Метрология и электрорадиоизмерения / Вспомогательный теоретический материал / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

Амплитудные параметры:

1.Пределы регулировки выходного напряжения ГКЧ.

2.Выходное сопротивление ГКЧ и точность его установки.

3.Неравномерность амплитуды выходного напряжения ГКЧ при перестройке в рабочем диапазоне частот (неравномерность собственной АЧХ прибора).

4.Чувствительность канала вертикального отклонения индикатора и пределы его регулировки.

5.Входное сопротивление индикаторного блока.

6.Предел допустимой погрешности измерения уровня АЧХ.

Более точные измерения АЧХ получают в микропроцессорных приборах, используя в качестве ГКЧ синтезаторы частоты и цифровые методы измерения амплитуды.

Микропроцессорные измерители АЧХ

Использование микропроцессорной техники в цифровых измерителях частотных характеристик позволяет увеличить точность измерений, повысить их быстродействие и надежность, решает задачу сохранения данных и передачи их в устройства обработки. Основное отличие цифровых приборов от панорамных измерителей АЧХ – это использование генератора с цифровым управлением по частоте. Микропроцессор подает на генератор последовательность кодов, создающую ступенчато нарастающий закон изменения частоты выходного сигнала (рис. 14.14).

Рис. 14.14. Закон изменения частоты генератора с цифровым управлением

Диапазон частот (f1…f2), в котором исследуется АЧХ, разбивается на N интервалов – ступенек fст. На каждой ступеньке частота генератора в

353

течение длительности ступеньки tст не меняется. Установившееся к концу интервала tст значение амплитуды выходного напряжения изме-

ряется встроенным цифровым вольтметром. Код амплитуды запоминается в ОЗУ микропроцессорной системы. Время одного цикла измерения АЧХ Tц = N tст. По данным измерения микропроцессор формирует на

экране кривую АЧХ в виде N точек. Таким образом, в микропроцессорных приборах фактически реализуется метод измерения АЧХ по точкам. При большом количестве точек вид выходного напряжения цифрового генератора мало отличается от сигнала аналогового ГКЧ.

В качестве генератора с цифровым управлением наиболее подходит синтезатор частот. Этот прибор позволяет установить необходимое значение частоты с малым дискретом, а также обеспечить высокую стабильность частоты и постоянство амплитуды выходного сигнала. Однако такой прибор достаточно дорог. В бюджетных моделях измерителей АЧХ применяют несложные генераторы с кодовым управлением частотой (например, генераторы, управляемые по частоте напряжением – ГУН). Код частоты с помощью ЦАП преобразуют в управляющее напряжение ГУН. Стабильность частоты и уровня сигнала в таких генераторах обычно невелика. Для увеличения точности используют ЭСЧ, который измеряет частоту генератора на каждой ступеньке. Для снижения влияния неравномерности амплитуды генератора перед измерениями производят калибровку прибора по уровню. Для этого измеряется и запоминается собственная АЧХ прибора (частотная зависимость амплитуды выходного напряжения генератора). Другой вариант – использовать цифровые генераторы с прямым синтезом формы сигнала. Эти приборы позволяют достаточно просто управлять частотой, имеют стабильную амплитуду и форму выходного сигнала. Однако они имеют повышенный уровень побочных гармоник и ограниченый частотный диапазон.

Микропроцессорный измеритель АЧХ (рис. 14.15) состоит из генератора с цифровым управлением, электронно-счетного частотомера, цифрового вольтметра переменного тока и микропроцессорной системы. В вольтметре на низких частотах обычно применяют детектор средневыпрямленных значений, на ВЧ и СВЧ – амплитудные детекторы (линейные или квадратичные). Разрядность АЦП вольтметра выбирают, исходя из требуемой точности измерения уровня АЧХ. Обычно достаточно 8–10 двоичных разрядов. При большом количестве точек длительность ступеньки может составлять единицы миллисекунд. Использование традиционных АЦП интегрирующего типа в этом случае невозможно, требуются быстродействующие АЦП.

Микропроцессорная система производит управление всей работой прибора: вводом исходных данных, реализацией алгоритма измерений, построением кривой АЧХ и выводом ее на внешние устройства. Примерный вид алгоритма измерения АЧХ микропроцессорным прибором представлен на рис. 14.16.

354

Рис. 14.15. Структурная схема микропроцессорного измерителя АЧХ

Начало цикла измерения АЧХ:

ввод параметров: f1, f2 и количество точек N

Выбор времени цикла измерения Тц

Нет (i = N)

Расчет АЧХ {АЧХi}

Рис. 14.16. Алгоритм работы микропроцессорного измерителя АЧХ

355

Алгоритм измерения АЧХ начинается с ввода исходных данных: диапазона частот и количества точек. Задают также время измерения АЧХ, которое выбирается из условия минимальных динамических искажений. Затем начинается цикл измерения АЧХ, в процессе которого на каждом шаге производится установка частоты генератора, ее точное измерение и измерение амплитуды выходного сигнала. Результаты измерения заносятся в ОЗУ, где накапливаются массивы данных частоты и амплитуды во всех частотных точках. Если в приборе проведена предварительная калибровка амплитуды генератора, то ее результаты – массив данных собственной АЧХ генератора также хранится в ОЗУ. Затем микропроцессор проводит расчет АЧХ и выводит ее на экран дисплея. Значения частот и уровней АЧХ при необходимости передаются на внешние устройства через интерфейс прибора в виде массивов чисел.

Для вывода численных результатов измерения на экран в приборе предусматривают электронную метку (маркер), которую можно вручную перемещать по экрану. Наводя метку на интересующую точку кривой, на цифровом табло экрана получаем численный результат измерения (часто- та–уровень АЧХ). Таким образом, фактически метка является указателем на ячейку ОЗУ, в которой хранятся данные измерения конкретной частотной точки АЧХ. В современных измерителях АЧХ обычно предусматривают несколько меток, что позволяет оцифровать кривую АЧХ в характерных точках (например в максимуме, на границах полосы пропускания и пр.).

В микропроцессорных измерителях АЧХ существенно увеличена точность измерения, упрощены процедуры управления прибором, увеличено быстродействие. Такие приборы легко встраиваются в измерительные системы и компьютерные измерительно-вычислительные комплексы.

Измерение АЧХ с помощью анализатора спектра

Как уже было сказано выше, в анализаторах спектра часто предусматривают встроенный следящий генератор (трекинг-генератор). Он позволяет использовать метод стоп-метки для измерения частоты. Частота генератора меняется синхронно с рабочей частотой последовательного анализатора спектра (то есть выходной сигнал такого генератора при перестройке АС совпадает с частотой настройки анализатора). Следовательно, если соединить выход трекинг-генератора с входом анализатора, тона экране появится линия постоянного уровня сигнала генератора. При включении между выходом и входом исследуемого устройства изображение на экране будет повторять частотную зависимость модуля коэффициента передачи – АЧХ.

356

Сам спектроанализатор в режиме измерения АЧХ выполняет функцию высокочувствительного индикатора с равномерной частотной характеристикой и малой нелинейностью. Достоинствами такого способа измерения по сравнению со стандартными измерителями АЧХ являются большой динамический диапазон, высокая чувствительность и низкий уровень шумов. Обычно микропроцессорный анализатор спектра со встроенным  трекинг-генератором  имеет  режим калибровки  тракта «трекинг-генератор –  анализатор».  При  калибровке  выход  генератора  подключают  ко  входу  анализатора   и измеряют собственную АЧХ тракта. Учет данных калибровки на этапе измерения АЧХ повышает точность измерения.

Если в АС не предусмотрен трекинг-генератор (обычно он поставляется как дополнительная опция), то можно использовать другой способ измерения АЧХ с использованием анализатора. Для этого надо подать на вход исследуемого устройства широкополосный сигнал с равномерным спектром и исследовать спектр на его выходе. Отношение огибающих выходного и входного спектров и есть модуль коэффициента передачи устройства. Для этих измерений удобно использовать шумовой сигнал с равномерной частотной характеристикой («белый» шум). Спектральная плотность выходного шума будет повторять форму АЧХ коэффициента передачи по мощности. На низких частотах чаще используют «розовый» шум, у которого спектральная плотность спадает обратно пропорционально частоте. Такой шум лучше имитирует реальные сигналы в звуковом диапазоне частот. Спектр шумового сигнала сплошной, поэтому при исследовании АЧХ с тонкими особенностями (пиками, провалами) вероятность их пропусков минимальна.

Если использовать на входе импульсные сигналы с дискретным спектром (например, короткие прямоугольные импульсы), то по виду огибающей выходного спектра также можно оценить АЧХ устройства. Для этого способа оптимальными являются короткие импульсы вида

sin(t / τ)(t / τ) , которые имеют равномерный линейчатый спектр примерно до частоты fmax = 1/ τ . Современные цифровые генераторы сигна-

лов произвольной формы могут вырабатывать такие сигналы. Для наблюдения огибающей спектра в АС увеличивают полосу пропускания радиофильтра и используют режим пикового детектора.

Для измерения АЧХ совместно с анализатором спектра можно использовать внешний генератор с режимом качания частоты (ГКЧ). Если установить на ГКЧ требуемый диапазон частот и подать его сигнал на вход спектроанализатора, то на экране можно наблюдать отдельные отклики, хаотически появляющиеся в полосе, соответствующей перестройке частоты ГКЧ. Установив время анализа значительно больше времени перестройки частоты ГКЧ, подбором полос пропускания радиофильтра и видеофильтра добиваются перекрытия откликов. Это дает практически

357

равномерную по уровню спектрограмму на экране АС. Включив между ГКЧ и АС исследуемое устройство, наблюдают спектрограмму, повторяющую формуего АЧХ.

Контрольные вопросы

1.Что такое амплитудно-частотная характеристика цепи? В каких случаях удобнее использовать параметр «ослабление», а не АЧХ?

2.Какие требования предъявляют к генератору, используемому при измерении АЧХ? Как выходное сопротивление генератора влияет на результат измерения АЧХ?

3.Опишите методику измерения АЧХ по точкам. Укажите погрешности, возникающие при измерении АЧХ по точкам и пути их уменьшения.

4.В каких случаях целесообразно использовать логарифмический масштаб частот на графиках АЧХ? Когда используют логарифмический масштаб по уровню АЧХ?

5.Что такое «панорамный метод» измерения АЧХ? В чем его преимущество по сравнению с измерением АЧХ по точкам?

6.Какие требования предъявляют к генераторам качающейся частоты панорамного измерителя АЧХ? Какова форма сигнала на его выходе? Как его параметры влияют на точность измерения АЧХ?

7.Как устроены ГКЧ измерителя АЧХ с преобразованием частоты вниз или вверх? Для чего используют это преобразование?

8.Как устроен индикаторный блок панорамного измерителя АЧХ? Какой тип детектора в нем применяют? Для чего применяют выносные детекторные головки?

9.Что такое «динамические искажения», возникающие в панорамных измерителях АЧХ? Как их уменьшить?

10.Какими методами приводят измерение уровня АЧХ в панорамных измерителях? как их калибруют по уровню?

11.Укажите методы калибровки оси частот панорамного измерителя АЧХ с помощью частотных меток. Как производят измерение частоты отдельных точек АЧХ методом стоп-метки?

12.Укажите составляющие погрешности измерения АЧХ панорамным методом и методы их уменьшения.

13.Опишите принцип действия цифрового микропроцессорного измерителя АЧХ. Чем цифровойметод измерения отличается от панорамного?

14.Какие генераторы применяют в цифровых измерителя АЧХ? Приведите вид закона изменения частоты на выходе такого генератора? Чем определяется длительность ступеньки этого закона?

15.Для чего в цифровых измерителях АЧХ предусматривают электрон-

358

но-счетный частотомер? как используют результаты его работы?

16.Что такое «калибровка» цифрового измерителя АЧХ? Как результаты калибровки используются при измерениях АЧХ?

17.Какие функции выполняет микропроцессор в цифровом измерителе АЧХ? Какие дополнительные функциональные возможности прибора он может обеспечить?

18.Что такое маркер, выводимый на экран цифрового измерителя АЧХ? Какие функции он выполняет при исследовании АЧХ?

19.Почему точность цифровых измерителей АЧХ превосходит точность аналоговых панорамных измерителей? Каковы недостатки цифровых измерителей АЧХ?

20.Каковы особенности измерения АЧХ с помощью следящего генератора анализатора спектра? Каковы достоинства и недостаткиэтого способа?

359

Глава 15

Компьютерные измерительные устройства

Общие сведения о компьютерных измерительных устройствах

Одним из современных и востребованных направлений в технике радиоизмерений является интеграция персонального компьютера (ПК) с аппаратными и программными средствами измерения. Компьютерное измерительное устройство (КИУ) – это средство измерений для сбора, обработки и представления информации, построенное на основе персо-

нального компьютера, устройств сбора данных (DAQ – Data Aqusition Device) подключаемых к компьютеру стандартными интерфейсами, и комплексного программного обеспечения.

Шина

Персональный компьютер

Исследуемое

DAQ-устройство

устройство Драйвер Прикладное ПО

Рис.15.1 Обобщенная структурная схема КИУ

Обобщенная структурная схема КИУ приведена на рис. 15.1. Измерительные сигналы вводят в ПК через DAQ-устройство сбора данных, основное назначение которого выполнить аналогово-цифровое преобразование. Сигналы с исследуемого устройства перед подачей на АЦП проходят через согласующие измерительные преобразователи. Они выбираются в зависимости от типа исследуемого устройства и обеспечивают предварительное усиление, фильтрацию, осуществляют электрическое согласование входных импедансов и пр. Конструктивно они могут быть выполнены в виде внешних устройств либо включены в состав DAQустройства. Программное обеспечение (ПО) КИУ выполняет функции управления, контроля, обработки и отображения полученной от DAQустройства информации. Пользователь управляет процессом измерения и получает его результат через графический интерфейс, который на экране

360

ПК обычно имитирует панель реального прибора, поэтомутакие средства

измерения называют виртуальными измерительными приборами (VI – Virtual Instruments).

Виртуальные приборы позволяют с помощью одного и того же аппаратного и программного обеспечения сконструировать средство измерения, выполняющее совершенно различные функции и имеющее различный пользовательский интерфейс. Так на базе одной аппаратной части можно получить виртуальные осциллограф, анализатор спектра и вольтметр и тем самым заменить несколько измерительных приборов одним.

Для создания КИУ могут использоваться следующие типы аппаратного обеспечения:

•встраиваемые в компьютер платы сбора данных и управления (DAQ Board), подключаемые к системной шине PCI, ISA, EISA, Compact PCI или PCI Express ПК, либо в слот ExpressCard ноутбука;

•DAQ-устройства, выполненные в виде конструктивно самостоятельных измерительных блоков, подключаемые по стандартным интерфейсам компьютера (COM, USB, Ethernet и др.), а также по беспроводномуинтерфейсу стандарта 802.11(Wi–Fi);

•выносные модули расширения системной магистрали компьютера

Signal Conditioning eXtentions for Instrumentation (SCXI). Cопряже-

ние модуля SCXI с компьютером производится через интерфейсную платувключаемую в системную шину ПК.

•модульные системы на основе стандартов PXI, PXI Express, VXI

Использование встраиваемых в ПК плат позволяет получить наиболее высокую скорость передачи данных, но не обеспечивает мобильности средства измерения, легкости его перемещения к исследуемому устройству. Выносные DAQ-устройства могут быть размещены в непосредственной близости от объекта измерения, а в совокупности с портативными компьютерами – это самые мобильные КИУ. Модульные системы позволяют решать задачи повышенной сложности, они легко конфигурируются и обладают широкими возможностями по синхронизации устройств сбора данных друг с другом.

Как и в любом измерительном приборе в КИУ осуществляют вводвывод измерительных сигналов, их обработку, измерение и вывод его результата. Однако по сравнению с традиционными измерительными приборами КИУ имеют ряд преимуществ:

•персональный компьютер – достаточно простой и доступный инструмент, используемый не только для измерений;

•настраиваемый графический интерфейс, адаптируемый под конкретного пользователя;

•легкость смены алгоритма обработки данных;

361

•коррекция погрешностей, вызываемых влиянием внешних факторов на измерительные преобразователи DAQ-устройства;

•возможность накапливатьрезультаты измеренийв реальном времени;

•легкость включения в локальные и глобальные компьютерные сети дает возможность удаленно управлять процессом измерения и передавать информацию о его результатах;

•легкость смены и обновления программного обеспечения, возможен взаимообмен ПО и использование собственных разработок;

•большое количество стандартного программного обеспечения (операционные системы, программы управления компьютером, стандартные среды обработки данных типа MatLab, MathCad и пр.);

•удобство документирования результатов измерений и вывода их на печать.

Использование в ПК мощных и высокоскоростных микропроцессоров повышает эффективность получения и обработки результатов измерений, позволяет применять сложные алгоритмы анализа быстропротекающих процессов. Использование большого объема постоянной и оперативной памяти позволяет накапливать результаты долгосрочных измерений (часы, дни и месяцы). Доступность и развитость готовых сред программирования позволяют пользователю самостоятельно создавать виртуальные приборы, и таким образом самому, а не фирме изготовителю, определять функционал средства измерения.

Метрологические и эксплуатационные параметры КИУ определяются в первую очередь параметрами DAQ-устройств. Стоит отметить, что КИУ, с высокими техническими и метрологическими характеристикам не уступают в цене аналогичным традиционным измерительным приборам. Основное преимущество компьютерных измерительных устройств по сравнению с другими средствами измерения – это расширенная функциональность при небольших либо сравнимых затратах Наилучшим образом компьютерные измерительные устройства подходят для:

•задач, требующихвысокогоуровняавтоматизациипроцесса измерения;

•создания измерительно-тестовых стендов;

•в измерительных задачах, где необходимо параллельно измерять большое количество исследуемых сигналов;

•создания легко конфигурируемых измерительных систем.

На рынке представлен широкий выбор различных программноаппаратных средств для создания КИУ как отечественных, так и импортных производителей. Одна из наиболее известных фирм в этой области – американская National Instruments (NI). Эта компания сумела за тридцать с лишним лет своего существования стать лидером в области использования компьютерных технологий для решения широкого круга

362