Опорная частота. Стариков о

Согласно последним данным статистики примерно 70% всей выработанной электроэнергии в мире потребляет электропривод. И с каждым годом этот процент растет.

При правильно подобранном способе управления электродвигателем возможно получение максимального КПД, максимального крутящего момента на валу электромашины, и при этом повысится общая производительность механизма. Эффективно работающие электродвигатели потребляют минимум электроэнергии и обеспечивают максимальную экономичность.

Для электродвигателей, работающих от преобразователя частоты ПЧ, эффективность во многом будет зависеть от выбранного способа управления электрической машиной. Только поняв достоинства каждого способа, инженеры и проектировщики систем электроприводов смогут получить максимальную производительность от каждого способа управления.
Содержание:

Способы контроля

Многие люди, работающие в сфере автоматизации, но не сталкивающиеся вплотную с процессами разработки и внедрения систем электроприводов полагают, что управление электродвигателем состоит из последовательности команд, вводимых с помощью интерфейса от пульта управления или ПК. Да, с точки зрения общей иерархии управления автоматизированной системой это правильно, однако есть еще способы управления самим электродвигателем. Именно эти способы и будут оказывать максимальное влияние на производительность всей системы.

Для асинхронных электродвигателей, подключенных к преобразователю частоты, существует четыре основных способа управления:

• U/f – вольт на герц;
• U/f с энкодером;
• Векторное управление с разомкнутым контуром;
• Векторное управление с замкнутым контуром;

Все четыре метода используют широтно-импульсную модуляцию ШИМ, которая изменяет ширину фиксированного сигнала путем изменения длительности импульсов для создания аналогового сигнала.

Широтно-импульсная модуляция применяется к преобразователю частоты путем использования фиксированного напряжения шины постоянного тока. путем быстрого открытия и закрытия (правильней сказать коммутации) генерируют выходные импульсы. Варьируя ширину этих импульсов на выходе получают «синусоиду» нужной частоты. Даже если форма выходного напряжения транзисторов импульсная, то ток все равно получается в виде синусоиды, так как электродвигатель имеет индуктивность, которая влияет на форму тока. Все методы управления основываются на ШИМ модуляции. Разница между методами управления заключается лишь в методе вычисления подаваемого напряжения на электродвигатель.

В данном случае несущая частота (показана красным) представляет собой максимальную частоту коммутации транзисторов. Несущая частота для инверторов, как правило, лежит в пределах 2 кГц – 15 кГц. Опорная частота (показана синим) представляет собой сигнал задания выходной частоты. Для инверторов применимых в обычных системах электроприводов, как правило, лежит в пределах 0 Гц – 60 Гц. При накладывании сигналов двух частот друг на друга, будет выдаваться сигнал открывания транзистора (обозначен черным цветом), который подводит силовое напряжение к электродвигателю.

Способ управления U/F

Управление вольт-на-герц, наиболее часто называемое как U/F, пожалуй, самый простой способ регулирования. Он часто используется в несложных системах электропривода из-за своей простоты и минимального количества необходимых для работы параметров. Такой способ управления не требует обязательной установки энкодера и обязательных настроек для частотно-регулируемого электропривода (но рекомендовано). Это приводит к меньшим затратам на вспомогательное оборудование (датчики, провода обратных связей, реле и так далее). Управление U/F довольно часто применяют в высокочастотном оборудовании, например, его часто используют в станках с ЧПУ для привода вращения шпинделя.

Модель с постоянным моментом вращения имеет постоянный вращающий момент во всем диапазоне скоростей при одинаковом соотношении U/F. Модель с переменным соотношением вращающего момента имеет более низкое напряжение питания на низких скоростях. Это необходимо для предотвращения насыщения электрической машины.

U/F — это единственный способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя, который позволяет регулирование нескольких электроприводов от одного преобразователя частоты. Соответственно все машины запускаются и останавливаются одновременно и работают с одной частотой.

Но данный способ управления имеет несколько ограничений. Например, при использовании способа регулирования U/F без энкодера нет абсолютно никакой уверенности, что вал асинхронной машины вращается. Кроме того, пусковой момент электрической машины при частоте 3 Гц ограничивается 150%. Да, ограниченного крутящего момента более чем достаточно для применения в большинстве существующего оборудования. Например, практически все вентиляторы и насосы используют способ регулирования U/F.

Данный метод относительно прост из-за его более «свободной» спецификации. Регулирование скорости, как правило, лежит в диапазоне 2% — 3% максимальной выходной частоты. Отклик по скорости рассчитывается на частоту свыше 3 Гц. Скорость реагирования частотного преобразователя определяется быстротой его реакции на изменение опорной частоты. Чем выше скорость реагирования – тем быстрее будет реакция электропривода на изменение задания скорости.

Диапазон регулирования скорости при использовании способа U/F составляет 1:40. Умножив это соотношение на максимальную рабочую частоту электропривода, получим значение минимальной частоты, на которой сможет работать электрическая машина. Например, если максимальное значение частоты 60 Гц, а диапазон составляет 1:40, то минимальное значение частоты составит 1,5 Гц.

Паттерн U/F определяет соотношение частоты и напряжения в процессе работы частотно-регулируемого электропривода. Согласно ему, кривая задания скорости вращения (частота электродвигателя) будет определять помимо значения частоты еще и значения напряжения, подводимого к клеммам электрической машины.

Операторы и технические специалисты могут выбрать необходимый шаблон регулирования U/F одним параметром в современном частотном преобразователе. Предустановленные шаблоны уже оптимизированы под конкретные применения. Также существуют возможности создания своих шаблонов, которые будут оптимизироваться под конкретную систему частотно-регулируемого электропривода или электродвигателя.

Такие устройства как вентиляторы или насосы имеют момент нагрузки, который зависит от скорости их вращения. Переменный крутящий момент (рисунок выше) шаблона U/F предотвращает ошибки регулирования и повышает эффективность. Эта модель регулирования уменьшает токи намагничивания на низких частотах за счет снижения напряжения на электрической машине.

Механизмы с постоянным крутящим моментом, такие как конвейеры, экструдеры и другое оборудование используют способ регулирования с постоянным моментом. При постоянной нагрузке необходим полный ток намагничивания на всех скоростях. Соответственно характеристика имеет прямой наклон во всем диапазоне скоростей.

Способ управления U/F с энкодером

Если необходимо повысить точность регулирования скорости вращения в систему управления добавляют энкодер. Введение обратной связи по скорости с помощью энкодера позволяет повысить точность регулирования до 0,03%. Выходное напряжение по-прежнему будет определятся заданным шаблоном U/F.

Данный способ управления не получил широкого применения, так как представляемые им преимущества по сравнению со стандартными функциями U/F минимальны. Пусковой момент, скорость отклика и диапазон регулирования скорости – все идентично со стандартным U/F. Кроме того, при повышении рабочих частот могут возникнуть проблемы с работой энкодера, так как он имеет ограниченное количество оборотов.

Векторное управление без обратной связи

Векторное управление (ВУ) без обратной связи используется для более широкого и динамичного регулирования скорости электрической машины. При пуске от преобразователя частоты электродвигатели могут развивать пусковой момент в 200% от номинального при частоте всего 0,3 Гц. Это значительно расширяет перечень механизмов, где может быть применен асинхронный электропривод с векторным управлением. Этот метод также позволяет управлять моментом машины во всех четырех квадрантах.

Ограничение вращающего момента осуществляется двигателем. Это необходимо для предотвращения повреждения оборудования, машин или продукции. Значение моментов разбивают на четыре различных квадранта, в зависимости направления вращения электрической машины (вперед или назад) и в зависимости от того, реализует ли электродвигатель . Ограничения могут устанавливаться для каждого квадранта отдельно или же пользователь может задать общий вращающий момент в преобразователе частоты.

Двигательный режим асинхронной машины будет при условии, что магнитное поле ротора отстает от магнитного поля статора. Если магнитное поле ротора начнет опережать магнитное поле статора, то тогда машина войдет в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии, проще говоря – асинхронный двигатель перейдет в генераторный режим.

Например, машина по закупорке бутылок может использовать ограничение момента в квадранте 1 (направление вперед с положительным моментом) для предотвращения чрезмерного затягивания крышки бутылки. Механизм производит движение вперед и использует положительный момент для того, чтобы закрутить крышку бутылки. А вот устройство, такое как лифт, с противовесом тяжелее, чем пустая кабина, будет использовать квадрант 2 (обратное вращение и положительный момент). Если кабина подымается на верхний этаж, то крутящий момент будет противоположен скорости. Это необходимо для ограничения скорости подъема и недопущения свободного падения противовеса, так как он тяжелее, чем кабина.

Обратная связь по току в данных преобразователях частоты ПЧ позволяет устанавливать ограничения по моменту и току электродвигателя, поскольку при увеличении тока растет и момент. Выходное напряжение ПЧ может изменятся в сторону увеличения, если механизм требует приложения большего крутящего момента, или уменьшатся, если достигнуто его предельно допустимое значение. Это делает принцип векторного управления асинхронной машиной более гибким и динамичным по сравнению с принципом U/F.

Также частотные преобразователи с векторным управлением и разомкнутым контуром имеют более быстрый отклик по скорости – 10 Гц, что делает возможным его применение в механизмах с ударными нагрузками. Например, в дробилках горной породы нагрузка постоянно меняется и зависит от объема и габаритов обрабатываемой породы.

В отличии от шаблона управления U/F векторное управление использует векторный алгоритм, для определения максимально эффективного напряжения работы электродвигателя.

Векторное управления ВУ решает данную задачу благодаря наличию обратной связи по току двигателя. Как правило, обратная связь по току формируется внутренними трансформаторами тока самого преобразователя частоты ПЧ. Благодаря полученному значению тока преобразователь частоты проводит вычисления вращающего момента и потока электрической машины. Базовый вектор тока двигателя математически расщепляется на вектор тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q).

Используя данные и параметры электрической машины ПЧ вычисляет векторы тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q). Для достижения максимальной производительности, преобразователь частоты должен держать I d и I q разведенными на угол 90 0 . Это существенно, так как sin 90 0 = 1, а значение 1 представляет собой максимальное значение крутящего момента.

В целом векторное управление асинхронным электродвигателем осуществляет более жесткий контроль. Регулирование скорости составляет примерно ±0,2% от максимальной частоты, а диапазон регулирования достигает 1:200, что позволяет сохранять вращающий момент при работе на низких скоростях.

Векторное управление с обратной связью

Векторное управление с обратной связью использует тот же алгоритм управления, что и ВУ без обратной связи. Основное различие заключается в наличии энкодера, что дает возможность частотно-регулируемому электроприводу развивать 200% пусковой момент при скорости 0 об/мин. Этот пункт просто необходим для создания начального момента при трогании с места лифтов, кранов и других подъемных машин, чтоб не допустить просадки груза.

Наличие датчика обратной связи по скорости позволяет увеличить время отклика системы более 50 Гц, а также расширить диапазон регулирования скорости до 1:1500. Также наличие обратной связи позволяет управлять не скоростью электрической машиной, а моментом. В некоторых механизмах именно значение момента имеет большую важность. Например, мотальная машина, механизмы закупорки и другие. В таких устройствах необходимо регулировать момент машины.

Синтезатор предназначен для работы в качестве задающего генератора передатчика для индивидуального радиовещания, и разработан в порядке реализации Рекомендаций круглого стола «Индивидуальное (любительское) радиовещание в России» , прошедшего 18 ноября 2009 года при поддержке Федерального Агентства по печати и массовым коммуникациям.

Часть 1. Параметры, структурная схема и принцип работы.

Часть 2. Элементная база и принципиальная схема.

Часть 3. Конструкция, детали, сборка, регулировка.

Параметры. В диапазонах 200 и 180 метров синтезатор формирует сетку из 40-а радиочастот с шагом 9 кГц, принятом для радиовещания на средних и длинных волнах в соответствии с Международным Регламентом Радиосвязи . Частота (номер канала, кратный 9 КГц) набирается на двух переключателях. Синтезатор выдает половинную частоту с половинной сеткой частот для построения тракта формирования несущей на более низкой частоте, чтобы в предвыходном каскаде передатчика (в удвоителе) перейти на рабочую частоту, а затем подать сигнал на выходной каскад. Такое техническое решение применено для увеличения устойчивости передатчика и упрощения его наладки в любительских условиях.

В диапазоне 200 метров перекрываются частоты: 1449-1620 кГц, в диапазоне 180 метров: 1629-1800 кГц. Стабильность частоты обеспечивается опорным кварцевым генератором на частоту 90 или 180 кГц и при использовании вакуумного резонатора, при комнатной температуре составляет 1,5×10 −6 . С использованием внешнего делителя частоты в синтезаторе можно использовать любые кварцевые резонаторы, которые при делении дают точный номинал частоты 45 кГц. Для подключения внешнего делителя частоты или внешнего опорного генератора на плате синтезатора предусмотрен разрыв цепи сигнала опорной частоты (перемычка П3). Синтезатор выполнен на микросхемах серий ТТЛ. Форма выходного сигнала и его параметры оптимизированы под удобство и простоту построения следующих каскадов АМ радиопередатчика.

Питается синтезатор от нестабилизированного источника с напряжением 15-20 вольт, потребляя ток менее 200 мА. Габаритные размеры 120×104×40 мм.

Поскольку одной из главных целей Индивидуального радиовещания, как любительской деятельности, является увлечение, воспитание и начальное образование будущих специалистов в области радиотехники, радиосвязи и радиовещания, данное описание выполнено с объяснениями теоретических аспектов, и детальным изложением принципов работы устройства. Оно может быть использовано, как одно из пособий при подготовке к квалификационному экзамену по радиотехнике для начинающих и опытных индивидуальных радиовещателей.

Структурная схема (Рис. 1). Синтезатор выполнен на основе фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) аналогового высокочастотного автогенератора с последующим делением частоты сформированного сигнала до нужного номинала. Для формирования сетки частот используется делитель с переменным коэффициентом деления в цепи обратной связи.

Синтезатор включает в себя три структурных звена:

• канал основного сигнала: Генератор, управляемый напряжением (ГУН), Буферный усилитель — формирователь импульсов (БУФИ), Делитель частоты с N = 10, Распределитель импульсов на две последовательности со скважностью 5 и выходной каскад с ключевыми транзисторами.
• канал опорной частоты: Опорный кварцевый генератор (ОКГ) и Делитель с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД), чтобы получить нужный номинал опорной частоты.
• петля обратной связи: Делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), цифровой Частотно-фазовый детектор (ЧФД), аналоговый Фильтр нижних частот (ФНЧ), аналоговый Интегратор, выполненный на операционном усилителе, сигнал с которого управляет варикапами в ГУН.

Работа структурной схемы. Для синтезатора выбрана частота формирования в пять раз выше выходной частоты. Это сделано для ослабления влияния наводок с выхода передатчика на работу ГУН. При таком соотношении частот также удобно формировать на выходе синтезатора две парафазных последовательности импульсов со скважностью 5 на половинной частоте, путем деления и последующего распределения импульсов. Выходной сигнал синтезатора такой формы выбран для того, чтобы значительно упростить построение следующих каскадов передатчика и сократить их количество. Одновременно с этим, деление частоты после ее формирования, сокращает уровень фазовых шумов синтезатора в коэффициент деления раз, что важно для формирования качественного радиовещательного сигнала.

Канал опорной частоты. Поскольку формирование сетки частот идет на пятикратной частоте, то, опорная частота должна быть также в пять раз выше, чем шаг сетки частот, и составляет 9×5 = 45 кГц. Высокостабильные вакуумные кварцевые резонаторы на столь низкую частоту имеют сравнительно большие габариты и неудобны в эксплуатации. Поэтому в схеме присутствует ДФКД, обеспечивающий применение кварцевого резонатора на вдвое или вчетверо большую частоту: 90 или 180 кГц.

Канал основного сигнала. Генерирует пятикратную частоту (7,25-9,0 МГц), преобразует синусоидальные колебания в импульсы со скважностью , близкой к двум (меандр), делит частоту в 10 раз до получения половинной частоты, распределяет импульсы через один для получения скважности 5 на две парафазных последовательности и обеспечивает два мощных выхода, переключающих токи до 200 мА при напряжении до 30 вольт. Такой уровень выходного сигнала необходим, чтобы коммутировать цепи катодов радиоламп предвыходного каскада передатчика.

Собственно, изюминкой этой схемы является идея формирования на выходе синтезатора двух парафазных последовательностей импульсов половинной частоты со скважностью 5 (Рис. 2).

Счетчик (делитель) на 10 построен из счетчика на 5, работающего в коде 1-2-4 и счетного триггера (счетчик на 2), причем, сначала сигнал подается на вход счетчика на 5. Согласно логике работы такого счетчика на его выходе СТ2 имеется последовательность импульсов, период которых равен пяти периодам входного сигнала, а длительность положительного импульса равна двум периодам. То есть, скважность импульсов равна 2,5. Если такую последовательность «рассчитать на первый-второй» и «первые» и «вторые» импульсы направить каждый на свой выход, то в результате получатся две последовательности импульсов, каждая со скважностью 5.

Рассчитывает импульсы на «первый-второй» счетный триггер (делитель на 2). Далее, на двух логических элементах 2И-НЕ выполнен распределитель импульсов. На первые входа обоих логических элементов поступает последовательность с выхода СТ2, а вторые выходы коммутируются счетным триггером в противофазе. Таким образом с выхода логических элементов мы имеем две последовательности импульсов с выхода СТ2, но разобранные через один. То есть, с частотой в два раза меньшей, чем на выходе СТ2. Однако, что замечательно, — обе выходных последовательности сдвинуты по фазе относительно друг друга ровно на половину периода.

А вот теперь — самое интересное. Зачем все это нужно.

Половинная частота выхода синтезатора (разумеется, и с половинной сеткой номиналов частот) нужна для того, чтобы дальнейший усилительный тракт передатчика не работал бы весь на одной частоте, и его даже в любительских условиях, при непрофессионально выполненном монтаже, можно было бы сделать устойчивым к самовозбуждению. То есть, частота синтезатора в дальнейших каскадах передатчика должна удваиваться. Как правило, удвоение частоты производится в предвыходном каскаде уже при значительной мощности сигнала (единицы ватт) и таким образом тракт усиления сигнала выходной частоты содержит всего один каскад. Обратим внимание, что в аналоговых узлах синтезатора нигде нет каскадов, работающих на выходной частоте и подверженных, таким образом, наводкам мощного сигнала с выхода передатчика.

Скважность последовательности импульсов, равная пяти близка к оптимальной при возбуждении колебательного контура удвоителя частоты прямоугольными импульсами. То есть, в ламповом удвоителе частоты, при подаче импульса тока, равного по длительности 1/5 части периода резонансной частоты, в его контуре после каждого импульса будут возникать два периода автоколебаний. Теперь вспомним, что у нас имеются две последовательности таких импульсов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на половину периода. Иными словами, у нас есть возможность с помощью второго источника тока (второй лампы) подпитать контур удвоителя во время второго периода автоколебаний, сделав, таким образом, двухпериодный удвоитель частоты.

Достоинства такой схемы: отсутствие в спектре выходного сигнала половинной частоты и в два раза большая мощность. Эти достоинства позволяют полностью изъять из передатчика тракт усиления на половинной частоте, подключив вход удвоителя (катоды ламп) непосредственно к выходу транзисторных ключей синтезатора (Рис. 3). Это также дает возможность сократить число резонансных колебательных систем в передатчике до одной (в выходном каскаде) при высокой степени чистоты спектра сигнала на выходе передатчика. Применение этого синтезатора позволяет собрать простой, двухламповый, АМ радиопередатчик вполне доступный радиолюбителям и индивидуальным вещателям среднего уровня квалификации.

Мощность транзисторных ключей синтезатора выбрана достаточной для управления по цепи катода такими радиолампами, как 6Ж4, 6Ж4П, 6Ж5П, 6Ж11П, 6П15П, 6П9, 6П37Н или иными ВЧ пентодами, имеющими отдельный вывод защитной сетки, или тетродами; импульс тока катода которых не превышает 300 миллиампер и напряжение запирания лампы не более минус 30 вольт. Для использования в этой схеме непригодны радиолампы, в которых защитная сетка соединена с катодом внутри баллона, а также почти все лучевые тетроды, у которых лучеобразующие пластины также соединены с катодом.

Петля обратной связи. Обеспечивает привязку частоты выходного сигнала синтезатора к опорной частоте с точностью до фазы. Текущий коэффициент пересчета ДПКД определяется соотношением номинала выходной частоты и шагом сетки частот. Число значений ПКД определяется диапазоном перестройки синтезатора, то есть, числом рабочих частот. В нашем случае ПКД изменяется от 160 до 199 плюс 1 на такт загрузки кода КД. Набор частоты в этом случае можно выполнить на двух переключателях: на десять положений — «единицы» и на 4 положения — «десятки». Для синтезатора радиовещательного передатчика, где нужно встать на выбранную частоту и далее не сдвигаться с нее в течение нескольких часов ведения радиопередачи, необходимо обеспечить жесткую фиксацию номинала частоты, поэтому регуляторы с плавной перестройкой здесь нежелательны. В данном синтезаторе фиксация выбранной рабочей частоты достигается набором коэффициента деления с помощью механических переключателей.

Принцип работы ДПКД основан на использовании вычитающих счетчиков с возможностью параллельной записи в них, как в регистр, начального числа. То есть, во время начального такта в счетчик записывается число (требуемый КД) после чего с каждым тактом счета (с каждым входным импульсом) идет вычитание по единичке. Когда текущее число достигает нуля, ДПКД дает команду на новую параллельную запись в счетчик числа, набранного на переключателях. Такт загрузки начального числа добавляет к общему коэффициенту пересчета единичку. Поэтому коэффициент деления получается на единичку больше, чем реально набранное на переключателях число. Для нашего случая это даже удобно.

Теперь посмотрим, как все это работает (Рис. 4). Из предварительно записанного в счетчики числа текущего значения КД (на схеме, на переключателях П1 и П2-3 показано значение 72; добавляем 100 — старший разряд синтезатора, и вычитаем единицу, получаем КД = 171) с каждым приходящим входным импульсом происходит вычитание по единичке. Когда текущее значение числа достигнет 100 (верхняя временная диаграмма на Рис. 4) и во второй половине такта входной сигнал (А) установится в значение логического нуля, на выходе P 0 сначала счетчика единиц (В), а затем и счетчика десятков (E) сформируется нулевой импульс. Эти импульсы запаздывают друг относительно друга и от входного импульса на величину задержки формирования сигнала переноса счетчиками (временной масштаб для микросхем 533/555 серий указан на временных диаграммах). Положительным фронтом окончания каждый импульс (А и В) завершит последующий (счетчики включены последовательно), а импульс с выхода переноса десятков (E) установит старший разряд счетчика «сотни», имеющий всего два значения и поэтому выполненный в виде триггера, в положение 0. Соответственно, на его инверсном выходе (F) установится единица. Поскольку на входе S триггера загрузки присутствует логический ноль (F), устанавливающий его в единицу, то он не реагирует на сигналы (В и Е) по входам D и С. Далее оба счетчика продолжают вычитать до значения 0. Во второй половине нулевого такта (нижняя временная диаграмма на Рис. 4) будут опять сформированы два импульса переноса, но в этот раз триггеру загрузки единичным уровнем сигнала F на его входе S будет разрешено работать по входам D и C, и он запишет в себя нулевой уровень (Е) по входу D. На выходе триггера загрузки (H) появится нулевой потенциал, который по входам параллельной загрузки C запишет в счетчики число, набранное на переключателях, и по входу S установит триггер сотен в значение 1. Это вызовет появление логического нуля на его инверсном выходе (F), который установит триггер загрузки в положение 1 (H), зафиксировав этим введенные в счетчики начальные значения ПКД с переключателей, и запретит триггеру загрузки реагировать на сигналы по входам D и С.

Далее счетчик снова начнет с каждым пришедшим входным импульсом вычитать из занесенного в него числа по единичке. И так будет продолжаться все время, пока работает синтезатор. При изменении положения переключателей П1 или П2-3, со следующего периода работы счетчика изменится записываемое в него число и поменяется коэффициент деления.

Если вместо триггера сотен в эту же схему установить третий десятичный счетчик, то можно будет на этом же принципе реализовать ДПКД с коэффициентом деления от 1 до 999. Или, для ограничения нужного диапазона КД, использовать в старшем разряде неполный шифратор.

Показанные на схеме Шифраторы представляют собой комбинационные логические схемы, преобразующие 10-и позиционный код (с переключателей П1 и П2-3) в четырехразрядный двоично-десятичный код числа, который будет записываться в регистры счетчиков ДПКД (Рис. 5).

Поскольку в данной схеме синтезатора достаточно 40-а значений кода числа КД (от 160 до 199), то шифратор десятков выполнен неполным, и преобразует в код лишь 4 положения переключателя: числа 6, 7, 8, 9. При проектировании других синтезаторов использование полного шифратора десятков позволит увеличить число кодируемых чисел до 100: от 100 до 199.

Частотно фазовый детектор сравнивает частоту (F1) и фазу последовательности импульсов с выхода ДПКД (частота ГУН, поделенная в ПКД раз) с частотой (F2) и фазой опорного сигнала.

При этом на двух его выходах формируется сигнал, имеющий в своем составе «знак частоты» (больше-меньше), а также две последовательности импульсов в которых скважность пропорциональна разбалансу фаз входных сигналов. Принцип работы схемы заключается в запоминании, с какого входа раньше пришел импульс. В исходном состоянии оба D-триггера взведены в логическую единицу. Поскольку оба их D входа соединены с потенциалом нуля (общий провод), то первый же приходящий импульс сбрасывает один из триггеров в ноль. Импульс, пришедший на вход C другого триггера, также сбросит его в ноль, но при этом на входе логического элемента 2И-НЕ окажутся две единицы с инверсных выходов триггеров и на выходе будет сформирован потенциал логического нуля, который асинхронно взведет оба триггера в исходное состояние логической единицы. Подробно работа схемы показана на временных диаграммах (Рис. 6) на которых приведены оба случая работы схемы при разных соотношениях входных частот. Из диаграмм видно, что информация о разности фаз сигналов содержится в ширине выходных импульсов, а знак частоты соответствует появлению ШИМ последовательности на том выходе детектора, на какой из его триггеров подается сигнал более высокой частоты. На втором выходе при этом будет потенциал логической единицы, прорезанный последовательностью коротких импульсов меньшей частоты.

Фильтр нижних частот обеспечивает устойчивость петли обратной связи, а также преобразует последовательность импульсов с изменяющейся скважностью в постоянное напряжение.

Интегратор «отрабатывает» знак частоты накоплением потенциала на интегрирующей емкости, чем обеспечивается перестройка частоты ГУН. После сравнивания номиналов опорной и поделенной частот, поддерживает нулевое положение фазы сигнала ГУН относительно опорного сигнала. Благодаря наличию интегратора в петле обратной связи ФАПЧ обеспечивается нулевая фазовая ошибка автоподстройки в установившемся режиме. Благодаря тому, что ЧФД выдает знак частоты, а интегратор его накапливает и перестраивает частоту ГУН до совпадения фаз, полоса захвата такой системы ФАПЧ равна диапазону перестройки ГУН. То есть, примененная в синтезаторе петля обратной связи не требует контроля захвата слежения. Единожды будучи отрегулированной при изготовлении синтезатора, она далее автоматически поддерживает свою работоспособность.

1 Радиовещательный позывной, зарегистрированный, как название средства массовой информации: Радиопрограмма «Зеленый глаз». Свидетельство о регистрации СМИ: Эл № ФС77-37059 от 6 августа 2009 г.

3 Русское издание (ITU) Регламента Радиосвязи 2004 года. Выложено

4 Скважность — отношение периода следования импульсов к их длительности. Если Q = 5, то импульс короче периода в 5 раз. При длительности импульса равной половине периода (скважность — 2), их последовательность называется меандр.

ЛЕКЦИЯ 7

СИНТЕЗАТОРЫ ЧАСТОТЫ В ПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ

План лекции:

Основные понятия синтеза частот

Параметры систем синтеза частот

Классификация систем синтеза частот

Принципы действия различных типов синтезаторов

1 Основные понятия теории синтеза частот

Для переноса модулированного сигнала на требуемую частот для передачи необходимо сформировать колебание с частотой, лежащей в рабочем диапазоне передатчика.

В передающих устройствах для формирования требуемых частот могут использоваться синтезаторы частот .

Современные системы синтеза частот работают в диапазоне частот от долей герц до десятков гигагерц. Они используются в аппаратуре различного назначения, заменяя в ней простые автогенераторы.

Синтезом частот ‑ называют процесс получения одного или нескольких колебаний с нужными номинальными значениями частоты из конечного числа исходных колебаний путем преобразования частот, т.е. с помощью таких операций над колебаниями, при которых происходит сложение, вычитание частот и (или) умножение и деление их на рациональные числа.

Комплекс устройств, осуществляющих синтез частот, называют системой синтеза частот . Если система синтеза частот выполнена в виде конструктивно самостоятельного устройства, то ее называют синтезатором частот .

2 Параметры систем синтеза частот

Показатели, позволяющие оценить качество формирования выходного колебания (чистоту его спектральной линии, т.е. отличие его от моногармоники). Как техническое устройство любая ССЧ характеризуется рядом эксплуатационно-технических характеристик.

Основными эксплуатационно-техническими характеристиками ССЧ, используемых в возбудителях радиопередатчиков и в качестве гетеродинов радиоприемников, являются:

Совокупность номинальных значений частот, которые могут быть получены на выходе системы синтеза частот и следуют друг за другом через заданный интервал, называют сеткой частот .

Интервал между соседними номинальными значениями частоты, входящими в сетку частот, называют шагом сетки частот . B настоящее время,в радиопередающей и радиоприемной аппаратуре широко используются системы синтеза частот с шагом сетки
Гц, где а ‑ целое положительное или отрицательное число или нуль. Кроме того получили распространение системы с шагом сетки
Гц.

3 Классификация систем синтеза частот

Колебания, являющиеся исходными в процессе синтеза частот, получают от высокостабильных источников, которые называют опорными генераторами (OГ 1 , ΟΓ 2 , ..., ОГ n на рис. 1). Частоты колебаний этих генераторов (f 01 , f 02 , …, f on на рис. В1) называют опорными частотами, точнее, первичными опорными частотами. Современные системы синтеза частот работают, как правило, от одного опорного генератора (рис. B.2). Такие системы называют одноопорными (когерентными) . При двух и более опорных генераторах системы называют многоопорными (некогерентными) .

При этом речь может идти об одном колебании, частота которого способна принимать любое из этих значений (см. рис. B.1a), или нескольких одновременно существующих колебаниях (см. рис. B.1б ). Первый случай встречается в возбудителях радиопередатчиков гетеродинах радиоприемников, второй - в многоканальной аппаратуре с частотным разделением каналов.

Обычно в одноопорных системах синтеза частот сначала устройство, называемое датчиком опорных частот (ДОЧ) или, точнее, датчиком вторичных опорных частот, формирует вспомогательные колебания, частоты которых называют вторичными опорными частотами. Затем устройство, называемое датчиком сетки частот (ДСЧ), вырабатывает из этих вспомогательных колебаний нужные выходные колебания, частоты которых образуют сетку. Некоторые колебания подаются на выход непосредственно от ДОЧ (см. рис. B.2).

Все типы ССЧ делят на два класса:

системы активного синтеза частот;

системы пассивного синтеза частот.

Системами активного синтеза частот или, сокращенно, системами активного синтеза называют системы когерентного синтеза частот, в которых фильтрация колебания синтезируемой частоты осуществляется с помощью активного фильтра в виде фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Системами пассивного синтеза частот или, сокращенно, системами пассивного синтеза называют системы когерентного синтеза частот, в которых фильтрация колебания синтезируемой частоты осуществляется без применения ФАПЧ.

Системы того и другого классов могут быть выполнены целиком на аналоговых элементах или с применением цифровой элементной базы.

4 Пример работы синтезаторов на базе аналогового пассивного синтеза частот

Ha рис. 1.4 представлена структурная схема простейшей системы пассивного синтеза, построенной на аналоговой элементной базе. Колебание опорного генератора (ОГ), имеющее частоту f 0 (первичная опорная частота), подается на вход датчика опорных частот. B датчике опорных частот (ДОЧ) с помощью умножителя и делителя частоты вырабатываются два других колебания с частотами
и
(вторичные опорные частоты), которые подаются на входы двух генераторов гармоник (ΓΓ 1 и ΓΓ 2).

Каждый из генераторов гармоник состоит из формирователя импульсов (ФИ 1 и ФИ 2) и перестраиваемого полосового фильтра. Первый преобразует входное квазигармоническое колебание в последовательность очень коротких (по сравнению с периодом этого колебания) импульсов той же частоты (равными соответственно
и
). Спектр этой последовательности содержит множество высших гармоники; фильтр настраивают на нужную из них и выделяют ее. B результате на выходах генераторов гармоник получают квазигармонические колебания с частотами
и
.

Оба эти колебания подают на сумматор частот, состоящий из смесителя (См) и перестраиваемого полосового фильтра. Последний выделяет из спектра выходного продукта смесителя квазигармоническое колебание с нужной частотой

Смеситель обычно реализуется в виде балансного модулятора.

Пример. Пусть
,
, может принимать значения 1, 2, 3, a - значения 20, 21, 22, …, 39, то система имеет диапазон частот с шагом сетки
от

Пассивный цифровой синтез частот

B системах пассивного цифрового синтеза формирование требуемой частоты осуществляются цифровой обработкой сигналов, и только на выходе системы используют аналоговый фильтр.

Структурная схема ССЧ на базе пассивного цифрового синтеза частот представлена на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Структурная схема одного из вариантов системы пассивного цифрового синтеза

Опорный генератор формирует высокостабильное колебание с опорной частотой, используемой для получения требуемой частоты на выходе синтезатора. Это опорное колебание преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов в формирователе импульсов (ФИ) путем ограничения по уровню сверху и снизу сформированного колебания. На выходе делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) последовательность импульсов на входе преобразуется в последовательность импульсов, которая следует с частотой, определяемой коэффициентом деления. Коэффициент деления N можно устанавливать равным любому целочисленному значению в пределах от N1 до N2. Его значение определяется счетно-решающим устройством исходя из частоты, установленной на пульте управления частотой. Счетчик на базе триггера формирует цифровые импульсы с требуемой скважностью. Полосовой фильтр (ПФ) восстанавливает из этой последовательности импульсов гармоническое колебание с необходимой частотой.

Рассмотрим пример. Пусть, например, требуется синтезировать сетку частот от 20 до 25 кГц с шагом 1 кГц. При этом частота опорного генератора соответствует 1 МГц.

В этом случае можно использовать коэффициенты деления N=25 (1 000 000/25 = 40 000) и N= 20 (1 000 000/20 = 50 000), при которых будут формироваться частоты 40 кГц и 50 кГц с шагом 2 кГц. В счетчике можно сформировать на базе этих частот поток прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2, и частотой, которая может принимать все нужные значения. Наконец, можно с помощью полосового фильтра, имеющего частоты среза 20 кГц (нижнюю) и 30 кГц (верхнюю), выделить нужные колебания, подавив высшие гармоники.

Введение

После прочтения статьи «Основные характеристики современных осциллографов» в Электронных компонентах № 11 за 2004 г. #bibliografy class=l> (здесь и далее квадратными скобками обозначается сноска на соотвествующий источник из списка литературы в конце статьи) создается впечатление, что недомолвки и ввод в заблуждение массовой аудитории стал одним из основных средств продвижения собственных идей. Все вроде бы хорошо расписано и правильно, но ощущение такое, что после должны быть части 2, 3 и т.д. - но в конце стоит список литературы и ничего про «продолжение следует…». Краткий и единственный вывод из описанного в «Основные характеристики современных осциллографов» – у цифрового осциллографа есть всего две основных характеристики:

• полоса пропускания
• частота дискретизации.

Простите, но с этим согласиться невозможно, поскольку это не так.

Итак следуя по #bibliografy class=l>, лозунг «Основные характеристики современных осциллографов» через абзац трансформировался в «Основные характеристики современных ЦИФРОВЫХ осциллографов» (выделено автором). Если учесть, что существует три типа осциллографов – аналоговые, цифровые и аналогово-цифровые (а не только цифровые), и предназначены они для отображения сигналов в декартовой система координат, где по оси Х находится время развертки, а по оси Y находится амплитуда входного сигнала (измерение фигур Лисажу или режим X- Y выделим отдельно), то получаем, что любой осциллограф, прежде всего, имеет два основных параметра и эти параметры связанны с измерением напряжения и времени.

Но если следовать логике, расписанной в #bibliografy class=l>, и принимая в учет, что у аналогового осциллографа нет частоты дискретизации, то, соответственно получим, что у аналогового осциллографа есть всего одни основной параметр – это полоса пропускания. Какая-то нелепость получается. Если пользователь оценивает осциллограф как средство измерения, способное достоверно определять физически величины – то есть несколько иной набор характеристик, нежели указанный в #bibliografy class=l>. Если пользователь относится к осциллографу как к монитору, предназначенному для отображения картинки – то тут перечень параметров, действительно, может быть и таким.

Если уже быть предельно корректным, то все параметры осциллографа, как средства измерения, делятся на две группы:

• Основные параметры.
• Дополнительные параметры.

К основными параметрам относятся:

• Значения коэффициентов отклонения, погрешность коэффициента отклонения или связанная с ним погрешность измерения напряжения.
• Значения коэффициентов развертки, погрешность коэффициента развертки или связанная с ним погрешность измерения временных интервалов.
• Параметры переходной характеристики (ПХ), включая:
  • время нарастания;
  • выброс;
  • неравномерность;
  • время установления.
• Параметры входа канала вертикального отклонения, включая:
  • активное входное сопротивление;
  • входная емкость;
  • КСВН;
  • допускаемое суммарное значение постоянного и переменного напряжения.
• Параметры синхронизации, включая:
  • диапазон частот;
  • предельные уровни;
  • нестабильность.

К дополнительным параметрам относятся:

• Параметры АЧХ, включая:
  • полоса пропускания;
  • нормальный диапазон частот;
  • расширенный диапазон частот;
  • опорная частота.
• Коэффициент развязки между каналами.

Для цифровых осциллографов к дополнительным параметрам можно отнести:

• Частота дискретизации.
• Длина внутренней памяти.

Но и это был бы не полный список всех параметров. Полностью он указан в #bibliografy class=l> . Ниже рассмотрим некоторые основные и дополнительные параметры, применительно к цифровым осциллографам.

1. Погрешность коэффициента отклонения или связанная с ним погрешность измерения напряжения

У большинства аналоговых осциллографов погрешность измерения напряжения составляет 3% и это в большей степени обусловлено тем, что измерения оператором проводятся визуально по делениям экрана (даже в том случае если используются маркерные измерения). Худшие образцы могут иметь погрешность измерения до 8%, а аналоговые осциллографы с погрешностью меньше, чем 1,5%, лично мне не приходилось встречать. Цифровые осциллографы, используя современные алгоритмы проведения измерений, позволяют полностью исключить ошибку человеческого фактора методом автоматических измерений. Тут уже нет ничего проще – результат отображается на экране осциллографа и не дает повода для двусмысленного толкования. Но если у аналогового осциллографа не разделяется измерение величины постоянного и переменного напряжения, то у современных цифровых осциллографов эти понятия разделены. Причина в различных алгоритмах проведения измерения. Наиболее критичным, с точки зрения определения погрешности, является постоянное напряжение. Оно определяется как абсолютное отклонение линии развертки от нулевой базовой линии и зависти от погрешности коэффициента отклонения осциллографа, погрешности определения нулевой линии и погрешности определения абсолютного отклонения линии развертки при воздействии постоянного напряжения. У большинства цифровых осциллографов погрешность измерения постоянного напряжения составляет 1,5% - 2% . Здесь и далее мы опускаем составные части погрешности, зависящие от формы или величины входного сигнала, и будем вести разговор только об инструментальной погрешности осциллографа.

Так на рисунке 1 приведена осциллограмма измерения постоянного напряжения осциллографом LeCroy Wave Surfer 432. С выхода калибратора осциллографов Fluke-9500В подаем постоянное положительное напряжение 1В. Измеренное значение равно 1,005 В, т.е. погрешность измерения составляет 0,5% (при допуске 2%).

Погрешности измерения переменного напряжения алгоритмами цифровых осциллографов рассматривается как вертикальные?-измерения между двумя точками и, соответственно, не нуждаются в привязке в нулевой линии, что позволяет уменьшить погрешность измерения размаха сигнала до величины 1%-1,5% (а при использовании источников опорного смещения до 0,5%).

На рисунке 2 приведена осциллограмма измерения переменного напряжения осциллографом LeCroy Wave Surfer 432. С выхода калибратора осциллографов Fluke -9500В подаем симметричный меандр частотой 1 кГц и размахом 1В. Измеренное значение равно 991,9 мВ, т.е. погрешность измерения равна 0,81% (при допуске 1,5 %).

Рисунок 2 - измерение переменного напряжения

Особо отметим то, что крупнейшие компании-производители цифровых осциллографов Tektronix, LeCroy и Agilent Technologies при проведении ежегодной поверки своих цифровых осциллографов рекомендуют проводить измерения именно постоянного напряжения (а не меандра частотой 1 кГц, как принято в России #bibliografy class=l>, #bibliografy class=l> ).

2. Погрешность коэффициента развертки или связанная с ним погрешность измерения временных интервалов

У большинства аналоговых осциллографов погрешность коэффициента развертки составляет от 3% до 15% и это обусловлено тем, что времязадающие цепи развертки реализованы на аналоговой элементной базе. Регулировка частоты развертки осуществляется RC-цепочками, что не дает возможности добиться установки высокой точности частоты генератора развертки. Соответственно погрешности измерения временных интервалов аналоговых осциллографов составляют те же 3-15%.

Иным способом реализован генератор развертки цифрового осциллографа. Его основой является кварцевый генератор, который даже без термостабилизации дает погрешность установки частоты 1*10 -6 , что вполне достаточно для выполнения задач, стоящих перед цифровым осциллографом. И кроме того, за весь срок службы цифрового осциллографа, он может не нуждаться в корректировке коэффициентов развертки. Погрешность измерения временных интервалов цифровым осциллографом лежит в пределах от 0,01% до 5*10 -6 , что в общем-то соответствует измерению частоты хорошим частотомером. Но, в отличие от измерения напряжения, указанные погрешности измерения временных интервалов справедливы лишь при строгом соблюдении условий, определенных производителем. Так, например, компания Tektronix для осциллографов TDS-5000 серии при измерении временных интервалов периодического сигнала указывает условия:

1. Размах сигнала не мене 5 делений,
2. Включено усреднение входного сигнала 100 раз.
3. Включена интерполяция sin\x.
4. Результат измерения считывается в режиме накопления статистики при числе измерения не менее 1000.

Компания LeCroy идет аналогичным путем, за исключением того, что не предлагает использовать усреднение сигнала.

Поставим простой эксперимент по определению погрешностиизмерения временных интервалов. С рубидиевого стандарта частоты Pendulum 6686 подадим на вход осциллографа LeCroy Wave Runner 6030 сигнал частотой 10 МГц. Рубидиевый стандарт обладает малой погрешностью формирования частоты 10 МГц и высокой стабильностью – данное средство измерений применяют для определения погрешности частотомеров.

На рисунке 3 приведена осциллограмма и результат измерения частоты осциллографом LeCroy Wave Runner. Как видно погрешность измерения частоты составляет 5*10 -6 при допуске 10*10 -6 #bibliografy class=l>.

Для второго примера возьмем осциллограф Tektronix TDS-5054, выполним все условия проведения измерений, указанные производителем. Погрешность измерения частоты составляет 188*10 -6 (рис. 4). Это превышает допустимую погрешность почти в 10 раз! При этом соблюдены все условия измерений, указанные в РЭ производителем #bibliografy class=l>.

Попробуем провести измерения временных интервалов для Tektronix альтернативным способом – методом задержанной развертки. Суть этого метода заключается в том, что на вход ЦЗО подается высокостабильный периодический сигнал и привязывается к определенной точке на экране, после этого сигнал сдвигается задержкой на один период и изменением значения задержки устанавливается в точку привязки. Значение задержки и есть абсолютное значение временного интервала, на основании которого определяется погрешность осциллографа. Подадим с выхода калибратора Fluke-9500 прямоугольный сигнал частотой 1 кГц и стабильностью 1*10 -7 , что вполне достаточно для определения погрешности ЦЗО. На рисунке 5 приведена осциллограмма измерения периода. Погрешность измерения 10 периодов составляет 29,75*10 -6 , или для одного периода порядка 3*10 -6 – это в норме для тестируемого ЦЗО.

Поскольку погрешность измерения временных интервалов в основном зависит от погрешности установки частоты опорного генератора (ОГ) ЦЗО, произведем измерение частоты ОГ методом стробоскопического преобразования. Для этого на вход ЦЗО Tektronix подадим сигнал частотой 10 МГц, сузим память и добьемся стробоскопического эффекта на больших развертках (рис. 6). Результатом стробоскопического эффекта будет отображение биения частоты, вызванное разностью частоты ОГ ЦЗО и прецизионной опорной частоты 10 МГц, подаваемой на вход осциллографа. Результат измерения представлен на рисунке 8, из которого видно, что погрешность установки частоты ОГ ЦЗО составляет 29 Гц или 2,9*10 -6 , при допуске 15*10 -6 . Частота ОГ находится в норме.

Рисунок 6 - погрешности частоты опорного генератора методом стробоскопического преобразования

Итак, мы произвели оценку погрешности измерения временных интервалов тремя способами. При двух способах результаты удовлетворительные, при одном нет. Очевидно, причина заключается в том, что математический алгоритм вычисления частоты (и как обратной величины - времени) по форме сигнала на экране осциллографа может работать не всегда корректно. Но именно этим способом проводят измерения 99,9% пользователей – по форме сигнала отображаемой на экране ЦЗО. Поэтому уделять столь чрезмерное внимание только телевизионным свойствам осциллографа по отображению формы сигнала и абсолютно игнорировать метрологические параметры, как это сделано в #bibliografy class=l> – это путь, который скорее всего, заведет пользователя ЦЗО туда, куда Иван Сусанин завел польское войско.

Параметры переходной характеристики

Поскольку любой периодический сигнал помимо амплитуды характеризуется частотой, то стоит вопрос согласования частотных характеристик входного тракта осциллографа с входным сигналом. Если на малых развертках не будет обеспечена линейность развертки осциллографа – получим искажение формы сигнала и соответственно большую ошибки при измерении временных интервалов, если тракт отклонения имеет недостаточную полосу пропускания или большую неравномерность АЧХ - опять получим искажение формы сигнала и соответственно большую ошибку при измерении напряжения.

Абсолютно правильно указано в #bibliografy class=l>, что за пределами полосы пропускания АЧХ осциллографа не падает резко вниз, а снижается с некоторой крутизной, все еще позволяя более или менее исследовать входной сигнал. Поскольку АЧХ осциллографа в основном оценивается для синусоидального сигнала, то для комплексной оценки трактов вертикального и горизонтального отклонения осциллографа, справедливой для широкого набора форм входных сигнлов, вводятся параметры переходной характеристики (ПХ) осциллографа .

Оценка этих параметров основана на анализе того, как осциллограф воспроизводит форму сигнала с бесконечным спектром. Таким испытательным сигналом является короткий прямоугольный импульс, с большой скважностью и малым временем нарастания (или спада). Очевидно, что за счет конечной полосы пропускания ЦЗО, часть гармоник будет вырезана из спектра сигнала и это приведет к увеличению отображаемого на экране осциллографа времени нарастания и времени установления импульса, а за счет неравномерности АЧХ часть гармоник изменит свою амплитуду, что приведет к увеличению выброса на вершине импульса.

Так из рисунков 5 и 6 в #bibliografy class=l> видно, что, судя по величине времени нарастания, осциллограф на рисунке 5 имеет меньшую полосу пропускания, чем осциллограф на рисунке № 6, но осциллограф на рисунке 5 имеет меньшую неравномерность АЧХ, чем осциллограф на рисунке 6! Что в общем- то и подтверждается графиком экспериментальной АЧХ на рисунке 8.

Итак, основными составными частями параметра переходной характеристиками осциллографа являются:

• Время нарастания (спада) – время в течении которого импульс изменяет свое значение от уровня 0,1 до уровня 0.9, измеряется в секундах.
• Выброс на вершине (спаде) – процентное отношение значение превышения амплитуды при установившемся импульсе к амплитуде импульса, измеряется в процентах.
• Время установления – время в течении которого колебательные процессы на вершине импульса не станут меньше 1% амплитуды импульса.

Поскольку именно параметры переходной характеристики ЦЗО определяются «граничным» методом (не более чем), то при определении именно этих параметров и возникает несколько методических ошибок измерения.

Ошибка 1. Как уже отмечалось выше, для анализа параметров ПХ необходим импульс с малым временем нарастания. Большинство «измерителей» (имеется визу лица физические) стараются для этой цели использовать как можно более крутой фронт, дескать «чем круче – тем лучше!» Но импульс с более крутым фронтом имеет более широкий частотный спектр, в котором амплитуда высших гармоник затухает меньше!

Используем калибратор Fluke-9500, способный формировать сигналы для измерения параметров ПХ с разным временем нарастания. Частота выходного сигнала 1МГц, уровень 800 мВ. Сначала сформируем импульс с временем нарастания 500 пс и зафиксируем частотные составляющие на частоте порядка 1500МГц, на рисунке 7 они приведены желтой спектрограммой. Формируем сигнал с той же частой и амплитудой, но с временем нарастания 150 пс, спектрограмма этого сигнала представлена на рисунке 7 зеленым цветом.

Из рисунка 7 видно, что амплитуда спектральных составляющих 500 пс импульса примерено на 7 дБ меньше, чем амплитуда аналогичных частотных составляющих 150 пс сигнала.

Соответственно, больший остаточный уровень гармоник импульса 150 пс (по сравнению с импульсом 500 пс) после фильтрации этих гармоник полосой пропускания осциллографа приведет к большим искажениям сигнала на экране осциллографа. Прежде всего это приведет к существенному увеличению выброса ПХ, что ложно воспринимается как большая неравномерность АЧХ осциллографа. А на самом деле – причина искажений сам испытательный сигнал. Для корректной оценки выброса ПХ соотношение времени нарастания испытательного сигнала и времени нарастания ПХ осциллографа должно быть не менее 0,2. В противном случае выброс ПХ ЦЗО может быть ложно увеличен в 1,5-1,7 раза #bibliografy class=l>. Так например для осциллографа с полосой пропускания 100 МГц (время нарастания 3,5 нс), использование импульса с временем нарастанием 200 пс недопустимо – соотношение составляет 0.057!

Так на рисунке 8 приведены осциллограммы параметров ПХ, полученные на осциллографе LeCroy WR-6030 при подаче на вход импульсов с различным временем нарастания.

Из результатов измерения, приведенных на рисунке четко видно, что при уменьшении времени нарастания импульса, выброс ПХ для одного и того же осциллографа увеличивается.

Желтый - нарастание 572 пс; выброс 1,7%.

Розовый - нарастание 467 пс; выброс 5,0%.

Синий - нарастание 450 пс; выброс 9,0%.

Итак, использовать только импульс с фронтом «покруче» для оценки параметров ПХ осциллографов некорректно.

Ошибка 2. При измерении времени нарастания, время нарастания испытательного импульса должно быть меньше времени нарастания ПХ осциллографа, соотношение должно быть не более 0,3. Поскольку в настоящее время осциллографы имею достаточно широкую полосу частот, аналоговые до 5 ГГц, а цифровые до 15 ГГц (имеется ввиду осциллографы реального времени), то подобрать устройство, формирующее импульс с таким коротким фронтом не просто. Большинство калибраторов осциллографов для измерения времени нарастания имеют собственное время нарастания 25 - 1000 пс, что сопоставимо с временем нарастания ПХ осциллографов. В этом случае расчет времени нарастания ПХ производится по формуле:

t осц – время нарастания ПХ осциллографа;
t изм – измеренное время нарастания ПХ осциллографа;
t к – время нарастания импульса калибратора.

Вывод: для корректной оценки параметров ПХ необходим испытательный импульс с параметрами, описанными в ошибка 1 и ошибка 2.

Амплитудно-частотная характеристика

Не будем подробно описывать, что такое АЧХ и какая она должна быть. В #bibliografy class=l> достаточно доходчиво описано все, что связно с АЧХ и цифровыми осциллографами, но все это было бы хорошо, если бы разговор шел о телевизоре – его удел только показывать, если же мы говорим о средстве измерения, то опять мы вынуждены говорить о достоверности измерений.

Погрешность измерения временных интервалов от формы АЧХ не зависит, а вот с амплитудными измерениями не все так просто. Очевидно, что классическое определение полосы пропускания декларирует, что амплитуда на экране осциллографа должна уменьшится на 30%. Но по отношению к сигналу какой частоты? 1 Гц, 1 МГц или какой другой?

Опорная частота – это частота, по отношению к которой производится определение полосы пропускания осциллографа. Чаще всего она составляет не менее 1/20 полосы пропускания осциллографа.

Очевидно, что погрешность измерения напряжения в точке полосы пропускания должна составить 30 %! Но и в других точках АЧХ не похожа на прямую линию, параллельную оси Х, – у нее есть неравномерность. При описании погрешности коэффициента отклонения (для цифровых осциллографов) мы упоминали величины порядка 1,5%. Различия в погрешности 1,5% и 30% очень большие, поэтому в терминологии АЧХ осциллографов вводится понятие нормальная область частот . Это та область частот, в которой погрешность коэффициента отклонения не превышает установленных значений, например 1,5%.

Иными словами - нормальная область частот - это тот диапазон частот, в котором возможно проведение гарантированных и точных измерений амплитуды сигнала. Естественно, это утверждение справедливо или для синусоидального сигнала с частотой, меньше границы нормальной полосы частот, или для сигнала сложной формы, у которого частота 5-ой гармоники меньше опорной частоты. Понято, что в жертву погрешности измерения амплитуды нормальная полоса частот принесла большую часть полосы пропускания.

Но не всегда пользователю уж столь необходимы особо точные измерения амплитуды. Для этого случая вводится понятие «расширенная полоса частот». Расширенная полоса частот - это та область частот, в которой погрешность коэффициента отклонения не превышает 10%. Т.е. пользователь имеет определенную полосу частот, в которой погрешность измерения амплитуды не превышает 10%. Большая это погрешность или малая – пользователь решает сам, но в замен он получает еще более широкую полосу частот с гарантированной погрешностью.

Ну и только теперь третья точка – полоса пропускания, это, как уже упоминалось, та область частот, на границе которой погрешность коэффициента отклонения не превышает 30% от погрешности коэффициента отклонения в опорной полосе частот.

К сожалению, не все производители полностью указывает параметры АЧХ осциллографов. Поэтому определение нормальной и расширенной полосы частот возможно при проведении калибровки – когда определяются фактические параметры осциллографа, даже те которые не нормирует производитель.

На этом абзаце мы прекратим, описание основных параметров как аналоговых, так и цифровых осциллографов и перейдем к параметрам присущим только цифровым запоминающим осциллографам (ЦЗО).

ЦЗО по сравнению с аналоговыми осциллографами имеет ряд существенных преимуществ - это возможность записи и хранения данных о входном сигнале, связь с ПК, автоматические измерения, расширение возможности синхронизации сигнала, математическая обработка полученных данных и т.д.

Бесспорно, одним из основных параметров ЦЗО является частота дискретизации, особенно если пользователь исследует сигналы близкие к граничной частоте полосы пропускания. Но доводы, приведенные в #bibliografy class=l> при оценке соотношений полосы пропускания и частоты дискретизации, больше похожи на попытку выделить достоинства какого-то одного ЦЗО (на котором очевидно и проводились эксперимента), чем разъяснить особенности применения ЦЗО. Рекомендации по выбору осциллографа типа «с наименьшим временем нарастания ПХ, большой частотой дискретизации и прекрасным отображением синуса на максимальной частоте» скорее всего, приведут к осциллографу 13ГГц с частотой дискретизации 20Гвыб\с на 4 канала и это будет Agilent Technologies DSO-81304 A! Но «доброжелатели» забыли во-первых, сказать сколько все это стоит, а во вторых дать рекомендации для тех, кто хочет посмотреть 13ГГц в режиме однократного запуска для 4-х каналов! Еще больше полосу пропускания и выше частоту дискретизации? Но больше и выше пока нельзя.

Лучше объяснить людям особенности и возможности применения тех или иных ЦЗО, а уж потом толкать на покупку «телевизора», только что и «предназначенного для корректного воспроизведения формы электрического сигнала». Цифровой осциллограф – достаточно сложное техническое устройство и упрощенный подход к оценке его параметров делает пользователя заложником того или иного продавца ЦЗО, «забывшего» сообщить важные детали. Так, например, опираясь на рекомендации изложенные в #bibliografy class=l> об необходимости индикации в руководстве по эксплуатации (РЭ) полосы пропускания в реальном времени, в РЭ на осциллограф TDS-5104 указана полоса пропускания 1 ГГц на каждый канал. Но при этом частота дискретизации при работе четырех каналов составляет всего 1,25 Гвыб\с, что составляет oversampling равным 0,8. Или для соблюдения условий теоремы Котельникова частота входного сигнала не должна превышать 1250/2 = 625 МГц. Для соблюдения условий, изложенных в #bibliografy class=l>, когда oversampling должен быть равным как минимум 2,5, максимальная частота входного сигнала составляет уже 500 МГц. Можно ли в этом случае расценивать 500 МГц как полосу пропускания в реальном времени и забыть об обнаружении ВЧ артефактов, а декларируемую полосу 1 ГГц как попытку выглядеть лучше, чем есть на самом деле? Или всем пользователям осциллографов Tektronix TDS-5104 B отказаться от их использования? Нет, надо просто грамотно использовать все особенности ЦЗО при исследовании входного сигнала, и четко понимать, что аналоговая полоса пропускания ЦЗО, указанная производителем – это не более, чем параметр промежуточного звена ЦЗО, точнее входного усилителя, хоть и имеющего важное значение для ЦЗО, но все же не являющегося его единственным узлом.

Рассуждения в #bibliografy class=l> об использовании DSP или еще чего другого, что войдет в моду в недалеком бедующем, то же не очень-то состоятельны. Пользователь воспринимает ЦЗО как некое техническое устройство - «черный ящик», имеющий вход для подачи сигнала и выход в виде экрана. Зная параметры исходного сигнала, основные характеристики ЦЗО и анализируя то, что отображается на экране или представляется в виде автоматических измерений, пользователь делает вывод о том, достоверно ли проводится отображение сигнала или нет, вносятся ли какие-то дополнительные искажения в исследуемый сигнал осциллографом или нет, достоверно ли проводятся измерения или нет. А каким способом все это реализуется – это уже интересует больше разработчиков ЦЗО и инженеров на технических симпозиумах. Так, например, водителя за рулем автомобиля не интересует, вращается двигатель по часовой стрелке или против, если автомобиль движется в правильно направлении и все агрегаты работаю при этом нормально.

Длина внутренней памяти

Отнюдь не специфическим параметром ЦЗО является длина памяти, предназначенная для сбора информации о входном сигнале. Только почему в #bibliografy class=l> об этом ни слова? Очевидно «забыли» … Не секрет, что за все удобства ЦЗО платит большим временем простоя по сравнению с аналоговым осциллографом. На экране ЦЗО это выглядит как обновление экрана, заметное даже глазом. В моменты времени между обновлениями экрана полезная информация о сигнале теряется безвозвратно. Но как не упустить полезные детали исследуемого сигнала? Самый простой способ, это постараться захватить на медленных развертках как можно большую часть сигнала, зафиксировать его (простым нажатием на кнопку «Стоп»), растянуть развертку и, прокручивая задержку развертки, наслаждаться просмотром полезных деталей входного сигнала. Одновременно с этим понятие длины внутренней памяти разбивает в пух и прах миф о высокой частоте дискретизации, старательно выписываемой на передних панелях ЦЗО. Это всего лишь максимальная частота дискретизации. Термин «максимальная частота дискретизации» выделен не случайно. Дело в том, что зачастую высокая частота дискретизации, указанная производителем, может быть достигнута лишь при определенных условиях. Давайте предположим, что исследуется сигнал при времени развертки 1 мксек\дел для осциллографа с экраном 10 делений и объемом памяти 10К, т.е время развертки от начал экрана до конца составит 10 мксек. При частоте дискретизации 2,5 Гвыборок в секунду этот объем памяти будет заполнен за время t равное:

или подставим значения, указанные выше и получим:

Для прохождения развертки при длине экрана 10 делений необходимо 10 мкс, а память ЦЗО будет заполнена за 4 мкс, т.е. отображение входного сигнала на экране займет всего лишь 40 % экрана!!! Но такое отображение сигнала недопустимо. Исходя из этого, частота дискретизации Fдискр, для осциллографа с числом делений по горизонтали 10, должна выбираться из условий:

из этой формулы следует два важных вывода:

Вывод 1 : Для сохранения максимальной частоты дискретизации при увеличении значений коэффициента развертки необходимо увеличивать размер внутренней памяти.

Вывод 2 : При уменьшении длинны внутренней памяти и постоянном коэффициенте развертки, частота дискретизации неизбежно уменьшается.

В #bibliografy class=l>, судя по краткому описанию параметров и надписям на приведенных рисунках, осциллограф А – это LeCroy WaveSurfer–432, а осциллограф В - это Tektronix TDS-3032. Возьмем эти осциллографы еще раз для эксперимента.

• LeCroy WaveSurfer–432 имеет длину внутренней памяти 2 М (при объединении каналов);
• Tektronix TDS-3032 имеет длину внутренней памяти 10К (на каждый канал).

Перед пользователем стоит задача захватить и проанализировать сигнал, формируемый процессором офисной АТС в момент начального запуска.

Итак, переводим осциллограф WaveSurfer–432 в режим однократного запуска, подключаем щуп к выводу АТС и включаем питание. На рисунке 9 осциллограмма представляет собой непонятный пакет импульсов при коэффициенте развертки 5 мс. Растянем его до 1 мкс, используя функцию растяжки – теперь в пакете можно увидеть отдельные импульсы, а так же произвести измерение некоторых параметров, например амплитуды, длительности, времени нарастания и спада. Отметим, что растяжка входного сигнала составила 50000 раз без потери достоверности о форме сигнала, частота дискретизации при этом составляет 40 Мвыб\с.

Проводим аналогичный эксперимент с осциллографом Tektronix TDS -3032, только коэффициент развертки будет 4 мс (развертка 5 мс отсутствует). Исходный пакет представлен на рисунке 10, растяжка представлена на рисунке 11, обратите внимание, что растяжка произведена до 10 мкс или в 400 раз. К сожалению, на одной осциллограмме как исходный, так и растянутый сигнал представить для этой модели ЦЗО невозможно, а для возможности увидеть точки дискретизации пришлось отключить сетку дисплея.

Редкие точки на экране – это то, что осталось от импульсного сигнала.

Результат, представленный на рисунке 11, не является дефектом осциллографа. При длине памяти 10 кб, осциллограф TDS-3032 не предназначен для выполнения этих задач, не смотря на то, что он обладает прекрасной максимальной частотой дискретизации 2,5 Гвыб\с, а эксперимент проводился на достаточно низкой частоте. Как видно из рисунка 11 частота дискретизации при коэффициенте развертки 4 мс составляет порядка 200 квыб\сек (длительность между точками 5 мкс), а длительность импульса как видно на рисунке 9 равна 1 мкс. Отсюда и возникают искажения входного сигнала.

Странным образом в этом эксперименте ведет себя и интерполяция sin(x)/x, преподнесенная в #bibliografy class=l> как уникальное средство восстановления сигнала – она предпочла в трудную минуту гордо покинуть осциллограф…

Современные ЦЗО, например LeCroy Wave Master 8620A, имеют длину внутренней памяти 96М.

Но польза длинной внутренней памяти не только в увеличении частоты дискретизации. Как уже упоминалось, современные ЦЗО дают пользователю самые широкие возможности, в частности, при исследовании спектра входного сигнала. И тут есть прямая связь с длиной памяти ЦЗО – чем больше память, тем в более узкой полосе частот можно исследовать спектр входного сигнала. В #bibliografy class=l> более подробно описано использование ЦЗО для анализа спектра сигнала, на рисунке 12 только приведем пример спектра амплитудно-модулированного сигнала с несущей частотой 100 МГц, частотой модулирующего колебания 1 кГц и глубиной модуляции 50 %. Спектрограмма получена на осциллографе LeCroy Wave Pro-7100 при длине памяти 24М, причем в режиме автоматических измерений достоверно измерены все параметры АМ сигнала. Очевидно, что при малой длине памяти спектр сигнала будет сильно искажен.

Существуют еще несколько параметров, определяющих свойства ЦЗО, например таких как чувствительность и стабильность схемы синхронизации, собственный джиттер – все это особенно существенно сказывается, когда исследуются гигагерцовые сигналы. Но эти параметры не будем рассматривать детально.

Применение интерполяции в ЦЗО

Далее рассмотрим более подробно возможности интерполяции sin(x)/x, которые, как уже отмечалось, способны творить чудеса. Интерполяция sin(x)/x - это как лекарство, в малых дозах и к месту даже очень помогает, но в больших дозах и бездумно –может только навредить.

В #bibliografy class=l> весьма корректно указано, что при недостаточной частоте дискретизации, интерполяция sin(x)/x позволяет восстановит форму сигнала, добавляя к исходному сигналу с линейной интерполяцией как минимум 10 точек. При достаточной частоте дискретизации применять интерполяцию sin(x)/x в общем-то нет смысла.

Вернемся к рисунку 5 из источника #bibliografy class=l>. Как видно из рисунка, осциллограф LeCroy WS-432 производит отображение и измерение параметров нарастающего фронта. Частота дискретизации составляет 2Гвыб/с, развертка 2 нс, То есть на одну клетку приходится 4 точки дискретизации, что и вызывает искажения как сигнала так и результатов измерений.

Повторим эксперимент. С калибратора Fluke-9500 подадим импульс с временем нарастания 154 пс и произведем однократный запуск. На рисунке 13 осциллограмма 1 отображает входной сигнал при линейной интерполяции, очевидны искажения сигнала Измеренное время нарастания составляет 1.01 пс, выброс ПХ составляет 2,4%. А теперь просто сменим линейную интерполяцию на интерполяцию sin(x)/x (осциллограмма 2). Обратим еще раз внимание на то, что запуск развертки дополнительно не проводился и манипуляции с видом интерполяции происходят с данными, собранными в результате первой развертки, а не с каждым новым запуском развертки. При использовании интерполяции sin(x)/x , входной сигнал, несомненно, приобрел вид, более приближенный к реальному. Измеренное время нарастания составляет 852,94 пс, выброс ПХ составляет 5 %.

Как удостовериться в достоверности воспроизведения входного сигнал при использовании интерполяции sin(x)/x? Очевидно, что сравнить с сигналом, полученным при более высокой частоте дискретизации. Установим режим эквивалентной частоты дискретизации, позволяющей повысить частоту дискретизации периодического сигнала до 50 Гвыб/с. Установим периодический запуск и зафиксируем осциллограмму, отображающую нарастающий фронт при эквивалентной дискретизации. Осциллограмма отображена на рисунке 14, осциллограмма 1. Произведем измерение параметров ПХ. Измеренное время нарастания составляет 863,33 пс, выброс ПХ составляет 5,2 %.

Для сравнения на этом же рисунке сохранена осциллограмма, полученная при использовании интерполяции sin(x)/x. Как видно формы сигнала практически совпадают. Так же как и результаты измерений.

Вывод : Применение интерполяции sin(x)/x вполне оправдано при отображении однократных сигналов на частотах сигнала, близких к частоте дискретизации. Тогда, ЦЗО необходимо переключать из режима линейной интерполяции в интерполяцию sin(x)/x, для получения более достоверного сигнала.

Как же ведет себя интерполяция sin(x)/x при периодических сигналах, частота которых близка к частоте дискретизации?

Для этого эксперимента возьмем другой осциллограф LeCroy - WS-452, с полосой пропускания 500 МГц и все той же частотой дискретизации 2 Гвыб\с. Подадим на два входа осциллографа одновременно синусоидальный сигнал с частотой 500 МГц. На одном канале установим режим интерполяции sin(x)/x, а во втором оставим в режиме линейной интерполяции. Как видно на рисунке 15, сигнал с интерполяцией sin(x)/x выглядит более приближенным к синусоидальному.

Проверим алгоритм интерполяции. Для этого включим режим аналогового послесвечения, позволяющего накопить статистику о всех изменениях формы сигнала и сравним сигнал с линейной и синусоидальной интерполяцией. Как видно на рисунке 16 сигнал, полученный при использовании интерполяции sin(x)/x, имеет такую же энтропию, как и сигнал с линейной интерполяцией. Это позволяет сделать вывод о достаточно корректном «достраивании» недостающих точек дискретизации по виртуальному закону математического моделирования.

Или же другой пример. Перейдем от высоких частот к более низким. Подадим на два входа осциллографа одновременно прямоугольный сигнал 10 кГц и уменьшим длину памяти, а как уже отмечалось, это приводит к уменьшению частоты дискретизации, но к увеличению скорости обновления экрана, что очень часто и надо пользователю. Как видно из рисунка 17 сигнал, полученный при использовании интерполяции sin(x)/x , имеет значительные искажения в точке выброса ПХ, которые реально на сигнале отсутствуют. Причина этих искажений - недостаточная частота дискретизация по отношению к спектру входного сигнала. На сигнале, полученном при использовании линейной интерполяции, эти искажения отсутствуют, поскольку ЦЗО отображает только точки, полученные в процессе реальной дискретизации, без потери достоверности воспроизведения сигнала.

Может быть это особенности только осциллографа LeCroy ? Используем для другого примера осциллограф Tektronix TDS -5054. К сожалению, данный прибор не позволяет производить одновременное отображение как при линейной интерполяции, так и при синусоидальной интерполяции – или только линейная, или только синусоидальная. На рисунке 18 приведена осциллограмма при использовании синусоидальной интерполяции, а на рисунке 19 приведена осциллограмма при использовании линейной интерполяции

Более подробно «витиеватости» интерполяции описаны в #bibliografy class=l> .

Вывод : В зависимости от режимов измерения, применение интерполяции sin(x)/ x может исказить форму входного периодического сигнала. Иногда ЦЗО необходимо переключать из режима интерполяции sin(x)/ x в линейную интерполяцию, для получения более достоверного сигнала.

По этой причине для более достоверного отображения различных входных сигналов имеют режимы как линейной, так и синусоидальной интерполяции. Для предотвращения ввода в заблуждение пользователя о достоверности воспроизведения формы входного сигнала, профессиональные осциллографы имеют установленный по умолчанию режим линейной интерполяции, позволяющий получать и анализировать реальные точки дискретизации Синусоидальная интерполяции, как средство восстановления формы сигнала, устанавливается при необходимости.

Остановимся теперь на методах и способах проведения измерений и исследовании сигнала.

Как уже было описано выше, казалось бы у двух разных производителей интерполяция работает одинаково. Но так ли это есть на самом деле? В #bibliografy class=l> указаны два основных способа интерполяции сигнала:

• Использование чисто математической интерполяции;
• Использование в качестве интерполятора цифрового фильтра.

Единственным недостатком математической интерполяции указаны большие вычислительные затраты, что приводит к значительному увеличению времени простоя ЦЗО, у цифрового фильтра, похоже, недостатков нет. Попробуем внести полную ясность в способы реализации интерполяции.

Способ математической интерполяции реализован в осциллографах LeCroy, а способ цифрового фильтра – в осциллографах Tektronix. Как изменяется время сбора информации при реализации линейной и синусоидальной интерполяции разными способами? Возьмем для практического эксперимента ЦЗО из одного класса, но разных производителей. Например, LeCroy WaveRunner 6050 и Tektronix TDS5054, которые мы уже использовали для предыдущих экспериментов. Установим идентичные условия сбор информации – частота дискретизации 2,5 Гвыб\с и длина памяти 8 Мб, запуск периодический. На вход подадим синусоидальный сигнал частотой 500 МГц.

LeCroy WaveRunner- 6050 . Установим линейную интерполяцию и частотомером, подключенным к выходу системы синхронизации, будем фиксировать частоту запуска развертки при времени счета частотомера 200 секунд (для исключения разброса запуска развертки). Получаем частоту 4,26 Гц. Сменим вид интерполяция с линейной на sin(x)/x – измеренная частота запуска составляет порядка 0,6 Гц. То есть в данном случае, производительность ЦЗО снижается в 7 раз, это не так уж и мало! Но вспомним, для чего нужна длинная память – что бы захватить как можно более длинный кусок сигнала, растянуть до состояния отображения полезной части и изменением значения задержки просмотреть все интересующие части сигнала. Так на рисунке 20 изображен сигнал, одновременно подаваемый на два канала осциллографа, в одном канале включена линейная интерполяция, а в другом синусоидальная.

Остановим сбор информации ЦЗО и растянем полученный сигнал. Осциллограммы приведены на рисунке 21. Как видно сигнал в канале 2 как раз и нуждается в синусоидальной интерполяции. Включим синусоидальную интерполяцию в канале 2 (напомним, что сбор информации ранее остановлен). Как видно из рисунка 22 форма сигнала выровнялась. Математическая реализация интерполяции sin(x)/x дает возможность переключать вид интерполяции и обрабатывать сигнал даже в тот момент, когда сбора информации ЦЗО уже не производит, поскольку данные, которые обрабатываются при интерполяции, остаются во внутренней памяти.

Tektronix TDS-5054 . Установим линейную интерполяцию и частотомером, подключенным к выходу системы синхронизации, будем фиксировать частоту запуска развертки при времени счета частотомера 200 секунд. Получаем частоту 2,55 Гц. Сменим вид интерполяции с линейной на sin(x)/x – измеренная частота запуска составляет 1,11 Гц. То есть в данном случае, производительность ЦЗО снижается в 2,3 раз.

Повторим эксперименты с сигналами, для которых применение интерполяции необходимо в реальном времени, например при измерении времени нарастания, как было ранее приведено на рисунке 13. Обнаружить какие-либо изменения в частоте обновления экрана не удалось, это и понятно, поскольку длина памяти для LeCroy при этом составляет всего 25 точек.

Более менее какие-то изменении в частоте запуска развертки при входном сигнале 500 МГц начинают появляться при длине памяти 2,4 К, но это в три раза больше графического разрешения ЖКИ осциллографа и форму сигнала на экране ЦЗО уже невозможно идентифицировать.

Выводы:

1. Использование в качестве интерполятора цифрового фильтра или способа математической обработки в любом случае снижает частоту обновления экрана.
2. Осциллографы LeCroy по сравнению с ЦЗО Tektronix имеют в 1,67 раза более высокую частоту обновления экрана при использовании линейной интерполяции и длинной памяти. Осциллографы Tektronix по сравнению с ЦЗО LeCroy имеют в 1,85 раза более высокую частоту обновления экрана при использовании синусоидальной интерполяции и длинной памяти.
3. При короткой памяти ЦЗО нет существенных различий в сборе информации, как при линейной, так и синусоидальной интерполяции.
4. Вне зависимости от производителя при использовании длинной памяти нет необходимости использовать интерполяцию sin(x)/ x в процессе сбора данных и увеличивать время простоя ЦЗО, поскольку ее результатов в реальном времени наблюдать невозможно, а время сбора информации увеличивается. Применить синусоидальную интерполяцию можно по окончанию сбора информации и это не влияет на другие вычислительны процессы ЦЗО.

Так же представляется возможным независимо использовать различные виды интерполяции для разных каналов осциллографа, как это было представлено на рисунке 21.

Применение математической интерполяции sin (x \ x) в осциллографах LeCroy дает возможность добавлять не только 10 точек к исходному сигналу, как это принято у других производителей, но и гораздо большее число, например 100. Так на рисунке 23 приведено изображение сигнала при интерполяции 100 точек. Исходный сигнал специально представлен только в виде точек дискретизации.

ЦЗО по сравнению с аналоговыми осциллографами дает возможность хранения информации о форме входного сигнала. Так, например, если длина памяти отставляет 1М и используется линейная интерполяция, то во внешний файл будет сохранено 1 миллион точек формы сигнала, если длина памяти 48 М, то будет сохранено 48 М. Если же мы применяем стандартную синусоидальную интерполяцию (имеется ввиду, чт достраивается 10 точек), то при длине памяти 1 М, во внешний файл будет записано 10 М информации о форме входного сигнала, включая точки, дополнительно полученные в результате математической обработки интерполяции. При длине памяти 48 М, это, соответственно, будет 480 М.

Вот по каким причинам линейная интерполяции в осциллографах LeCroy установлена по умолчанию – что бы при установленной длинной памяти и включенной интерполяции sin(x)/x время бесполезной обработки сигнала не влияло на длительность рабочего цикла и что бы при сохранении данных в файл ошибочно не увеличить размер файла в 10 и более количество раз.

Как уже было отмечено выше, при использовании синусоидальной интерполяции методом цифрового фильтра достигается некоторое сокращение времени простоя ЦЗО, но похоже на этом преимущества заканчиваются. Если провести нехитрые эксперименты с такими осциллографами, то выявляются следующие недостатки:

1. Выбранный вид интерполяция включается одновременно для всех каналов осциллографа, не возможно установить для разных каналов разный вид интерполяции, что негативно сказывается при одновременном исследовании нескольких сигналов, существенно отличающихся по частоте и форме и подаваемых на разные каналы.
2. При сохранении данных во внешний файл всегда сохраняются данные только линейной интерполяции независимо от того, включена линейная интерполяция или нет. Результаты синусоидальной интерполяции при этом теряются безвозвратно.
3. Не возможно применение других алгоритмов интерполяции, кроме добавления 10 дополнительных точек.

Дополнительные возможности ЦЗО

Анализ характеристик современных цифровых осциллографов будет не полным, если игнорировать возможности ЦЗО при проведении измерений различных параметров сигналов, анализе проведенных измерений или математической обработке данных. Современный ЦЗО - это мощный измерительный комплекс (или точнее программно-аппаратный комплекс), способный выполнять самые широкие задачи, для решения которых ранее привлекалось множество других средств измерения. Например, частотомеры, вольтметры, анализаторы спектра, графопостроители, измерители мощности, логические анализаторы, анализаторы протоколов систем передач и многие другие.

Так, например, при измерении основных параметров сигнала – амплитуды и частоты, большинство современных осциллографов уже давно использует отображение статистических данных – минимума, максимума, средних значений, стандартного отклонения и т.д. Но графическое представление статистических данных – гистограмм, присутствует не у всех ЦЗО.

Так на рисунке 24 приведен пример гистограммы, полученной в режиме измерения частоты частотно-модулированного сигнала при модуляции синусоидальным сигналом, которая соответствует спектру такого колебания.

А на рисунке 25 приведена гистограмма частотной манипуляции.

Аналогичным образом возможно построение трендов и графов для исследования медленных процессов. Причем данные, полученные в результате статистической обработки так же возможно сохранить во внешние файлы для хранения или дальнейшей обработки.

Измерения основных параметров сигнала – амплитуды, частоты, периода, времени нарастания, выброса ПХ, среднеквадратических значений, мощности, разности фаз и многих других уже стали нормой для ЦЗО. Но как поступать в случае, если сигнал имеет разные параметра на разных участках осциллограммы? Например, измерение амплитуды АМ сигнала, или измерение частоты ЧМ сигнала. Так на рисунке 26 изображен частотно-модулированный сигнал, модуляция которого осуществляется ступенчатым сигналом. Как провести достоверное измерение частоты именно в отдельных участках этого сигнала? Для этой цели можно воспользоваться курсорами, выделяющими участки исходного сигнала, так называемые окна, в пределах которых и будет производиться измерение частоты. ЦЗО, осциллограмма которого приведена на рисунке 26, имеет особенность выделения индивидуального окна для каждого из восьми измеряемых параметров Р1…Р8. Как видно из результатов измерений, 5 первых колонок (Р1…Р5) индицируют каждая свою частоту, соответствующие 5 ступенькам модулирующего сигнала. Колонка Р6, для примера индицирует частоту сигнала, как бы ее определил ЦЗО не имеющий выделения окон – это среднее значение частоты.

Интересным в современных ЦЗО представляется проведение сложных измерений с использованием таких сред как Excel, Visual Basic (VBS), MathCad или MathLab. В этом случае, получая некоторые базовые измерения от ЦЗО возможно производить свои собственные вычисления параметров, не включенных в список производителя, или параметров, рассчитанных по собственным алгоритмам. Так, например, вычисление коэффициента АМ по уровню основной гармоники и бокового лепестка, на рисунке 10, производилось с использованием среды VBS. Или же например, с использованием среды Excel, в реальном масштабе времени возможен экспорт данных о форме входного сигнала в файл Excel, обработка данных средствами Excel и импорт в ЦЗО уже обработанных данных, в виде результатов измерений.

Современные ЦЗО дают практически неограниченные возможности по математической обработке входных сигналов. Уже давно ординарностью стали такие основные математические функции: сложение, умножение, вычитание, деление, возведение в степень, вычисление логарифмов, интегралов и дифференциалов и т.д. Не вызывает удивления и анализ спектра с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ). Но использование математических средств ЦЗО для таких целей как моделирование физических процессов – это уже под силу не каждому именитому производителю осциллографов.

Например, создание цифровых фильтров с заданными пользователем параметрами и анализ их воздействия на реальный входной сигнал. Подадим на вход осциллографа LeCroy WAvePro -7100 свип-сигнал и пропустим его через цифровой полосовой фильтр, входящий в состав математических средств ЦЗО. Рисунок 27 отображает исходный сигнал и результат фильтрации.

Или же рассмотрим возможность моделирования различных физических процессов, если они могут быть описаны математическими формулами. Эти возможности предоставляет интегрированная среда VBS. Самое простое - это формирование «золотых» сигналов, полностью соответствующих своим математическим формулам, например идеальной синусоиды, соответствующей формуле Y= SIN(X), содержащей в своем спектре только одну гармонику. «Золотой» пилообразный сигнал или «золотой» прямоугольный сигнал с нулевым временем нарастания – эти сигналы могут быть использованы как опорные при исследовании физических явлений. Основные параметры для формирования таких «золотых» сигналов: амплитуда и частота, могут быть «изъяты» из входного сигнала с помощью автоматических измерений ЦЗО.

Так на рисунке 28 изображен «золотой» затухающий колебательный процесс, смоделированный в осциллографе LeCroy. Частота колебаний, время затухания, начальная амплитуда – все это может быть задано пользователем, исходя из своих прикладных задач. Полученный «золотой» шаблон может быть сложен, умножен, разделен, интегрирован и т.д. с любым живым сигналом, поступающим на вход ЦЗО, или быть основой для расчета других «золотых» сигналов.

На рисунке 29 проведен другой пример математического моделирования – воздействие окна Хемминга на реальный входной сигнал.

Приведенные здесь примеры – это лишь очень малая часть возможностей математического моделирования, доступная в современных ЦЗО, в частности в осциллографах LeCroy.

И как вывод: пользователю при выборе современного осциллографа, и не только цифрового, в любом случае необходима грамотная консультация грамотного инженера, имеющего опыт работы не только с осциллографами одного производителя, но и других производителей; знающего технические особенности применения большинства осциллографов, существующих на рынке. Только грамотный специалист может понять стоящие перед пользователем задачи и корректно помочь в выборе нужного осциллографа и всех дополнительных аксессуаров, не отдавая интересы пользователя в угоду договорным отношениям «эксклюзивных продаж» с одним производителем. Только грамотный инженер с большим опытом работы поможет разобраться пользователю во всех замысловатостях руководства по эксплуатации и, зачастую, с технически неграмотным «заокеанским» переводом.

Руководство по эксплуатации осциллографа LeCroy серии WaveSurfer.

Руководство по эксплуатации осциллографа LeCroy серии WaveRunner.

Руководство по эксплуатации осциллографа LeCroy серии WavePro.

Руководство по эксплуатации осциллографа Tektronix серии TDS5000B, 071-1420-01.

Руководство по эксплуатации осциллографа Tektronix серии TDS3000B,071-0382-01

Пивак А.В.//Компоненты и технологии – 2004 - №6 – с.204

Пивак А.В.//Компоненты и технологии – 2004 - №7 – с.196

У нас представлены товары лучших производителей

ПРИСТ предлагает оптимальные решения измерительных задач.

У нас вы можете не только купить осциллограф, источник питания, генератор сигналов, анализатор спектра, калибратор, мультиметр, токовые клещи, но и поверить средство измерения или откалибровать его. Мы имеем прямые контракты с крупнейшими мировыми производителями измерительного оборудования, благодаря этому можем подобрать то оборудование, которое решит Ваши задачи. Имея большой опыт, мы можем рекомендовать продукцию следующих торговых марок.

В настоящее время при разработке радиоэлектронной аппаратуры уделяется огромное внимание стабильности ее характеристик. Средства подвижной радиосвязи, в том числе сотовой связи не являются исключением. Основным условием достижения стабильных характеристик узлов радиоэлектронной аппаратуры является стабильность частоты задающего генератора.

В составе любой радиоэлектронной аппаратуры, в том числе приемников, передатчиков, микроконтроллеров обычно присутствует большое количество генераторов. Первоначально приходилось применять усилия для обеспечения стабильности частоты всех генераторов. С развитием цифровой техники люди научились формировать колебание любой частоты из одной исходной частоты. В результате появилась возможность выделить дополнительные средства для повышения стабильности частоты ОДНОГО генератора и тем самым получить целый ряд частот с очень высокой стабильностью. Такой генератор частот получил название опорный генератор

Первоначально для получения стабильных колебаний LC генераторов применялись особые конструктивные методы:

• Изменение индуктивности за счет расширения металла проволоки компенсировали выбором материала сердечника, влияние которого было обратным по отношению к влиянию проводников индуктивности;
• осуществляли вжигание металла в керамический сердечник с малым температурным коэффициентом расширения;
• в контур включались конденсаторы с различным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ).

Таким образом удавалось достигнуть стабильности частоты опорного генератора 10 -4 (на частоте 10 МГц уход частоты составлял 1 кГц)

Одновременно велись работы по применению совершенно других методов получения стабильных колебаний. Были разработаны струнные, камертонные, магнитострикционные генераторы. Их стабильность достигала весьма высоких значений, но при этом габариты, сложность и цена препятствовали их широкому распространению. Революционным прорывом оказалась разработка генераторов с применением . Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе

В этой схеме опорного генератора баланс амплитуд обеспечивается транзистором VT1 а баланс фаз — контуром Z1, C1, C2. Генератор собран по стандартной . Отличием является то, что вместо катушки индуктивности применяется кварцевый резонатор Z1. Следует заметить, что в данной схеме не обязательно для обеспечения стабильной работы схемы применять . Часто оказывается вполне достаточно и . Подобная схема приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема кварцевого генератора с коллекторной стабилизацией режима

Схемы кварцевых генераторов, приведенных на рисунках 1 и 2, позволяют получить стабильность частоты опорного колебания порядка 10 -5 На кратковременную стабильность колебаний опорного генератора наибольшее влияние оказывает нагрузка. При присутствии на выходе опорного генератора посторонних колебаний возможен захват его колебаний. В результате кварцевый генератор будет производить колебания с частотой помех. Для того, чтобы это явление не проявлялось в опорном генераторе на его выходе обычно ставят усилитель, основное назначение которого не пропустить внешние колебания в кварцевый генератор. Подобная схема приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема кварцевого генератора с развязкой частотозадающих цепей от выхода схемы

Не менее важным параметром, во многом определяющим фазовые шумы генератора (для цифровых схем — джиттер сигнала синхронизации), является напряжение питания, поэтому опорные кварцевые генераторы обычно запитывают от высокостабильного малошумящего источника напряжения и осуществляют фильтрацию питания RC или LC цепочками.

Наибольший вклад в нестабильность частоты кварцевого генератора вносит температурная зависимость резонансной частоты кварцевого резонатора. При изготовлении резонаторов кварцевых опорных генераторов обычно применяются AT-срезы, обеспечивающие наилучшую стабильность частоты в зависимости от температуры. Она составляет 1*10 -5 (10 миллионнных или 10 ppm). Пример зависимости частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры при различных углах среза (шаг изменения угла среза 10") приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Зависимость частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры

Нестабильности частоты 1*10 -5 достаточно для большинства радиоэлектронных устройств, поэтому кварцевые генераторы без специальных мер по повышению стабильности частоты применяются очень широко. Опорные генераторы с кварцевой стабилизацией без дополнительных мер по стабилизации частоты называются XO.

Как это видно из рисунка 4, зависимость частоты настройки кварцевого резонатора с AT-срезом от температуры хорошо известна. Более того, эту зависимость можно снять экспериментально для каждого конкретного экземплята кварцевого резонатора. Поэтому, если постоянно измерять температуру кварцевого кристалла (или температуру внутри кварцевого опорного генератора), то частоту генерации опорного генератора можно сместить к номинальному значению увеличивая или уменьшая дополнительную емкость, подключенную к кварцевому резонатору.

В зависимости от схемы управления частотой такие опорные генераторы называются TCXO (кварцевые генераторы с термокомпенсацией) либо MCXO (кварцевые генераторы с микроконтроллерным управлением). Стабильность частоты таких кварцевых опорных генераторов может достигать 0.5*10 -6 (0.5 миллионных или 0.5 ppm)

В ряде случаев в опорных генераторах предусмотрена возможность подстройки номинальной частоты генерации в небольших пределах. Подстройка частоты осуществляется напряжением, подаваемым на варикап, подключенный к кварцевому резонатору. Диапазон подстройки частоты генератора не превышает долей процента. Такой генератор называется VCXO. Часть схемы опорного генератора (без схемы термокомпенсации) приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Кварцевый генератор с подстройкой частоты внешним напряжением (VCXO)

В настоящее время многие фирмы выпускают опорные генераторы со стабильностью частоты до 0,5*10 -6 в малогабаритных корпусах. Пример чертежа подобного опорного генератора приведен на рисунке 6.

Рисунок 6. Внешний вид опорного кварцевого генератора с температурной компенсацией

Литература:

Вместе со статьей "Опорные генераторы" читают:

http://сайт/WLL/KvGen.php

http://сайт/WLL/synt.php