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

Два сигнала – один от исследуемого источника, другой от опорного генератора – поступают на входы умножителя (балансного смесителя). Опорный генератор (гетеродин) управляется системой ФАПЧ таким образом, что его сигнал имеет такую же несущую частоту (fc), что и иссле-

дуемый, но со сдвигом фазы 90° (квадратурный гетеродин). Сигнал суммарной частоты (2fc) на выходе смесителя подавляют фильтром нижних

частот (ФНЧ), а сигнал разностной частоты смесителя создаёт на выходе постоянное напряжение. На это напряжение накладывается переменная флуктуационная составляющая, пропорциональная шумовому вкладу двух входных сигналов. Для точных измерений фазового шума исследуемого сигнала гетеродин должен иметь либо пренебрежимо малый, либо точно известный уровень фазового шума. Выходной сигнал подаётся на вход анализатора спектра, работающего в полосе шума входного сигнала и измеряющего его спектральную плотность.

Метод фазового детектора с использованием опорного источника и системы ФАПЧ обеспечивает высокую чувствительность и широкое перекрытие полосы измерения (диапазон частотной отстройки от 0.01 Гц до 100 МГц). Кроме того, этот метод нечувствителен к амплитудному шуму. К недостаткам этого метода относится необходимость иметь спектрально чистый, электрически перестраиваемый опорный источник. При исследовании источников с большим дрейфом частоты гетеродин должен обладать широким диапазоном перестройки.

Кроме блоков измерения фазовых шумов, анализаторы сигналов позволяют с помощью встроенного программного обеспечения измерять параметры различных сложных сигналов. Так, анализаторы телекоммуникационных сигналов предназначены для работы с большинством стандартных протоколов систем связи, векторные анализаторы сигналов позволяют исследовать сложные формы модуляции широкополосных цифровых сигналов, измеряя модуль и фазу их спектральных характеристик во всем частотном диапазоне.

Особая группа анализаторов представляют собой анализаторы элек-

тромагнитных помех (ЭМП) или анализаторы электромагнитной сов-

местимости (ЭМС). Представляя собой полноценный спектроанализатор, такие приборы позволяют провести испытания устройств на электромагнитную совместимость, измерить малые уровни электромагнитных помех. В этом случае их называют измерительным приемником. Такое название исторически применяли для приборов, используемых для точных измерений напряженности электромагнитного поля в отдельных частотных точках (по классификации ГОСТ они входят в группу радиоизмерительных приборов П5). Традиционный измерительный приемник – это высокочувствительный радиоприемник с нормированными метрологическими параметрами. По сути это селективный микровольтметр (микроваттметр), перестраиваемый по частоте вручную. В сочетании с ком-

203

плектом измерительных антенн (группа приборов П6) такие приемники представляют собой установку для измерения напряженности электромагнитного поля. В настоящее время такие модели приемников выпускают ряд фирм для точного измерения слабых сигналов и помех в радиочастотных диапазонах (например, ЭМП-ресивер (EMI-Receiver FCLS 1534) фирмы Schwarzbeck, специализирующейся на выпуске аппаратуры для измерений в области ЭМС).

Панорамный измерительный приемник – это специализированный спектроанализатор, позволяющий осуществить обзор, индикацию и измерение параметров источников сигналов в широком диапазоне частот с индикацией спектра на дисплее. Чаще всего они применяются для быстрого сканирования широкого частотного диапазона, обнаружения новых источников излучения и помех, измерения их параметров. Простейшие модели таких приборов называют сканерами – их используют для оперативного радиомониторинга окружающей электромагнитной обстановки.

Под радиомониторингом понимают совокупность измерительных задач, нацеленных на:

•Измерение и контроль радиоэлектронных средств, предназначенных для передачи (излучения) электромагнитных волн, с целью обеспечения электромагнитной совместимости систем связи, выполнения санитарных норм и законодательных ограничений.

•Получение информации о работающих передатчиках, определение их типа, основных характеристик, демодуляции и декодирования передаваемой информации с целью их обнаружения или контроля.

•Обнаружение, наблюдение, перехват и обработка данных, полученных при помощи средств радиомониторинга (радиоразведка).

Главным измерительным средством для радиомониторинга является панорамный сканирующий радиоприёмник (или анализатор спектра) с антенной, которая выбирается в зависимости от диапазона частот, задач и условий применения. Приемник должен быть оборудован различными демодуляторами, устройствами визуального отображения и регистрации радиосигналов, возможностью записи. В приемнике предусматривают специальные функции для поиска радиосигналов, отображение спектра в реальном времени или его записи в память, автоматическую регистрацию сигналов на выходе демодулятора. Для простейших задач радиомониторинга – поиска сигналов и оценки их уровней и частот – используют ручные анализаторы электромагнитного поля (сканеры).

Стационарные и переносные сканирующие измерительные приемники строятся на основе цифровых анализаторов спектра с расширенными измерительными возможностями. Они имеют малое время анализа в широкой полосе частот, различный типы детекторов (квазипиковый, среднего и среднеквадратического значения), точное измерение

204

частоты и уровня ВЧ сигналов, параметров модуляции, возможность сканирования по выделенным частотным каналам и пр. При измерении помех такие приборы должны удовлетворять стандартам международного специального комитета по радиопомехам CISPR, оговаривающих условия измерения, вид детектора и фильтров, полосу анализа, тип и параметры измерительных антенн.

Контрольные вопросы

1.В каких случаях исследование спектра сигнала информативнее, чем анализ его временной зависимости?

2.Какиеизмерительныезадачирешаютспомощьюанализатораспектра?

3.В чем особенность измерения спектральных характеристик шумовых

ислучайных сигналов?

4.Сравните параллельные и последовательные анализаторы спектра. Каковы области их применения?

5.Объясните принцип действия последовательного анализатора спектра. Какие параметры спектра можно измерить с его помощью?

6.Что такое спектрограмма, создаваемая панорамным последовательным анализатором спектра? Как ее вид зависит от спектра входного сигнала и от параметров АС?

7.Чем определяется масштаб по оси частот спектрограммы?

8.Как влияет на спектрограмму вид зависимости частоты гетеродина от управляющего напряжения?

9.Что такое разрешающая способность АС? Как ее измерить? От каких параметров она зависит?

10.Каковы условия неискаженного воспроизведения спектрограмм на экране панорамного АС? Как на нее влияют динамические искажения в радиофильтре?

11.Из каких соображений выбирают полосы пропускания радиофильтра, видеофильтра и время анализа спектра в последовательном АС?

12.Каковы особенности исследования спектра импульсов с большим периодом повторения с помощью последовательного АС?

13.Почему в АС используют двойное и тройное преобразование сигнала? Какие искажения спектрограммы при этом удается уменьшить?

14.Какие используют методы измерения уровня отклика и его частоты на экране спектроанализатора? Как проводят калибровку АС по уровню

ичастоте?

15.Что такое стоп-метка АС? Для чего ее используют?

16.Как устроен канал следящего генератора (трекинг-генератор) в после-

205

довательном АС? Для какой цели используют этот канал?

17.Что такое чувствительность АС, как ее измерить? Чем ограничена чувствительность, как ее улучшить?

18.Опишите принцип действия параллельного АС. Для каких сигналов они используются? Что такое АС с цифровыми фильтрами?

19.Чем ограничена полоса анализа аналогового параллельного АС? Почему разрешающая способность такого АС меняется в пределах рабочей полосы частот?

20.Какие требования к форме АЧХ фильтров параллельного спектроанализатора? Почемуих полосу пропускания делают разной?

21.Чем определяется время анализа в параллельном АС?

22.Как устроен цифровой БПФ-анализатор спектра? Какой принцип его работы? Длячегонаеговходепредусматриваютпреобразовательчастоты?

23.Для чего на входе БПФ-анализатора ставят фильтр? Как время анализа связано с разрешающей способностью БПФ-анализатора спектра?

24.Для чего в БПФ-анализаторах спектра применяют весовую (оконную) обработкувыборки отсчетов входного сигнала?

25.Какие особенности имеет БПФ-анализ сигналов с помощью программного обеспечения цифровых осциллографов? Какие достоинства и недостатки такого режима работы ЦО по сравнению с традиционным БПФ-анализатором?

26.Что такое коэффициент гармоник и коэффициент нелинейных искажений? Для чего применяют эти два параметра?

27.Как измеряют коэффициент гармоник на относительно высоких частотах? Почему измерение этого параметра на низких частотах вызывает затруднения?

28.Какие методы используют для измерения коэффициента нелинейных искажений?

29.Опишите фильтровый метод измерения коэффициента нелинейных искажений. Какие требования предъявляются к параметрам режекторного фильтра в измерителе ИНИ?

30.Почему в измерителях КНИ используют вольтметр среднеквадратических значений?

31.В чем особенность цифровых методов измерения КНИ? Какие требования предъявляются к аппаратной части измерителя?

32.Как измеряют уровень фазового шума источника сигналов с помощью анализатора спектра?

206

Глава 8

Логические анализаторы и осциллографы смешанных сигналов

Назначение и принцип действия логического анализатора

Задачи, которые выполняют электронно-лучевой или цифровой осциллограф, – исследование формы одного или нескольких сигналов и измерение их параметров с заданной точностью. В то же время при исследовании цифровых устройств ряд измерительных задач решить с их помощью затруднительно. Так, при анализе цифровых систем связи, интерфейсов измерительных и микропроцессорных систем и других устройств с дискретными сигналами необходимо одновременно наблюдать и сравнивать между собой большое количество процессов (до 64 и более). Осциллографы обычно позволяют наблюдать не более 4 сигналов одновременно. Вторая проблема – цифровые сигналы часто бывают непериодическими, что затрудняет синхронизацию и запуск осциллографа. Вместе с тем детальное исследование формы цифрового сигнала и измерение его уровня и длительности часто оказывается излишним. Достаточно фиксировать уровень сигнала в определенные моменты времени, задаваемые сигналом тактовой частоты (контроль на «логическом» уровне). Поэтому для тестирования цифровых устройств более подходят специализированные средства изме-

рения, называемые логическими анализаторами (Logic Analyzers). Осцил-

лографы же применяют для измерения параметров цифровых сигналов на «физическом» уровне (определение длительности фронта, величины джиттера, получение глазковой диаграммы и пр.).

Логический анализатор (ЛА) – это специализированный многоканальный прибор, показывающий логические состояния исследуемых сигналов в момент прихода тактовых имульсов. Последние поступают либо от исследуемого устройства (например, тактовые импульсы микропроцессорной системы), либо вырабатываются встроенным генератором тактовых импульсов логического анализатора. Соответственно, логические анализаторы имеют два режима работы: в первом случае они называются анализаторами логических состояний (АЛС или State Analyser)), во втором –

207

анализаторы временных диаграмм (АВД или анализаторы временных соотношений –Timing Analyser). Современные логические анализаторы, как правило, поддерживают оба режима работы.

Анализаторы логических состояний позволяют записать во внутрен-

нюю память и затем воспроизвести на индикаторе последовательность логических уровней входных сигналов с частотой, соответствующей тактовой частоте исследуемого устройства (синхронный режим сбора данных). То есть за период тактовой частоты АЛС определяет только один уровень входного сигнала («0» или «1»). Таким образом, синхронные АЛС фиксируют только временные сдвиги, кратные периоду тактового генератора исследуемой схемы, и, следовательно, выявляют только нарушения в логике работы схемы. При выводе информации на экран АЛС используют упрощенные графические изображения битовой последовательности (обычно в виде прямоугольных импульсов) и таблицы истинности в виде матрицы, состоящей из нулей и единиц.

Анализаторы временных диаграмм реализуют асинхронный способ сбора данных. Оцифровка входных сигналов происходит с частотой, в несколько раз превышающей частоту тактирования потока входных данных. Это позволяет построить «квазивременные» диаграммы входных сигналов, напоминающие осциллограммы дискретизированного сигнала ЦО, но с фиксированным двоичным уровнем по вертикали!!! Иными словами, АВД представляет собой многоканальный цифровой осциллограф с разрешением по вертикали 1 бит. АВД позволяют отслеживать связь между сигналами по положению фронтов импульсов, могут измерять абсолютные значения временных сдвигов между сигналами. Они помогают выявлять ошибки и сбои в работе цифровых устройств из-за неправильно рассчитанных задержек, из-за емкостных эффектов и т. д.

Логические анализаторы обоих видов позволяют решить следующие измерительные задачи:

•тестирование и отладкуработы цифровых систем;

•одновременное отображение большого количества цифровых сигналов и исследование их взаимосвязи;

•обнаружение сбоев и рассогласований цифровых сигналов, фиксация помех;

•отладка выполняемых цифровыми устройствами программ.

Структурная схема логического анализатора

Обобщенная структурная схема типового логического анализатора (рис. 8.1) включает в себя набор компараторов на входах прибора. Каждый компаратор представляет собой одноразрядный АЦП, на выходе ко-

208

торого формируется битовый поток цифрового сигнала. Уровень срабатывания компараторов можно регулировать для стабильного преобразования входных импульсов в бинарный код. Для синхронного режима работы в ЛА предусматривают ввод тактовых импульсов из исследуемого устройства. Асинхронный режим (для анализатора временных диаграмм) обеспечивается внутренним генератором тактовой частоты прибора.

Рис. 8.1. Структурная схема логического анализатора

Массив цифровых данных с компараторов поступает в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) анализатора, которое часто называют

памятью логических последовательностей. В случае заполнения памяти запись в нее продолжается циклически с нулевого адреса (непрерывная перезапись данных по кругу – «кольцевой буфер»). Таким образом, в памяти всегда хранятся N последних принятых слов, где N – емкость ОЗУ. Как и в цифровом осциллографе, такой принцип записи данных позволяет реализовать реализовать режимы предзаписи и послезаписи, а также режим запоминания входных данных. При формировании изображения на экране ЛА данные сигнала последовательно извлекаются из ОЗУ (как в цифровом осциллографе).

Для старта анализа («запуск» ЛА) используют различные способы. Наиболее популярный – это запуск по заданной комбинации битов на входах прибора. Сигнал запуска вырабатывается компаратором кодов,

209

который сравнивает цифровые сигналы в каналах ЛА с введенным предварительно кодовым числом. При необходимости используют задержку запуска ЛА на целое число тактовых импульсов, для чего в схеме предусматривают счетчик цифровой задержки.

Для полноценного диагностирования цифрового устройства необходимо подавать на его вход тестовые последовательности эталонных цифровых сигналов. Для этого используют генераторы тестовых кодовых последовательностей (генераторы паттернов данных). Они должны иметь большое число выходных каналов, значительный объем памяти, достаточный для записи длинных тестовых последовательностей, высокое быстродействие, соответствующее частоте работы тестируемого устройства. Функционирование ЛА совместно с генератором тестовых последовательностей позволяет строить комплексные системы диагностирования цифровых устройств.

Применение ЛА требует доступа к контролируемым точкам цифрового устройства (например, к выводам микросхем или трассам платы). Для подключения ЛА к объекту измерения используют многоканальные выносные пробники. Такие пробники должны обладать высоким входным сопротивлением (например, порядка 1 МОм) и малой входной емкостью (10…25 пФ и менее), чтобы снизить влияние прибора на испытуемое устройство. Отметим, что в системах с высокой тактовой частотой большая емкость пробника может привести к неработоспособности исследуемого устройства.

Логические анализаторы снабжаются многопроводными специальными щупами и зажимами (клипсами). Это пробники общего назначения с гибкими выводами. Они предназначены для поиска неполадок в отдельных точках устройства. Специализированные пробники ЛА позволяют получить надежное подключение и снизить влияние анализатора при исследовании стандартных интерфейсов, блоков памяти, микропроцессоров и пр. Они представляют собой многоканальные пробники-соединители, для которых предусматривают соответствующие разъемы на платах исследуемого устройства. Широко используют многопроводные безъраземные соединители, которые присоединяются к исследуемой плате с помощью прижимного крепления. Этот тип пробника рекомендуется применять в тех случаях, когда требуется обеспечить быстрое и надежное присоединение к исследуемой системе.

В настоящее время популярны виртуальные логические анализаторы на базе ПК. Такой прибор представляет собой компактный модуль, включающий основные узлы ЛА (компараторы, ОЗУ, управляющий контроллер и пр.) с набором выносных пробников, располагаемый непосредственно вблизи исследуемой схемы. Цифровые сигналы, записанные в память ЛА, через сеть Ethernet или USB порт подают на компьютер. Управление работой ЛА, обработку и индикацию информации произво-

210

дят с помощью программного обеспечения, установленного на компьютере. Это позволяет уменьшить габариты и стоимость прибора, упростить его подключение к исследуемому устройству, увеличить быстродействие за счет применения высокопроизводительных ПК.

Режимы работы логического анализатора

Большинство ЛА предоставляют различные возможности для запуска. Пользователю предлагается определить события, которые будут последовательно анализироваться ЛА и при возникновении которых осуществляется запуск. Такие события называются условиями запуска.

Основная функция запуска − осуществить «захват» данных, которые соответствуют условиям запуска. Условия запуска зависят от того, для какой задачи используется ЛА. Если в системе анализируются логические уровни и их временные соотношения, то условия запуска должны содержать набор состояний сигналов исследуемого устройства, временные соотношения между ними, времена существования набора состояний. Если производится отладка и тестирование микропроцессорных систем, то условие срабатывания должно содержать наборы команд, данных или их сочетания и временные соотношения между ними.

Запуск начинается после сбора некоторого количества информации, предшествующего запускающему событию. Эта информация называется «предысторией» (prehistory). Информация, собранная после прихода запускающего события, называется «послеисторией» (posthistory). Сбор предистории и послеистории возможен при непрерывном преобразовании входного потока данных (как в цифровом осциллографе).

Первую группу условий запуска можно определить как регистрация событий. Выделяется группа тестовых каналов, значения на входах которых проверяется на соответствие некоторому событию, определенному

пользователем. Самый простой способ запуска этого типа − запуск по кодовому слову. Введение в логический анализатор компаратора кодов позволяет производить запуск при появлении на входах заранее заданного двоичного слова (комбинации логических значений входных сигналов) (рис. 8.2).

Отметим, что программы, выполняемые в исследуемом устройстве (например, микропроцессоре), как правило, содержат циклы, так что выбранное запускающее слово при последовательных проходах цикла может встречаться многократно. Чтобы анализатор мог различать эти циклы, в устройство запуска добавляют счетчик проходов. Он задерживает момент фиксации данных в памяти, отсчитывая число появлений запускающего слова. Запуск ЛА производится по выбранному номеру прохода подпрограммы. Такой режим называется запуском по последо-

вательностям слов.

211

Рис. 8.2. Запуск ЛА по кодовомуслову

Много проблем при отладке цифровых систем доставляют импульсные помехи и сбои передачи сигналов (глитчи), которые появляются случайным образом, и при обычных периодически повторяющихся тестах могут не обнаруживаться. Для борьбы с глитчами в ЛА предусматривают запуск по несовпадению. Используя определенный критерий запуска, анализатор фиксирует данные и берет их за эталон, с которым сравнивает следующую последовательность данных. Если данные различны, производится запуск ЛА. Возможно также задание эталонного набора данных самим пользователем.

Вторая группа условий − это запуск по помехе. ЛА может включать в себя встроенный детектор помех, который позволяет выделить в потоке входных данных сигнал, отличающийся от полезного по длительности, уровню и пр. Такой сигнал фиксируется как помеха. При его появлении возникает условие запуска и ЛА показывает логическое состояние сигналов в этот момент времени.

Третья группа условий подразумевает запуск с помощью цифрового осциллографа, применяемого совместно с ЛА. Например, ЦО контролирует длительность входных импульсов и запускает ЛА при ее несоответствии заданной (режим запуска по ширине импульса – Pulse Width triggering). Режим запуска по по перепаду (Edge trigger) – это запуск по положительному или отрицательному перепаду сигнала в момент, когда он пересекает заданный уровень. Запуск по длительности перепада (переключения) (Edge Transition trigger) производится по перепаду (положительному, отрицательному или обоим сразу), который превышает по длительности заданное значение времени. Этот режим полезен при поиске

212