, возможно, уже поняли, что есть что-то слегка неприятное в анализе стабильности — почему-то это не так просто, как должно быть.После некоторого размышления вы, вероятно, определили источник этого неудобства: петлевое усиление. Как мы теперь хорошо знаем, стабильность фундаментально зависит от частотной характеристики петлевого усиления Aβ ; проблема в том, что коэффициент усиления контура не является измеримой или даже интуитивной величиной в реальных схемах. Коэффициент усиления без обратной связи A представляет собой интуитивно понятную и измеримую величину: подайте тестовый сигнал на сам усилитель без какой-либо обратной связи и измерьте выходной сигнал. Аналогичным образом, усиление замкнутого контура интуитивно понятно и измеримо: соберите (или смоделируйте) схему и измерьте выход относительно входа.Контурное усиление, напротив, «спрятано» внутри наблюдаемых извне напряжений и токов.

Так что же происходит, когда вам нужно исследовать стабильность сложного усилителя с обратной связью? Или что, если вам просто не нравится несколько «ручной» подход, принятый в предыдущих статьях, где мы рассматривали сеть обратной связи как частично отдельную схему и объединили напряжение обратной связи с откликом разомкнутого контура для создания необходимых графиков анализа стабильности ? Что ж, оказывается, что существует четко определенный метод извлечения усиления контура из существующей схемы.

Разорванная петля

На следующей диаграмме показана общая структура обратной связи, представленная в первой статье, но с одной важной модификацией: сеть обратной связи была отделена от выхода, и тестовый сигнал вводится в точке разделения.

Если вы удалите (т.е. установите на ноль) вход для всей системы (здесь обозначен control ), а затем изучите поток сигнала через эту новую структуру, вы увидите, что теперь действуют следующие отношения:

\ [input = 0- \ beta test \ \ \ Rightarrow \ \ output = -A \ beta test \ \ \ Rightarrow \ \ \ frac {output} {test} = — A \ beta \]

В наших симуляциях мы всегда будем использовать испытательное напряжение 1 В, поэтому мы можем упростить это следующим образом:

\ [A \ beta = -output \]

Таким образом, когда мы разрываем цепь обратной связи и вводим тестовый сигнал 1 В в цепь обратной связи, выход усилителя, умноженный на отрицательную единицу, представляет собой усиление контура.Теоретически этот подход можно использовать для исследования коэффициента усиления контура с помощью математического анализа, моделирования или даже реальной схемы вместе с испытательным сигналом переменного тока переменной частоты. Но практические трудности возникают с математическим и измерительным подходами, прежде всего потому, что теоретически необходимо завершить разорванный контур с импедансом, эквивалентным импедансу, который существовал до разрыва контура. Итак, без лишних слов мы перейдем к демонстрации этого метода на основе моделирования — дело в том, что в этом контексте моделирования обычно (если не всегда) наименее утомительный и наиболее информативный подход.

Еще один поляк, о котором нужно беспокоиться

Из предыдущих статей мы знаем, что полюса могут вызвать проблемы у тех, кому нужны стабильные усилители. Операционные усилители с внутренней компенсацией имеют один полюс, который доминирует в частотной характеристике, что обеспечивает стабильность в большинстве ситуаций. Но полюс в цепи обратной связи, созданный емкостью параллельно с резистором обратной связи, может обеспечить достаточный дополнительный фазовый сдвиг, чтобы ухудшить стабильность. К сожалению, есть еще одно место, где (часто непреднамеренная) емкость может вызвать колебания, а именно, на выходном узле операционного усилителя:

Как вы можете видеть, любая емкость нагрузки, подключенная непосредственно к выходу, в сочетании с выходным сопротивлением операционного усилителя (небольшим, но ненулевым) образует RC-цепь — другими словами, однополюсный фильтр нижних частот, который дает дополнительные 90 ° сдвига фазы к частотной характеристике усиления контура.

Конечно, всегда есть хоть какая-то паразитная емкость. Какая емкость нагрузки требуется, чтобы реально дестабилизировать цепь? Самый простой способ определить это — проверить таблицу, в которой должно быть указано, какую нагрузочную емкость может безопасно управлять конкретный операционный усилитель. В таблице данных для этого могут быть указаны числовые характеристики или график, показывающий процент перерегулирования для различных значений емкости нагрузки. Вот пример последнего, взятый из таблицы данных на операционный усилитель AD8505 производства Analog Devices:

Перерегулирование более 20% указывает на недостаточный запас по фазе, поэтому для AD8505 достаточно низкой емкости нагрузки, равной 30 пФ, чтобы вызвать беспокойство.

Техника

Допустим, мы используем операционный усилитель для обеспечения опорного напряжения, равного _DD /2, а именно:

Текущее значение нагрузки C представляет собой паразитную емкость. Давайте проверим стабильность этой схемы, используя метод прерывания. Нам нужно убедиться, что имитатор может установить правильные условия смещения постоянного тока, поэтому мы разрываем контур не разомкнутой цепью , а очень большой (1 GH) катушкой индуктивности.Этот нереально большой индуктор с теоретическим сопротивлением, равным нулю на постоянном токе, обеспечивает правильное смещение постоянного тока, эффективно блокируя все представляющие интерес сигналы переменного тока. Точно так же мы вводим тестовый сигнал 1 В переменного тока через большой конденсатор, который блокирует постоянный ток, но практически не имеет сопротивления для сигналов переменного тока.

Мы еще не закончили. . . нам все еще нужно завершить цепь обратной связи с импедансом, который существовал до того, как мы разорвали петлю. Есть простой, хотя отнюдь не элегантный способ добиться этого: скопировать и вставить всю схему и использовать этот дубликат как фиктивную нагрузку; поскольку это одна и та же цепь, она обеспечит надлежащее сопротивление оконечной нагрузки.

Как вы можете видеть, исходный узел обратной связи подключен к оконечному узлу через другой большой конденсатор, чтобы обеспечить взаимодействие переменного тока при сохранении условий смещения постоянного тока.

Теперь мы готовы к моделированию. Все, что нам нужно сделать, это построить график V _{на выходе} .

Напомним, что метод прерывания цикла дает Aβ = — на выходе . Отрицательный знак соответствует сдвигу фазы на 180 °, и это оказывается весьма удобным: фаза начинается с 180 ° и приближается к нулю, что означает, что запас по фазе измеряется относительно 0 °, а не 180 °.Следовательно, на этом графике выходного сигнала V _{, если вы переместите курсор на частоту с единичным усилением, значение, указанное в поле «Фаза», будет запасом по фазе:}

Как и ожидалось, этот операционный усилитель с внутренней компенсацией полностью стабилен при такой небольшой нагрузочной емкости. Но в конце концов мы решаем, что нашему опорному напряжению требуется дополнительное шунтирование, поэтому мы добавляем конденсатор 1 нФ к выходу операционного усилителя (не забудьте заменить нагрузочный конденсатор в дублирующей схеме).Вот новый график — Aβ .

Теперь у нас проблема. Запас по фазе упал выше 0 °, что означает, что цепь теперь полностью нестабильна (а не просто недостаточно стабильна ). Существуют различные методы повышения стабильности схем операционных усилителей с большой емкостной нагрузкой; эта обширная тема выходит за рамки данной статьи. Здесь мы сосредоточены на анализе стабильности, поэтому мы просто продемонстрируем эффект одного распространенного простого решения: вставки последовательного резистора между выходом операционного усилителя и нагрузочным конденсатором.Резистор создает ноль в передаточной функции обратной связи, и фазовый сдвиг от этого нуля компенсирует некоторые проблемные фазовые сдвиги, создаваемые полюсом. Размер резистора должен быть таким, чтобы нулевая частота была достаточно низкой для адекватного восстановления фазы. Для этой схемы мы можем выбрать резистор в соответствии с информацией, приведенной в таблице данных для LTC6240:

.

Эти значения предназначены для 30% перерегулирования, но мы хотим что-то ближе к 20% перерегулированию, поэтому мы попробуем 90 Ом:

Теперь у нас есть запас по фазе 34 °, что немного мало, но, вероятно, адекватно.Чтобы довести запас по фазе до 45 °, требуется примерно 130 Ом последовательного сопротивления.

Заключение

Теперь в вашем аналитическом наборе инструментов есть метод моделирования, который может предоставить точную и удобную информацию о стабильности для широкого спектра схем с отрицательной обратной связью, от простых буферов операционных усилителей до сложных топологий усилителей на дискретных транзисторах. В следующей статье мы завершим эту серию, исследуя стабильность с помощью моделирования во временной, а не в частотной области.

Следующая статья в серии: Отрицательная обратная связь, часть 10: Стабильность во временной области

% PDF-1.3 % 1 0 obj > эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 6 0 obj > эндобдж 7 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 8 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 9 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 10 0 obj > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 11 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 12 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 13 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 14 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 15 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 16 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 17 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 18 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 19 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 20 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 21 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 22 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 23 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 24 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 25 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 26 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 27 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 28 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 29 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 30 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 31 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 32 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 33 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 34 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 35 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 36 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 37 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 38 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 39 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 40 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 41 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 42 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 43 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 44 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 45 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 46 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 47 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 48 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 49 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 50 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 51 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 52 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 53 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 54 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 55 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 56 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 57 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 58 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 59 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 60 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 61 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 62 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 63 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 64 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 65 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 66 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 67 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 68 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Тип / Страница >> эндобдж 69 0 объект > / MediaBox [0 0 612 792] / Родительский 6 0 R / Ресурсы > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] >> / Тип / Страница >> эндобдж 70 0 объект > / Граница [0 0 0] / M (D: 20170612204958-08’00 ‘) / Rect [42.51966 34.91575 125.33733 53.64231] / Подтип / Ссылка / Тип / Аннотация >> эндобдж 71 0 объект > поток х \ s _݉ X ѷ% \ KeN ‘$. б ?: + 6š5F ж * GBRb $ µω7 xBR 4m5M # X ߬ d {YidAf ~ BVrJ?, 5 * 95YQ7F ߐ mlRh4 @ kh \ ŎZv˹q + {rC

Измерение контуров фазовой синхронизации с помощью анализатора спектра

Векторный анализатор сигналов общего назначения предлагает недорогую и гибкую возможность измерения времени установления частоты ФАПЧ. Автор: Дуглас Олни, Keithley Instruments Inc. Время установления частоты контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) является критически важной характеристикой для многих радиочастотных схем.Существуют различные методы измерения как амплитуды, так и времени установления частоты ФАПЧ, но использование анализатора векторных сигналов общего назначения (VSA) является одним из наиболее привлекательных методов по нескольким причинам: • Это тестовое оборудование, которым уже владеет большинство ВЧ лабораторий.
• Обеспечивает относительно недорогие функции анализатора спектра.
• Используемые методы могут быть реализованы с помощью любого VSA, который позволяет передавать сложные отсчеты IQ во временной области на ПК.
• Можно измерить большое количество контуров фазовой автоподстройки частоты, при условии, что триггер TTL может быть получен в начале или около начала настройки.
• Легко достигается разрешение 10 Гц.
Конкретный метод, описанный в этой статье, явился результатом проекта Кейтли по разработке ВЧ-синтезатора. Чтобы избежать больших затрат на высококачественный анализатор спектра или специализированное испытательное оборудование с ограниченным применением, были исследованы другие решения. Поразмыслив, команда разработчиков поняла, что настроенный прибор с быстрым дигитайзером можно использовать для измерения времени установления частоты. Оценка существующего оборудования показала, что VSA обладает соответствующими характеристиками, и была быстро разработана методика измерения как амплитуды, так и установления частоты. Рассмотрены другие альтернативы Есть три основных метода определения частоты как функции времени. Частотомеры измеряют продолжительность времени между переходом через ноль, дискриминаторы преобразуют изменение частоты в изменение мощности, а VSA напрямую измеряют зависимость частоты от времени для сигналов в пределах их полосы захвата. До появления высокоскоростных дигитайзеров предпочтительным методом измерения частоты в зависимости от времени было использование прибора, который измерял время прохождения сигнала через ноль.Большинство радиочастотных счетчиков частоты используют эту технику, а более совершенные приборы регистрируют данные в зависимости от времени. Приборы зависимости частоты от времени, называемые анализаторами области модуляции, в настоящее время в значительной степени устарели, и большинство из них были заменены оборудованием на основе VSA. Самый дешевый подход к измерению частоты в зависимости от времени — пропустить сигнал через устройство, которое имеет примерно линейный наклон амплитуды в зависимости от частоты, в результате чего изменение частоты превращается в изменение амплитуды. Это может быть так же просто, как область частичного отсечки полосового фильтра или фильтра нижних частот.Затем мощность на выходе фильтра / дискриминатора измеряется с помощью анализатора спектра или датчика мощности. Этот недорогой подход затрудняет поддержание точности, поскольку вариации амплитуды сигнала можно спутать с вариациями частоты, и трудно разрешить мелкозернистые вариации порядка 10 Гц, которые нам нужны для измерений времени установления ФАПЧ. Другая возможность — использовать быстрый дискретизатор или стробоскопический осциллограф для захвата сигнала. Однако этому методу не хватает динамического диапазона, который обычно требуется для измерения до 10 Гц.Предпочтительный подход для современных решений — использовать VSA. В этом приборе используется радиочастотный преобразователь с понижением частоты, за которым следует быстрый дигитайзер, который питает цифровой детектор IQ. Решение может быть таким же простым, как стандартный VSA плюс внешнее программное обеспечение для обработки трассировки. Более сложные решения включают анализаторы спектра в реальном времени и анализаторы источников сигналов. Эти инструменты могут иметь больше функций и допускать больше типов измерений, но при значительно более высокой стоимости. Если эти особенности и функции не необходимы для других приложений, их стоимость является чрезмерной для основной задачи измерения, когда частота синтезатора установилась.

Теория измерений для решений VSA Когда впервые сталкивается с измерением частоты, многие инженеры приобретают временную шкалу и используют постепенно увеличивающиеся БПФ для получения все более точного разрешения в частотной области. Это хорошо работает при работе с модулированной несущей, которая имеет богатую частотную составляющую, но может вызывать затруднения при измерении частотной траектории немодулированной несущей. Для немодулированной несущей основной проблемой является доминирующая частота в данный момент времени.В этом случае вычисления БПФ возвращают много ненужной информации и вызывают компромисс во временном разрешении, потому что для получения лучшего разрешения по частоте используются более длинные БПФ. Так было в случае разработки Кейтли ВЧ-синтезатора, который использует ФАПЧ для генерации несущих частот. Поэтому инженеры-разработчики начали рассматривать основное определение частоты — скорость изменения фазы. Фактически, это говорит о том, что вы можете оценивать частоту так часто, как вы можете проводить измерения фазы.Разрешающая способность оценки частоты ограничивается только шумом при измерении. Тем не менее, следует проявлять осторожность. Мгновенная частота, оцененная по производной фазы, может быть интерпретирована как несущая частота только при наличии единственной несущей без какой-либо модуляции, кроме настройки этой несущей. Другие сигналы, присутствующие в полосе измерения, будут вызывать резкие колебания измеряемой фазы. В случае ФАПЧ при измерении настройки генератора, управляемого напряжением (ГУН), предположение об одной несущей обычно остается верным.Если только ГУН не переходит в паразитные колебания, производная фазы представляет собой желаемую оценку частоты. Методология измерения состоит в том, чтобы установить VSA на ожидаемую конечную частоту, запустить VSA в начале настройки для тестируемого синтезатора и зарегистрировать запись времени IQ, достаточную для покрытия времени установления. В конце концов, сигнал попадает в полосу ПЧ VSA, и мы можем рассчитать фазу в зависимости от времени. Исходя из этого, мы вычисляем частоту в зависимости от времени. В то же время у нас есть зависимость величины от времени.Чтобы измерить фазу в зависимости от времени, детектор IQ умножает сигнал ПЧ, s (t) = I (t) + jQ (t), на косинус, чтобы получить действительную часть, и на синус, чтобы получить мнимую часть. Фильтр следует за умножением, чтобы превратить его в свертку и удалить паразитные частотные составляющие. Фаза θ _i вычисляется как tan ^-1 \ [Q (t) / I (t) \]. Детектор IQ по своей природе ограничен полосой пропускания, и ключевым моментом является равномерность амплитуды и фазы по частоте. В лучших решениях используется цифровой детектор IQ с идеально согласованными каналами и хорошо настроенными фильтрами.Чтобы преобразовать фазу в частоту, мы аппроксимируем производную с разницей во времени. Один из подходов — вычесть соседние образцы. К сожалению, это приводит к задержке данных на половину выборки. Чтобы избежать временного сдвига, лучше вычесть два отсчета, которые равноудалены от текущего отсчета, вычитая значение N отсчетов перед текущим отсчетом из значения N отсчетов после текущего отсчета. Если выборки фазы находятся в массиве θi, то частота вычисляется с использованием: F ≈ (P _i + _N — P _i — _N ) / (2NΔt) где Δ t — интервал дискретизации, обратный частоте дискретизации.Для этой оценки необходимо использовать развернутые выборки фазы ¹ , и чтобы входящий сигнал не продвигался более чем на 180 ° между выборками. В общем, наличие полосы пропускания детектора ниже полосы пропускания Найквиста обеспечивает выполнение второго критерия. При использовании сэмплов на одинаковом расстоянии до и после текущего сэмпла эффективная временная задержка отсутствует. В приведенном выше уравнении величина (2 N ) известна как апертура, обозначающая разделение между фазовыми образцами. Важно отметить, что мы делим на апертуру, что означает, что мы можем обменять шум на временное разрешение с помощью простой операции постобработки.Полоса пропускания измерения устанавливается фильтром обнаружения IQ и является важным фактором, поскольку разрешение по частоте ограничено шумом, из-за чего нам нужны меньшие полосы пропускания. В то же время полоса пропускания фильтра ограничивает наблюдаемое нами отклонение частоты, а звенящий сигнал фильтра может доминировать над временной характеристикой. В дополнение к ширине полосы важна форма фильтра, потому что его частотная форма влияет на амплитудную характеристику, а ее импульсная характеристика может проявляться в виде звона как на частотной, так и на амплитудной характеристике.Хорошее практическое правило — использовать полосу пропускания, примерно в 1000 раз превышающую желаемое разрешение по частоте. Например, чтобы измерить стабилизацию до 100 Гц, используйте полосу пропускания 100 кГц. При измерении больших отклонений используйте фильтр с плоским верхом, чтобы собрать как можно больше информации. При измерении окончательной настройки с высокой точностью используйте фильтр Гаусса, чтобы избежать звона. На рисунке 1 показано звенение из-за фильтра с плоским верхом при полосе пропускания 10 кГц (разрешение около 10 Гц) по сравнению с фильтром Гаусса.При этом измерении также важна точность времени, поэтому следует обращать внимание на точность триггера. Нам нужен сигнал запуска, чтобы начать сбор данных VSA. Если есть какая-либо двусмысленность во взаимосвязи между запуском триггера и фактическим началом настройки ГУН, точность измерения снижается. Лучше всего, если модуль управления, который запускает настройку синтезатора, также генерирует триггер начала настройки. Иногда можно получить действительный запуск из существующих сигналов в системе, таких как существующие линии управления и сигналы синхронизации.Наконец, важно, чтобы цифровая система сбора данных была откалибрована для точного времени запуска. Из-за задержек конвейера в системе цифровой обработки следующая выборка, доступная после триггерного события, будет иметь место незадолго до триггерного события. Большинство коммерческих VSA калибруют ось времени так, чтобы в момент запуска была определена правильная выборка. ¹ В общем, синусоидальная функция времени может быть охарактеризована ее аргументом, выраженным как общий угол, ϕ (t) , который изменяется во времени, т.е.e, x (t) = A cos (ϕt)) , а производная по времени этого развернутого угла , ϕ (t) , является мгновенной частотой этой синусоиды в любой момент времени t . Угол ϕ (t) называется развернутым , если он непрерывен везде, кроме мест, где абсолютное значение скачка скачка меньше π радиан. Пример данных измерений В этом примере ВЧ-синтезатор был запрограммирован на скачкообразное изменение между 1142 МГц и 998 МГц.Для измерения времени установления был использован анализатор Keithley Model 2810 VSA ( см. «Модель 2810 VSA с возможностями анализатора спектра подходит для многих приложений», ). Он был настроен на 998 МГц и использовал фильтр с плоским верхом 35 МГц. Синтезатор запустил VSA в то время, когда ГУН начал настраиваться с 1142 МГц до 998 МГц. На рисунке 2 показано, что сигнал попадает в полосу измерения примерно через 33 мкс после начала настройки ГУН. Частота ГУН выходит за пределы целевой 998 МГц примерно на 8 МГц, но ФАПЧ вводит частоту до тех пор, пока не произойдет синхронизация примерно на 220 мкс. после начала настройки.Амплитуда ГУН (рис. 3) устанавливается намного раньше — примерно через 70 мкс. Это измерение было выполнено путем перевода VSA в режим нулевой полосы обзора на частоте 998 МГц. Приемный фильтр был сконфигурирован как фильтр с плоской вершиной 35 МГц. Время развертки составляло 300 мкс. Триггер был настроен на внешний триггер (от синтезатора) с задержкой триггера 33 мкс. Данные были собраны с помощью прибора : MEAS: IQ? Команда SCPI, которая собирает данные и передает их на главный компьютер в двоичном формате. При вычислении частотной траектории программа постобработки использовала апертуру 900 нс.На рисунке 4 показаны приблизительно последние 200 Гц времени установления для синтезатора, который был настроен с 1214,39011 МГц на 998 МГц с использованием фильтра Гаусса 100 кГц. Как и раньше, для расчета частотной траектории данные обрабатывались извне. Этот рисунок показывает, что метод VSA может легко разрешить частотные особенности даже до 10 Гц. Чтобы упростить настройку измерения, мы теперь встроили возможность давать команду синтезатору переключаться между двумя частотами каждые несколько миллисекунд и обеспечивать триггер TTL в начале настройки. Выводы То, что начиналось как попытка сохранить капитальный бюджет, быстро стало предпочтительным методом измерения времени установления частоты. Лакмусовой бумажкой стало то, что мы поняли, что можем разрешить разницу в 10 Гц в выходной частоте на выборках с разницей менее 100 мкс. Это значительно лучше, чем старое инженерное правило, согласно которому для устранения разницы частот в 10 Гц необходимо проводить измерения в течение 0,1-секундного периода. Эта методика имеет ряд преимуществ: • Возможность уменьшения масштаба и измерения последних нескольких мегагерц траектории с высоким временным разрешением.
• Возможность увеличения и разрешения около 10 Гц для окончательной настройки.
• Возможность менять временное разрешение на шум на частотной кривой путем регулировки апертуры производной фазы к частоте.
• Правильная траектория амплитуды, когда сигнал находится в пределах полосы ПЧ.
• Если VSA еще не принадлежит, его относительно экономично приобрести (около 20 000 долларов для Keithley Model 2810) по сравнению с анализатором спектра высокого класса.
Дуг Олни, старший инженер DSP, имеет более чем 20-летний опыт работы с радиочастотными измерениями и в настоящее время работает над алгоритмами измерения для сигналов OFDM. Ссылки
Замечания по применению Agilent AN 1275, «Автоматическое измерение времени установления частоты ускоряет вывод на рынок ВЧ-конструкций», доступно по адресу http://cp.literature.agilent.com

Практические решения для неминимальной фазы и проблемы вибрации в парадигме подавления помех

% PDF-1.7 % 1 0 obj > эндобдж 2 0 obj > поток 2018-12-30T16: 16: 49-08: 002018-12-30T16: 16: 48-08: 002018-12-30T16: 16: 49-08: 00Appligent AppendPDF Pro 5.5uuid: b58654a9-aa72-11b2-0a00-782dad000000uuid: b5868e5a-aa72-11b2-0a00-900b4667fd7fapplication / pdf

Практические решения проблем с неминимальной фазой и вибрацией в соответствии с парадигмой подавления помех

Prince 9.0 rev 5 (www.princexml.com) AppendPDF Pro 5.5 Ядро Linux 2.6 64-битная 2 октября 2014 Библиотека 10.1.0 конечный поток эндобдж 5 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 33 0 объект > эндобдж 34 0 объект > эндобдж 35 0 объект > эндобдж 36 0 объект > эндобдж 37 0 объект > эндобдж 58 0 объект > / Повернуть 0 / Тип / Страница >> эндобдж 59 0 объект > / Повернуть 0 / Тип / Страница >> эндобдж 60 0 объект > / Повернуть 0 / Тип / Страница >> эндобдж 61 0 объект > / Повернуть 0 / Тип / Страница >> эндобдж 62 0 объект > / Повернуть 0 / Тип / Страница >> эндобдж 76 0 объект > поток х [n6 B QDRYl.