26.11.2017

Осциллограф RTB_2000

Рассмотрим новинку, представленную компанией Rohde & Schwarz, осциллограф RTB2000. Строго говоря, этот прибор сложно назвать классическим осциллографом: он объединяет в себе множество функции таких как логический анализатор, вольтметр, генератор сигналов и, естественно, осциллограф. Отличительной чертой этой модели, кроме многофункциональности, является огромный 10 дюймовый сенсорный дисплей.

Учитывая, что прибор позиционируется производителем, как оборудование для учебной и научно-исследовательской деятельности рассмотрим ключевые особенности и качества прибора в данном контексте.

Осциллограф по сети

В современной высшей школе набирает обороты такое направление, как дистанционное обучение, однако для многих дисциплин, таких как физика, теоретические основы электротехники и радиотехники проведение лабораторных работ дистанционно с классическим оборудованием практически невозможно: либо потребуется очное проведение работы, либо приобретение обучающимся комплекта оборудования. Первое противоречит принципу дистанционного обучения, второе экономически нецелесообразно в силу высокой стоимости и большого разнообразия оборудования, с которым знакомится студент в процессе обучения.

R&S RTB2000 имеет функционал управления через IP, что позволяет интегрировать лабораторные стенды на базе этого прибора в систему дистанционного обучения, позволяя применять реальное оборудование на реальных объектах, не заменяя их на цифровые модели, что несмотря на точность современных компьютерных моделей ограничивает навыки работы будущего специалиста с физическими объектами.

Кроме того, возможность подключения к прибору по сети позволяет преподавателю проводить опыты, например, с электрическими схемами и демонстрировать возникающие эффекты в прямом эфире.

10-битный АЦП

В цифровой электронике и радиотехнике наблюдается тенденция уменьшения амплитуд передаваемых и принимаемых сигналов, и зачастую, классические осциллографы с 8-ми битным АЦП из-за шумов квантования по уровню могут исказить сигнал. В R&S RTB2000 установлен малошумный 10-ти битный АЦП, который позволяет значительно точнее отображать форму сигналов, что особенно заметно при малых амплитудах.

У R&S RTB2000 аппаратно достижимое разрешение составляет до 1 мВ/дел, при котором отображаемые точки являются реальными выборками сигнала, такое разрешение на классических АЦП достижимо только программными методами или путем ограничения полосы пропускания.

Запись сигнала

R&S RTB2000 обладает памятью выборки от 10 до 100 раз большей, чем другие осциллографы этого класса. В абсолютных значениях в базовой комплектации осциллограф способен записать 10 миллионов точек на канал или до 20 миллионов точек в режиме чередования: у 4х канальной модели два канала могут иметь по 20 миллионов точек памяти.

Такая большая память необходима для демонстрации и анализа современных стандартов радиосвязи, например, стандарт NFC, обладающий специфическим стартовым с информационной посылкой в конце длинного не модулированного сигнала в виде 10% модуляции.

Многофункциональность

Как говорилось ранее, R&S RTB2000 имеет огромное количество функций, которые в конечном итоге, в некоторых условиях, приведут к экономии на оборудовании. Рассмотрим их подробнее.

Первая и основная функция, естественно, осциллограф. Учитывая, что он имеет частоту дискретизации до 2,5 млрд. отсчетов/с и глубину памяти до 20 миллионов точек, R&S RTB2000 является одним из лучших в классе. А скорость обновления 50000 осциллограмм/с делает этот осциллограф быстрым и отзывчивым к изменениям формы сигнала инструментом. Кроме того, R&S RTB2000 включает такие стандартные инструменты как тестирование на соответствие маске,быстрое преобразование Фурье (БПФ), математические функции, курсоры и автоматические изменения, включающие статистические параметры.

Особенно стоит отметить удобство организации меню выбора измерений: кроме названия представлено схематическое изображение способа измерения графически или символьно (Рис. 4).

Вторая функция - логический анализатор. 16 цифровых каналов покрывают большинство потребностей учебных и небольших научно-исследовательских лабораторий, возможность фиксации и анализа сигналов от аналоговых и цифровых компонентов одновременно и синхронизировано по времени друг с другом превосходят возможности этих приборов по отдельности. Например, задержка между входом и выходом аналого-цифрового преобразователя может быть определена с помощью измерений курсорами.

Третья функция - анализатор протоколов. R&S RTB2000 поддерживает такие протоколы, как I2C, SPI, CAN/LIN и, естественно, RS232/UART, с помощью которых, часто передаются управляющие и информационные сообщения между интегральными схемами и блоками устройств. R&S® RTB2000 имеет универсальные функции для декодирования последовательных интерфейсов. Возможно, также, выборочное получение и анализ событий и данных. Благодаря аппаратной реализации обеспечивается плавная работа и высокая скорость обновления даже при длительных наблюдениях. Это выгодно, например, для захвата нескольких пакетов данных с последовательной шины.

Четвертая функция - анализатор спектра. Несмотря на то, что в англоязычной брошюре этот функционал незаслуженно упомянут в конце списка, он является довольно востребованным и нередко наличие быстрого и отзывчивого анализатора спектра является важной составляющей успеха исследования. Часто, трудно диагностируемые сбои возникают в результате взаимодействия сигналов во временной или частотной областях. Функция БПФ R&S® RTB2000 активируется нажатием кнопки и путем ввода центральной частоты и диапазона. Благодаря высокоэффективному БПФ осциллографов R&S® RTB2000 сигналы могут быть проанализированы с точностью до 128к. Кроме того, имеются другие инструменты, включая измерения курсорами и автосохранение частотной области.

Пятая - генератор сигналов. Встроенный генератор сигналов (опция RTB-B6) до 50 Мбит/с в режиме паттерн-генератора и до 25МГц в режиме генератора произвольной формы пригодится для образовательных целей и для тестирования прототипов. Помимо обычных синусоидальных, квадратичных/импульсных, линейных и шумовых сигналов, он способен выдавать произвольные формы сигналов или 4-битным шаблоны сигналов. Сигналы и шаблоны могут быть импортированы в виде файлов CSV или скопированы из осциллограмм. Перед воспроизведением сигналов пользователь может предварительно просмотреть их, чтобы быстро проверить правильность сигнала. Имеются предопределенные шаблоны, такие как I2C, SPI, UART и CAN/LIN.

На функциональности генератора остановимся чуть более подробно, так как заявленные производителем характеристики фактически способны полностью заменить недорогие генераторы сигналов.

Одним из важных сигналов цифровой схемотехники является меандр, в то же время он является одним из самых сложных для качественной передачи и генерации сигналов в силу своей широкополосности.

Максимально доступная для установки частота генерируемого меандра составляет 10 МГц, однако в силу относительной узости полосы базовой комплектации (70 МГц) сам осциллограф не в состоянии качественно отобразить такой сигнал, однако при проверке аналогичным осциллографом, но с полосой пропускания 300 МГц можно оценить качество генерируемого сигнала.

В целом, абсолютные значения показателей качества сигнала на высоких частотах (более 1 МГц) меняются незначительно: время переходного процесса стабильно симметричное и составляет около 35 нс (Рис. 7)

Кроме стандартных для большинства генераторов меандра, пилообразного, треугольного и экспоненциального сигналов имеется возможность генерировать SinC сигнал (Рис. 8)

Генератор шума имеет полосу 60 МГц при замере на спектроанализаторе и, полностью перекрывают полосу пропускания осциллографа (Рис.9), что достаточно для практически любых лабораторных задач, т. к. использование более высокочастотных сигналов накладывает серьезные требования уже не только к приборам, но и к проводникам и соединениям.

Цифровой вольтметр. R&S® RTB2000 имеет трехзначный вольтметр (DVM) и шестидиапазонный счетчик частоты для каждого канала с возможностью одновременных измерений. Функции измерения включают в себя DC, AC + DCRMS и ACRMS - все они включены в базовую функциональность.

Заключает список возможность сохранения истории и сегментированный режим памяти. Функция истории имеет объем памяти от 10 млн. точек до 160 млн. точек. Пользователю доступен просмотр прошлых измерений и наблюдений в том числе для анализа данных, с использованием всех инструментов осциллографа, например, декодирования протоколов и логических каналов. Последовательные протокола и последовательности импульсов записываются практически без разрывов.

Заметим, что в совокупности с достаточно невысокой стоимостью, этот прибор способен стать универсальным для оборудования рабочих мест в учебных и научно-исследовательских лабораториях студентов, аспирантов и научных сотрудников, позволяя экономить не только средства, но и что не менее важно - место, создавая комфортные условия работы, столь необходимые для эффективности любой интеллектуальной деятельности.

Функционал для организации учебных занятий

Любой преподаватель справедливо отметит, что в учебном процессе, особенно при освоении студентами азов работы с устройством излишняя интеллектуальность или многофункциональность могут привести к снижению эффективности обучения: например, студент может воспользоваться интеллектуальными возможностями прибора и не освоить принципы его работы, а излишний функционал может привести к ненужным вопросам по организации работы. Для решения этой проблемы, R&S® RTB2000 имеет функционал парольной защиты, с помощью которого можно заблокировать все ненужные функции и оставить только необходимые для работы в данный момент.

Такая функциональность позволяет организовать обучение не менее эффективно, чем, если бы студенты последовательно переходили от простейших аналоговых осциллографов к цифровым и автоматическим последовательно осваивая принципы работы и современный функционал. Однако такой подход позволяет экономить значительное количество места, ведь классические приборы, как правило, достаточно громоздкие.

Разработка системы диагностирования неисправностей 3-х фазных электродвигателей

Одним из проектов, в котором был опробован прибор, является разработка системы диагностирования неисправностей 3-х фазных электродвигателей. Целью проекта было нахождение алгоритмов диагностирования неисправностей двигателя по измерениям тока на обмотках двигателя. Для достижения цели необходимо было выполнить следующие задачи: 1. Наблюдение статических и переходных характеристик исправного (нового) двигателя; 2. Наблюдение статических и переходных характеристик двигателей с различными неисправностями; 3. Сохранение экспериментальных данных в цифровой форме; 4. Анализ наблюдений; 5. Формулировка алгоритма диагностирования.

Для выполнения первых трех задач необходим осциллограф, который не только должен показать форму сигнала и позволить выполнить измерения, но и достаточно быстро рассчитать спектр сигнала, для анализа двигателя под нагрузкой и сохранить полученные данные в виде, пригодном для обработки в MatLab. R&S® RTB2000 полностью удовлетворил этим требования.

Неисправности асинхронного двигателя разделяют на внешние и внутренние.

К внешним относятся такие неисправности, как обрыв одного или нескольких проводов, соединяющих асинхронный двигатель с сетью, или неправильное соединение, отключение предохранителя, пониженное или повышенное напряжение питающей сети, разбаланс фазных напряжений, перегрузка двигателя, плохая вентиляция, неправильно отрегулированное натяжение ремня.

Внутренние неисправности асинхронного двигателя могут быть механическими и электрическими. Механические повреждения, такие как: нарушение работы подшипников, деформация или поломка вала ротора (якоря), ослабление крепления полюсов или сердечника статора к станине; обрыв или сползание проволочных бандажей роторов, трещины в подшипниковых щитах или в станине и др. Электрические повреждения, в частности: межвитковые замыкания, обрывы в обмотках, пробой изоляции на корпус, старение изоляции, распайка соединений обмотки с коллектором, неправильные соединения в катушках и др.

Наиболее распространенные неисправности: 1. Перегрузка или перегрев статора электродвигателя - 31%; 2. Пригорание или залипание контактов электромагнитного пускателя – 20%; 3. Межвитковое замыкание - 10%; 4. Повреждения подшипников - 7%.

Первым этапом исследования является анализ токов в установившемся режиме.

Осциллограф R&S® RTB2000 имеет режим сохранения отображаемого сигнала в файл формата CSV, который поддерживается для импорта в MatLab, что позволяет импортировать сигналы в рабочую область фактически непосредственно с лабораторного стенда, не прибегая к необходимости конвертирования данных. С помощью этого инструментария получены рисунки 10 и 11 - осциллограммы токов на выходе трансформаторов тока при их нагрузке на 300 Ом.

Анализ этих данных позволяет установить некоторый пороговый уровень, превышение которого будет свидетельствовать об аварийном состоянии нагрузки. Снижение токов говорит о «снятии» нагрузки вследствие ослабления или обрыва ремня, либо обрыва крыльчатки в насосе.

Если увеличение тока вызвано неисправностями обмоток двигателя, как правило, возникает разбаланс токов, поскольку одновременное возникновение дефекта сразу в 3-х фазах маловероятно.

Для имитации дефектов, возникающих в фазах двигателя, например, при пригорании контактов магнитного пускателя, короткого замыкания нескольких витков, разбаланса сопротивлений обмоток статора или неравномерного распределения по фазам питающих напряжений, последовательно с одной из обмоток включено дополнительное сопротивление 3.3 Ома на двигателях (Двигатель номер 1-1, 1-2) и 43 Ома на двигателях (номер 1-3, 1-4). На рисунке показано напряжение в сети (желтым) и на обмотке (фиолетовым) – они отличаются всего на 7%.

Моделирование неисправностей, переходный процесс

Условия пуска асинхронных двигателей обычно разделяют на легкие, нормальные и тяжелые. При легких условиях требуемый момент в начале вращения двигателя составляет 10-40% от номинального. К нормальным условиям пуска относятся такие, при которых механизм требует пускового момента, равного 50-75% от номинального. К тяжелым условиям пуска относятся такие, при которых требуемый начальный момент составляет 100% номинального и выше. Если условия пуска относятся к тяжелым, применяются специальные пусковые устройства (магазины сопротивлений, реостаты и т. д.). Анализ осуществляется в предположении, что условия пуска относятся к легким.

Качественно реализованные триггеры осциллографа R&S® RTB2000 позволяют получить хорошую картинку переходных процессов, а функционал сохранения позволяет проанализировать данные на компьютере. Анализируя полученные данные, представленные на рисунке 13 и 14 видно, что при нагрузке, составляющей 1/3 от номинальной, время переходного процесса увеличилось в 1.43 раза.

Для имитации дефектов, возникающих в фазах двигателя, например, при пригорании контактов магнитного пускателя, короткого замыкания нескольких витков, разбаланса сопротивлений обмоток статора или неравномерного распределения по фазам питающих напряжений, последовательно с одной из обмоток включено дополнительное сопротивление 3.3 Ома на двигателях ElnorMotors (Двигатель номер 1-1, 1-2) и 43 Ома на двигателях Rael (Двигатели номер 1-3, 1-4). Переходный процесс с разбалансом фаз показан на рисунке 15.

На рисунке видно, что изменились как амплитуды колебаний, так и длительность переходного процесса. Амплитуда той фазы, на которой установлено добавочное сопротивление, уменьшилась (синий цвет), а другие фазные амплитуды увеличились. Изменение напряжения на одной фазе на 10 процентов привело разбалансу амплитуд в два раза. Важно отметить, что искажение формы электромагнитного поля привело к тому, что время регулирования также увеличилось более чем в два раза.

Спектральный анализ

Из-за большой мощности исследуемых двигателей длительное включение нагрузки является труднореализуемой задачей, т. к. доступное средство достаточной нагрузки двигателя мощностью порядка киловатта выделяет огромное количество тепла.

Для нагрузки двигателя использовался двигатель постоянного тока в тормозном режиме, и чего следует, что вся используемая мощность должна выделиться в форме тепла.

Поэтому скорость построения спектра является важной характеристикой в этой задаче. Рассматриваемый прибор превосходно справился с этой задачей даже в режиме усреднения частотной характеристики, для подавления шумовой составляющей.

Поскольку ротор двигателя отстает от скорости вращения электромагнитного поля на достаточно малую величину (скольжение ≈ 0.8). В исправном двигателе роторные токи практически не проявляются в спектре (Рис. 16). Однако, если происходит заклинивание ротора или повреждение его стержней, то любые изменения тока в нем приведут к появлению частот, расположенных достаточно близко к частоте 50 Гц. На спектре это проявляется раздвоением пиков высших гармоник (Рис. 17)

Несмотря на то, что в нашей лаборатории рассматриваемый осциллограф имеет не самую большую полосу пропускания, возможность непосредственного подключения к компьютеру, большой объем памяти и действительно быстрый БПФ позволили значительно ускорить работу над этим проектом.

Тестирование генератора хаотических сигналов

Эксперимент направлен на исследование свойств выходного сигнала цифрового генератора хаотических сигналов, разработанного на платформе NI SingleBoard RIO. В основе генератора лежит алгоритм численного решения хаотического уравнения Рёсслера:

С параметрами: a = b = 0,2 и c = 5,7.

Генератор был реализован методом явной средней точки [1] средствами среды NI LabVIEW 2017 с модулем NI FPGA Module. Блок-диаграмма генератора, использующего целочисленный тип данных I32, приведена на рис. 18

Целью исследования была оценка свойств генерируемого сигнала во временной и частотной области при использовании явного дискретного оператора. Удобство проведения эксперимента обеспечил осциллограф R&S® RTB2000. Основным достоинством в этой задаче стала сбалансированность вычислительных возможностей прибора, что позволило на максимальном разрешении с удобством работать одновременно с временной и частотной областью. Результаты эксперимента представлены на рисунке 19.

Исследование показало, что использование явных методов интегрирования для порождения хаотических сигналов методом численного решения определяющих дифференциальных уравнений приводит к появлению в выходном сигнале набора нехаотических компонент с частотами, кратными 1.5 кГц, а в дальнейшем - к установлению квазихаотического режима колебаний. В таком режиме прибор не может полноценно использоваться для задач генерации ортогональных сигналов и псевдослучайных последовательностей.

Дальнейшим направлением работы будет исследование цифровых генераторов хаотических сигналов, построенных на основе полуявных конечно-разностных схем интегрирования [2]

Заключение

Прибор даже в базовой комплектации способен покрыть большую часть спектра задач большинства студенческих лабораторий и, тем более, задач учебного процесса.

Кроме того, широкий спектр возможностей прибора, при относительно невысокой стоимости, позволяет заменить одним достаточно компактным прибором целый набор инструментария: сам осциллограф, генератор сигналов, логический анализатор, спектроанализатор.

Отдельно стоит отметить скорость включения и отзывчивость интерфейса: включение занимает около 5-10 секунд, что уже достаточно быстро, а при работе с интерфейсом не было замечено каких-либо задержек.

Подводя итог, можно сказать, что осциллограф R&S® RTB2000 в базовой комплектации является великолепным настольным прибором для исследователя, работающего с прямоугольными сигналами частотой до 5-7 мГц или радиосигналами до частоты 70 МГц. Если же каких-то возможностей прибора не хватает, производитель предлагает широкий спектр модификаций и апгрейдов, позволяющих покрыть все потребности исследователей, не работающих с СВЧ сигналами, причем не только как осциллограф, но и как генератор сигналов, логический анализатор и спектроанализатор.

Список источников

1. Hairer E., Norsett S.P., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations I. - Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1993.

2. Генераторы хаотических сигналов на основе полуявных алгоритмов численного интегрирования, Бутусов Д. Н., Андреев В. С., Каримов А. И., Наука и образование: технология успеха. Сборник докладов международной научной конференции. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина). 2016

Синица Александр, Гульванский Вячеслав, Каплун Дмитрий, Канатов Иван, Бутусов Денис Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 17-07-00862.

Источники:

1. www.elcomdesign.ru