материалы за 2021г / литературные источники / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

А. А. Данилин, Н. С. Лавренко

ИЗМЕРЕНИЯ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Учебное пособие

3

Аннотация

В учебном пособии «Измерения в радиоэлектронике» изложены основные методы и виды радиоэлектронных измерений, включая методы и средства измерения напряжения, частоты и фазового сдвига, RLC - параметров компонентов и устройств. Значительная часть пособия посвящена осциллографам и осциллографическим измерениям, современным анализаторам спектра и измерителям параметров радиосигналов. Рассмотрены современные измерительные генераторы и логические анализаторы цифровых устройств, измерители АЧХ радиоустройств, приведены сведения по компьютерным измерительным устройствам и виртуальным приборам. Материал пособия представлен с учетом современных достижений радиоизмерительной техники, что позволяет ликвидировать пробелы в существующей учебной литературе по аналогичной тематике. Помимо теоретического материала приводятся контрольные вопросы для самостоятельной работы студентов.

Учебное пособие рекомендуется для использования в учебном процессе технических вузов по программам подготовки бакалавров по направлениям 11.03.01 «Радиотехника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств», а также по программе подготовки специалистов 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы».

4

Предисловие

Современная радиоизмерительная техника в настоящее время находится в стадии бурного развития. Каждый год появляются новые и модернизированные измерительные приборы и комплексы, модульные системы, виртуальные приборы и пр. Ведущие приборостроительные предприятия и фирмы постоянно улучшают метрологические и эксплуатационные параметры своей продукции. Широкое использование микропроцессорных и вычислительных приборов существенно расширило область их использования, позволило совместить измерения с процедурой обработки их результатов, автоматизировать их проведение. Однако учебной литературы, в которой рассматриваются вопросы применения современной радиоизмерительной техники, в настоящее время явно не хватает. Настоящее пособие призвано ликвидировать этот пробел и обеспечить студентов информацией о современных средствах и методах измерений параметров радиоустройств.

Материал учебного пособия базируется на курсах лекций и лабораторных работ по дисциплинам «Основы метрологии и радиоизмерений», «Приборы и техника радиоизмерений», читаемых в течении многих лет на факультете радиотехники и телекоммуникаций Санкт-Петербургского электротехнического университета «ЛЭТИ». Он является необходимым фундаментом для подготовки специалистов в области современной радиоэлектроники в части измерений и тестирования радиоустройств и систем телекоммуникаций. Авторы надеются, что учебное пособие может быть также полезно для студентов, аспирантов, научных работников и инженеров смежных областей науки и техники.

Учебное пособие включает 16 глав, каждая из которых посвящена отдельному виду измерений параметров сигналов и устройств. Некоторые главы отведены цифровым методам и средствам – цифровым вольтметрам и осциллографам, логическим анализаторам, компьютерным измерительным устройствам. Большое внимание авторы уделили сложной радиоизмерительной технике – анализаторам спектра, генераторам и синтезаторам сигналов, измерителям импедансов элементов схем и частотных характеристик радиоустройств. Пособие включает большое количество рисунков, графиков и структурных схем, таблицу условных обозначений и список рекомендуемой литературы по радиоэлектронным измерениям.

5

Контрольные вопросы в конце каждой главы позволяют в процессе самостоятельной работы проверить уровень усвоения материала и способность студентов решать актуальные измерительные задачи.

Авторы с благодарностью примут замечания, предложения и вопросы по данной книге по адресам aadanilin@mail.ru и ns.lavrenko@mail.ru.

6

Введение

Измерения в инженерной практике занимают чрезвычайно важное место. Это справедливо и для области радиотехники, электроники и телекоммуникационной техники, где измерение параметров сигналов и устройств, тестирование систем связи, контроль и аттестация готовых изделий занимает значительную часть деятельности специалиста. Поэтому «измерительной» подготовке студентов, обучающихся в вузах по радиотехническим и телекоммуникационным направлениям и специальностям, всегда уделялось особое внимание.

Бурное развитие радиоизмерительной техники в настоящее время привело к тому, что материал традиционных дисциплин, посвященные теоретической метрологии, общим вопросам измерений и несложной электроизмерительной технике оказывается недостаточным для успешной работы специалиста высшей квалификации. Поэтомув учебные планы вузов часто включают дополнительные дисциплины для углубленной подготовки именнов области современныхрадиоэлектронных измерений.

В результате изучения таких дисциплин по общей тематике измерений в радиоэлектронике студенты должны:

•Знать принципы построения современных радиоизмерительных средств: приборов, измерительных систем, измерительно-вычисли- тельных комплексов;

•Уметь пользоваться основными радиоизмерительными приборами, методиками измерения параметров радиосигналов и радиоустройств;

•Знать основные алгоритмы обработки результатов измерений, используемые в вычислительных приборах и комплексах;

•Иметь представление о перспективах и тенденциях развития современной радиоизмерительной техники.

Напомним, что под измерением понимают способ получения значения физической величины, выраженного в общепринятой системе единиц, путем сравнения ее с эталонной с использованием специальных технических средств. Качественное изменение средств измерения на современном этапе их развития вызвано стремлением удовлетворить требования к современным методам и средствам измерений:

7

•повышение быстродействия (ускорение процесса измерения);

•удешевление измерительной процедуры за счет снижения стоимости средств измерений (например, применение универсальных приборов), сокращения расходов на оплату труда операторов (автоматизация измерений) и пр.;

•снижение трудоемкости измерений путем автоматизации выполнения измерительных процедур и обработки опытных данных;

•повышение точности результатов достигают применением новых методов и средств (преимущественно цифровых), использование вычислительных средств измерений.

Современные радиоэлектронные измерения предполагают применение достаточно сложных приборов и систем различного назначения. Выбор прибора в значительной степени определяет и выбор метода измерения, который является стандартным для данного средства измерения. За редким исключением, в инженерной практике используют стандартные универсальные измерительные приборы, выпускаемые в промышленных масштабах приборостроительными фирмами.

Исторически совершенствование радиоизмерительной техники происходило путем:

•Аналого-цифрового преобразования измерительной информации и цифрового отсчета результата;

•Передачи цифровой информациив системы обработкирезультатов;

•Введения логики управления измерительными операциями и автоматизации процедуры получения результата;

•Введение вычислительных устройств управления и обработки в структуру прибора.

Методы решения поставленных проблем можно разделить на две группы:

Аппаратная логика – реализация цифровых операций аппаратными узлами и блоками. Вызывает удорожание прибора по сравнению с аналоговым, отсутствие универсальности, ограниченные возможности модернизации. Используют для простых цифровых приборов, в колторых нецелесообразо использование вычислительных микропроцессорных систем.

Программная логика – цифровые и вычислительные операции выполняются микропроцессором или компьютером. Больше начальные затраты, однако это дает возможность автоматизировать измерения и совместить их с обработкой результатов, легко модифицировать прибор. Программная логика дает универсальность – приборы различного назначения делаются на основе унифицированных базовых блоков.

Современные средства измерений обычно можно разделить на несколько групп:

8

•Дешевые бюджетные средства измерений. Это обычно простые специализированные приборы, предназначенные для узкого круга задач (например, измерение напряжения, тока, сопротивления) без возможности автоматизации. В них используются аналоговые и простейшие цифровые блоки.

•Универсальные средства измерения. Это многофункциональные приборы, построенные по единым принципам и позволяющие производить как получение опытных данных, так и их обработку. К ним относят мультиметры, электронно-счетные частотомеры и пр.

•Специализированные средства измерения предназначены для реше-

ния группы отдельных (часто довольно сложных) измерительных задач. Это СВЧ анализаторы цепей, радиочастотные измерители параметров сигналов, измерительные приборы для измерения в воло- конно-оптических линиях передачи и пр.

По виду получаемой информации все средства измерений делят на аналоговые и цифровые. В традиционных аналоговых приборах результат измерения получают при непосредственном участии оператора путем сопоставления аналогового указателя (стрелки, маркера и пр.) с дискретной шкалой. Цифровые приборы показывают результат измерения в цифровом виде и полностью исключают субъективную погрешность. Цифровые приборы наиболее пригодны для автоматизации процесса измерения. Только такие приборы могут использоваться в измерительных системах и вычислительных средствах измерений.

По конструктивному выполнению и возможностям цифровые приборы можно разделить на:

•Цифровые приборы с жесткой логикой, построенные на аппаратно реализованных логических блоках и преобразователях.

•Микропроцессорные приборы и комплексы – автономные средства измерения со встроенными микропроцессорными системами;

•Компьютерные измерительные устройства (КИУ) – комплекс измерительных преобразователей и персонального универсального компьютера, управляющего процессом измерений и обрабатывающего опытные данные.

Использование вычислительных блоков позволило применять более совершенные методы измерения и алгоритмы обработки результатов. Поэтому измерения в настоящее время – это достаточно сложная область радиоэлектроники, требующая широких знаний в схемотехнике, цифровой и импульсной технике, а также в вычислительных алгоритмах и программировании.

9

Список сокращений и их англоязычный эквивалент

АВД – анализатор временных диаграмм (timing analyzer);

АИМ – амплитудно-импульсная модуляция (pulse-amplitude modulation);

АМ – амплитудная модуляция (AM – amplitude modulation);

АРМ – автоматическая регулировка мощности (APC – Automatic Power Control);

АРУ – автоматическая регулировка усиления (AGC – Automatic Gain Control);

АС – анализатор спектра; АХ – амплитудная характеристика;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь (ADC – Analog to Digital Converter);

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика (frequency response curve); БОЗУ – быстрое оперативное запоминающее устройство; БПН – «быстрое» пилообразное напряжение;

БПФ – быстрое преобразование Фурье (FFT – Fast Fourier Transform); ВАХ – вольт-амперная характеристика; ВИМ – время-импульсная модуляция; ВП – виртуальный прибор; ВС – временной селектор;

ВЧ – высокие частоты (RF – Radio Frequencies);

ГВЗ – групповое время запаздывания (Group Delay) ГКЧ – генератор качающейся частоты (sweep generator); ГЛИН – генератор линейно изменяющегося напряжения;

ГУН – генератор, управляемый напряжением (VCO – voltage-controlled oscillator);

ГШ – генератор шума; ГШТ – газоразрядная шумовая трубка;

ДПФ – дискретное преобразование Фурье;

10

ДФС – диодная функциональная схема; е.м.р. – единица младшего разряда; ЖК – жидко кристаллический;

ЖИГ – железо-иттриевый гранат (YIG – Yttrium Iron Garnet);

ИВК – измерительно-вычислительный комплекс; ИС – измерительная система; ИИС – информационно-измерительная система;

ИНИ – измеритель нелинейных искажений;

КАМ – квадратурная-амплитудная модуляция (QAM – Quadrature Amplitude Modulation ) ;

КИУ – компьютерное измерительное устройство;

КНИ – коэффициент нелинейных искажений (THD – Total Harmonic Distortion);

КСВ – коэффициент стоячей волны; КСВН – коэффициент стоячей волны напряжения;

ЛА – логический анализатор (Logic Analyzer) ; ЛПД – лавинно-пролетный диод;

МОЗУ – медленное оперативное запоминающее устройство; МПН – медленное пилообразное напряжение; МПС – микропроцессорная система;

МСЭ – Международный Союз Электросвязи (ITU – International Telecommunication Union);

НИ – нелинейные искажения; НО – направленный ответвитель;

НЧ – низкие частоты (LF – Low Frequencies);

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; ООС – отрицательная обратная связь (FB – Feedback); ОУ – операционный усилитель;

ПЗС – прибор с зарядовой связью (CCD – Charge-Coupled Device);

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство;

ПЗФ – полосно-заграждающий фильтр (ВSF – Band Stop Filter) ; ПК – персональный компьютер; ПНЧ – преобразователь «напряжение–частота»; ПОС – положительная обратная связь;

ППФ – полосно-пропускающий фильтр (ВPF – Band Pass Filter); ПХ – переходная характеристика;

11

ПЧ – промежуточная частота (Intermediate Frequency);

СВЧ – сверхвысокие частоты (MW – microwaves); СИ – средства измерений; СПМШ – спектральная плотность мощности шума;

C/Ш – отношение сигнал/шум (SNR или S/N – Signal-to-Noise Ratio);

ТБВ – трубка бегущей волны; ТКС – температурный коэффициент сопротивления; УПТ – усилитель постоянного тока;

УПЧ – усилитель промежуточной частоты; УСЗ – устройство синхронизации и запуска;

ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты (PLL – Phase-Locked Loop); ФВ – фазовращатель;

ФВЧ – фильтр высоких частот (HPF – High Pass Filter); ФД – фазовый детектор (phase detector);

ФИМ – фазоимпульсная модуляция; ФМ – фазоваямодуляция;

ФНЧ – фильтр низких частот (LPF – Low Pass Filter); ФУ – формирующее устройство;

ФЧХ – фазочастотная характеристика (phase-frequency variation);

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь (DAC – Digital to Analog Converter);

ЦВ – цифровой вольтметр;

ЦО – цифровой осциллограф (DSO – Digital Storage Oscilliscope);

ЧД – частотный детектор; ЧИМ – частотно-импульсная модуляция;

ЧМ – частотная модуляция (FM – frequency modulation);

ЭДС – электродвижущая сила; ЭЛО – электронно-лучевой осциллограф; ЭЛТ – электронно-лучевая трубка; ЭМП – электромагнитные помехи;

ЭМС – электромагнитная совместимость;

ЭСЧ – электронно-счетный частотомер (frequency counter);

AFG – Arbitrary Function Generators (цифровой функциональный генера-

тор);

AWG – Arbitrary Waveform Generators (генератор сигналов произвольной формы);

12