Современная лаборатория разработчика электронных устройств

February 10, 2012 by admin Комментировать »

5.1.1. Назначение лаборатории

В последнее время у нас заметно оживился интерес к разработке электронных устройств. Ею занимаются как радиолюбители (начинающие и опытные), так и специалисты. Для настройки и тестирования современной электронной аппаратуры, проведения исследований в области радиоэлектроники и для изучения физических процессов в технических устройствах и системах требуются самые разнообразные электро- и радиоизмерительные приборы. В первую очередь, наряду со ставшими общедоступными мультиметрами, для лаборатории разработчика электронных схем нужны электронные осциллографы и источники сигналов самой разнообразной формы [102].

Невозможно в пределах одной книги отразить разнообразие вариантов построения лабораторий с применением огромного числа измерительных приборов самых различных фирм. Поэтому ниже описаны примеры создания некоторых типовых лабораторий на основе измерительных приборов корпорации Tektronix. Приборы этой фирмы широко распространены во всем мире и имеют нередко непревзойденные параметры. Тем не менее, выбор приборов этой фирмы не более чем пример удачного укомплектования лабораторий измерительными приборами. Разумеется, и приборы других ведущих фирм, например Agilent Technologies, ROHDE&SCHWARZ, LeCroy и других могут с успехом применяться в современных лабораториях.

Функциональная схема типичной лаборатории для исследования и тестирования электронных устройств показана на рис. 5.1. Основой лаборатории является генератор сигналов и осциллограф. Сигнал от генератора сигналов через канал передачи сигнала с его выходом подается на вход испытуемого устройства. Сигнал с выхода последнего подается на вход осциллографа — обычно цифрового. Для автоматизации измерений обычно приборы объединяются в локальную сеть с помощью интерфейсов GPIB/LAN. К ним может быть подключен и персональный компьютер — в последнее время для этого широко используется интерфейс универсальной последовательной шины USB.

Рис. 5.1. Функциональная схема типичной лаборатории для исследования и тестирования электронных устройств

Выбор этих приборов в наше время весьма велик. К примеру, осциллографические приборы представлены ныне аналоговыми, аналого-цифровыми и цифровыми моделями, осциллографами смешанных сигналов, логическими анализаторами, анализаторами сигналов и спектров и т. д. Современные функциональные генераторы способны генерировать сигналы трех-пяти простых форм, таких как синусоидальная, прямоугольная и треугольная. Звуковые, ВЧ- и СВЧ-генераторы генерируют синусоидальные сигналы с высокой стабильностью в широком диапазоне частот. Однако это только очень малая часть сигналов, которые могут потребоваться в практике выполнения измерений и отладки сложных устройств и систем. Особенно это важно при технологических измерениях в промышленности, когда необходима высокая степень автоматизации измерений и быстрая перестройка параметров измерительной аппаратуры.

5.1.2. Лаборатория начального уровня

Для построения лаборатории начального уровня следует учитывать, что измерительные приборы — довольно дорогостоящие изделия. Минимум приборов в лаборатории начального уровня включает в себя мультиметр, генераторы НЧ- и ВЧ-сигналов, импульсный генератор и универсальный или сервисный осциллограф. Вполне приличные, хотя уже не современные, НЧ- и ВЧ-генераторы советской разработки можно ныне приобрести через интернет-магазины ряда фирм. После распада СССР огромные складские запасы этих приборов оказались доступными и ныне распродаются по вполне умеренным ценам.

Если качество сигналов не столь важно, то полезным может оказаться генератор синусоидальных колебаний с частотами от 0,1 до 150 МГц (с гармониками до 450 МГц) GRG-450B фирмы Goodwill (рис. 1.26 см. в разделе 1.5.4). Эта фирма, кстати, поставляет на наш рынок множество сравнительно дешевых (бюджетных) моделей измерительных приборов: генераторов различных сигналов, осциллографов, анализаторов спектраидр. На российском рынке можно найти подобные приборы и другой фирмы — МСР. Это ВЧ-генераторы HG-1500/1500D (см. раздел 1.5.3).

В качестве источника сигналов нескольких форм целесообразно приобрести функциональный генератор. Большинство таких генераторов генерирует сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной форм в диапазоне частот от долей Гц до 2—5 МГц. Однако есть и модели с частотами до 15—20 МГц, например генераторы фирмы МЕТЕХ MSG-9810А/9816А (частоты до 10/16 МГц). Объединение АКТАКОМ выпускает целую серию функциональных генераторов АНР-1001/1002/1003/1012 с диапазоном частот от долей Гц до 2, 15 и даже 20 МГц. Все эти приборы могут использоваться как генератор качающейся частоты для построения (совместно с осциллографом) измерителя амплитудно-частотных характеристик исследуемых цепей или схем.

К довольно дешевым осциллографам относятся китайские приборы серии МСР (ОСУ), например, 2-канальный 20 МГц осциллограф ОСУ-20. Даже в лаборатории начального уровня важной является передача результатов вычислений прямо в ПК. К сожалению, обычные осциллографы эту возможность не обеспечивают. Хотя у многих приборов предусмотрен выход аналогового сигнала с канала Y, который можно с помощью дополнительных плат дискретизировать и использовать для ввода в ПК.

Достаточно эффективную и не слишком дорогую лабораторию можно создать на основе виртуальных функциональных генераторов и осциллографов, выполненных в виде приставок к ПК. На нашем рынке представлены такие лаборатории на основе приставок к ПК фирмы Velleman и виртуальная лаборатория на базе прибора АСК-4106, который является комбинацией двухканального функционального генератора (частоты от Гц до 10 МГц) с двухканальным 100 МГц цифровым запоминающим осциллографом.

Обширная номенклатура виртуальных измерительных устройств выпускается под торговой маркой АКТАКОМ (www.aktakom.ru). Это 2—4-канальные аналоговые и цифровые осциллографы, генераторы, осциллографы смешанных сигналов, логические анализаторы, функциональные генераторы, генераторы телевизионных сигналов, управляемые от компьютера источники питания и другие приборы. Их стоимость заметно меньше таких специализированных приборов и они дают естественную возможность совместной работы с ПК с помощью специального, поставляемого с ними, программного обеспечения.

5.1.3 Лаборатория среднего уровня

Лаборатории среднего уровня для опытных радиолюбителей, научных и образовательных организаций должны быть обеспечены десятками различных измерительных приборов в соответствии с их профессиональной деятельностью. Попробуем оценить тот минимум приборов, который необходим для исследования и отладки устройств (схем) общего и промышленного применения, работающих в диапазоне частот от долей герца до 200—300 МГц. Заметим, что в этом диапазоне частот работает информационная часть бытовых электронных приборов, в частности радиоприемных и телевизионных устройств, DVD- и МРЗ-плееров, устройств силовой электроники и др. Эти частоты характерны и для радиотрактов радиовещательных и телевизионных приемников.

Прежде всего, в такой лаборатории нужны источники разнообразных сигналов. Это генераторы звуковых, инфразвуковых, ультразвуковых, ВЧ и СВЧ синусоидальных колебаний, генераторы импульсов различной формы, длительности и частоты, функциональные генераторы, генераторы качающейся частоты и, наконец, программируемые генераторы сигналов произвольной формы. Приобретение всех этих приборов не только влетит в копеечку (точнее, во многие тысячи долларов), но и потребует организации нескольких рабочих мест, заставленных всеми указанными приборами. А это далеко не всегда допустимо, поскольку площадь рабочих помещений в наше время стоит довольно дорого.

В последнее время появился реальный выход из этого положения. Корпорация Tektronix — один из лидеров в области разработки и производства высококачественных измерительных приборов, недавно выпустила на рынок серию генераторов произвольных сигналов AFG3000 (рис. 4.6) с умеренной (для этого класса приборов) стоимостью.

Выпускаются одноканальные и двухканальные приборы. Двухканальные генераторы способны формировать независимые сигналы по обоим каналам, в том числе и синхронные (например, дифференциальные или сигналы с заданным сдвигом фазы между ними). Возможна синхронная работа многих генераторов для создания нескольких серий сигналов. Основные технические характеристики разных моделей генераторов серии AFG3000 представлены на рис. 4.9.

Генераторы имеют самый современный, простой и наглядный интерфейс пользователя, подобный интерфейсу пользователя современных цифровых осциллографов. Большой жидкокристаллический цветной дисплей (только у модели AFG3021 он чер- но-белый) с размером по диагонали 5,6 дюйма отображает достаточно крупными знаками основные параметры сигналов и режимы работы генераторов и представляет форму создаваемых сигналов. Интерфейс генератора может иметь надписи на 8 языках, включая русский. Для изменения языка надписей на передней панели поставляется накладка, которая крепится на передней панели прибора. Таким образом, локализация приборов под условия России успешно решена.

У генераторов возможно изменение фазы синусоидального и иного периодического сигнала от -180,00° до +180,00°, осуществление амплитудной, частотной и фазовой модуляции, а также частотной манипуляции. Для импульсных сигналов возможна еще и широтно-импульсная модуляция, которая широко используется в преобразовательных устройствах для управления мощностью в нагрузке, например для изменения яркости свечения светодиодов или изменения температуры нагрева нагревателей в электрических печах.

Обновление микропрограммного обеспечения генераторов позволяет снизить минимальные частоты и разрешение по частоте до 1 мкГц и расширить диапазон изменения скважности импульсов. Возможна модуляция синусоидальных и других сигналов (кроме сигнала шума и постоянного напряжения).

Всего генераторы серии AFG3000 имеют 12 стандартных форм сигналов. Все они полезны и позволяют использовать генераторы для самых разнообразных сервисных, научных и учебных целей. Так, у импульсных сигналов раздельно регулируются времена нарастания и спада, длительность и частота, коэффициент заполнения и временная задержка. Это позволяет использовать прибор как универсальный генератор импульсных сигналов трапецеидальной формы.

Инструкция по эксплуатации прибора, кстати, поставляемая и на русском языке, достаточно подробно описывает применение генераторов AFG3000 как самостоятельных приборов. Однако их возможности наиболее полно раскрываются при совместной работе с ПК. При этом возможно дистанционное управление генератором (в том числе по сети), задание и редактирование пользователем сигналов произвольной формы и генерация сигналов, полученных от цифровых осциллографов фирмы Tektronix. Для этого используется программа ArbExpress ™, входящая в поставку генератора. Для использования этих возможностей требуется инсталляция программы (вполне заурядная) и подключение генератора к свободному USB-разъему компьютера. Требования к ПК вполне обычные, и любой современный ПК им удовлетворяет.

Пожалуй, оптимальным (по возможностям и цене) типом осциллографа для данной лаборатории является цифровой запоминающий осциллограф из серии Tektronix TDS 1000В/2000В (рис. 5.2). Такой прибор лучше всего сочетается с генераторами серии AFG3000 по электрическим параметрам (прежде всего, диапазону частот исследуемых сигналов), а также и по типу подключения ПК (через скоростной USB-порт и шину) и по применяемому программному обеспечению. Приобретая осциллограф другой фирмы, вы рискуете потерей совместимости по программному обеспечению.

Основные технические характеристики осциллографов серии TDS 1000В/2000В представлены в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Параметры массовых осциллографов серии TDS1000B/2000B

корпорации Tektronix

Модель

Число каналов

Полоса частот

Частота выборки

Экран дисплея

TDS1001B

2

40 МГц

0,5 Гвыб/с

Монохромный

TDS1002В

2

60 МГц

1 Гвыб/с

Монохромный

TDS1012B

2

100 МГц

1 Гвыб/с

Монохромный

TDS2002B

2

60 МГц

1 Гвыб/с

Цветной

Модель

Число каналов

Полоса частот

Частота выборки

Экран дисплея

TDS2004B

4

60 МГц

1 Гвыб/с

Цветной

TDS2012B

3

100 МГц

1 Гвыб/с

Цветной

TDS2014B

4

100 МГц

1 Гвыб/с

Цветной

TDS2022B

2

200 МГц

2 Гвыб/с

Цветной

TDS2024B 4                                                  200 МГц                         2 Гвыб/с                            Цветной

Рис. 5.2. Внешний вид цифровых запоминающих осциллографов серий TDS1000В/ 2000В фирмы Tektronix

Стоимость этих 2—4-канальных приборов в пределах от 1 до 2,5 тысяч долларов. Полоса частот приборов от 40 до 200 МГц и время нарастания до 1,8 не открывают возможности исследования и отладки огромного числа схем на различных полупроводниковых и иных приборах и микросхемах. Похожие по внешнему виду и возможностям осциллографы TPS1000/2000 имеют входы с гальванической развязкой и возможность питания от аккумуляторной батареи. Они очень удобны для исследования и тестирования источников электропитания и различных устройств энергетики и промышленной электроники. Приборы имеют возможность проведения курсорных измерений, 11 автоматических измерений и встроенный цифровой частотомер.

На рис. 5.3 показана копия экрана 4-канального 200 МГц осциллографа TDS 2024, представляющая семейство из четырех осциллограмм, иллюстрирующих работу делителя частоты на основе релаксационного генератора. Опытный взгляд улавливает дискретность осциллограмм — разрядность кодирования по вертикали у этих приборов равна 8 бит, т. е. число ступенек в пределах экрана равно 256.

Рис. 5.3. Копия экрана 4-канального 200МГц осциллографа TDS 2024

Большинство современных цифровых осциллографов реализует быстрое преобразование Фурье (БПФ) — особый алгоритм дискретного преобразования Фурье (ДПФ), позволяющий уменьшить число комплексных умножения до (N/l)’\og2N. Это достигается, если число отсчетов составляет Ik, где к— целое число. Обычное ДПФ требует N2 комплексных умножений. Резкое уменьшение времени БПФ позволило реализовать его в цифровых осциллографах и превратить их анализатор спектра для массовых применений. Для повышения разрешающей способности спектрального анализа используется оконное преобразование с окнами различного типа (прямоугольным, Ханнинга, Блэкмана и др.).

На рис. 5.4 показана спектрограмма прямоугольных импульсов, полученная с помощью осциллографа TDS-2024B. Используется окно Ханнинга. Нетрудно заметить, что у данного осциллографа спектрограмма очень напоминает ее классическое изображение в виде вертикальных линий с частотами, соответствующими частотами гармоник (см. рис. 2.3). К сожалению, так бывает далеко не всегда — часто линии спектра имеют вид плавных пиков, расположенных на шумовой дорожке.

Рис. 5.4. Копия экрана осциллографа TDS 2024 с представлением спектра прямоугольного импульса

Приемлемым ценовым диапазоном характерны и цифровые запоминающие осциллографы серии TDS/DPO 3000 с технологией цифрового фосфора (DPO). Они выпускаются с максимальными частотами исследуемых сигналов от 100 до 500 МГц и частотами дискретизации от 1,25 до 5 ГГц. К сожалению, стоимость старших моделей этих приборов достигает 13—14 тысяч долларов.

Внешний вид осциллографа TDS 3054 из серии TDS 3000 показан на рис. 5.5. На экране осциллографа видна осциллограмма телевизионного сигнала в виде набора сигналов из большого числа строк. Синхроимпульсы при этом сливаются, а вот видеосигналы строк различны и накладываются друг на друга благодаря применению технологии DPO. Часто это позволяет выявить аномалии исследуемого сигнала.

Разумеется, отмеченные выше приборы являются далеко не единственными, но одними из лучших в среднем классе. Прекрасные генераторы сигналов и осциллографы выпускают конкуренты корпорации Tektronix — фирмы Agilent Technologies, LeCroy и др. Однако не стоит приобретать приборы хаотично — это может привести к многочисленным нестыковкам в их совместном использовании с ПК и друг с другом. Рекомендуется приобретать приборы одной известной фирмы.

Рис. 5.5. Внешний вид осциллографа TDS-3000

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