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

дению функции sin(x). Другими словами, частота переполнения аккумулятора фазы равна частоте выходного сигнала. Это частота определяется формулой:

fвых = M * fоп / 2N ,

где M – код частоты; N – двоичная разрядность аккумулятора фазы.

Как видим, тактовая частота опорного генератора делится на число, которое определяется кодом частоты и разрядностью аккумулятора фазы. При этом шаг перестройки частоты не зависит от ее значения и равен

fвых = fоп / 2N .

Из этого соотношения следует, что если увеличить разрядность N, то уменьшится шаг перестройки частоты. Причем особых ограничений здесь нет. Например, если разрядность накапливающего сумматора 32 бита, а тактовая частота составляет 50 МГц, то частотное разрешение составит порядка 0,01 Гц!

В схема адресации с применением фазового аккумулятора увеличение частоты достигается путем пропуска некоторых точек в таблице, а уменьшение частоты – за счет повторения точек. Пропуски или повторения точек могут происходить в разные моменты периода сигнала (эффект «разрыва фазы»). Целое число дискретов времени на период сигнала укладывается лишь в частном случае. В большинстве случаев это не так, и на каждом новом периоде сигнала отсчеты находятся в новых местах. Это может приводить к эффектам паразитной амплитудной модуляции, а также к увеличению джиттера и фазовых шумов выходного сигнала.

Рассмотренная выше структура применяется во многих современных генераторах с DDS. Такие приборы называют «генераторами произволь-

ных функций» (AFG – Arbitrary Function Generators) или цифровыми функциональными генераторами. Они характеризуются фиксированной частотой дискретизации (что позволяет использовать только один выходной фильтр) и фиксированную длину внутренней памяти («таблицу памяти»), в которой заложена информация о форме требуемого сигнала. AFG-генераторы не позволяют воспроизводить колебания разной формы во всем диапазоне частот генератора, что отличает их от аналоговых функциональных генераторов. Так, если AFG-генератор может вырабатывать синусоидальный сигнал с максимальной частотой 100 МГц, то прямоугольный сигнал (меандр) уже будет ограничен частотой 50 МГц, а более сложный сигнал (например, треугольный) вообще может иметь максимальную частоту 1 МГц. Причина этого состоит в том, что для представления сложного сигнала (по теореме Котельникова) требуется большее количество отсчетов на период. Соответственно, при фиксированной частоте дискретизации это возможно только при меньшей частоте выходного сигнала.

303

Недостатки AFG преодолены в приборах с другим способом форми-

рования адресов. Их называют генераторами сигналов произвольной формы (AWG – Arbitrary Waveform Generators). Генераторы класса AWG

– это цифровые генераторы, способные вырабатывать сигнал любой формы, включая нарисованную от руки или восстановленную путем захвата реального сигнала с помощью цифрового осциллографа.

Основной чертой AWG является переменная частота дискретизации, что позволяет генерировать точно повторяемые выходные сигналы сложной формы. Частота выходного сигнала будет определяться отношением используемой частоты дискретизации и используемого количества точек в таблице памяти. Частота дискретизации и длина таблицы памяти могут быть настроены для получения желаемой частоты выходного сигнала. Поэтомукаждая точка сигнала, извлекаемая из ПЗУ в реальном масштабе времени сигнала, оцифровывается ЦАП. Выходной сигнал состоит из точно повторяющихся шаблонов для каждого периода. При этом не используется пропуск или повторение точек сигнала (как в случае использования фазового аккумулятора). Поэтому джиттер и фазовые шумы выходного сигнала минимальны.

Генератор AWG дает возможность пользователю сегментировать память (делить ее на различные области) и использовать каждый сегмент данных для различных форм сигналов индивидуально. Генераторы сигналов произвольной формы имеют последовательный режим работы с памятью, который позволяет связывать или повторять сегменты любым образом по выбору пользователя. Отметим, что использование различных частот дискретизации в AWG затрудняет реализацию стандартных видов модуляции и быстрой перестройки частоты выходного сигнала.

К отдельной разновидности генераторов с цифровым принципом синтеза формы относят многоканальные источники сигналов цифровых и логических устройств. Их называют генераторами паттернов данных (Data Pattern Generators). Паттерн – это логический сигнал, представляющий собой импульсную последовательность, в которой закодирован двоичный код этого сигнала. Паттерны могут иметь большую длительность (десятки Мбайт), частота передачи импульсов может достигать нескольких Гбит/с. Число выходных каналов зависит от назначения генератора (от 1 до 96). Обычно такие генераторы являются частью логических анализаторов цифровых устройств. Коллекция паттернов, генерируемых прибором, хранится в энергонезависомой памяти. Предусматривают и ручной режим формирования паттернов, а также загрузку их с внешнего компьютера. Вид вызываемых паттернов индицируется на дисплее генератора.

Основные применения генераторов паттернов:

•контроль высокоскоростных импульсных и цифровых устройств;

•отладка высокоскоростных интерфейсных шин различного типа

304

•испытание высокоскоростных устройств передачи, приема и преобразования цифровой информации (например, систем сотовой связи).

Измерительные источники постоянного напряжения

Источники постоянного напряжения находят широкое применение в измерительной практике. Их используют для наладки и тестирования различных устройств как источники питания с заранее известными параметрами (лабораторные источники питания), так и высокостабильные меры напряжения для калибровки, поверки и тестирования вольтметров, мультиметров и аналого-цифровых преобразователей. По сути дела, источник постоянного напряжения можно рассматривать как измерительный генератор сигнала постоянного уровня. Многие современные цифровые генераторы сигналов имеют возможность вырабатывать постоянные напряжения разной величины и полярности.

В измерительных блоках питания в качестве источника образцового напряжения используются как традиционные полупроводниковые стабилитроны, так и специализированные интегральные схемы, обеспечивающие низкую погрешность установки напряжения стабилизации при малом уровне шумов. Блок питания включает в себя регулируемый стабилизатор напряжения, позволяющий установить выходное напряжение с заданной точностью, и стабилизатор тока, который ограничивает выходной ток источника до заданной величины. Источники питания часто делают многоканальными, выходные напряжения в каждом канале имеют гальваническую развязкуот корпуса и общего провода.

Структурная схема лабораторного источника постоянного напряжения включает в себя первичный источник питания, источник опорного напряжения, регулирующий элемент (транзистор), стабилизаторы напряжения и тока (рис. 12.18)

Первичный источник питания

~ = U=

Рис. 12.18. Структурная схема стабилизированного источника постоянного напряжения

305

Принцип действия источника аналогичен принципу действия стабилизированных блоков питания радиоаппаратуры. Особенностью измерительного источника является возможность работать в режиме стабилизации выходного тока. Переключение режимов стабилизации «напряже- ние–ток» происходит автоматически, при достижении тока нагрузки предельного значения (рис. 12.19).

Рис. 12.19. Вольт-амперная характеристика источника с автоматическим переключением режимов «напряжение–ток»

В современных источниках напряжения установка выходного напряжения и тока производится цифровым способом (дискретно) с индикацией на табло. В многоканальных источниках обычно предусматривают комбинированные режимы работы с последовательным или параллельным подключением каналов. Это позволяет расширить диапазон установки выходного напряжения или тока.

Метрологические параметры источников постоянного напряжения:

•диапазон установки выходного напряжения и тока, дискрет регулировки этих параметров

•предел допускаемой погрешности установки напряжения и тока

•нестабильность выходного напряжения и тока

•уровень паразитных пульсаций и шума (среднеквадратическое значение)

Современные источники напряжения могут иметь дополнительные функциональные возможности. В них встраиваются аналоговые или цифровые измерители выходных напряжений и токов, что превращает их в мультиметры. Выпускаются источники с программируемым режимом работы. Установка выходного напряжения может проводиться по сложной программе, что позволяет провести тестирование устройств в различных режимах работы (максимальной и минимальной потребляемой

306

мощности, динамической смены режима), выполнить исследование переходных режимов питания и пр. Выпускаются специализированные источники постоянного напряжения – имитаторы батарей. Они позволяют исследовать работу устройств, питаемых от батарей и аккумуляторов любого типа с программно заданными их свойствами (в частности, зависимостью внутреннего сопротивления от времени работы). К специальным источникам питания можно отнести также анализаторы полупроводниковых приборов. Они позволяют получать вольт-амперные характеристики диодов и транзисторов различного типа, причем для мощных приборов используют импульсные режимы измерения.

Для тестирования блоков питания и усилительных устройств широко используют специальные измерительные приборы – электронные нагрузки. Это не источник напряжения, а его потребитель. Параметры нагрузки можно менять программно в динамике (например, из компьютера). Внешне электронные нагрузки похожи на источники питания, но вместо выхода у них вход, на который подают сигнал с исследуемого устройства. Напряжение и ток на входе нагрузки контролируют вольтметром и амперметром с высокой точностью. Электронные нагрузки позволяют тестировать различные устройства (например, источники питания постоянного и переменного тока, мощные усилители) в режимах стабильного напряжения на нагрузке, стабильного тока нагрузки, стабильного сопротивления нагрузки во всем рабочем диапазоне выходных напряжений и токов.

Контрольные вопросы

1.Что такое «измерительный генератор»? Чем он отличается от обычного источника сигналов, используемого в схемотехнике?

2.Опишите принцип действия ВЧ генератора с LC-контуром. Почему стабильность частоты генератора зависит от добротности контура?

3.Почему на низких частотах используют RC-генераторы, а не автогенераторы с LC-контурами? Сравните эти два типа измерительных генераторов.

4.Что такое «кварцевый генератор»? Для каких целей он применяется в измерительной аппаратуре?

5.Какие функции выполняют усилитель и аттенюатор в измерительных генераторах? Какие параметры измерительного генератора они обеспечивают?

6.Почему точность установки выходного напряжения измерительного генератора гарантируется только при условии подключения стандартной нагрузки? Какое напряжение будет на выходе при отсутствии нагрузки (условие «холостого хода»)?

307

7.Каким параметром оценивают точность воспроизведения заданной формы сигнала в НЧ- и ВЧ генераторах гармонических сигналов?

8.Как реализуют модуляцию сигнала в ВЧ генераторе с LC-контуром?

9.Что такое «импульсный измерительный генератор»? Какую форму сигнала он вырабатывает? Какими параметрами оценивают точность воспроизведения этой формы?

10.Для чего в импульсных генераторах предусматривают выход синхроимпульсов? Как можно использовать эти импульсы совместно с блоком временной задержки основных импульсов?

11.Что такое «функциональный генератор», какой принцип его действия? Какие сигналы можно получить с его помощью?

12.Какие сигналы вырабатывает измерительный генератор шума? Какие параметры его выходного сигнала можно контролировать? Какие первичные источники шума используют в схемах генераторов шума?

13.Что такое «синтезатор частоты»? Какие сигналы вырабатывают эти приборы? Укажите принципы действия синтезаторов разных типов.

14.Как устроен синтезатор с прямым аналоговым методом формирования частоты? какие преимущества имеет этот метод синтеза сигнала?

15.Как используют фазовую автоподстройку частоты для построения аналогового и цифрового синтезатора частоты? Какие преимущества имеют они по сравнению с приборами с прямым синтезом?

16.Что такое «генератор с прямым цифровым синтезом сигналов? Какой принцип его действия, форма выходного сигнала?

17.Укажите основные преимущества генераторов с прямым цифровым синтезом сигналов по сравнению с другими типами измерительных генераторов.

308

Глава 13

Измерение RLC-параметров

Параметры сосредоточенных элементов электрических цепей

Низкочастотные электрические схемы включают в себя компоненты с сосредоточенными постоянными – катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы (RLC-элементы). Эти элементы являются двухполюсниками (имеют два вывода). Более сложные блоки (с тремя, четырьмя и более выводами) часто описывают схемами замещения, состоящими из двухполюсных элементов.

При работе схемы с гармоническими сигналами свойства двухполюс-

ников описывают с помощью полного комплексного сопротивления (им-

педанса) Z. Оно определяется законом Ома через отношение комплекс-

ных амплитуд напряжения U и тока I . Его записывают через активное R и реактивное X сопротивления:

Z = UI = R + jX

или – в полярных координатах – через модуль и фазу:

R = Z cos(θ) , X = Z sin(θ) .

В ряде случаев удобнее использовать обратную величину – полную комплексную проводимость (адмиттанс) Y компонента:

Y = G + jB = UI = Z −1 .

Размерность импеданса – Ом, адмиттанса – Сименс (См). В измерительной практике иногда используют общий термин «иммитанс» для понятий "импеданс" и "адмиттанс».

309

R iX

G iB

{ Z { Y

Рис. 13.1. Схемы замещения сосредоточенных элементов электрических цепей

Элементы электрической цепи представляют в виде последовательной или параллельной схем замещения (рис. 13.1). При последовательной схеме элемент характеризуют активным R и реактивным X сопротивлениями, а при параллельной схеме – активной G и реактивной B проводимостями. Любой из двухполюсных элементов можно представить как последовательной, так и параллельной схемами замещения. Эти схемы замещения эквивалентны при условии, что параметры элементов связаны формулами:

Выбор той или иной схемы замещения определяется методом измерения, удобством представления результата и др.

Существует два типа импеданса – индуктивный и емкостной. Реактивное сопротивление импеданса индуктивного типа зависит от частоты f

по линейному закону X = 2πfL (L – индуктивность элемента, выражается в Генри – [Гн]). Фазовый угол сопротивления индуктивного типа поло-

жителен. Для емкостного типа импеданса X == 2π−fC1 (С – емкость эле-

мента, размерность – Фарада [Ф]), а фазовый угол – отрицателен.

Для оценки качества реактивных элементов электрической цепи с малыми потерями используют отношение реактивных X и активных сопротивлений R последовательной схемы замещения (или отношение проводимостей параллельной схемы замещения). Так, качество катушек индуктивности обычно характеризуют добротностью, которая равна отношению энергии, запасенной в реактивном элементе, к мощности потерь в нем. Для последовательной схемы замещения добротность равна:

QL = X = 2πfL . R R

310

Потери в катушках индуктивности складываются из активных потерь в проводе, потерь в ферромагнитном сердечнике (который применяют в катушках большой индуктивности) и потерь в экране (для экранированных катушек). Схема замещения реальной катушки индуктивности L учитывает паразитные параметры – межвитковую емкость CL, сопро-

тивление потерь в проводе RS для последовательной схемы замещения (рис. 13.3, а) и сопротивление потерь в ферромагнитном сердечнике Rp для параллельной схемы (рис. 13.3, б).

Рис. 13.3. Схемы замещения катушки индуктивности: а – последовательная, б – параллельная

Межвитковая емкость особенно заметна в многослойных катушках с большим количеством витков. Она сказывается на высоких частотах и приводит к зависимости эффективной (действующей) индуктивности от частоты.

Для реального конденсатора C активные потери учитывают шунтирующим сопротивлением утечки Rp (потери в диэлектрике) и сопротив-

лением потерь в проводниках и обкладках Rs (рис.13.4). На высоких ча-

стотах необходимо учитывать также индуктивность выводов конденсатора LС. У высокочастотных керамических конденсаторов основным пара-

зитным параметром является параллельное сопротивление утечки. Для конденсаторов большой емкости сильнее влияние последовательного сопротивления потерь. Особенно это проявляется у электролитических

312