Введение
Электронные блоки управления, используемые в автомобильной и авиационной промышленности, должны обладать устойчивостью к неблагоприятным воздействиям со стороны систем питания, с которыми они работают. Для систем питания характерны выбросы и провалы напряжения, поэтому необходимо тщательно проверять электронные блоки управления на работоспособность в таких условиях.
В помощь разработчикам электронных блоков управления были разработаны стандартные спецификации испытаний ISO, отражающие переходные процессы в цепях питания в автомобильных системах. Эти спецификации устанавливают довольно жесткие требования, и для воссоздания описанных в них переходных процессов требуется специализированное дорогостоящее испытательное оборудование. В результате таким оборудованием, как правило, оснащаются только лаборатории по контролю качества, и оно может быть недоступно инженерам-разработчикам, которым оно требуется в первую очередь.
В данной ситуации на помощь может прийти анализатор питания постоянного тока N6705С компании Keysight Technologies, с помощью которого можно провести различные испытания устройств для оценки их устойчивости к переходным процессам, при этом эти испытания можно легко и удобно выполнять непосредственно на своем рабочем месте. Анализатор питания N6705С позволяет получить ценную информацию о параметрах работы анализируемого электронного блока управления перед использованием дорогостоящего испытательного оборудования, предназначенного для контроля качества разрабатываемых устройств.
В данных рекомендациях по применению описаны возможности использования анализатора питания N6705С для совершенствования разрабатываемых схемных решений и сокращения общего времени испытаний электронных блоков управления на работоспособность в условиях переходных процессов в цепях питания.
Генерация переходных процессов в цепях питания
Анализатор питания постоянного тока Keysight N6705С позволяет быстро и легко моделировать переходные процессы в цепях питания и применять их к разрабатываемым электронным блокам управления. Анализатор питания постоянного тока N6705С представляет собой базовый блок, в котором могут быть установлены от одного до четырех специализированных модулей питания постоянного тока. На выбор доступно более 20 модулей, что позволяет решать самые разнообразные задачи. Пользователь может использовать до четырех каналов, моделирующих быстротечные переходные состояния в цепях питания.
Используя версию микропрограммного обеспечения C. 00. 09 и старше, пользователь получает возможность формирования сигналов произвольной формы, включая функции задания последовательностей форм сигналов и формирование сигналов произвольной формы, содержащих до 64 000 точек. На рис. 1 показана серия испытательных импульсов при кратковременном отключении источника питания, которая обычно используется при испытаниях электронных блоков управления (ЭБУ). В этом случае модуль N6752A применен для создания простой последовательности импульсов. В качестве испытуемого устройства здесь используется нагрузка, состоящая из резистора сопротивлением 100 Ом с параллельно подключенным конденсатором емкостью 10 мкФ. Как видно из увеличенного изображения, время нарастания последнего импульса составляет 553 мкс (см. рис. 2). Измеренное значение времени спада (не показано) составляет 206 мкс. В испытаниях такого типа обычно используются импульсы со временем нарастания и временем спада порядка 1 мс.
В частности, следующие модули прекрасно подходят для испытаний электронных блоков управления на работоспособность в условиях переходных процессов в цепях питания.
| Модель | Макс. напряжение | Макс. ток | Макс. мощность | dv/dt1 |
|---|---|---|---|---|
| N6751A | 50 В | 5 А | 50 Вт | 33 В/мс |
| N6752A | 50 В | 10 А | 100 Вт | 33 В/мс |
| N6754A | 60 В | 20 А | 300 Вт | 30 В/мс |
1. Переходные процессы с 10 до 90% при полной резистивной нагрузке и/или емкости до 680 мкФ.
Рис. 1. Профиль испытательного сигнала, моделирующего кратковременные отключения источника питания, созданный с помощью анализатора N6705С.
Рис. 2. Увеличенное изображение последнего импульса, имитирующего отключение питания. Наблюдаемое время нарастания составляет менее 553 мкс.
Использование встроенных сегментов для простого формирования формы сигналов
Теперь рассмотрим, как формируются сигналы переходных процессов для испытаний на устойчивость к помехам при запуске двигателя с помощью анализатора питания N6705С. С помощью встроенных сигналов в сочетании с возможностями создания последовательностей мы можем легко воссоздать стандартную форму сигнала для запуска двигателя, используемую при испытаниях электронных блоков управления, как показано на рис. 3. Сигнал с такой формой называется Starting Profile (Профиль запуска) в спецификации ISO 16750-2.
Рис. 3. Форма сигнала переходного процесса Starting Profile (Профиль запуска).
Вы можете легко создать сигнал такой формы за пять шагов с помощью анализатора питания N6705С
- Определите форму сигнала, включая уровни напряжения, время переходных процессов и задержек, а также значения частоты, как показано на рис. 3. Определите количество отдельных сегментов – например, в данном случае мы имеем спадающий фронт, нарастающий фронт, синусоидальный сигнал (любое количество периодов) и конечный нарастающий фронт. Таким образом, у данной формы сигнала имеется четыре сегмента (шага).
- На передней панели базового блока N6705С дважды нажмите кнопку Arb (Произвольный сигнал), просмотрите содержимое окна «Output 1 – Arb Selection» (Выход 1 – выбор произвольного сигнала), перейдите к кнопке Sequence (Последовательность) и нажмите Enter (Ввод), чтобы выбрать тип последовательности сигналов на выходе. Нажмите кнопку Properties (Свойства). Откроется окно ввода последовательности сигналов, как показано на рис. 4a.
Рис. 4а. Таблица шагов последовательности. - Трижды нажмите кнопку Add (Добавить), чтобы создать все четыре шага. Измените параметры для шагов 0, 1 и 3, выбрав тип «Ramp» (Нарастание), а для шага 2 – тип «Sine» (Синусоида). Окно свойств напряжения последовательности должно выглядеть, как показано на рис. 4b.
Рис. 4b. Добавление нескольких шагов в последовательность. - Теперь отредактируйте шаги в соответствии с требуемыми параметрами формы сигнала. Для выбора отдельных шагов воспользуйтесь кнопками перехода, а затем нажмите Properties (Свойства). Отредактируйте шаги 0–3, как показано на рис. 5.
Рис. 5. Отредактируйте параметры шагов 0–3 в соответствии с требуемыми значениями. - По завершении сохраните последовательность, чтобы иметь возможность ее использования в будущем, нажав кнопку Save (Сохранить).
Если все описанные действия были выполнены, то процедура создания формы сигнала может считаться завершенной. Для запуска произвольного сигнала настройте канал 1 на 12 В, установите предел тока в соответствии с требованиями и включите выход. Затем нажмите кнопку Arb Run/Stop (Запуск/остановка произвольного сигнала). На выходе появится сигнал, как показано на рис. 6 (сигнал зафиксирован с помощью дигитайзера Keysight L4532A).
Рис. 6. Форма сигнала переходного процесса «Профиль запуска», сформированная с помощью модуля N6752A.
Использование глубокой памяти произвольных сигналов для гибкого воссоздания формы сигнала
Рассмотрим случай, когда требуется создать сигнал более сложной формы — например, смоделировать переходный процесс «сброс нагрузки». Либо вам может потребоваться захватить переходный процесс, чтобы затем воспроизвести его снова. Анализатор питания постоянного тока N6705С с версией микропрограммного обеспечения C. 00. 09 и выше позволяет создавать формы сигнала, содержащие до 64 тысяч точек, которые могут использоваться для моделирования более сложных сигналов.
В этом примере мы воссоздадим простой переходный процесс «сброс нагрузки» с помощью глубокой памяти сигналов произвольной формы анализатора N6705С. Максимальное значение выброса для процесса «сброс нагрузки» будет составлять 74 В, а его продолжительность — около 150 мс. Форма сигнала «сброс нагрузки» создается с помощью модуля N6752A. Учтите, что, хотя максимальное значение напряжения для модуля N6752A составляет 60 В, наличие электрической развязки модулей от шасси позволяет соединять их последовательно для достижения более высокого значения напряжения (до 240 В относительно потенциала шасси). В данном примере просто используются два последовательно соединенных модуля N6752A. Конфигурация для данных испытаний показана на рис. 7.
Рис. 7. Измерительная установка и форма сигнала для переходного процесса типа «сброс нагрузки».
При создании данных о требуемой форме сигнала мы можем просто воспользоваться файлом с разделителями в виде запятых (CSV) и импортировать форму сигнала непосредственно в память анализатора N6705С. Для создания сигнала требуемой формы вы можете воспользоваться любым редактором. Удобным средством редактирования для генераторов стандартных сигналов и сигналов произвольной формы является программа IntuiLink Waveform Editor компании Keysight Technologies. Данная программа позволяет легко создавать сигналы нужной формы графическими средствами и сохранять их в файлах формата CSV (см. страницу www.keysight.com/find/intuilink и сведения о программе редактирования данных для генераторов стандартных сигналов и сигналов произвольной формы). В нашем случае сигнал нужной формы создается с помощью программы IntuiLink. Он сохраняется в файле формате CSV, а затем с помощью программы Microsoft Excel в этот файл добавляются требуемые данные заголовка. На рис. 8 показаны итоговые данные, которые были созданы для рассматриваемого случая, а также небольшое изображение полученной формы сигнала.
Обратите внимание, что поскольку мы используем два последовательно соединенных модуля, напряжение на каждом из модулей равно ½ полного напряжения. Также учтите важность формата первых четырех строк файла CSV. Сигнал представленной формы представляет собой сигнал с постоянным временем выдержки, в котором задержка между точками составляет 50 мкс. Для формирования этой формы сигнала анализатору N6705С требуются определенные ключевые слова:
в строке 2 должно быть указано
––%arbtype=arbcdvolt,
а в строке 3
––%constantdwell=0,00005
Необходимо корректно ввести данные в эти первые четыре строки, так как в противном случае анализатор питания N6705С не сможет импортировать данные. После того как данные будут созданы и команды форматирования будут на своем месте, сохраните файл Microsoft Excel в формате CSV.
Не забывайте, что программа IntuiLink — это лишь один из инструментов, имеющихся в вашем распоряжении. При желании для создания данных о напряжении вы можете просто воспользоваться программой Microsoft Excel и встроенными в нее функциями. Кроме того, вы можете записать требуемый сигнал в режиме реального времени с помощью имеющегося осциллографа или дигитайзера, сохранить его в файл CSV и воспроизвести с помощью анализатора питания постоянного тока N6705С.
Рис. 8. Ключевые слова форматирования и данные для файла в формате CSV (файла Microsoft Excel).
Файлы с данными формы сигнала в формате CSV могут быть легко импортированы в модуль N6752A в качестве произвольной функции с помощью карты флеш-памяти. Для импорта требуется всего лишь сохранить файл формата CSV на карту флеш-памяти, вставить ее в слот на передней панели анализатора N6705С и воспользоваться функцией импорта произвольной формы сигнала.
Импортируйте сигнал «сброс нагрузки» для каналов 1 и 2. См. рис. 9 ниже.
Рис. 9. Конфигурация сигнала произвольной формы для процесса «сброс нагрузки».
- Выберите параметр Channel 1 (Канал 1), перейдите к экрану «Output 1 – Arb Selection» (Выход 1 – выбор произвольного сигнала) и выберите тип выходного сигнала Constant Dwell (CD) (сигнал с постоянным временем выдержки).
- Нажмите Properties (Свойства), чтобы открыть окно «Output 1 – CD Voltage Properties» (Выход 1 – свойства сигнала с постоянным временем выдержки), перейдите к кнопке Import… (Импорт) и нажмите ее.
- Наконец, с помощью кнопки Browse (Обзор) найдите нужный файл CSV в разделе «External» (Внешний флеш-накопитель USB) и нажмите Import (Импорт).
- Повторите описанные шаги для канала 2.
- При возврате в окно предварительного просмотра сигнала произвольной формы в нем будет отображен импортированный сигнал. В нашем случае для каналов 1 и 2 амплитуда сигнала будет составлять ½ амплитуды сигнала «сброс нагрузки».
- Убедитесь, что включены оба канала. Установите для выходного напряжения значение 16 В, что соответствует начальному напряжению сигнала произвольной формы, чтобы не возник перепад уровня при запуске сигнала произвольной формы. Однако, поскольку используются два последовательно соединенных канала, значение для каждого из них должно составлять 8, а не 16 В.
- В завершение нажмите кнопку Arb Run/Stop (Запуск/остановка произвольного сигнала). Будет сформирован импульсный выходной сигнал «сброс нагрузки», как показано на приведенном ниже рис. 10.
Рис. 10. Итоговый сигнал «сброс нагрузки».
С помощью подхода, описанного в данном разделе, вы сможете создавать и воспроизводить сигналы требуемой для испытаний формы. Начните с простого файла формата CSV, импортируйте его в качестве сигнала произвольной формы с постоянным временем выдержки в анализатор питания N6705C и запустите файл.
Заключение
Электронные блоки управления, предназначенные для автомобильной и авиационной отраслей, работают в условиях неблагоприятных воздействий со стороны систем питания. Чтобы успешно разрабатывать оборудование, предназначенное для применения в перечисленных отраслях, часто приходится использовать итерационные подходы, включающие этап разработки успешных схемотехнических решений, комплексные испытания и внесение (по мере необходимости) изменений в схемотехнику для соответствия требованиям по устойчивости к неблагоприятным воздействиям со стороны источников питания.
В этом процессе поможет анализатор питания постоянного тока Keysight N6705С, который позволяет в любой момент выполнить целый ряд испытаний непосредственно на рабочем месте разработчика. Воспользуйтесь этими преимуществами для анализа работы электронного блока управления перед использованием дорогостоящего испытательного оборудования по контролю качества, отвечающего требованиям спецификаций ISO.
