Факторы эффективности

Некоторые метрологические понятия

Измерение физической величины это нахождение ее значения экспериментальным путем с помощью специальных технических средств – средств измерений. По способу получения числового значения измеряемой величины все измерения делят на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Прямые измерения основаны на методе сравнения измеряемой величины с мерой этой величины или на методе непосредственной оценки значения измеряемой величины по отсчетному устройству средства измерений, шкала которого проградуирована в единицах измеряемой величины. Косвенные измерения являются более сложным видом измерений, результат которых получают после прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью. Косвенные измерения в ряде случаев позволяют получить более точные результаты, чем прямые, а иногда являются единственно возможными для данной физической величины. Совокупные измерения представляют собой неоднократные, обычно прямые измерения одной или нескольких одноименных величин (при различных сочетаниях этих величин) с получением общего результата измерений путем решения системы уравнений, составляемых по частным результатам измерений. Совместные измерения состоят в одновременном измерении двух или нескольких не одноименных величин с последующим вычислением результата путем решения системы полученных при измерениях уравнений. Средство измерений – техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. К средствам измерений относятся меры, измерительные приборы и измерительные установки (системы). Кроме того, к средствам измерений относят измерительные преобразователи, измерительные принадлежности, служащие для расширения диапазона измерений, повышения точности измерений, дистанционной передачи результатов измерений, питания средств измерений высокостабильной электрической энергией и т. д. Иногда необоснованно расширяют применение понятия средства измерений на самостоятельно функционирующие, имеющее конкретное техническое назначение сложные устройства, хотя и решающие измерительные задачи. Например, радиолокационная станция является также измерительным устройством, но не средством измерения. Средство измерений не предназначено для выполнения самостоятельных функций, а выполняет их совместно с источниками измеряемых физических величин. Этими источниками являются другие технические устройства, явления, тела и т. д.

Не следует относить к средствам измерений и многочисленные виды испытательных установок, несмотря на то что многие из них также имеют нормированные метрологические характеристики. Например, барокамеры, термокамеры, вибростенды, центрифуги должны обеспечивать определенный диапазон и поддержание условий испытаний с заданной точностью. Но указанные средства не измеряют, а воспроизводят с теми или иными точностями и диапазонами условия испытаний (в том числе и условия измерений).

Мерой называется средство измерений в виде тела или устройства, предназначенное для хранения и (или) воспроизведения физической величины заданного размера. К мерам относятся нормальные элементы, измерительные магазины емкостей, генераторы стандартных сигналов и др. В нашем случае к мерам относятся калибровочные элементы (прецизионные нагрузки холостого хода, короткого замыкания, нагрузки с заданным КСВ и т.д.).

Измерительная установка представляет собой комплекс средств измерений и вспомогательных устройств, обеспечивающий получение измерительной информации на исследуемом объекте в заданном объеме и заданных условиях. Обычно в измерительную установку входят приборы, меры, а также устройства их сопряжения, питания, обеспечения режимов измерений. Такая установка может быть с ручным управлением или автоматизированная. В нашем случае измерительная установка включает непосредственно АЦ, набор калибровочных мер, соединительные кабели, оборудованные разъемами, переходные соединители (адаптеры), дополнительные подключаемые по мере необходимости извне устройства, например, усилители, аттенюаторы и т.п.

Измерительная система – понятие, обязанное усложнению измерительных задач, решаемых в интересах проверки работоспособности многопараметрических электронных систем в условиях их функционирования. В настоящее время, как правило, измерительные системы создаются автоматизированными и называются автоматизированными измерительными системами (АИС), автоматизированными системами контроля (АСК) и т. д. Объединение измерительных приборов в измерительную систему облегчается принятым в большинстве случаев управлением от (внешнего или внутреннего) компьютера, согласованным интерфейсом и открытостью матобеспечения к перепрограммированию.

Все большую роль в средствах измерений, особенно автоматизированных, играют измерительные преобразователи (датчики), предназначенные для преобразования измерительного сигнала в форму, удобную для передачи, дальнейшего преобразования, хранения и обработки. Измерительные преобразователи имеют нормированные метрологические характеристики, конструктивно они, как правило, оформлены в самостоятельное средство измерений, но иногда являются встроенной составной частью измерительного прибора. Основное требование, предъявляемое к измерительным преобразователям: их унификация и стандартизация с целью сопряжения со средствами измерений, использования в измерительных системах, встраивания в объект измерения. Многие датчики выполняются не только для передачи преобразованной информации в отсчетное устройство, как, например, в случае дистанционного измерения давления, но и для передачи измерительного сигнала в соответствующие каналы управления.

По метрологическому иерархическому принципу признаку все средства измерений делятся на рабочие, образцовые и эталоны.

Рабочие средства измерений – не предназначены для воспроизведения и хранения единиц физических величин, а также для передачи их размеров другим средствам измерений.

Образцовые средства измерений – меры, измерительные приборы (установки) или измерительные преобразователи, применяемые для поверки по ним других средств измерений (рабочих или образцовых меньшей точности). Образцовые средства измерений обычно специально разрабатываются и аттестуются. В радиоизмерительной технике, особенно при высокоточных измерениях, иногда не удается создать образцовые приборы, и в качестве их используются специально отобранные и аттестованные приборы из числа рабочих.

Эталоны – средства измерений (обычно комплекс средств измерений), предназначенные для воспроизведения и (или) хранения единицы физической величины с целью передачи ее размера низшим по точности средствам измерений (как правило, образцовым). Эталон должен быть официально утвержден Госстандартом в качестве такового. Эталон может быть государственным – исходным для страны. При этом государственный эталон является первичным, воспроизводящим или хранящим единицу физической величины, специальным, заменяющим первичный эталон для воспроизведения единицы в особых условиях. Для обеспечения нужд отраслевых метрологических служб применяются вторичные эталоны, размер единицы которым передается от первичного (специального) эталона.

В некоторых случаях, когда не представляется возможным создать эталонное средство измерений, допускается применение так называемого группового эталона, состоящего из группы однотипных средств измерений (например, образцовых или даже рабочих). Размер единицы физической величины, хранимой групповым эталоном, определяется в соответствии с принятым алгоритмом обработки значений физической величины, воспроизводимых отдельными средствами измерений, входящими в состав группового эталона. В настоящее время применяются достаточно сложные алгоритмы обработки, вплоть до применения методов «самообучения».

Анализатор цепей (АЦ) СВЧ предназначен для совокупных косвенных измерений S-параметров (параметров рассеяния) различных устройств и цепей СВЧ в лабораторных условиях. Он является средством измерения, более точно – измерительным прибором.

Всем средствам измерений присущи основные свойства: метрологические, эксплуатационные, информационные и др. Наиболее важными являются метрологические свойства (характеристики) средств измерений. К ним относятся: точность и диапазон измерений, чувствительность, разрешающая способность, стабильность, метрологическая надежность, неинформативные параметры средства измерений (например, диапазон частот, в котором возможно измерять значения нужного параметра) и т.п.

Все свойства, и в частности, метрологические так или иначе отражаются на эффективности средства измерения. Эффективность – общий условный итог качества достижения поставленной перед средством измерения цели. Количественная оценка эффективности возможна, если сформулирован комплексный критерий эффективности, такой, что большему значению критерия соответствует большая эффективность. Если комплексный критерий эффективности сформулирован, появляется возможность не только сравнивать различные измерительные приборы, но и оптимизировать их. Комплексный критерий учитывает веса различных свойств средства измерения, в частности, метрологических. Несмотря на сугубую условность и гибкость количественного исчисления весов, очень редко удается подобрать приемлемый комплексный критерий эффективности радиоэлектронной системы, в частности, измерительного прибора. Уменьшение же комплексности критериев увеличивает число частных критериев, а в пределе разрушает саму идею исчисления эффективности и оптимизации на ее основе.

Тем не менее, по опыту оптимизации различных радиоэлектронных систем, можно утверждать, что возможно сформулировать ряд частных критериев невысокой комплексности, позволяющих сравнивать измерительные приборы по отдельным направлениям и оптимизировать приборы по этим направлениям. Примерами таких направлений являются комплексы точность-разрешение-оперативность, цена-многофункциональность, точность-цена-надежность и т.д.

ВАЦ или САЦ

При выборе архитектуры и схемотехнического решения АЦ перед разработчиком стоит ряд дилемм, в частности:

· измерение амплитуд и фаз, или только амплитуд;

· использовать широкополосные детекторные приемники , или узкополосные супергетеродинные приемники;

· использовать простую однопортовую калибровку, или сложную многопортовую калибровку;

· использовать дорогие и сложные направленные ответвительные приборы с максимальной направленностью, или недорогие с умеренной направленностью;

· использовать анализ в частотной области, во временной области, в обеих областях;

· использовать для получения анализа во временной области импульсные зондирующие сигналы, или только частотно-сканирующие сигналы.

На первый взгляд, решение этих дилемм порождает многочисленные типы и подтипы АЦ, например, скалярный АЦ (САЦ) с широкополосным или узкополосным детектором, с простой или сложной калибровкой, с прецизионными сверхширокополосными направленными ответвителями (НО) или с направленными мостами с «вшитыми» диодными детекторами и т.д. На самом деле, в результате логических, технических, маркетинговых соображений и использования здравого смысла, для АЦ диапазона СВЧ в подавляющем большинстве случаев остаются только два основных типа и несколько мало различающихся подтипов.

Первый основной тип – скалярный анализатор(измеряет только модули параметров рассеяния) с широкополосными детекторными приемниками, с простой однопортовой калибровкой (т.н. нормированием), с ответвительными устройствами умеренной направленности (например, с направленными мостами с «вшитыми» диодными детекторами), с анализом в частотной области. Сложные многопортовые методы калибровки в САЦ недоступны, т.к. требуют измерения не только модулей, но и фаз параметров рассеяния. Использование в САЦ узкополосных супергетеродинных приемников, хотя и снизило бы уровень шума и расширило динамический диапазон измерения модулей параметров рассеяния, но увеличило бы цену САЦ до сравнимых с векторным АЦ (ВАЦ) величин, что резко сузило бы рынок таких приборов. Использование дорогих прецизионных НО нецелесообразно по той же причине, а также потому, что уменьшение измерительной ошибки за счет дефицита направленности на фоне сравнительно больших (из-за ущербности калибровки) ошибок за счет многих других факторов – не имеет смысла.

Второй основной тип – векторный анализатор (измеряет модули и фазы параметров рассеяния) с узкополосными супергетеродинными приемниками, с набором методов измерительной калибровки по выбору, в том числе т.н. «полные» калибровки, рассчитанные на различные наборы калибровочных эталонов, а также (возможно, опционально) с «электронной» калибровкой, с прецизионными НО, с использованием частотного сканирования зондирующих сигналов, с анализом в частотной и (по крайней мере, опционально) во временной областях. Такой прибор имеет значительную стоимость, но обеспечивает высокие (а по некоторым факторам – наивысшие) измерительные точности, динамический диапазон, универсальность, чувствительность и другие факторы эффективности.

Фактически гипотетический спектр типов АЦ выродился в два типа: недорогой малоэффективный, с узкой областью применения, и дорогой высокоэффективный универсальный.

Несомненно, что в ближайшее время, с развитием субнаносекундной импульсной техники и увеличением быстродействия АЦП появится третий основной тип АЦ – импульсный анализатор цепей (ИАЦ), с импульсными зондирующими сигналами (в виде короткого импульса определенной формы или короткого скачка), с прямым анализом во временной области и косвенным – в частотной области. В настоящее время такие приборы выпускаются или разрабатываются с ограничением верхней частоты спектра анализа до сотен МГц.

Точностные характеристики

Вокруг понятия точность измерения группируется комплекс параметров и характеристик, так или иначе характеризующих степень приближения результатов измерений к истинным значениям измеряемых величин. Важнейшая из таких характеристик – погрешность измерения (погрешность прибора) – отражает отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Рассмотрим сначала случай измерения скалярной величины ; (абсолютная) погрешность измерения

,

где – измеренное и истинное значения.

Заметим прежде всего, что независимо от типа, характера и т.п. погрешности измерения, она не может стать известной точно как величина. Действительно, мы исходим из того, что никакая физическая величина никаким измерительным прибором не может быть измерена абсолютно точно (следовательно, всегда ). Но если в результате какого-то измерения получено значение и каким-то способом найдено точное значение погрешности , то это означает, что стало известно точное значение измеряемой величины:

,

что невозможно.

Далее, необходимо различать погрешность измерения и погрешность прибора (в нашем случае погрешность АЦ), первое понятие шире.

В общем плане погрешность измерений обусловливаются многими факторами, в частности:

- погрешностью метода измерения (методическая погрешность); в нашем случае методическая погрешность обязана неточности перехода от электродинамического представления линий передачи и их сочленений к модели эквивалентных линий и устройств; неточности портового представления цепей СВЧ; неточности предположения о линейности элементов трактов; некоторой неадекватности модели матрицы рассеяния; и т.п.;

- несовершенством средства измерения; этот многосторонний фактор будет постепенно раскрываться на протяжении книги;

- влиянием условий проведения измерений; в нашем случае это, например, значение и изменчивость температуры, влажности и давления окружающего воздуха; вибрации различного рода и т.д.;

- влиянием каналов связи объекта измерений со средством измерений; в нашем случае это линии передачи, разъемы и т.п. соединительных трактов между АЦ и тестируемым устройством (ТУ);

- субъективными погрешностями, промахами, недочетами оператора, управляющего, настраивающего, калибрующего средство измерения, фиксирующего и интерпретирующего его показания.

Последние два фактора не относятся к погрешности средства измерений, но влияют на погрешность результата измерений.

По способу числового выражения погрешности разделяются на:

- абсолютные, выражаемые в единицах измеряемой величины;

- относительные, выражаемые отношением абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины или к значению, близкому к истинному;

- приведенные, выражаемые отношением абсолютной погрешности к некоторому условно принятому значению измеряемой физической величины, например, к значению верхнего предела измерений.

По характеру и причинам появления погрешности разделяются на систематические, случайные и промахи.

Систематические погрешности представляют собой такие составляющие погрешности средства измерений, которые при неоднократном использовании средства измерений остаются постоянными или изменяются закономерно. Эти погрешности поддаются изучению и учету, в силу чего результат измерений может быть уточнен путем внесения поправок. Более того, стремятся создать средство измерений таким образом, чтобы исключить влияние систематических погрешностей.

Вообще в измерительных приборах систематические погрешности обусловлены:

- неточной градуировкой средств измерений;

- неправильной установкой прибора;

- несовершенством метода измерений;

- применением приближенных формул (в частности, в тех случаях, когда измерительный прибор обрабатывает измерительную информацию);

- и т. д.

Конкретно в частотно-панорамных и мощностно-панорамных измерительных системах СВЧ диапазона, в частности, в анализаторах цепей, систематические погрешности обусловлены рассогласованиями в точках сочленений трактов, протечками из одних точек в другие, изменениями коэффициентов передачи в трактах прибора с частотой и т.д.

Вообще в измерительных приборах исключение (или уменьшение) систематических погрешностей бывает возможно:

- установкой нуля отсчета;

- калибровкой измерительных приборов перед измерением.

Конкретно в анализаторах цепей СВЧ диапазона калибровка разделяется на измерительную и производственную. Измерительная калибровка в этих приборах и коррекция данных на ее основе носит изощренный характер, особенно в векторных анализаторах цепей. Эти вопросы будут в дальнейшем подробно рассмотрены в томе 3 серии.

Случайные погрешности изменяются непредвиденным (случайным) образом при проведении повторных измерений одной и той же физической величины. В отличие от систематических случайные погрешности невозможно исключить из результата измерений. Но многократные измерения одной и той же величины позволяют уменьшить случайную составляющую погрешности путем нахождения среднего ее значения.

Промахи представляют собой погрешности, существенно превышающие присущие данному средству измерений систематические и случайные погрешности. Они возникают или из-за неисправностей средства измерений, или из-за грубых ошибок оператора. Не существует абсолютно надежного алгоритма идентификации измерения как содержащего промах. Адекватная постановка этой задачи – двухальтернативное испытание статистических гипотез на основе математической статистики (оптимальное обнаружение события). При такой постановке задачи в рамках критерия Неймана-Пирсона можно выработать решающее правило, при котором всегда существует вероятность «ложной тревоги» (вероятность принятия решения «промах» при его отсутствии на самом деле) и вероятность пропуска промаха (вероятность принятия решения «нет промаха», когда на самом деле он есть). При обнаружении промаха (то есть принятии решения «промах») соответствующий результат измерений должен быть исключен как неверный.

Погрешности, возникающие в нормальных условиях работы средств измерений [температура окружающей среды 20 5⁰С, атмосферное давление 100 4 кПа (750 мм рт. ст.), относительная влажность воздуха 65 ], называются основными. В технических условиях на радиоизмерительные приборы обычно указываются также дополнительные погрешности, представляющие собой дополнительное изменение основной погрешности за счет изменения внешних условий относительно нормальных. Так, довольно часто указывается дополнительная погрешность за счет изменения температуры относительно нормальной.

Более глубокую, чем в теории ошибок интерпретацию видов ошибок, открывающую путь к оптимизации измерений, дает математическая статистика, точнее – ее часть теория оценок, кратко изложенная в главе 8. С ее точки зрения окончательный результат измерения (не обязательно равный величине ) есть оценка величины ; оценка, за редкими тривиальными исключениями есть случайная величина; систематическая ошибка есть смещение оценки (то есть искажение ее математического ожидания), а случайная ошибка есть мера неопределенности оценки как случайной величины; например, среднеквадратичная абсолютная ошибка есть среднеквадратичное отклонение этой случайной величины. Теория оценок дает методы формирования и оптимизации структуры оценки по выборочным данным, то есть по результатам отдельных измерений, из которых формируется ; это открывает путь к оптимизации обработки сигналов в измерительном приборе и, в какой-то степени – к оптимизации алгоритмов измерительной калибровки и других процедур.

Поскольку истинное значение измеряемой величины недостижимо (а при априорной известности этого значения нет необходимости в измерении), в теории ошибок, а более широко – в математической статистике иногда приходится в некоторые выражения подставлять вместо истинного значения величину или даже . Если ошибка подставляемой величины по отношению к достаточно мала, такая подстановка в большинстве случаев вносит в некотором смысле пренебрежимую ошибку в выражение. Например, покажем, что если в выражение для относительной ошибки результата измерения

подставить вместо , то есть заменить на

,

то относительная ошибка выражения за счет этой подстановки мала. Действительно, записав

,

и подставив предыдущие равенства, получаем:

.

Таким образом, при замене в выражении для величины на величину , в оценку ошибки (а не в оценку измеряемой величины !) вносится относительная ошибка порядка , что вполне приемлемо.

Вспомним теперь, что объектами измерения анализатора цепей являются комплексные величины – параметры рассеяния тестируемых устройств (скалярный анализатор измеряет только модули этих параметров, векторный анализатор измеряет эти параметры в полном объеме). Понятие ошибки комплексной величины можно ввести по-разному, в зависимости от принятого представления комплексной величины. Например, при «естественном представлении» в форме истинное значение измеряемой величины будет , измеренное – , абсолютная ошибка измерения будет комплексной величиной , а относительная ошибка – комплексной величиной сложной структуры:

.

К сожалению, такое введение абсолютной и относительной ошибок не годится для практического использования по ряду причин. Во-первых, для комплексных величин не существует отношения «больше-меньше» и так введенные ошибки не позволяют сравнивать измерения по точности. Во-вторых, конкретное измерение параметра рассеяния осуществляется не путем канального разделения измерений действительной и мнимой частей, а путем канального разделения измерения амплитуды и фазы (аргумента) величины, то есть используется «экспоненциальное представление» комплексной величины . В-третьих, для характеризации точности измерения амплитуды удобно использовать относительную ошибку в линейном, или, чаще – в децибельном масштабе, а для характеризации точности измерения фазы удобно использовать абсолютную ошибку. В-четвертых, даже если для некоторых теоретических выкладок понадобиться выражения для относительной ошибки комплексной величины в виде отношения двух комплексов, то и в этом случае гораздо удобнее использовать их выражения в «экспоненциальном» виде.

Таким образом, мы приходим к двум системам измеряемых величин и их ошибок; первая система: модули параметров рассеяния , их абсолютные ошибки и относительные ошибки ; вторая система: фазы (аргументы) параметров рассеяния и их абсолютные ошибки .

В дальнейшем, при подробном изложении вопросов точности аппаратного анализа цепей мы рассмотрим два популярных подхода к интерпретации случайных ошибок амплитуды и фазы параметра рассеяния: в виде доверительного интервала при фиксированной доверительной вероятности и в виде среднеквадратичной ошибки; и два популярных подхода к интерпретации систематических ошибок амплитуды и фазы параметра рассеяния: в виде интервала неопределенности между возможными минимальным и максимальным значениями и в рамках квазистатистического подхода.

Диапазон измерений

Область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы погрешности средства измерений. Формально, по способу измерений векторные АЦ измеряют амплитуды и фазы (а скалярные АЦ – амплитуды) параметров рассеяния тестируемых устройств во всем диапазоне возможных значений этих параметров; например, для пассивных тестируемых устройств амплитуды – в диапазоне . Однако, согласно определению, диапазон измерений амплитуд, на самом деле, уже. Дело в том, что при приближении истинного значения модуля параметра рассеяния к нулю уровень входного сигнала на соответствующем приемнике также стремится к нулю, ошибка измерения отношения этого уровня к уровню опорного сигнала возрастает, а при нулевом значении модуля измерение становится невозможным, что соответствует бесконечной ошибке. Поэтому, если заданы максимальные допустимые ошибки измерения модулей , то существуют минимальные измеримые значения этих модулей , и диапазоны измерения этих модулей (если нет других ограничивающих факторов, кроме названного) суть .

Аргументация относительно диапазона измерения фаз более сложна, но вывод тот же: диапазон измерения фаз параметров рассеяния уже диапазона .

Чем шире диапазоны измерений амплитуд и фаз параметров рассеяния, тем выше эффективность АЦ.

Глубина частотной панорамы

Обычно АЦ допускает установку оператором диапазона перестраиваемой частоты зондирующего сигнала на дискретном множестве от некоторой начальной частоты до некоторой конечной частоты . Предельный диапазон, образуемый минимально возможной , равной , и максимально возможной , равной – важный фактор эффективности. Отношение (или его децибельную меру ) можно назвать глубиной частотной панорамы. Вообще говоря, чем ниже и чем выше , тем, при прочих равных условиях, выше эффективность АЦ: расширяется множество устройств, которые способен тестировать АЦ и т.д. Однако, расширение предельного частотного диапазона усиливает требования к генератору зондирующих сигналов (может даже потребоваться применение двух или более переключаемых генераторов), блокам преобразования частот, системе отображения результатов измерения. Кроме того, при сохранения частотного шага расширение предельного частотного диапазона увеличивает максимальное число частотных точек, а это, в свою очередь, снижает оперативность прибора и увеличивает нагрузку на блоки координации и управления прибором, измерительной калибровки и коррекции данных, математической обработки сигналов и расчетов, отображения результатов, внутренней автоматики; при сохранении же числа частотных точек ухудшается частотное разрешение прибора, что означает огрубление частотного анализа и при испытании некоторых устройств может даже стать недопустимым.

Не существует какого-то единого решения для оптимального частотного диапазона АЦ СВЧ; обычно принимают порядка десяти МГц, а – порядка нескольких ГГц, то есть реализуют глубину частотной панорамы порядка или более трех декад. Наиболее критичен выбор максимальной частоты , т.к. он может сильно повлиять на выбор компонент (например, направленных ответвителей, смесителей и т.д.) и даже схемотехнической архитектуры, а это, в свою очередь, на точностные характеристики и себестоимость производства прибора.

Глубина мощностной панорамы

Как указывалось выше, для тестирования нелинейных и активных устройств и изучения мешающих нелинейных явлений АЦ должен иметь возможность варьировать выходную мощность генератора зондирующих сигналов, в том числе – в режиме сканирования этой мощности. Обычно АЦ допускает установку оператором диапазона перестраиваемой мощности зондирующего сигнала на дискретном множестве от некоторой начальной мощности до некоторой конечной мощности . Предельный диапазон, образуемый минимально возможной , равной , и максимально возможной , равной – важный фактор эффективности. Отношение (или его децибельную меру ) можно назвать глубиной мощностной панорамы. Вообще говоря, чем ниже и чем выше , тем, при прочих равных условиях, выше эффективность АЦ: расширяется множество устройств, которые способен тестировать АЦ, возрастает глубина изучения нелинейных характеристик и т.д. Однако, расширение предельного мощностного диапазона усиливает требования к генератору зондирующих сигналов, блокам преобразования частот, системе отображения результатов измерения и может потребовать включения дополнительных каскадов усиления.

Динамический диапазон измерений

Это важный параметр эффективности АЦ. В п. 3. указано, что (статический) диапазон измерений модуля параметра рассеяния уже возможных значений этого модуля (для пассивных тестируемых устройств диапазон возможных значений ). Сейчас поставим более тонкий вопрос: насколько уже диапазон измерения, чем диапазон значений? Более точно: пусть нормированы погрешности измерения модуля ; каковы крайние измеримые значения ; в рамках этих погрешностей.

Чтобы почувствовать, насколько актуален этот вопрос, приведем пример. Пусть измеряется коэффициент пропускания полосового фильтра в некоторой области частот. Для простоты предположим, что в области пропускания коэффициент пропускания фильтра имеет максимальное значение 1 (0 дБ), а в области заграждения имеет минимальное значение (-G), дБ (например, G=100). Возможны два режима измерения: «долгий» и «быстрый». В долгом режиме коэффициент пропускания измеряется отдельно в области пропускания и отдельно – в области заграждения , причем перед измерением в каждой области отдельно устанавливается выходная мощность генератора зондирующих сигналов: меньшая для области пропускания, большая – для области заграждения. Достигаемый в долгом режиме диапазон измерения назовем статическим. В быстром режиме коэффициент пропускания измеряется одновременно, то есть в течение сканирования частоты (возможно – многократного) в диапазоне . Достигаемый в этом режиме диапазон измерения следует назвать динамическим. Ясно, что измерение можно назвать успешным, только если динамический диапазон измерения больше или равен перепаду (в децибелах) между минимальным (–G), дБ и максимальным 0 дБ значениями измеряемого коэффициента пропускания фильтра.

Не вдаваясь в детали, можно считать, что динамический диапазон измерения параметров рассеяния ограничивается сверху допустимыми рабочими мощностями зондирующих сигналов, и снизу – допустимыми (пороговыми) отношениями сигнал-шум. В свою очередь, допустимые рабочие мощности ограничиваются нелинейными искажениями и ошибками вследствие них, а также предельными входными мощностями некоторых элементов, а уровень шума зависит от полосы в последетекторном (послесмесительном) тракте. Поскольку отношение сигнал-шум зависит от (некогерентного) усреднения по нескольким сканированиям частоты, а при наличии когерентного усреднения в тракте ПЧ – от степени этого усреднения, существуют, по крайней мере, два понятия динамического диапазона: динамический диапазон до усреднения и динамический диапазон после усреднения.

Простой вывод из приведенных рассуждений: ВАЦ, с его узкополосным супергетеродинным приемником, должен иметь значительно больший динамический диапазон, чем САЦ, с его широкополосным детекторным приемником, поскольку уровень шума в последетекторном тракте прямо зависит от полосы на входе детектора.

Разрешение по измеряемой величине

Мера различимости измерителем различных значений измеряемой величины. Задачи разрешения, восходящие к оптике, обычно ставятся как пороговые: предполагается, что существует такое (пороговое) различие двух значений измеряемой величины, что при большем различии эти значения воспринимаются как разные, а при меньшем – как одинаковые; это пороговое различие и есть мера разрешающей способности. Для построения решающего правила разрешения необходим критерий разрешения, связывающий решение с разностью или отношением (в общем случае – с функцией) оценок значений. Не существует единственного критерия разрешения, но при любом разумном критерии разрешающая способность связана с точностью измерения, степенью сглаживания частотных и временных зависимостей и т.д. Задачи разрешения, восходящие к оптике, обычно ставятся как пороговые: предполагается, что существует такое (пороговое) различие двух значений измеряемой величины, что при большем различии эти значения воспринимаются как разные, а при меньшем – как одинаковые; это пороговое различие и есть мера разрешающей способности. Для построения решающего правила разрешения необходим критерий разрешения, связывающий решение с разностью или отношением (в общем случае – с функцией) оценок значений. Не существует единственного критерия разрешения, но при любом разумном критерии разрешающая способность связана с точностью измерения, степенью сглаживания частотных и временных зависимостей и т.д.

Разрешение по частоте, мощности, времени

Другой смысл и характер носят разрешающие способности по аргументам, в функции которых представляются оценки измеряемых величин; в нашем случае эти аргументы: частота и мощность зондирующего сигнала – при анализе в частотной области, время задержки – при анализе во временной области. Этот вид разрешения однозначно задается при установке шага по частоте, по мощности, по времени, соответственно, и разрешающая способность просто равна этому шагу. При сглаживании по частоте, мощности или времени разрешающая способность уменьшается.

Преобразовательная чувствительность

Так предлагается назвать параметр, который обычно называется просто чувствительностью, то есть способность реагировать на изменения входного сигнала; она оценивается отношением изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменению входного сигнала. Например, чувствительность отклонения луча осциллографа измеряется в миллиметрах на вольт. Поскольку АЦ не сводится просто к преобразователю, сопряженному с измерителем, целесообразно характеризовать чувствительности отдельных блоков и устройств АЦ. Свои чувствительности имеют система управления частотой генератора зондирующих сигналов, детекторы, смесители, АЦП, монитор и т.д.

Пороговая чувствительность

Этот параметр носит другой смысл и характер. Пороговую чувствительность АЦ можно характеризовать введенным при обсуждении понятия «диапазон измерений» минимальным измеримым значением (пороговым значением) модуля параметра рассеяния при заданной максимальной допустимой ошибке . Заметим, что, вообще говоря, пороговые значения модулей коэффициентов пропускания отличаются от пороговых значений модулей коэффициентов отражения . Пороговые чувствительности АЦ по параметрам рассеяния тестируемых устройств зависят от уровня шума и установленных степеней сглаживания и усреднения.

Быстродействие (оперативность)

Это важный фактор эффективности АЦ; от его величины зависит сама применимость данной модели АЦ в ряде приложений, например, при настройке и тестировании радиотехнических устройств на поточной производственной линии. Обычно быстродействие характеризуется интервалом времени, необходимым для производства единичного измерения. В случае ВАЦ удобно в качестве величины, характеризующей быстродействие, принять время, необходимое для измерения параметра рассеяния в одной частотной точке при анализе в частотной области. Это время включает ряд независимых и взаимозависимых составляющих, таких как время переключения генератора зондирующих сигналов с одной частоты на другую; время сбора данных измерения; время, необходимое для расчетов и выполнения процессорных процедур и т.д.

Полезно различать быстродействие собственно измерений, быстродействие с учетом калибровки, быстродействие с учетом калибровки и подготовительных процедур.

Стабильность

Отражает постоянство во времени метрологических показателей средства измерений. Часто эта характеристика представляется обратной величиной – нестабильностью показателей во времени. Общая нестабильность АЦ складывается из нестабильности (в частности, частотной) генератора зондирующих сигналов, переключателей, разъемов и т.д.

Помехозащищенность и электромагнитная защищенность

Помехозащищенность – способность электронного средства измерений (в частности, АЦ) сохранять в процессе измерений свои характеристики при наличии внешних радиопомех. Электромагнитная совместимость средства определяется гарантией достаточно низкого уровня его влияния на окружающие электромагнитные устройства, обеспечивающей сохранение свойств последних. Требования к помехозащищенности и электромагнитной совместимости измерительного средства определяются нормативными документами, а выполнимость этих требований зависит от состава, расположения и характеристик окружающих устройств.

Надежность

Свойство средства измерений функционировать при сохранении метрологических и других показателей в заданных пределах и режимах работы. Обычно надежность характеризуется свойствами безотказности, ремонтопригодности, долговечности, сохраняемости.

Для средств измерений показатели безотказности характеризуются средней наработкой на отказ (среднее значение наработки средства измерений между отказами) и вероятностью безотказной работы за заданный промежуток времени.

В качестве показателя ремонтопригодности для средств измерений обычно нормируется среднее время восстановления.

Долговечность средств измерений оценивается гамма-процентным ресурсом (наработка, в течение которой средство измерений не достигнет предельного состояния с вероятностью процентов) и сроком службы (календарной продолжительностью эксплуатации средства измерений до предельного состояния). Предельное состояние наступает тогда, когда обычные виды ремонта не позволяют поддерживать работоспособность прибора на требуемом уровне. В технических требованиях на средство измерений задаются обычно оба показателя долговечности, поскольку гамма-процентный ресурс определяется наработкой прибора (независимо от календарного времени эксплуатации), а срок службы – календарным временем эксплуатации (независимо от наработки). Обычно в технических требованиях под сроком службы понимается среднее его значение.

Средства измерений до поступления на эксплуатацию могут длительное время находиться на хранении. В связи с этим в технические требования часто включается в качестве показателя сохраняемости средний срок сохраняемости или гамма-процентный срок сохраняемости.

Эргономичность

Комплекс факторов, определяющих удобство работы оператора, в свою очередь влияющих на его производительность, вероятность ошибок и промахов и т.д.

Энергопотребление

Этот фактор эффективности особенно критичен при использовании АЦ на наземных, надводных, воздушных подвижных носителях: автомобилях, кораблях, самолетах и т.д.

Вес и габариты

Эти факторы не требуют комментариев.

Рабочие условия

Рабочие условия (условия измерений) содержатся в технических условиях на средство измерений и указывают на возможность проведения измерений с допустимыми изменениями метрологических характеристик. Рабочие условия измерений определяются назначением и степенью устойчивости метрологических характеристик данного средства измерений. Для унификации применяемых средств измерений рабочие условия измерений нормируются соответствующими государственными стандартами. Оценка условий измерений производится путем определения пределов изменения влияющих величин, то есть величин, оказывающих влияние на результаты измерений.

К влияющим величинам обычно относят:

- температуру, давление, влажность окружающей среды;

- частоту (диапазон частот), при которой производится измерение;

- механические нагрузки при транспортировании;

- напряжение и частоту питающей сети;

- напряженность магнитного (электрического) поля, в котором находится средство измерений;

- и т. д.

Наиболее часто в технических условиях на средство измерений указываются допустимые пределы рабочей температуры, относительная влажность (при той или иной температуре), напряжение и частота источников питания (с допустимыми отклонениями).

Поколения АЦ

Все более часто в последнее время радиотехнические средства измерений при характеристике их технических и конструктивных особенностей относят к тому или иному поколению. Это позволяет в какой-то степени оценивать прогресс эффективности средств измерения, улавливать и использовать тенденции развития и даже, в некоторой степени, прогнозировать развитие.

К первому поколению относят приборы с ручным управлением, применением электровакуумных приборов и объемного монтажа элементов (резисторов, конденсаторов и др.).

Ко второму поколению относят приборы с ручным управлением, полупроводниковыми приборами с применением как объемного, так и печатного монтажа элементов.

Третье поколение характерно применением микросхем и микросборок, одно- и двухслойных печатных плат, полуавтоматическим управлением (автоматическая установка нуля, самокалибровка).

К четвертому поколению относят средства измерений, имеющие автоматическое управление от встроенного микропроцессора и использующие микросхемы и микросборки большой степени интеграции, а также многослойные (двухслойные) печатные платы.

Можно уверенно констатировать, что современные АЦ вполне преодолели рубеж четвертого поколения и находятся на пути к пятому поколению. Обычно критерием отнесения средства измерений к соответствующему поколению являются наиболее характерные его черты. Вступая на зыбкую почву предположений, можно ожидать, что для пятого поколения характерной чертой будет полная готовность средств измерения к объединению в измерительные системы, с межкомпьютерной трансляцией данных и результатов, автоматическим формированием, выдачей и распечаткой отчетов с широким выбором номенклатуры и форматов, хранение установленных параметров, данных и результатов измерений в выбираемых номенклатурах и форматах и т. д.

Поскольку в основном радиотехнические приложения суть эксплуатация эффектов взаимодействия радиоизлучения с радиотехническими цепями и веществом, для АЦ наиболее гармоническим было бы сочетание в рамках измерительной системы указанного уровня с анализатором сигналов, способным анализировать характеристики и параметры сигналов в широком классе последних: детерминированных и случайных, узкополосных и широкополосных, в широком диапазоне частот и т.д.

Следует отметить еще одно обстоятельство. К настоящему времени средства измерений, применяемые в электронике и получившие общее наименование радиоизмерительных приборов (РИП), достигли достаточно высокого уровня развития и в своем большинстве имеют наивысшие точности по сравнению со средствами измерений других физических величин – электрических, механических, тепловых и т.д. Более того, развитие средств измерений физических величин неэлектрического характера (длины, массы, времени, температуры, силы света и др.) за последние годы все более приближается по принципиальному и конструктивному выполнению к РИП: неэлектрическая величина с помощью измерительных датчиков преобразуется в электрическую (иногда в достаточно широком диапазоне частот), и в дальнейшем процесс усиления, преобразования и регистрации (отображения) измерительной информации основывается на принципах и методах электронных средств измерений. Кстати, отсюда следует все возрастающая необходимость применения анализаторов цепей к измерению элементов высокочастотных трактов измерителей неэлектрических величин. Это направление развития в ближайшем будущем должно получить широкое распространение, поскольку позволяет автоматизировать процесс измерений, унифицировать и стандартизовать различные виды средств измерений, обеспечить метрологическую, конструктивную, информационную, энергетическую и эксплуатационную совместимость средств измерений между собой и с объектами измерений. В связи с этим происходит непрерывное повышение точности и расширение диапазона измерений РИП. Особенно быстро возрастали требования к точности частотно-временных измерений. Наряду с требованиями к точности приборов все больше предъявляются требования к их быстродействию, производительности. В связи с этим широкое распространение получили цифровые приборы, позволяющие наряду с высокими показателями точности обеспечить быстродействие, высокую производительность измерений, программное управление приборами, сопряжение с универсальными ЭВМ.

Появление новых принципов и методов измерений, расширение диапазонов измерений привело к расширению номенклатуры применяемых измерительных приборов, которая сейчас классифицируется на более чем 100 подгрупп и видов. Основными видами являются измерители напряжений и токов, параметров электрических цепей и трактов, частоты, формы сигналов, их спектров, а также измерительные генераторы. Получили развитие приборы для измерения характеристик случайных процессов, логические анализаторы (для определения правильности структуры цифровых меток, потока цифровых данных в контрольных точках электронных цифровых устройств, в том числе и цифровых измерительных приборов) и др.

Очень быстрыми темпами развивается направление анализаторов сигналов в реальном масштабе времени. Эти приборы все большее распространение находят не только как анализаторы спектра сигналов, но и как измерители амплитудных и фазочастотных характеристик радиоэлектронных устройств, функций корреляции, когерентности, плотностей вероятности случайных процессов, полей и последовательностей потоков информации. В то же время качественные показатели анализаторов цепей в частотной и временной областях не в последнюю очередь зависят от развития техники анализа высокодинамичных сигналов в реальном времени).

Большое значение имеет тенденция к виртуализации приборов. К виртуальным принято относить приборы многофункциональные, позволяющие по выбору оператора осуществлять функции то одного, то другого прибора. С таким прибором можно проводить измерения по определенной программе, задаваемой оператором или извне контроллером. Все задачи по восприятию программы измерений, перестраиванию субмодулей и отдельных схем прибора в необходимое сочетание для выполнения различных функций, организации измерений выполняет встроенный микропроцессорный блок.

Важна и достаточная надежность приборов четвертого поколения, достигаемая высокой степенью интеграции применяемых БИС и СБИС, почти полным исключением из конструкции приборов малонадежных механических узлов (переключателей, электромеханических реле, перестраиваемых элементов и т. д.).

Таким образом, мы приходим к важному выводу, определяющему направление развития электронных измерительных приборов, в частности, анализаторов цепей СВЧ: Нужно стремиться создавать радиоизмерительные приборы, совместимые между собой и приспособленные к объединению (агрегатированию) в автоматизированные измерительные комплексы для решения большого числа измерительных задач. Подобные автоматизированные измерительные комплексы (АИК), создаваемые (иногда – просто собираемые) на основе объединения стандартных, серийных средств измерений, должны управляться через стандартную информационную магистраль внешним компьютером, который регулирует сбор, обработку измерительной информации, передачу и хранение полученных данных и результатов.