62744 (Приборы для радиоизмерения), страница 3

наличие внутреннего и внешнего смещения тестового сигнала постоянным напряжением (например, необходимо для измерения емкости варикапов);

возможность связи прибора с персональным компьютером для документирования результатов измерения или программной обработки результатов измерения (например, построение графиков зависимости емкости или индуктивности от температуры в реальном масштабе времени и т.п.)

возможность программирования прибора для сортировки и отбраковки компонентов на производстве; возможность подключения механического манипулятора.

Принцип измерения всех измерителей импеданса (иммитанса) основан на анализе прохождения тестового сигнала с заданной частотой через цепь, обладающую комплексным сопротивлением и последующим сравнением с опорным напряжением.

Напряжение рабочей частоты с внутреннего генератора подается на измеряемый объект и на объекте измеряется напряжение. Ток, протекающий через объект, с помощью внутреннего преобразователя ток-напряжение преобразуется в напряжение. Измерение отношения этих двух напряжений и дает полное сопротивление цепи.

Графическое представление полного сопротивления представлено на рисунке 8. Как видно на рис.1, полное сопротивление Z состоит из двух компонентов. Один это активное сопротивление RS, второй реактивное сопротивление XS.

Рисунок 8 - графическое представление полного сопротивления.

Комплексное сопротивление Z определяется как:

(формула № 1)

Из формулы 1 следует, что:

Активное сопротивление RS связано с комплексным сопротивлением как:

(формула № 2)

И соответственно реактивное сопротивление XS связано с комплексным сопротивлением как:

(формула № 3)

где Θ - угол между активным и комплексным сопротивлением.

Из рис.1 так же следует, что комплексное сопротивление связано с активным и реактивным как:

(формула № 4)

Существует два типа реактивного сопротивления емкостное XС и индуктивное XL. Исходя из параметров емкости, индуктивности и частоты они определяются как:

(формула № 5)

(формула № 6)

Где C (L) - значение емкости (индуктивности),

f - частота на которой измеряется реактивное сопротивление.

Из практики измерения известно, что наиболее оптимальным, сточки зрения погрешности измерения, является измерение сопротивлений в пределах от 0,1 Ом до 10 МОм. Измерение сопротивления ниже 0,1 Ом требует применения специальных методов с большими токами, а измерение сопротивления выше 10 Мом требует более высокого напряжения. Из формул 5 и 6 следует, что для измерения малых индуктивностей и емкостей следует использовать более высокие частоты, а для измерения больших емкостей и больших индуктивностей наоборот более низкие.

Формулы 5 и 6 определяют значение реактивных сопротивлений для идеальных емкостей и индуктивностей. Реально каждая ёмкость имеет свое внутреннее конечное сопротивление между пластинами, которое приводит к возникновению внутренних утечек. Это сопротивление зависит от частоты. Очевидно, что чем меньше это сопротивление, тем лучше ёмкость. Аналогично и для индуктивности, любая индуктивность имеет активное сопротивление витков, магнитный поток рассеивания и другие параметры, влияющие на отклонение идеальной индуктивности от реальной. Для оценки степени внутренних потерь в емкостях и индуктивностях вводят параметр тангенс угла потерь (или тангенс угла диэлектрических потерь). Для последовательной схемы замещения (понятие последовательной и параллельной схемы замещения следует ниже) определяется как:

(формула № 7)

(формула № 8)

Для параллельной схемы замещения, формулы расчета тангенса потерь имеют обратный вид:

(формула № 9)

(формула № 10)

Существует второй параметр, определяющий потери в реактивных элементах - это добротность. Добротность это величина обратная тангенсу угла потерь:

(формула № 11)

Исторически сложилось так, что потери в емкости оценивают по тангенсу угла потерь, а в индуктивности по величине добротности, хотя, еще раз подчеркнем, эти величины являются обратными друг другу и для емкости возможно понятие добротность, так же как и для индуктивности возможно понятие тангенса угла потерь.

Формулы c № 1 по № 11 определяют основные понятия и взаимосвязи из области измерения комплексных и реактивных сопротивлений.

В практике измерения комплексных сопротивлений также существуют понятия параллельной или последовательной схемы замещения. Она представляет собой схему, на которой отражены все возможные сопротивления (как активные так и реактивные) оказывающие влияние на полное сопротивление цепи или компонента. Выбор схемы замещения зависит от частоты сигнала в цепи и учитывает, какое реактивное сопротивление при этой частоте оказывает большее влияние. Так, например, для емкости, схема замещения включает последовательное сопротивление выводов, обладающих как активным так и индуктивным характером, собственно ёмкость, а так же параллельное обкладкам емкости паразитное сопротивление. При достаточно большой емкости и небольшой частоте, паразитная индуктивность выводов не оказывает практически никакого влияния на комплексное сопротивление (см. формулу 5), но при увеличении частоты, когда реактивное сопротивление емкости уменьшается (см. формулу 6), а реактивное сопротивление индуктивности увеличивается, характер сопротивления, а следовательно и результат измерения емкости может быть существенно искажен.

Из всего сказанного выше, следует, что при проведении измерений с помощью измерителя RLC необходимо учитывать следующее:

Выбор частоты измерения емкости и индуктивности должен быть осуществлен грамотно, с учетом величин этих элементов.

Для достижения более низкой погрешности измерения, малые значения индуктивности (мкГн) и емкости (пФ) следует измерять на более высоких частотах, а большие значения индуктивности (Гн) и емкости (мФ) следует измерять на более низких частотах.

Так же корректно должна быть выбрана и схема замещения. При больших значениях индуктивности (Гн) и емкости (мФ) следует выбрать параллельную схему замещения. При малых значениях индуктивности (мкГн) и емкости (пФ) следует выбирать последовательную схему замещения.

Пренебрежение этими правилами значительно искажает достоверность измерения.

В настоящий момент на рынке средств измерения присутствует достаточное количество измерителей RLC, отличающихся как ценой, так и функциональными возможностями.

5. Аналоговые измерители спектральной плотности мощности случайного сигнала (метод фильтрации, по корреляционной функции): схемы, принцип действия

В диапазоне СВЧ наблюдение формы сигнала (зависимости его во времени) не позволяет получить полную информацию о нем. Так, осциллограмма радиосигнала с частотной модуляцией практически мало отличим от синусоидального сигнала, наличие в составе сигнала дополнительных гармонических составляющих маскируется большой величиной гармоники несущей частоты и пр. Анализ спектральных характеристик радиосигналов в диапазоне СВЧ более информативен и позволяет измерить его мощность, частоту, коэффициент модуляции и пр. Практически анализатор спектра в СВЧ диапазоне является таким же универсальным прибором для исследования радиосигналов, каким на низких частотах является осциллограф.

Напомним спектральные характеристики радиосигнала. Для сигнала u (t) вводят спектральную функцию (или спектральную плотность), определяемую прямым преобразованием Фурье.

Эта функция комплексная, имеет размерность В/Гц и представляет распределение амплитуд и фаз гармонических составляющих по частотной оси. Спектральная функция существует при абсолютной интегрируемости функции сигнала. Для реальных сигналов это условие обычно всегда выполняется.

Спектральная функция- это функционал уже закончившегося процесса (интеграл берется до "бесконечного" времени). В реальных условиях измерять можно только текущий частотный спектр

характеризующий незаконченный процесс. Чаще измеряют модуль этого выражения - его называют амплитудной спектральной функцией или амплитудным спектром сигнала. Фазу измерить сложнее, поэтому в стандартных измерительных задачах этого не делают.

Для периодических бесконечных сигналов спектральная функция представляет собой последовательность дельта-функций, смещенных друг относительно друга на частоту повторения сигнала. Для этого случая используют спектральное представление в виде ряда Фурье:

где T - период повторения сигнала (u (t ± kT) = u (t), k = 0,1,2,3).

Ряд Фурье представляет собой совокупность гармонических колебаний с кратными частотами. Составляющая с нулевой частотой U0 является постоянной составляющей сигнала. Последовательности амплитуд Un и начальных фаз φn гармоник представляют собой амплитудный и фазовый спектры периодических сигналов.

Особый класс сигналов, который исследуется в спектральном представлении - это шумовые и случайные сигналы. Важной характеристикой шумового сигнала является его спектральная плотность мощности:

Здесь S (w,T) - спектральная плотность реализации случайного процесса на интервале [-T/2,T/2]. Размерность спектральной плотности мощности [В2·с] совпадает с размерностью энергии сигнала, поэтому иногда говорят об энергетическом спектре случайного сигнала. Фактически это характеристика распределения мощности случайного сигнала по частоте.

Сформулируем измерительные задачи спектрального анализа сигналов СВЧ. Это определение амплитуд и частот гармонических составляющих периодических сигналов, измерение амплитудной спектральной функции непериодических сигналов и спектральной плотности мощности случайных сигналов.

Стандартные анализаторы спектра СВЧ диапазона строятся преимущественно по принципу последовательного анализа. Спектральные составляющие выделяют узкополосным фильтром. Фактически такой прибор является узкополосным селективным вольтметром с супергетеродинным принципом перестройки по частоте. Используют электронную перестройку частоты и панорамный принцип индикации результата. На выходе фильтра ставят измеритель уровня (квадратичный детектор). Результат измерения подают на отсчетное устройство - осциллографический индикатор.

Структурная схема прибора с последовательным методом анализа представлена на рисунке 8.

Рисунок.8 - Структурная схема анализатора спектра последовательного типа.

Она напоминает схему измерителя АЧХ (анализатора цепей СВЧ). Управление перестройкой частоты гетеродина производится генератором пилообразного напряжения uупр (t). Он задает время анализа Ta, то есть время, за которое анализатор сканирует заданный диапазон частот спектра (полосу анализа Δfа). Этим же напряжением производят горизонтальное отклонение луча осциллографического индикатора. Гетеродин является генератором качающейся частоты (ГКЧ) с постоянной амплитудой и меняющейся по линейному закону частотой

Сигнал с ГКЧ поступает на смеситель. Предположим, что на вход анализатора подан синусоидальный сигнал с частотой fс. Тогда на выходе смесителя возникают колебания с комбинационными частотами, в том числе с разностной частотой fс - fг (t). Сигнал с разностной (и меняющейся во времени) частотой подают на вход узкополосного УПЧ, который и производит процедуру частотного анализа спектра. Закон изменения частоты от времени показан на графике, где для наглядности ось времени повернута вниз.