Автоматизация радиотехнических

Измерений

Основные направления автоматизации

Измерений

Необходимость автоматизации радиоизмерений обусловлена сложностью объектов исследований, а также повышением требований к точности и скорости измерений при ограниченных способностях оператора к восприятию информации.

Автоматизация измерений электрических величин требует решения следующих задач: аналого-цифровое преобразование исследуемого напряжения через равные интервалы времени, сохранение результатов преобразования в памяти, математическая обработка сохраненных результатов с целью получения спектра, коэффициента нелинейных искажений и т.д, управление процессом измерений.

Можно выделить два современных направления автоматизации измерений: создание автономных цифровых измерительных приборов на базе микропроцессоров и микроконтроллеров, создание компьютерных измерительных систем. Развитие компьютерных измерительных систем стимулировало появление специальных программных средств для управления процессом измерений, математической обработки и индикации результатов измерений. Наиболее популярным программным средством является среда графического программирования National Instruments LabVIEW, которая поддерживает технологию виртуальных приборов.

Автономные многофункциональные

Измерительные приборы

Ведущими производителями самых современных автономных
измерительных приборов являются компании Hewlett-Packard,, Fluke&Phillips, Roude-Swartz, Tektronix.

Для измерения параметров радиотехнических сигналов во временной области наиболее подходят запоминающие цифровые осциллографы, а в частотной области – анализаторы спектра реального времени (сканирующие приемники).

На рис. 9.1 показана схема запоминающего цифрового осциллографа.

 

Рис. 9.1. Структурная схема запоминающего
цифрового осциллографа

Структурную схему можно условно разделить на аналоговую и цифровую часть. Входное устройство осуществляет масштабирование уровня входного аналогового сигнала, который затем подвергается аналого-цифровому преобразованию (АЦП). Полученный цифровой сигнал сохраняется в памяти (ОЗУ) и затем подается на дисплей, используемый в качестве устройства индикации. Всем процессом измерений управляет микроконтроллер (МК) со своим программным обеспечением.

Основными характеристиками, определяемыми аналоговой частью, являются скорость нарастания фронта  и соответствующая ей расчетная полоса пропускания осциллографа D F:

                                       ,                                 (9.1)

Например, времени нарастания фронта 500 пс соответствует полоса пропускания 700 МГц. Для обеспечения погрешности спада АЧХ 3 % требуется полоса пропускания 2,3 ГГц.

Для обеспечения широкой полосы пропускания нужна высокая частота дискретизации (частота взятия отсчетов напряжения измеряемого сигнала). Известны несколько методов дискретизации: прямая, стохастическая, последовательная.

Цифровая часть оказывает влияние на точность воспроизведения измеряемого сигнала вследствие следующих основных факторов:

· неограниченность спектров реальных сигналов,

· невозможность создания идеального фильтра,

· сложность расчётов при восстановлении функции членами ряда Котельникова,

· внесение дополнительных погрешностей за счёт того, что не представляется возможным рассмотреть выборки на всей оси времени от –∞ до +∞.

Восстановление сигнала для отображения на устройстве индикации требует применения одного из видов интерполяции:

· линейная интерполяция;

· интерполяция вида sin(x)/ x:

– увеличение частоты дискретизации в соответствии с математическим понятием интерполяции,

– увеличение частоты дискретизации за счет применения цифрового фильтра с линейной ФЧХ с использованием экспандера частоты дискретизации. При этом форма сигнала и модуль его спектра не изменяются.

Фирмой Tektronix предложена технология DPX (Data Processing eXpand). Основная идея заключается в трехмерном представлении измеряемого сигнала на основе ограниченных по времени выборок, сдвинутых по времени. Эти выборки регулярно сохраняются в специальной базе данных и затем сжимаются и усредняются для отображения на цифровом дисплее. Этот подход позволяет отображать почти 100 % подаваемого на вход осциллографа сигнала.

При анализе радиотехнических сигналов в частотной области возникают следующие трудности: наличие случайных или редких сигналов и помех, отсутствие возможности нового воспроизведения или захвата сигнала при необходимости повторного исследования сигнала. Классический анализатор спектра с перестраиваемым гетеродином не позволяет решить эти проблемы.

Известны два основных метода автоматизации анализа спектра: векторный анализ спектра и анализ спектра в реальном времени.
В этих анализаторах спектра гетеродин не является перестраиваемым. Он работает независимо от генератора развертки и осуществляют смещение частотного спектра в область более низких частот, в которой может быть подвергнут аналого-цифровому преобразованию. Цифровая обработка результатов аналого-цифрового преобразования и отображение полученного спектра на дисплее осуществляется под управлением микропроцессора. Основное отличие между векторным анализатором и анализатором реального времени заключается в методах цифровой обработки сигнала.

Векторный анализатор спектра использует непосредственно быстрое преобразование Фурье. Он нашел применение для анализа сигналов с цифровой модуляцией, широко используемых в современных сетях сотовой связи стандартов GSM, DECT и др.

В отличие от всех остальных анализаторов спектра анализаторы спектра реального времени с помощью блока быстрого преобразования Фурье реального времени обнаруживают неоднородности входного сигнала. Как только неоднородность обнаруживается, начинается запись данных для последующего спектрального анализа. Данная технология запатентована компанией Tektronix. Анализатор спектра реального времени используют для анализа спектров переходных процессов, а также выявления внезапно появляющихся и исчезающих сигналов, что является актуальным для систем информационной безопасности.