Seleccionar un analizador adecuado.
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HEWLETT PACKARD”
ELEGIR UN ANALIZADOR ADECUADO
Deberíamos sentir lástima por el ingeniero novato que se encuentra por primera vez con una variedad de dispositivos de medición industriales. En la mayoría de los casos, las escuelas de ingeniería no proporcionan suficientes conocimientos en el campo de la tecnología y la instrumentación de medición. Además, la jerga técnica existente aumenta el número de nombres y propósitos de los analizadores de espectro y de circuitos, lo que genera confusión y confunde la masa de instrumentos de medición especializados, cada uno de los cuales está diseñado para diagnosticar ciertos parámetros. Esta publicación está dedicada a la sistematización de numerosos nombres y áreas de aplicación de los analizadores más comunes.
Hay dos categorías principales de instrumentos analizadores: analizadores de redes y analizadores de señales. En este artículo, no consideraremos analizadores digitales (analizadores de datos lógicos y numéricos), sino que nos centraremos en analizadores de RF y microondas.
ANALIZADORES DE CIRCUITOS
El grupo de analizadores de red incluye analizadores vectoriales y escalares, así como medidores de impedancia y resistencia IC. Los analizadores de redes están diseñados para evaluar las características de impedancia o disipación de circuitos activos y pasivos, como amplificadores, convertidores de frecuencia, interruptores de antena, filtros, dispositivos de conmutación, atenuadores y muchos otros componentes utilizados en diversos circuitos. Los circuitos pueden tener un puerto (entrada o salida) o muchos puertos. En términos generales, si el diseñador puede medir las características de entrada de cada puerto, así como las características de transmisión de un puerto a cada uno de los demás, esta información permite el uso de estos componentes en sistemas como sistemas de comunicaciones o sistemas de radar. Normalmente, los componentes activos, como los amplificadores, se examinan en su rango lineal, mientras que los componentes no lineales suelen requerir analizadores de señal para determinar los parámetros de distorsión de la señal.
Los analizadores de redes vectoriales (VNA VNA) son los más potentes de su grupo porque miden y muestran la gama completa de características de amplitud y fase de un circuito. Estos parámetros incluyen parámetros S, funciones de transferencia, amplitud y fase, relación de onda estacionaria (ROE), pérdida o ganancia de inserción, atenuación, retardo de grupo, pérdida de retorno o coeficiente de reflexión. Normalmente, BAC realiza mediciones en el rango de frecuencia de 100 kHz a 110 GHz. El VAS incluye una fuente de señal de barrido (a veces incorporada), un analizador de señal para separar las señales de prueba directa e inversa y un receptor de fase coherente de doble canal altamente sensible equipado con una pantalla de video para mostrar un diagrama fasorial (como un gráfico de Smith) de la señal frente a la frecuencia en el rango de interés. Los parámetros medidos en los rangos de RF y microondas generalmente se consideran características de dispersión (parámetros S), como es común en la mayoría de los sistemas de diseño asistido por computadora.
Las representaciones basadas en análisis de corriente y tensión no funcionan en el rango de frecuencia superior a 50 o 100 MHz. El método del parámetro S se basa en el conocido método del diagrama de ruta de la señal.
Si el componente del circuito activo o pasivo se ha diseñado utilizando una imagen completa de medición de BAC y el proceso de fabricación se puede controlar, puede utilizar analizadores de redes escalares(SNA SAC) como dispositivos de medición menos costosos. Miden únicamente el componente de amplitud de 8 parámetros (características de disipación) expresados en términos de ganancia, pérdida, ROE o pérdida de retorno. Aunque los SAC también requieren una fuente de barrido externa o interna y un desacoplador de señal, utilizan detectores de amplitud simples en lugar de instrumentos coherentes de fase de doble canal complejos y costosos. Los SAC se utilizan más ampliamente en líneas de producción, donde las características de amplitud pueden revelar componentes defectuosos.
Los analizadores de redes vectoriales automáticos surgieron como resultado del deseo de los desarrolladores de ampliar las capacidades de medición de los BAC mediante potentes técnicas de procesamiento de datos y diseño asistido por computadora (CAD). Al integrar modelos derivados de cálculos de ingeniería y software CAD con datos experimentales reales obtenidos del sistema de medición, el diseñador puede primero determinar los valores de diseño utilizando CAD; diseñar el elemento, generar automáticamente datos de prueba y luego realizar sucesivas aproximaciones en el ciclo de diseño hasta lograr las características deseadas. Al conectarlo a USTED a una computadora, puede crear una amplia gama de sistemas de prueba especializados. A continuación se muestran algunos ejemplos: sistemas para probar parámetros de antena en el campo cercano,sistemas de prueba para módulos de transmisión/recepción (T/R) de radar, un dispositivo de prueba para materiales dieléctricoscon un dispositivo especial para estudiar materiales arbitrarios utilizado en radares, permitiendo determinar sus características en el rango de microondas.
Para el rango de RF bajo, donde se aplican modelos basados en corriente y voltaje utilizando calibraciones del mundo real tanto en condiciones de cortocircuito como de circuito abierto, es una práctica común en la mayoría de los casos evaluar el circuito utilizando analizadores de impedancia y analizadores de impedancia inductivos, capacitivos y resistivos. mediciones de resistencia.Esta gama todavía está dominada por componentes a granel como resistencias, condensadores e inductores. Son los dispositivos de medición elegidos para componentes como transistores y otros dispositivos semiconductores. La mayoría de los modelos comerciales de este tipo ofrecen la capacidad de probar tanto cables como componentes de montaje en superficie. Estos dispositivos suelen ser también la base de estaciones de prueba integradas, con las que se examinan las características no numéricas de los circuitos.
Son posibles otras aplicaciones personalizadas interesantes utilizando accesorios especializados para estudiar las características de materiales dieléctricos y magnéticos. Debido a que dichos materiales producen valores de atenuación y ángulo de fase mensurables cuando interactúan con una señal de prueba de RF, los analizadores de impedancia se pueden configurar para sondear estos materiales en profundidad. Las propiedades medidas incluyen constante dieléctrica, tangente de pérdida dieléctrica, constante dieléctrica, permeabilidad magnética, etc. Incluso los líquidos, como el aceite, pueden examinarse con las herramientas adecuadas.
Cabe señalar que los analizadores de redes también se utilizan para componentes ópticos (fibra óptica). Aquí se utilizan principalmente mediciones de tipo escalar, ya que los dispositivos vectoriales requerirían señales coherentes en el rango de longitud de onda óptica.
ANALIZADORES DE SEÑAL
Esta categoría es la más numerosa. Sus instrumentos realizan las funciones de analizadores de espectro, analizadores de modulación paramétrica, analizadores de distorsión, analizadores de señal dinámicos de transformada rápida de Fourier (FFT), analizadores de modulación, analizadores de ruido de fase, analizadores de potencia de pulso y muchos otros. En general, todos los analizadores de señales tienen como objetivo estudiar componentes y sistemas en términos de sus características de transmisión de señales. Debido a que varias de estas características son críticas para el rendimiento de todo el sistema, la instrumentación adecuada en la mayoría de los casos debe proporcionar mayor precisión y sensibilidad al examinar parámetros sutiles como el ruido de fase y el ruido de fluctuación.
Un analizador de espectro es un osciloscopio para medir características de frecuencia. Para el ingeniero de RF/microondas, estos son tan importantes como la sincronización. Quizás sea necesario un dispositivo de este tipo en el lugar de trabajo de todo diseñador. Es un receptor superheterodino con su propio generador de barrido, que proporciona una representación visual de amplitud versus frecuencia en un amplio rango dinámico y un gran conjunto de accesorios de medición convenientes, como marcadores y cálculos relativos. La mayoría de los analizadores de espectro modernos han ido mucho más allá de los simples filtros de banda estrecha, permitiendo la detección de todo el ancho del intervalo de modulación y proporcionando al usuario información (con una precisión bastante alta) sobre otros parámetros de la señal, como la envolvente de la señal modulada o la magnitud de la interferencia. .
La mayoría de los analizadores de espectro con muchas funciones incluyen un «módulo personal» de software que permite configurar el analizador básico para realizar funciones especializadas, como pruebas de RFI para televisión por cable, comunicaciones celulares y digitales. Al realizar dichas funciones, el dispositivo muestra explicaciones correspondientes al área temática en estudio. Así, al probar componentes de televisión de abonado se muestran en pantalla los límites de regulación de señal establecidos por la Comisión Federal de Comunicaciones (EE.UU.).
Los analizadores de modulación son receptores personalizables que permiten obtener características de modulación de señal de alta precisión. Además de los datos de modulación de amplitud, frecuencia y fase, proporcionan una determinación precisa del nivel de la señal, por lo que también se les llamareceptores de medición.Esto permite su uso en laboratorios de metrología y estandarización para funciones como la calibración de generadores de señales.
Otro instrumento de esta categoría está destinado a probar la modulación vectorial digital de alta velocidad. Se llamaanalizador de modulación vectorial.y determina parámetros de modulación de radio digital de microondas como QPSK, 64QAM, diagramas de ojo, diagramas de estrella y otros. Este tipo de modulaciones se utilizan en los nuevos sistemas satelitales con canal de vídeo digital.
Los analizadores vectoriales de señales combinan mediciones de frecuencia y temporización para describir las señales del sistema más complejas y variables en el tiempo. Las señales típicas del sistema incluyen ráfagas, pulsos, transitorios, saltos de frecuencia y señales moduladas de analógico a digital. Estos instrumentos cuentan con reconocidas pantallas espectrográficas y en “cascada” que muestran cortes de tiempo espectrales secuenciales con alta resolución y amplio rango dinámico, al tiempo que permiten el procesamiento de datos de alta velocidad. Dado que los dispositivos de este tipo procesan información vectorial sobre la señal, son excelentes para el análisis numérico de parámetros de modulación basados en diagramas de indicadores y de estrellas. En muchos casos, permiten la recuperación de portadoras para un análisis coherente de señales de comunicaciones en entornos del mundo real. Los dispositivos de configuración básica cubren frecuencias de hasta 10 MHz y los convertidores descendentes de precisión extienden la cobertura a 1,8 o 2,65 GHz.
Los analizadores de espectro automatizados, además de las capacidades descritas, aumentan la potencia informática. del dispositivo para realizar una amplia gama de mediciones especializadas y en profundidad. Por ejemplo,sistema de monitoreo de espectroconectado a antenas de banda ancha, puede proporcionar una característica espectral completa del área en la cima de la montaña donde se supone que se instalarán las antenas del nuevo sistema. Otros analizadores de señales automatizados monitorean los canales de transpondedor de satélite bajo carga y distorsión causada por sobrecarga. Otra función de medición especializada son las pruebas de compatibilidad electromagnética (EMC) para pruebas de calificación de muestras de productos. Hoy en día, casi todos los productos electrónicos y dispositivos de procesamiento de datos deben cumplir con los requisitos de interferencia de RF, por lo que los laboratorios de metrología necesitan equipos de prueba de cumplimiento automatizados que proporcionen monitoreo del rendimiento, reproducibilidad y análisis integral de datos.
Los analizadores de espectro de microondas también se utilizan en la parte óptica del espectro mediante convertidores ópticos. Permiten obtener muchas características espectrales similares.
Los analizadores FFT dinámicos son instrumentos de medición potentes y únicos que utilizan un algoritmo matemático conocido como transformada de Fourier. Esto significa que se puede obtener información completa de la respuesta de frecuencia a partir de una única señal o evento analógico. Los instrumentos basados en FFT utilizan técnicas de muestreo y potentes procedimientos matemáticos para analizar parámetros espectrales en muchas áreas. Estos dispositivos son más eficaces a bajas frecuencias y, por tanto, encuentran su mayor utilidad en el estudio de las vibraciones y la acústica. Las aplicaciones comunes incluyen teoría de máquinas, análisis estructural, sismología, análisis de vibraciones de motores y la mayoría de las mediciones sónicas, ultrasónicas y de sonar. La tecnología FFT se utiliza en los analizadores vectoriales de señales mencionados anteriormente.
Los analizadores de modulación paramétricos (PAM) se diferencian de los analizadores de modulación en su arquitectura. Puedes considerar los parámetros de modulación como una tercera dimensión además de los parámetros de tiempo y frecuencia. Los parámetros temporales son la dependencia de la amplitud (corriente o voltaje) con el tiempo, los parámetros de frecuencia son la dependencia de la amplitud con la frecuencia. Los parámetros de modulación describen la dependencia de la frecuencia con el tiempo. Estos analizadores se basan en un procesamiento complejo de datos mediante contadores electrónicos. Estos instrumentos producen mediciones periódicas, en serie y excepcionalmente rápidas de las características de la señal. Los PAM facilitan el estudio de la respuesta escalonada de osciladores controlados por voltaje y las características de salto de frecuencia de transmisores ágiles en frecuencia. Le permiten diagnosticar el grado de linealidad de los pulsos modulados en frecuencia lineal, así como la conmutación de fase en sistemas de radar. Estos instrumentos proporcionan herramientas poderosas para analizar señales intermitentes en sistemas de comunicaciones, componentes de lectura/escritura de unidades de disco y sistemas mecánicos. También existen aplicaciones en dispositivos de temporización de circuitos y análisis de sistemas de redes ópticas sincronizadas (SDH).
Los analizadores de potencia de pulso están diseñados para caracterizar completamente 13 parámetros de forma de envolvente de pulso en aplicaciones como radar y sistemas de navegación. Los siete parámetros de sincronización son tiempos de subida y bajada, ancho de pulso, PRI, frecuencia de repetición de pulso (PRF), ciclo de trabajo y retraso. Los cinco parámetros de amplitud incluyen la potencia máxima y promedio, la diferencia de amplitud entre la parte superior e inferior del pulso y el exceso en el borde posterior del pulso. Los analizadores de potencia de pulso detectan la envolvente del pulso y luego amplifican la señal con amplificadores de video de doble canal para analizar distorsiones como el sobreimpulso del borde de salida, la oscilación amortiguada y la oscilación espuria. El dispositivo se basa en un osciloscopio estroboscópico digital. La información del pulso digitalizado puede ser procesada por un procesador de señal digital (DSP) para proporcionar sus características en forma estadística y comparar la sincronización de los sistemas de video y microondas. Existe una opción para formatos de modulación digital en el rango de microondas.
Los analizadores de ruido de fase de portadora cercana son analizadores de señales especializados diseñados para detectar y procesar cualquier ruido de fase en señales de oscilador local (LO). Cuando se utiliza en sistemas de mezcla superheterodinos, el ruido cerca de la portadora LO, incluso 150 dB más débil que la señal, puede provocar una falta de coincidencia del canal con la señal transmitida. Los analizadores de ruido de fase suelen funcionar en un rango de frecuencia de hasta 40 MHz. Para medir el ruido de fase de fuentes desconocidas con frecuencias de hasta 18 GHz, se utiliza undispositivo de prueba de ruido de fase especial que funciona como un convertidor reductor superheterodino basado en LO, equipado con filtros especiales y que tiene un nivel extremadamente bajo de ruido de fase inherente. p>
Los analizadores de distorsión aparecieron por primera vez como instrumentos para probar equipos de grabación y reproducción de audio, diseñados para medir la distorsión no lineal total de una señal de audio de prueba no identificada. Utilizando un filtro de banda estrecha sintonizable, se puede suprimir el armónico fundamental de la portadora, mientras que los armónicos restantes, las señales espurias y el ruido se pueden medir utilizando un detector de banda ancha. Luego, esta distorsión total de la señal debe compararse como un porcentaje de la fundamental. Los analizadores de audio se diferencian de los analizadores de distorsión en que son analizadores de espectro de barrido diseñados para el rango de audio del espectro, cubriendo un rango de frecuencia de hasta 100 kHz.
Los medidores de factor de ruido se encuentran en la categoría media. Aunque la figura de ruido es en realidad un parámetro que normalmente caracteriza a los amplificadores y convertidores de frecuencia, estos instrumentos también miden parámetros del circuito como la ganancia y la atenuación. La figura de ruido es un parámetro crítico para los amplificadores y convertidores de frecuencia utilizados en la ruta de alta frecuencia de los receptores, ya que cada amplificador agrega su propio ruido no deseado al amplificar la señal deseada: cuanto menor sea la figura de ruido, mejor será el amplificador. Una figura de ruido de 3 dB significaría que el amplificador está añadiendo ruido igual a la señal deseada; este sería un mal elemento de diseño. Los medidores de figura de ruido modernos combinan esta medición con el grado de ganancia/atenuación de la señal para que los diseñadores puedan seleccionar la relación óptima entre ganancia y figura de ruido. Cuando se utilizan convertidores descendentes, se pueden realizar mediciones en frecuencias del generador de ruido auxiliar de hasta 50 GHz y superiores.
ANALIZADORES COMBINADOS DE RED Y ESPECTRO
Al reconocer que había una duplicación significativa de la instrumentación en los bancos de pruebas equipados con analizadores de red y espectro, los fabricantes combinaron los dos dispositivos en un analizador de red y espectro.Es razonable utilizar estos dispositivos combinados al diseñar y probar circuitos activos, donde las características de la señal también son importantes — por ejemplo, para amplificadores y convertidores de frecuencia. El rango de frecuencia cubierto es de 100 kHz a 1,8 GHz. Algunos modelos utilizan técnicas FFT para mejorar la resolución y el rendimiento en el análisis del espectro. Otros ofrecen análisis espectral utilizando sincronización de tiempo para su uso en dispositivos como unidades de disco de computadora para reducir los efectos de la interferencia.
ANALIZADORES DE SEÑAL ESPECIALIZADOS
Cuando se utilizan analizadores de señales estándar en procedimientos de prueba especializados, los ingenieros a menudo se enfrentan a situaciones en las que se podría utilizar una solución más adecuada. En este caso, a menudo se utilizan combinaciones de funciones de fuente de señal y funciones de medición de muchos instrumentos. A continuación se describen varios tipos de dispositivos combinados a modo de ejemplo.
Al diseñar sistemas celulares, desarrollar un oscilador local puede ser un proceso de prueba muy tedioso. El oscilador local normalmente consta de un oscilador controlado por voltaje y un bucle de bloqueo de fase (VCO/PLL) integrado en el receptor. Para describir completamente un VCO/PLL típico, se requieren 9 o 10 parámetros para determinar sus características de rendimiento en todas las condiciones, dependiendo del voltaje de control y las características de la señal. Los estudios de ruido de fase por sí solos pueden requerir muchas horas de trabajo debido a su complejidad. Por ello, se ha desarrollado un analizador especializado, denominadoanalizador VCO/PLL.(rango de frecuencia de 10 MHz a 3 GHz), que no solo puede medir inmediatamente los 9 parámetros de la señal VCO, sino que también es capaz de realizar una nueva prueba especialmente modificada que reduce 10 veces el tiempo necesario para estudiar el ruido de fase.
Otro ejemplo de analizador especializado esun medidor de impedancia, resistencia inductiva, capacitiva y activa.Este instrumento está configurado para realizar pruebas completas de cristales de cuarzo, tanto en condiciones de diseño como de producción. Se basa en un medidor de impedancia, pero su hardware, software y hardware de montaje están optimizados para determinar 9 parámetros del cristal, como la frecuencia de resonancia, el factor de calidad y otras características necesarias de su calidad.
Prueba “ “sets” (monitores de servicio) es un nombre general que se le da a conjuntos de dispositivos que realizan funciones especializadas de prueba del sistema. Han sido desarrollados para sistemas de radiofrecuencia y rango de microondas, desde transceptores móviles de modulación de frecuencia hasta sistemas de radar. Un monitor de servicio típico seríaun monitor para probar sistemas celulares de doble estándar (por ejemplo, GSM900/DCS1800),que está diseñado para la instalación y operación de transceptores celulares. El monitor de servicio incluirá un generador de señales para producir señales ajustables con precisión en el formato del sistema bajo prueba. Estas señales tendrán modulación nominal y nivel de potencia para probar la parte receptora del dispositivo de radio. El monitor de servicio también incluye funciones de análisis de espectro para probar la potencia, las características de modulación y el espectro de la parte transmisora del dispositivo de radio.