Структура анализатора цепей

Как уже отмечалось, не существует однозначного решения задачи о структуре и алгоритме действия анализатора цепей. Тем не менее, в соответствии с логическими концентрами 1.1 – 1.4: особенностями диапазона СВЧ, портовым представлением тестируемых цепей, принципами зондирования и панорамности – структура анализатора цепей проясняется в основных чертах. АЦ должен иметь по крайней мере один генератор зондирующих сигналов; последние должны в определенной последовательности направляться на порты ТУ (или определенным способом воздействовать на цепь, не оборудованную разъемами), а также, как будет пояснено ниже, в опорные каналы; сигналы с выходных портов ТУ (среди которых может быть и входной порт) должны направляться и ответвляться в приемники, где, возможно, частотно преобразуются, усиливаются, детектируются, оцифровываются; аналогичные преобразования совершаются над сигналами в опорных каналах; затем происходит математическая обработка выходных сигналов с целью вычисления необходимых функционалов: отношений амплитуд и разностей фаз измерительных и опорных сигналов, так называемых S-параметров тестируемой цепи и т.д.; кроме того, полученная информация приводится к виду, позволяющему отображать ее на экране монитора, сохранять, транслировать через внешний интерфейс и т.д.

Функциональные блоки АЦ (перечень)

· Cтруктурная схема рис. 1.3.3 подчеркивает принципиальные элементы АЦ: генератор зондирующих колебаний (ГЗК), расщепители мощности, устройства направленного ответвления обратного сигнала, приемники с детекторами, компьютер с дисплеем. Она включает следующие основные блоки (слово «блок» здесь понимается не в конструктивном, а в функциональном смысле):

· Блок источников зондирующих сигналов

· Блок ответвления, разделения и перенаправления сигналов

· Блок приемников

· Блок координации и управления прибором (виртуальный)

· Блок измерительной калибровки и коррекции данных измерения

· Блок математической обработки сигналов и расчетов

· Блок отображения результатов анализа

· Блок внутренней автоматики.

Блок источников

Блок источниковзондирующих сигналов включает один или два генератора зондирующих сигналов, выполненных, в современных условиях, в виде синтезаторов частот. Этот блок может включать систему стабилизации выходной мощности генераторов и другие необходимые устройства. Блок обеспечивает формирование и передачу в различных режимах зондирующих сигналов двух видов:

– цугов монохроматических колебаний в определенных (устанавливаемых) частотных точках или (а) с дискретным частотным панорамированием с устанавливаемыми частотным диапазоном и шагом, (б) с дискретным мощностным панорамированием с устанавливаемыми мощностным диапазоном и шагом; такой вид зондирующих сигналов необходим для характеризации анализируемых линейных и нелинейных цепей в частотной области;

– или (и) последовательности коротких радиоимпульсов эталонной формы с СВЧ заполнением на точной временной сетке; возможно поимпульсное частотное панорамирование заполнения; такой вид зондирующих сигналов необходим для характеризации анализируемых линейных и нелинейных цепей во временной области.

Главные требования к зондирующим сигналам: высокая кратковременная частотная стабильность, определяемая фазовыми шумами генераторов и системой управления ими; стабильность мощности цугов и импульсов.

Блок ответвления, разделения и перенаправления сигналов не локализован пространственно, его элементы находятся в различных трактах. Как следует из названия блока, его элементы выполняют функции:

– ответвления части падающей волны, до ее попадания в порт ТУ, в опорный канал, с целью дальнейшего обеспечения относительных измерений амплитуд и, возможно, фаз; эту функцию выполняют расщепители (cплиттеры), или делители мощности, или направленные ответвители, имеющие взаимные преимущества и недостатки; в двухпортовом АЦ таких ответвителей необходимо два: при зондировании первого порта и при зондировании второго порта;

– разделения падающей (идущей к порту ТУ) и отраженной (идущей от порта ТУ) волн на входе ТУ, с тем чтобы направить отраженную компоненту в приемник отражения; в связи со специальным требованием к так называемой направленности, эту функцию выполняют направленные ответвители или отражательные направленные мосты, имеющие взаимные преимущества и недостатки; в двухпортовом АЦ таких разделителей необходимо два: при зондировании первого порта и при зондировании второго порта;

– перенаправления падающей волны с первого порта ТУ на второй и наоборот, для обеспечения последовательного зондирования двухпортовой цепи с обоих портов; эту функцию выполняет переключатель, к которому предъявляется ряд требований (высокая скорость переключения, большой ресурс, высокая повторяемость коэффициента передачи и его одинаковость для обоих положений переключателя); этим требованиям удовлетворяют твердотельные, но не механические переключатели;

– разделения сигнала единого гетеродина на приемники в случае применения в них супергетеродинирования.

Блок приемников содержит 4 приемника: 2 приемника опорных каналов и 2 приемника измерительных каналов (по одному на зондирование каждого порта ТУ). Иногда производитель АЦ ограничивается одним опорным приемником, что хотя и дает некоторую экономию оборудования и стоимости, ограничивает возможности измерительной калибровки прибора, подвергает измерение дополнительной ошибке за счет неидеальной повторяемости переключателя и т.д. Применяются приемники одного из двух принципиально различающихся типов:

– первый тип – детекторный приемник с широкополосным диодным детектированием, его входная полоса частот должна охватывать весь диапазон панорамного изменения частоты зондирующих сигналов; важнейшие преимущества такого детектора и приемника с таким детектором – экономия стоимости, простота реализации и настройки, удобство тестирования устройств с изменением частоты; важнейшие недостатки – относительно высокая мощность последетекторных шумов вследствие сверхширокополосности, что сильно ухудшает чувствительность и динамический диапазон приемника (последний можно несколько расширить, увеличивая выходную мощность генератора зондирующих сигналов), отсутствие в последетекторном сигнале информации о фазе радиочастотной несущей в додетекторном сигнале; последний недостаток не позволяет применять этот тип детектирования в так называемых векторных анализаторах цепей (ВАЦ), то есть приборах, измеряющих, помимо амплитуд, и фазы сигналов; этот тип детектирования применяется в так называемых скалярных анализаторах цепей (САЦ);

– второй тип – супергетеродинный приемник с постоянной промежуточной частотой (ПЧ), с узкополосным детектированием в тракте ПЧ; такие приемники включают гетеродин, перестраиваемый синхронно с изменением частоты генератора зондирующих сигналов, смеситель и полосовой фильтр в тракте ПЧ (заметим, что в этом приемнике детектора в узком смысле слова вообще нет: после узкополосного фильтра включен АЦП, тракт разветвляется: в одной ветви производится цифровое амплитудное детектирование (корень квадратный из суммы квадратов отсчетов на интервале разрешения), в другой – цифровое фазовое детектирование (арктангенс из отношения средних квадратур)); вместо четырех гетеродинов можно использовать один, разветвляя его сигнал на четыре приемника (в структурной схеме АЦ тогда добавятся устройства разветвления, например, три расщепителя или делителя мощности); важнейшие преимущества такого приемника: (а) большой выигрыш в мощности последетекторных шумов, за счет чего резко улучшается чувствительность, увеличивается динамический диапазон; (б) сохранение в последетекторном сигнале информации о фазе радиочастотной додетекторной несущей; (в) улучшение очистки от гармоник и побочных гармонических сигналов в принимаемом сигнале, важнейший недостаток: значительно большая стоимость приемников, в сравнении с детекторными; хотя этот тип приемников, в принципе, можно применять и в ВАЦ, и в САЦ, последнее не имеет смысла, т.к. к САЦ не предъявляются высокие требования по точности, чувствительности и динамическому диапазону, в частности, из-за вынужденного несовершенства калибровки в отсутствие фазовой информации и стремления к удешевлению прибора; часто на выходах приемников устанавливают аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и дальнейшая обработка сигналов ведется в цифровом виде.

Блок координации и управления прибором (виртуальный) с помощью процессора, операционной системы и сигнальных процессоров выполняет различные наборы функций в зависимости от совершенства, многофункциональности, универсальности и сложности анализатора, в частности:

· управляет генераторами, гетеродинами, приемниками, переключателями, фильтрами, аттенюаторами и т.д.;

· синхронизирует алгоритмы и протоколы;

· формирует частотные, временные, мощностные сетки;

· инициирует и завершает выполнение компьютерных программ;

· контролирует соблюдение количественных условий и параметрических установок.

Блок измерительной калибровки и коррекции данных измерения с помощью процессора и операционной системы может работать в трех режимах: (1) механической калибровки (измерение калибровочных стандартов (эталонов); (2) электронной (автоматической) калибровки; (3) поверки прибора (верификации);

в режиме (1) он выполняет функции:

• принимает сообщение о выборе механической калибровки;

· начинает работу по сигналу оператора;

· предлагает на выбор виды и типы механической измерительной калибровки;

· предлагает и проверяет исполнение последовательности калибровочных измерений;

· фиксирует (сохраняет) результаты калибровочных измерений в стандартной протокольной форме;

· по результатам основных и калибровочных измерений рассчитывает и фиксирует скорректированные данные основных измерений;

в режиме (2) он выполняет функции:

· принимает сообщение о выборе электронной калибровки;

· начинает работу по сигналу оператора;

· проверяет «законность» и правильность подключения блока электронной калибровки;

· фиксирует (сохраняет) результаты калибровочных измерений в стандартной протокольной форме;

· по результатам основных и калибровочных измерений рассчитывает и фиксирует скорректированные данные основных измерений;

в режиме (3) он выполняет функции:

· принимает сообщение о выборе верификации;

· начинает работу по сигналу оператора;

• предлагает на выбор виды верификационных стандартов;

· предлагает и проверяет исполнение последовательности измерений с верификационными стандартами;

· фиксирует (сохраняет) результаты измерений с верификационными стандартами в стандартной протокольной форме.

Блок математической обработки сигналов

Виртуальный блок математической обработки сигналов и расчетов выполняет часть функций внутреннего процессора АЦ или внешнего компьютера, сопряженного с АЦ, в зависимости от выбранной конфигурации:

· приводит выходные данные приемников к необходимому формату;

· рассчитывает отношения сигнальных и опорных отсчетов;

· рассчитывает функционалы выборочных данных, соответствующие трассовым и временным усреднениям, а также другим операциям.

Блок отображения результатов

Управляет работой монитора (в варианте внутренних процессора и монитора или внешнего компьютера):

· разбивает поле отображения на зоны;

· выбирает вид, форму и режим отображения в каждой зоне (диаграмма Вольперта-Смита, частотная панорама амплитуды или фазы S-параметра в линейном или логарифмическом формате, мощностная панорама и т.п.);

· формирует экранные надписи;

обслуживает систему маркеров и граничных линий.

Виртуальный блок внутренней автоматики реализует некоторую форму внутренней измерительной автоматики определенной сложности: от наиболее простой формы – состояния воспроизведения (устанавливает АЦ в предконфигурированное состояние со всеми необходимыми инструментальными параметрами) до наиболее сложной – тестового программирования (запись нажатий кнопок, усложненные программы, различные интерфейсы с персональными измерительными услугами и т.п.).