Контроль параметров генераторов сигналов

February 13, 2012 by admin Комментировать »

5.2.1. Осциллографический контроль формы сигналов

Осциллографический контроль формы сигналов генераторов является основным средством быстрой оценки их работоспособности. В случае синусоидальных сигналов осциллографический контроль позволяет в первом приближении оценить чистоту сигнала, диапазон изменения его частоты, умеренный уровень сигнала и степень искажения сигнала при повышенном его уровне. В случае импульсных сигналов осциллографический контроль позволяет детально исследовать форму импульсов и определить их важнейшие параметры.

Центральное место в решении задачи осциллографического контроля сигналов занимает выбор наиболее подходящего типа осциллографа. В случае синусоидальных сигналов полоса частот осциллографа должна превышать максимальную частоту сигнала во столько раз, сколько гармоник содержится в спектре сигнала. В большинстве случаев достаточно иметь полосу частот осциллографа в 3—5 раз выше максимальной частоты сигнала. При этом погрешность оценки амплитуды сигнала и времени его нарастания лежит в пределах от 20 до 5% и сильно зависит от формы АЧХ осциллографа.

Для осциллографов, рассчитанных на исследование цифровых сигналов, существует следующее эмпирическое правило: полоса частот осциллографа должна не менее чем в 5 раз превышать тактовую частоту исследуемого цифрового устройства.

Следует учитывать, что умеренную стоимость имеют только осциллографы с полосой частот до 200—300 МГц. Увеличение полосы частот свыше этого предела ведет к далеко не пропорциональному росту стоимости осциллографа.

Пусть, к примеру, надо исследовать сигналы генераторов произвольных сигналов серии AFG3000. Максимальная частота синусоидальных сигналов у моделей AFG3151/ 3152 составляет 240 МГц. Это значит, что желательно применение осциллографов серий DPO/MS04000 или TDS5000 с полосой исследуемых частот до 1 ГГц.

На рис. 5.13 показаны осциллограммы сигналов меандра с частотой около 60 МГц и синусоидального сигнала с частотой 240 МГц с выходов двухканального генератора AFG3152, снятые с помощью осциллографа серии TDS5104 с полосой частот от 0 до 1 ГГц.

Рис. 5.13. Осциллограммы меандра с частотой около 60МГц и синусоидального сигнала с частотой 240 МГц с выходов двухканального генератора AFG3152

К синусоидальному сигналу с максимально возможной частотой претензий нет — на глаз его искажения не заметны. А вот меандр даже на частоте 60 МГц (вдвое меньшей, чем допустимо) выглядит очень далеким от идеального. Ясно, что на предельной частоте 120 МГц он просто вырождается в слегка искаженную синусоиду. Этот факт уже является важным следствием осциллографического контроля формы сигналов данного генератора (да и других генераторов).

На рис. 5.7 были показаны осциллограммы сигналов в виде пачек синусоиды и треугольных импульсов разной длительности (период 1 мкс), но далекой от предельной. В этом случае форма сигнала очень близка к идеальной.

5.2.2. Контроль и измерение амплитудных параметров генераторов

С помощью современного цифрового осциллографа можно выполнить контроль и измерения временных параметров сигналов генератора. Это возможно тремя способами:

•     непосредственный контроль с использованием масштабной сетки;

•     курсорные измерения с использованием горизонтальных курсоров;

•     автоматическое измерение параметров.

Каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки. Непосредственный контроль с использованием масштабной сетки наиболее прост, но имеет невысокую точность. У обычных осциллографов считается, что его погрешность имеет значения около 5%, что связано с эффектами кривизны поверхности экрана электронно-луче- вой трубки и явлением параллакса из-за некоторой удаленности плоскости сетки от плоскости изображения. Но все современные цифровые осциллографы имеют абсолютно плоский ЖКИ, и осциллограммы и сетки строятся в одной плоскости. К тому же многие ЖКИ имеют большой экран, так что, тщательно присмотревшись к осциллограммам, можно оценить уровни ее точек с погрешностью примерно до 2,5—3%.

Курсорные измерения не требуют тщательности просмотра осциллограмм. Для них не обязателен и вывод масштабной сетки. Все, что нужно выполнить для измерения, это вывести курсоры и установить их в нужные места универсально поворотной ручкой осциллографа. Например, на рис. 5.7 показан вывод двух горизонтальных курсоров и установка их на вершины синусоиды. Положения курсоров по уровню выводятся в окне осциллограмм и позволяют оценить положения пиков и двойную амплитуду синусоидального сигнала. Курсорные измерения особенно удобны, когда надо оценить уровень некоторой произвольной точки осциллограммы.

Осциллографический контроль уровня сигналов генераторов, разумеется, не является единственным. В области низких частот имеется множество выпускаемых серийно вольтметров и милливольтметров, измеряющих амплитуду или действующее значение переменного напряжения с высокой точностью — есть цифровые приборы с погрешностью измерения порядка 0,01%. Некоторые из приборов измеряют истинное сред- неквадратическое значение сигналов (True RMS), что позволяет оценивать амплитуду прямоугольных и треугольных сигналов (при условии, однако, осциллографического контроля их формы).

5.2.3. Контроль временных параметров сигналов генераторов

Контроль временных параметров сигналов генераторов выполняется точно также, как и контроль амплитудных параметров. При этом используется горизонтальная шкала времени осциллограмм. В случае курсорных измерений используются вертикальные курсоры. Измеряются следующие основные параметры: период, длительность импульсов, коэффициент заполнения и времена нарастания и спада импульсов.

Рис. 5.14 иллюстрирует измерение параметров синусоидального сигнала с использованием как вертикальных, так и горизонтальных курсоров. Таким образом измеряются период и частота синусоидального напряжения, уровни его пиков и двойная амплитуда. Все результаты измерений выводятся справа от области осциллограмм.

Рис. 5.14. Пример курсорных измерений с применением вертикальных и горизонтальных курсоров

Возможен также неосциллографический контроль временных параметров сигналов. Например, контроль частоты и периода сигналов удобно проводить, используя цифровые частотомеры, которых выпускается и предлагается на рынке великое множество. Некоторые из них могут измерять и длительность импульсов — но не очень коротких.

5.2.4. Проведение автоматических измерений

Измерения осциллографом в режиме автоматических вычислений кажутся наиболее удобными и практичными. Они фактически объединяют осциллографический контроль сигналов с современными цифровыми методами измерений. Типовая погрешность измерений при этом составляет 1—2%, а иногда (особенно для временных параметров) и намного меньше. Но это справедливо только в случае выполнения вполне определенных вычислений и определенных для каждого вычисления условий, например, размера осциллограмм, числа периодов сигнала в пределах экрана и т. д. Осциллографы серии TDS5000 и DP07000 имеют 53 вида автоматических измерений: амплитудные, временные, статистические и др.

Очень удобно автоматические измерения выполняются осциллографами серии DP07000/70000. При вызове режима автоматических измерений из меню Measure внизу экрана появляется панель Measurement Setup (рис. 5.15), в которой в простой и наглядной форме можно задать нужные измерения по любому из каналов осциллографа. В области Measurement этой панели можно выбрать одну из 9 групп автоматических измерений и в каждой группе назначить любое из доступных измерений.

Рис. 5.15. Установка автоматических измерений у осциллографа DP07000

Все результаты измерений появляются в окне под осциллограммами. Поскольку все реальные сигналы имеют нестабильности и шумы, то одновременно с автоматическими измерениями выполняется их статистический анализ, данные которого (среднее, максимальное, минимальное значения, среднеквадратическое отклонение и др.) также выводятся. Закрыв панель установки измерений, можно получить изображение осциллограмм на большей площади экрана (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Осциллограммы и результаты автоматических вычислений на экране осциллографа DP О 7000

5.2.5. Контроль времени нарастания импульсов генератора

Контроль времени нарастания импульсов генераторов является одной из важнейших задач их проверки. И здесь проще всего воспользоваться подходящим осциллографом. Однако основным параметром осциллографа в этом случае является его собственное время нарастания. Желательно, чтобы оно было в 3—5 раз меньше, чем время нарастания (и спада) импульсов проверяемого генератора. Время нарастания импульсов обычно оценивается на уровнях 10 и 90% от амплитуды, но иногда (для осциллографов с полосой более 1 ГГц) на уровнях 20 и 80%.

За исключением генераторов импульсов пикосекундного диапазона для остальных генераторов в принципе выбор подходящего осциллографа особых трудностей (не считая затрат на приобретение или аренду осциллографа) не вызывает. Можно руководствоваться данными таблицы 5.2.

Для автоматического измерения времени нарастания (и спада) надо добиться четкого отображения на экране осциллографа нужного перепада импульса: положительного для измерения времени нарастания (переднего фронта) или отрицательного для измерения времени спада (заднего фронта). Пример измерения времени нарастания импульсов от генератора AFG3152 с помощью осциллографа TDS5104B показан на рис. 5.17.

Рис. 5.17. Пример автоматического измерения времени нарастания импульса с помощью осциллографа TDS5104B

При проведении курсорных измерений рекомендуется вначале измерить амплитудные параметры перепада (его минимальный и максимальный уровни), а затем установить вертикальные курсоры на нужные уровни, например 0,1 и 0,9 от амплитуды перепада. Время нарастания (или спада) оценивается как разность временных положений курсоров.

5.2.6. Контроль спектра сигналов с помощью осциллографа

Спектр сигналов, особенно импульсных, имеет важное значение для оценки качества сигналов и их применимости в реальных технических системах и устройствах. Особенно это относится к системам частотного разделения каналов и ко многим традиционным радиотехническим устройствам, например радиоприемникам и передатчикам.

Как уже отмечалось, спектральный анализ возможен как с помощью цифровых осциллографов, так и специальных анализаторов спектров. Последние имеют более высокое разрешение и большую точность спектрального анализа, но они обычно стоят заметно выше, чем осциллографы.

Анализатор спектра цифровых осциллографов программный, т. е. он выполняет быстрое оконное преобразование Фурье по встроенной в его ПЗУ микропрограмме. Это не требует аппаратных затрат на фильтры, которые используются в специальных анализаторах спектра. Спектральный анализ с помощью осциллографов имеет невысокое разрешение и пригодендпя спектрального анализа, в основном, видеоимпульсов. Кним относятся, в частности, пачки синусоидальных сигналов, прямоугольные, треугольные, пилообразные и прочие импульсы.

Спектральный анализ периодических сигналов стандартной формы уже рассматривался, например, в случае на рис. 5.4, на котором представлен спектр прямоугольных импульсов, полученный с помощью массового цифрового осциллографа TDS 2024В. Осциллограф DP07000 позволяет строить спектр выделенной части сигнала, что в ряде случаев представляет значительно больший интерес, чем спектр всего видимого на экране сигнала. Рис. 5.18 показывает получение спектра пачки синусоидальных колебаний от генератора AFG3152, выделенной вертикальными маркерами. Внизу экрана показана панель настройки спектрального анализа — выбора канала, вида анализа, окна и т. д.

Обратите внимание на то, что ширину пиков можно менять выбором параметра Resolution BW (RBW), а общую полосу обзора изменять изменением центральной частоты Center Frequence и полосы частот обзора Frequence Span. При заданных на рис. 5.18 установках общая полоса обзора устанавливается от 0 до 10 МГц.

Нетрудно заметить, что спектр представлен одним спектральным пиком, что свидетельствует о синусоидальном характере колебаний пачки внутри выделенного фрагмента сигнала. А на рис. 5.19 показан спектр после изменения формы колебаний внутри пачки с синусоидальной на прямоугольную. Как и следовало ожидать, спектр сильно изменился — наряду с основным пиком, соответствующим первой гармонике, появился ряд убывающих по амплитуде пиков, соответствующих второй, третьей и т. д. гармоникам.

Определенные трудности вызывает анализ спектров с помощью цифровых осциллографов для модулированных сигналов. Так спектр АМ-сигналов состоит из линии несущей и двух боковых полос (при модуляции синусоидальным сигналом двух линий, отстоящих от несущей на расстояние, равное частоте модулирующего сигнала). Например, если синусоидальный сигнал в 1 МГц модулируется синусоидальным сигналом в 1 кГц, то линия несущей будет на частоте 1 ООО кГц, а боковые линии на частотах 999 и 1 001 кГц. Разделение их анализатором спектра без узкополосного фильтра достаточно сложно.

Даже такие мощные осциллографы, как DP07000 с трудом справляются с задачей четкого получения спектра АМ-сигналов. Рис. 5.20 показывает случай, где этот мощ-

Впрочем, если воспользоваться максимальным размером памяти современных цифровых осциллографов ведущих фирм и смириться с большим временем анализа, то можно получить вполне качественные спектры АМ-сигналов с частотами несущей порядка 100 МГц и частотой модуляции 1 кГц.

Измерив амплитуду несущей и одной из боковых составляющих спектра, нетрудно оценить коэффициент модуляции AM синусоидального сигнала. Однако тут надо учитывать, что обычно строится спектр не напряжения, а мощности сигнала. Поэтому для вычисления коэффициента модуляции надо использовать следующее выражение:

где Р1 — мощность несущей, Р2 — мощность боковой составляющей.

5.2.7. Анализ спектра сигналов генераторов анализатором спектра реального времени

ный цифровой осциллограф справился с построением спектра АМ-сигнала, но лишь благодаря тому, что несущая частота выбрана не очень высокой.

Рис. 5.18. Пример спектрального анализа выделенной пачки синусоидальных колебаний

Гораздо большие возможности в получении спектров представляют специально предназначенные для этого приборы — анализаторы спектра [ 120]. Некоторые из них имеют аппаратно реализованные фильтры с достаточно узкой полосой частот, что позволяет получать достаточно острые пики на месте спектральных линий. Но чаще наряду с ними используются и программные фильтры — окна. Для получения широкого диапазона частот используется гетеродинный принцип преобразования полосы анализируемого сигнала в полосу промежуточных частот.

Рис. 5.19. Пример спектрального анализа выделенной пачки прямоугольных колебаний

Большинство анализаторов спектра умеренной стоимости строит спектр в виде пиков той или иной остроты, расположенных на частотной оси. Таким образом, спектр строится в плоскости уровень—частота. Вид и ширина пиков определяются характеристиками выбранного окна при оконном анализе спектра. Для спектрального анализа нестационарных сигналов, параметры которых меняются во времени, этот способ построения спектра не пригоден принципиально.

В связи с этим в последние годы были созданы анализаторы спектра реального времени, в которых с помощью окон строятся обычные спектры в отдельные моменты времени. Эти спектры суммируются, и строится так называемая спектрограмма — картина мгновенных спектров в плоскости частота-время с представлением амплитуды в каждой точке спектрограммы оттенками цвета (либо с трехмерным представлением спектра). Такой подход обеспечивает контроль изменений спектра во времени на некотором промежутке времени, зависящем от объема памяти, в которой хранятся спектры для выбранных моментов времени. Минимальное значение этого времени обычно составляет несколько секунд.

Рис. 5.20. Пример построения спектра АМ-сигнала

Именно этот подход, разумеется, с сохранением всех возможностей построения обычных спектров, реализуется в анализаторах спектра реального времени корпорации Tektronix (см. раздел 5.1.4). Не вдаваясь далеко в обширные применения этихдо- рогих и пока у нас редких приборов, рассмотрим несколько примеров их применения для спектрального анализа сигналов от генераторов типа AFG3000.

На рис. 5.21 представлен экран анализатора спектра реального времени RSA6100A корпорации Tektronix в режиме анализа спектра прямоугольного импульса со скважностью 10, поданного на вход анализатора спектра с выхода генератора AFG3152. Нужный диапазон частот выбирается выбором центральной частоты Central и полосы обзора Span. Разрешающая способность, задающая ширину пиков спектра, задается параметром RBW.

На рис. 5.21 представлены четыре формы представления спектров и иных характеристик из множества присущих этому анализатору спектров. Перечислим их слева-направо и сверху-вниз: зависимость амплитуды (мощности) сигнала от времени, спектрограмма, DPX спектр с использованием технологии цифрового фосфора и обычный спектр.

Зависимость мощности сигнала во времени, к сожалению, строится некачественно из-за ограничения полосы частот спектрального анализа, влияния шумов и артефактов преобразованного сигнала. Довольно редко она похожа на осциллограмму исследуемого сигнала. Спектрограмма — главное ноу-хау анализаторов спектра реального времени. В спектрограмме рис. 5.21 отчетливо видна стационарность исследуемого сигнала: все его спектральные линии выглядят как вертикальные линии, что указывает на отсутствие изменений их частоты во времени.

Рис. 5.21. Пример анализа спектра прямоугольного импульса со скважностью 10 с помощью анализатора спектра RSA6100A

DPX спектр — тоже новинка данных анализаторов спектра. Этот спектр динамический и постоянно меняется во времени (даже в случае стационарных сигналов их спектр меняется из-за присутствия шумов). При этом для отображения спектров используется технология цифрового фосфора, имитирующего послесвечение электрон- но-лучевой трубки. Скорость спектрального анализа по этой технологии в тысячи раз превосходит скорость обычного спектрального анализа (его результат также представлен в окне, расположенном справа и снизу). На рис. 5.22 показано построение DPX спектра отдельно с выводом панели установки параметров спектрального анализа (она показана внизу).

На рис. 5.22 показано также применение маркера для измерений уровня 11-ой гармоники спектра. Маркер можно перемещать по горизонтали. Возможна автоматическая его фиксация на пиках спектра. Обратите внимание на то, что в спектре явно нет 10-ой гармоники. Это полностью соответствует теоретическому виду спектра прямоугольных импульсов со скважностью, равной 10.

Разумеется, возможности этих анализаторов спектра нового поколения проявляются больше в тех случаях, когда обычные анализаторы спектра, в том числе программные цифровых осциллографов, дают недостаточно четкие результаты. На рис. 5.23 показан пример обнаружения спектра синусоидального сигнала с частотой 30 МГц от генератора AFG3152 в полосе частот 40 МГц эфира. На обычном спектре и спектрограмме отчетливо видна линия сигнала генератора (на нее установлен маркер). Но в тоже время видны хаотические и нестационарные спектры различных источников электромагнитного излучения в указанной полосе частот. Характерен, к примеру, довольно широкий пик спектра с частотой в его центре около 10 МГц.

Рис. 5.22. Пример получения DPX спектра (сверху) и вывода панели установки параметров спектрального анализа (снизу)

Как уже отмечалось, большие трудности представляет анализ спектра амплитудно- модулированных сигналов, когда важны малые полосы частот разрешения RBW. Анализаторы спектра RSA6100A позволяют задавать полосы RBW вплоть до 1 Гц, что позволяет осуществлять очень детальный анализ спектров. Однако при таких полосах разрешения анализ спектра происходит очень медленно. На рис. 5.24 показан пример анализа спектра АМ-сигнала от генератора AFG3152 RBW=100 Гц. Этого разрешения оказалось вполне достаточно для четкого выделения линий несущей и боковых линий. Анализировался синусоидальный сигнал с несущей 10 МГц, промодулированный синусоидальным сигналом 10 МГц при 100%-ном коэффициенте модуляции.

Еще один интересный случай показан на рис. 5.25. Здесь на спектрограмме в первой половине анализа просматривался спектр широкополосного сигнала с частотной модуляцией синусоидальных сигналов. На спектрограмме отчетливо виден момент переключения и фрагмент спектрограммы для уже исчезнувшего сигнала. Внизу виден спектр сигнала с синусоидальной частотной модуляцией. Этот пример хорошо иллюстрирует применение анализатора спектра реального времени для анализа нестационарного сигнала с нестационарным спектром.

Рис. 5.23. Пример анализа спектра множества сигналов в полосе частот 40МГц

Рис. 5.24. Пример анализа спектра АМ-сигнала

Рис. 5.25. Пример анализа спектра нестационарного сигнала

Время, в течение которого спектрограмма дает спектр в реальном масштабе времени, зависит от ширины полосы просмотра спектра и объема памяти под спектрограмму. Например, для рис. 5.25 оно составляет 16,493 с, из которых 8,778 с приходится на вторую половину анализа.

Источник: Дьяконов В. П.  Генерация и генераторы сигналов / В. П. Дьяконов. — М. : ДМК Пресс, 2009. — 384 е., ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты