Выбор подходящего анализатора.
Статья любезно предоставлена Редакции московским представительством компании
HEWLETT PACKARD”
ВЫБОР ПОДХОДЯЩЕГО АНАЛИЗАТОРА
Следует пожалеть начинающего инженера, впервые сталкивающегося с множеством промышленных измерительных устройств. Чаще всего инженерные учебные заведения не дают достаточно знаний в области измерительной техники и контрольно-измерительных приборов. Кроме того, существующий технический жаргон увеличивает количество названий и назначений спектральных и схемных анализаторов, вызывая путаницу и сбивая с толку массой специализированных измерительных приборов, каждый из которых предназначен для диагностики определенных параметров. Данная публикация посвящена систематизации многочисленных наименований и областей применения наиболее распространенных анализаторов.
Имеются две главные категории приборов-анализаторов: анализаторы цепей и анализаторы сигналов. В данной статье мы не будем рассматривать цифровые анализаторы (логические и анализаторы числовых данных), а сосредоточимся на анализаторах радиочастотного и микроволнового диапазонов.
АНАЛИЗАТОРЫ ЦЕПЕЙ
В группу анализаторов цепей входят векторные и скалярные анализаторы, а также измерители полного сопротивления и индуктивно-емкостно-активного сопротивления. Анализаторы цепей предназначены для оценки полного сопротивления или характеристик рассеяния активных и пассивных схем, таких как усилители, преобразователи частоты, антенные коммутаторы, фильтры, коммутационные устройства, аттенюаторы и многие другие компоненты, используемые в различных схемах. Схемы могут иметь один порт (вход или выход) или много портов. Вообще говоря, если разработчик может измерить входные характеристики каждого порта, а также характеристики передачи от одного порта к каждому из остальных, эта информация позволяет использовать эти компоненты в таких системах, как системы связи или радарные системы. Обычно активные компоненты, такие как усилители, исследуются в их линейном диапазоне, а для нелинейных компонентов чаще всего требуются анализаторы сигнала для определения параметров искажений сигнала.
Векторные анализаторы схем (VNA ВАС) являются наиболее мощными в своей группе, так как они измеряют и показывают полный набор амплитудных и фазовых характеристик схемы. К этим параметрам относятся S-параметры, передаточные функции, амплитуда и фаза, коэффициент стоячей волны (КСВ), вносимое затухание или усиление, ослабление, групповая задержка, потери на отражение или коэффициент отражения. Обычно с помощью ВАС производят измерения в диапазоне частот от 100 кГц до 110 ГГц. ВАС включают источник сигнала развертки (иногда встроенный), анализатор сигналов для разделения прямого и обратного тестовых сигналов, а также высокочувствительный фазово-когерентный приемник со сдвоенным каналом, снабженный видеодисплеем для показа векторной диаграммы (например, диаграммы Смита) зависимости сигнала от частоты в исследуемом диапазоне. Измеренные в радиочастотном и микроволновом диапазонах параметры обычно рассматриваются как характеристики рассеяния (S-параметры), что принято в большинстве систем автоматического проектирования.
Представления, основанные на анализе тока и напряжения, не работают в диапазоне частот выше 50 или 100 МГц. Метод S-параметров базируется на широко известном методе диаграмм прохождения сигналов в цепях.
Если пассивный или активный компонент схемы был спроектирован с использованием полной картины измерений по ВАС-технологии, а процесс изготовления поддается регулированию, можно использовать скалярные анализаторы цепей (SNA САЦ) как менее дорогие измерительные устройства. Они измеряют только амплитудную составляющую 8-параметров (характеристик рассеяния), выражаемых в таких терминах, как усиление, потери, КСВ или потери на отражение. Хотя для САЦ также требуются внешний или встроенный источник сигнала развертки и устройство для разделения сигналов, в них используются простые амплитудные детекторы, а не сложные и дорогие фазово-когерентные приборы со сдвоенным каналом. Наиболее широко САЦ используются на производственных поточных линиях, когда амплитудные характеристики могут выявить неисправные компоненты.
Автоматические векторные анализаторы цепей появились вследствие стремления разработчиков расширить измерительные возможности ВАС за счет мощных методов обработки данных и автоматизированного проектирования (CAD). Путем интегрирования моделей, полученных на основе инженерных расчетов и программного обеспечения CAD с фактическими опытными данными, полученными с помощью измерительной системы, разработчик может сначала определить проектные величины, используя CAD; спроектировать элемент, автоматически ать тестовые данные, и затем производить последовательные приближения в цикле проектирования до тех пор, пока не добьется желаемых характеристик. Соединив ВАС с компьютером, можно строить целый ряд специализированных тестовых систем. Приведем некоторые примеры: системы тестирования параметров антенн в ближней зоне, системы тестирования радарных передающих/приемных (T/R) модулей, испытательное устройство для диэлектрических материалов со специальным приспособлением для исследования произвольных материалов, используемых в радарах, позволяющее определить их характеристики в микроволновом диапазоне.
Для диапазона низких радиочастот, где модели, основанные на величинах тока и напряжения, применяются с использованием тарировки в реальных условиях в короткозамкнутой и незамкнутой цепях, в большинстве случаев принято оценивать схему с помощью анализаторов полного сопротивления и измерения индуктивного, емкостного и активного сопротивлений. В этом диапазоне все еще преобладают объемные компоненты, такие как сопротивления, конденсаторы и катушки индуктивности. Они являются предпочтительными измерительными устройствами для таких компонентов, как транзисторы и другие полупроводниковые приборы. Большинство коммерческих моделей такого типа предоставляют возможность тестирования как приборов с проволочными выводами, так и компонентов с поверхностным монтажом. Такие устройства часто являются также основой интегрированных испытательных станций, с помощью которых исследуются нечисловые характеристики цепей.
Другие интересные заказные приложения возможны при использовании специализированных приспособлений для исследования характеристик диэлектрических и магнитных материалов. Поскольку такие материалы при взаимодействии с тестовым сигналом радиочастотного диапазона дают измеримые значения затухания и угла сдвига фазы, можно настроить анализаторы полного сопротивления для глубокого исследования этих материалов. Измеряемые характеристики включают диэлектрическую постоянную, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость и т.д. С помощью соответствующих приспособлений можно исследовать даже жидкости, например нефть.
Следует отметить, что анализаторы цепей используются также и для компонентов оптического диапазона (волоконной оптики). Здесь в основном применяются измерения скалярного типа, так как для векторных устройств потребовались бы когерентные сигналы в оптическом диапазоне длин волн.
АНАЛИЗАТОРЫ СИГНАЛОВ
Эта категория наиболее многочисленна. Относящиеся к ней приборы выполняют функции спектральных анализаторов, параметрических анализаторов модуляции, анализаторов искажений, анализаторов сигнала на базе динамического быстрого преобразования Фурье (БПФ), анализаторов модуляции, анализаторов фазовых помех, анализаторов мощности импульса и многих других. В целом, все анализаторы сигнала нацелены на исследование компонентов и систем с точки зрения их характеристик по передаче сигналов. Поскольку целый ряд этих характеристик критичен для функционирования всей системы, соответствующие контрольно-измерительные приборы в большинстве случаев должны обеспечивать повышенную точность и чувствительность при исследовании таких тонких параметров, как фазовые помехи и флюктуационные помехи.
Анализатор спектра является осциллографом для измерения частотных характеристик. Для инженера, работающего в радиочастотной/микроволновой областях, они также важны, как и временные характеристики. Возможно, такой прибор необходим на каждом рабочем месте проектировщика. Он представляет собой супергетеродинный приемник с собственным генератором развертки, обеспечивающим визуальное представление зависимости амплитуды от частоты в широком динамическом диапазоне и большой набор удобных приспособлений для измерений, таких как маркеры, вычисление относительных значений. Большинство современных анализаторов спектра далеко ушли от простых узкополосных фильтров, позволяя детектировать полную ширину интервала модуляции и обеспечивая пользователя информацией (с достаточно высокой точностью) о других параметрах сигнала, таких как огибающая модулированного сигнала или величина помех.
Наиболее многофункциональные анализаторы спектра включают программный персональный модуль”, который позволяет конфигурировать базовый анализатор для выполнения специализированных функций, таких как тестирование радиопомех, для кабельного телевидения, сотовой и цифровой связи. При выполнении таких функций на дисплей прибора выводятся пояснения, соответствующие исследуемой предметной области. Так, при тестировании компонентов абонентского телевидения на экране показаны пределы регулирования сигнала, установленные Федеральной комиссией по связи (США).
Анализаторы модуляции являются настраиваемыми приемниками, которые позволяют с высокой точностью получить характеристики модуляции сигнала. В дополнение к данным по амплитудной, частотной и фазовой модуляции, они обеспечивают точное определение уровня сигнала, поэтому их называют также измерительными приемниками. Это позволяет применять их в метрологических лабораториях и лабораториях стандартизации для выполнения таких функций, как калибровка генераторов сигналов.
Другой прибор этой категории нацелен на тестирование высокоскоростной цифровой векторной модуляции. Он называется векторный анализатор модуляции и определяет такие параметры модуляции цифрового радиоустройства микроволнового диапазона, как QPSK, 64QAM, глазковые диаграммы, “звездчатые” диаграммы и другие. Эти типы модуляций используются в новых спутниковых системах с цифровым видеоканалом.
Векторные анализаторы сигнала объединяют в единое целое измерение частотных и временных параметров для описания наиболее сложных и изменяющихся во времени системных сигналов. Типичные системные сигналы включают пакеты, импульсы, сигналы переходных процессов, скачки частоты и аналого-цифровые модулированные сигналы. Эти приборы снабжаются известными “каскадными” и спектрографическими дисплеями, которые показывают на экране последовательные временные спектральные срезы с высоким разрешением и в широком динамическом диапазоне, обеспечивая также высокоскоростную обработку данных. Так как приборы этого типа обрабатывают векторную информацию о сигнале, они прекрасно подходят для численного анализа параметров модуляции на базе индикаторных и звездчатых” диаграмм. Во многих случаях они позволяют осуществить восстановление несущей для когерентного анализа коммуникационных сигналов в реальных условиях. Устройства базовой конфигурации покрывают диапазон частот до 10 МГц, а прецизионные понижающие преобразователи расширяют зону действия до 1,8 или 2,65 ГГц.
Автоматизированные анализаторы спектра в дополнение к описанным возможностям увеличивают вычислительную мощь устройства для осуществления широкого ряда углубленных и специализированных измерений. Например, система контроля спектра, соединенная с широкополосными антеннами, может дать полную спектральную характеристику пространства у вершины горы, на которой предполагается установка антенн новой системы. Другие автоматизированные анализаторы сигнала контролируют каналы спутниковых транспондеров под нагрузкой и искажения, вызванные перегрузкой. Еще одна специализированная измерительная функция — исследование электромагнитной совместимости (ЭМС) при квалификационном тестировании образцов продукции. В настоящее время почти каждое электронное изделие и устройство обработки данных должно соответствовать установленным требованиям по уровню радиопомех, поэтому метрологические лаборатории нуждаются в автоматизированном оборудовании для испытания на соответствие стандартам, обеспечивающем контроль эффективности, воспроизводимость результатов и всесторонний анализ данных.
Микроволновые анализаторы спектра применяются и в оптической части спектра с использованием оптических преобразователей. Они позволяют получить многие аналогичные спектральные характеристики.
Анализаторы на базе динамического БПФ являются мощными уникальными измерительными приборами, использующими математический алгоритм, известный как преобразование Фурье. Это означает, что по отдельному аналоговому сигналу или событию можно получить полную информацию о частотных характеристиках. Приборы на базе БПФ используют методику дискретизации и мощные математические процедуры для анализа спектральных параметров во многих областях. Эти приборы наиболее эффективны при низких частотах, и поэтому они находят наибольшее применение при изучении вибрации и в акустике. Обычные области применения включают теорию машин и механизмов, структурный анализ, сейсмологию, анализ вибрации двигателей, а также большинство звуковых, ультразвуковых и гидролокационных измерений. Технология БПФ используется в упомянутых выше Векторных анализаторах сигнала.
Параметрические анализаторы модуляции (ПАМ) отличаются от анализаторов модуляции своей архитектурой. Можно рассматривать параметры модуляции в качестве третьего измерения в дополнение к временным и частотным параметрам. Временные параметры — это зависимость амплитуды (тока или напряжения) от времени, частотные параметры — зависимость амплитуды от частоты. Параметры модуляции описывают зависимость частоты от времени. Эти анализаторы базируются на комплексной обработке данных с использованием электронных счетчиков. Эти приборы производят исключительно быстрые последовательные периодические измерения характеристик сигнала. ПАМ упрощают изучение ступенчатого отклика генераторов, управляемых напряжением, и характеристик скачкообразной перестройки частоты передатчиков с маневренной частотной перестройкой. Они позволяют диагностировать степень линейности импульсов с линейной частотной модуляцией, а также фазовые переключения в радарных системах. Эти приборы обеспечивают мощные средства анализа неустойчивой синхронизации сигнала в системах связи, компонентах чтения/записи дисковых накопителей и в механических системах. Существуют также приложения в устройствах синхронизации цепей и анализе системы синхронизированной оптической сети (SDH).
Анализаторы мощности импульса предназначены для полного описания 13 параметров формы огибающей импульсов в таких приложениях, как радарные и навигационные системы. Семь временных параметров — это время нарастания и спада, ширина импульса, PRI, частота повторения импульсов (PRF), коэффициент заполнения и задержка. Пять амплитудных параметров включают максимальную и среднюю мощность, разность амплитуд между вершиной и основанием импульса и выброс на заднем фронте импульса. Анализаторы мощности импульса детектируют огибающую импульса и затем усиливают сигнал усилителями со сдвоенным каналом видеочастотного диапазона для анализа таких его искажений, как выброс на заднем фронте импульса, затухающие колебания и паразитные колебания. Прибор строится на базе цифрового стробоскопического осциллографа. Оцифрованная информация об импульсе может быть обработана с помощью цифрового процессора сигналов (DSP) для предоставления его характеристик в статистической форме и для сравнения временной диаграммы видео- и микроволновых систем. Существует вариант для форматов цифровой модуляции в микроволновом диапазоне.
Анализаторы фазовых шумов вблизи несущей — специализированные анализаторы сигнала, предназначенные для обнаружения и обработки любых фазовых шумов сигналов местных гетеродинов (LO). При использовании в системах с супергетеродинным смешением, шумы вблизи несущей LO, даже будучи на 150 дБ слабее сигнала, могут вызвать рассогласование канала с передаваемым сигналом. Анализаторы фазовых шумов обычно функционируют в полосе частот до 40 МГц. Для измерения фазовых шумов неизвестных источников с частотами до 18 ГГц используется специальная установка тестирования фазовых шумов, функционирующая как супергетеродинный понижающий преобразователь, созданный на базе LO, снабженного специальными фильтрами и имеющего чрезвычайно низкий уровень собственных фазовых шумов.
Анализаторы искажений впервые появились как приборы для тестирования аппаратуры для записи и воспроизведения звука, предназначенные для измерения суммарных нелинейных искажений неидентифицированного тестового аудиосигнала. С помощью настраиваемого узкополосного фильтра можно подавить основную гармонику несущей, в то время как остальные гармонические, паразитные сигналы и шум можно измерить с помощью широкополосного детектора. Эти суммарные искажения сигнала следует затем сравнить в процентном отношении к основной гармонике. Аудиоанализаторы отличаются от анализаторов искажений тем, что они являются анализаторами спектра развертки, предназначенными для звукового диапазона спектра, покрывая диапазон частот до 100 кГц.
Измерители коэффициента шума относятся к средней категории. Хотя в действительности коэффициент шума — параметр, характеризующий обычно усилители и преобразователи частоты, эти приборы измеряют также и параметры схемы, такие как усиление и затухание. Коэффициент шума является критичным параметром для усилителей и преобразователей частоты, используемых в тракте высокой частоты приемников, так как каждый усилитель добавляет собственные нежелательные шумы при усилении полезного сигнала — чем ниже коэффициент шума, тем лучше усилитель. Коэффициент шума в 3 дБ означал бы, что усилитель добавляет помехи, равные полезному сигналу — это был бы плохой элемент схемы. Современные измерители коэффициента шума объединяют измерение этой величины с выявлением степени усиления/ослабления сигнала для того, чтобы разработчики могли подобрать оптимальное соотношение коэффициента усиления и коэффициента шума. При использовании понижающих преобразователей можно производить измерения при частоте вспомогательного генератора шума до 50 ГГц и выше.
КОМБИНИРОВАННЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ ЦЕПЕЙ И СПЕКТРА
Осознав, что на испытательных стендах, снабженных анализаторами цепей и спектра, происходит заметное дублирование приборов, производители объединили эти два устройства в анализаторе цепей и спектра. Такие комбинированные приборы разумно использовать при проектировании и тестировании активных схем, где важны также и характеристики сигнала — например, для усилителей и преобразователей частоты. Охватываемый диапазон частот — от 100 кГц до 1,8 ГГц. Некоторые модели используют методики БПФ для повышения разрешения и производительности при анализе спектра. Другие предлагают спектральный анализ с применением временной селекции при использовании для таких устройств, как дисководы компьютеров, с целью снижения влияния помех.
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ СИГНАЛОВ
При использовании стандартных анализаторов сигналов в специализированных испытательных процедурах, инженеры зачастую сталкиваются с ситуациями, где следовало бы применить более подходящее к конкретному случаю решение. При этом часто используются комбинации функций источников сигнала и измерительных функций многих приборов. Ниже в качестве примера описаны несколько типов таких комбинированных приборов.
При проектировании сотовых систем разработка их местного гетеродина может быть связана с крайне утомительным процессом тестирования. Местный гетеродин обычно состоит из генератора, управляемого напряжением, и устройства фазовой автоподстройки частоты (VCO/PLL), встроенных в приемник. Для полного описания обычного VCO/PLL требуется 9 или 10 параметров, которые позволяют определить характеристики его функционирования при всех условиях в зависимости от управляющего напряжения и показателей сигнала. Одни только исследования фазовых шумов могут потребовать многих часов работы вследствие их сложности. Поэтому разработан специализированный анализатор, под названием анализатор VCO/PLL (диапазон частот от 10 МГц до 3 ГГц), который может не только сразу измерять все 9 параметров сигнала VCO, но способен также проводить новый специально модифицированный тест, снижающий в 10 раз время, необходимое для исследования фазовых шумов.
Другой пример специализированного анализатора — измеритель полного, индуктивного, емкостного и активного сопротивлений. Этот прибор настроен для проведения полного тестирования кварцевых кристаллов, как при проектировании, так и в производственных условиях. Он создан на базе измерителя полного сопротивления, но его аппаратное и программное обеспечение, а также крепежные приспособления оптимизированы для определения 9 параметров кристалла, таких как резонансная частота, добротность и другие необходимые характеристики его качества.
Тестовые “наборы” (сервисные мониторы) — общее название, присвоенное наборам устройств, которые осуществляют специализированные функции испытания систем. Они были разработаны для систем радиочастотного и микроволнового диапазонов — от мобильных приемопередатчиков с частотной модуляцией до радарных систем. Типичным сервисным монитором будет монитор для тестирования двухстандартных сотовых систем (например, GSM900/DCS1800), которая предназначена для установки и эксплуатации сотовых приемопередатчиков. Сервисный монитор будет включать генератор сигналов для выработки прецизионных регулируемых сигналов в формате тестируемой системы. Эти сигналы будут иметь номинальные модуляцию и уровень мощности для тестирования приемной части радиоустройства. Сервисный монитор включает также функции анализа спектра для тестирования мощности, характеристик модуляции и спектра передающей части радиоустройства.