Radioelektronická m¥°ení P°edná²ky ver. 2012_05_16
Ing. Ji°í D°ínovský, Ph.D. doc. Ing. Tomá² Frýza, Ph.D. Ing. Václav R·ºek Ing. Josef Lap£ík
ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY
Název
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ P°edná²ky ver. 2012_05_16
Auto°i
Ing. Ji°í D°ínovský, Ph.D. doc. Ing. Toma² Frýza, Ph.D. Václav R·ºek Josef Lap£ík
Vydavatel
Vysoké u£ení technické v Brn¥ Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií Ústav radioelektroniky Purky¬ova 118, 612 00 Brno
Vydání Rok vydání Náklad Tisk ISBN
první 2012 100 ks MJ Servis s.r.o., Boºet¥chova 133, 612 00 Brno 978-80-214-4495-9
Tato publikace nepro²la redak£ní ani jazykovou úpravou
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
3
Obsah
1 Automatizovaná m¥°icí pracovi²t¥ 1.1
Sb¥rnice GP-IB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
10
1.1.1
Standard IEEE 488.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
1.1.2
Standard HS488
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
1.2
Standard SCPI
1.3
Sb¥rnice RS-232
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1.4
Sb¥rnice RS-485
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
1.5
Rozhraní USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
1.6
LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
1.7
Agilent VEE
25
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Generátory testovacích signál· 2.1
Vysokofrekven£ní generátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2
Syntezátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3
27
27 27
2.2.1
Syntezátory s p°ímou koherentní syntézou . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.2.2
Syntezátory s nep°ímou koherentní syntézou . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
2.2.3
Syntezátory s p°ímou nekoherentní syntézou . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
Generátory libovolného, de novaného pr·b¥hu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
3 M¥°icí p°ijíma£e 4 Vektorové obvodové analyzátory
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35 41
4.1
P°ímá, odraºená vlna a S-parametry
41
4.2
N-branový heterodynní vektorový obvodový analyzátor . . . . . . . . . . . . . . .
44
4.3
Vstupní £ást obvodového analyzátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
4.3.1
Odporové m·stky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
4.3.2
Sm¥rové odbo£nice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
4.4
Atenuátory pro p°ijíma£ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
4.5
Atenuátory pro generátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
4.6
Napájení aktivních prvk·
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
4.7
Generátor testovacího signálu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
4.8
Referen£ní a m¥°icí p°ijíma£ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
4.9
M¥°ení na vektorových obvodových analyzátorech . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
4.10 Zjednodu²ené realizace vektorových obvodových analyzátor· . . . . . . . . . . . .
58
4.10.1 Vektorový obvodový analyzátor s N+1 p°ijíma£i
. . . . . . . . . . . . . .
58
4.10.2 Vektorový obvodový analyzátor s p°epína£em m¥°icích bran . . . . . . . .
58
4.11 Kalibrace vektorového obvodového analyzátoru
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
4.11.1 Nelineární vlivy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
4.11.2 Lineární vlivy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
4.12 Kalibra£ní standardy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
4.13 Kalibrace VNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
4.14 Skalární obvodové analyzátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
5 Chyby a neur£itosti m¥°ení 5.1
M¥°icí metody
5.2
Klasi kace chyb m¥°ení
5.3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
66
68
5.2.1
Systematické chyby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
5.2.2
Náhodné chyby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
Neur£itost výsledku m¥°ení
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
4
Literatura Zkratky
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
71 73
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
5
Seznam obrázk· 1.1
Ukázka automatizovaných ovládacích prost°edí.
1.2
Topologie sítí: a) hv¥zdicová, b) sb¥rnicová, c) stromová topologie.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3
Provedení GPIB konektoru.
1.4
P°ehled standard· pouºívaných v automatizovaných testovacích systémech.
. . .
14
1.5
Horizontální a vertikální kompatibilita programových p°íkaz·. . . . . . . . . . . .
16
. . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9 10 11
1.6
Pr·b¥h signálu p°i asynchronním p°enosu znaku K...
. . . . . . . . . . . . . . .
18
1.7
Uspo°ádání jednotlivých bit· p°i komunikaci.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.8
Uspo°ádání jednotlivých pinu v konektoru Cannon DE-9 M. . . . . . . . . . . . .
19
1.9
T°ívodi£ové propojení RS-232-C dvou DTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.10 P¥tivodi£ové propojení RS-232-C dvou DTE.
20
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
1.11 Sb¥rnice RS-485, princip p°ipojení jednotlivých za°ízení. . . . . . . . . . . . . . .
20
1.12 Hierarchie rozhraní USB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
1.13 Za°ízení USB Low-Speed s p°enosovou rychlostí aº 1,5 Mbit/s...). . . . . . . . . .
22
1.14 Za°ízení USB Full-Speed s p°enosovou rychlostí aº 12 Mbit/s...
22
1.15 Výstupní obvod USB rozhraní (OE -
. . . . . . . . . .
Output Enable, signál aktivující výstup dat).
1.16 Ukázka negativního potvrzovacího paketu p°i p°enosu dat pro USB 1.1 Full-speed.
22 23
2.1
Syntezátor s p°ímou koherentní syntézou, metoda p°ímé p°em¥ny frekvence. . . .
28
2.2
Syntezátor s p°ímou koherentní syntézou, metoda ...
. . . . . . . . . . . . . . . .
29
2.3
Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou bez p°edd¥li£e. . . . . . . . . . . . . .
30
2.4
Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou s d¥li£em kmito£tu
2.5
Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou a pevným p°edd¥li£em.
. . . . . . . .
32
2.6
Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou a °ízeným p°edd¥li£em.
. . . . . . . .
32
2.7
Syntezátor s p°ímou nekoherentní syntézou ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.8
Blokové schéma arbitrary waveform generátoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
3.1
Blokové schéma m¥°i£e elektromagnetického ru²ení. . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
3.2
Vn¥j²í vzhled m¥°icího p°ijíma£e
a spektrálního analyzátoru ... . . . . . . . . .
36
3.3
De nice a ur£ování úzkopásmových
a ²irokopásmových ... . . . . . . . . . . . .
37
3.4
Princip ²pi£kového detektoru (detektoru vrcholové hodnoty). . . . . . . . . . . . .
38
3.5
Principiální zapojení kvazi-²pi£kového detektoru.
39
3.6
Detektor st°ední hodnoty.
3.7
Odezvy r·zných druh· detektor· na signály s impulzní ...
4.1
De nice £initele odrazu, p°ímé a odraºené vlny.
4.2 4.3
Dvojbran s vyzna£enými sm¥ry ²í°ení jednotlivých vln. . . . . . . . . . . . . . . .
42
4.4
Dvojbran se zdrojem testovacího signálu p°ipojeným k brán¥ 1. . . . . . . . . . .
42
4.5
Dvojbran se zdrojem testovacího signálu p°ipojeným k brán¥ 2. . . . . . . . . . .
43
4.6
asový rozvoj p°ímé a odraºené vlny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
4.7
Blokové schéma vektorového obvodového analyzátoru.
. . . . . . . . . . . . . . .
45
4.8
Analýza rozptylových parametr· sm¥rové odbo£nice. . . . . . . . . . . . . . . . .
46
4.9
Sm¥rová odbo£nice s referen£ním p°ijíma£em.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
4.10 Pozm¥n¥ný Smith·v diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
4.11 Vliv sm¥rovosti na Smith·v diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
a)
a)
fREF .
. . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
40
. . . . . . . . . . . . .
40
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
Smith·v diagram s vyzna£enými d·leºitými body. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
4.12 Mnohonásobný odraz na vstupním portu.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.13 Zobrazení v²ech vliv· na testovací brán¥, které ovliv¬ují m¥°ený výsledek. 4.14 Principiální zapojení odporového m·stku.
. . . .
48 48
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
4.15 Odporový m·stek s vazbou pomocí transformátoru. . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
4.16 Sm¥rová odbo£nice se zp¥tnou vazbou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
4.17 Sm¥rová odbo£nice s p°ímou vazbou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
4.18 Zp¥tnovazební sm¥rová odbo£nice.
51
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
4.19 Sm¥rová odbo£nice s postupnou zm¥nou vazby.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
4.20 Sm¥rová odbo£nice s pozvolnou zm¥nou vazby.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
4.21 Zapojení atenuátoru mezi test port a zesilova£.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
4.22 Analýza zapojení atenuátoru a sm¥rové odbo£nice. 4.23 Analýza sm¥rovosti
D0 . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
52
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
4.24 Zapojení atenuátoru do m¥°icí trasy.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
4.25 Atenuátor umíst¥ný na výstupu oscilátoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
4.26 Atenuátor umíst¥ný aº za d¥li£em výkonu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
4.27 Stejnosm¥rné napájení aktivních sou£ástek.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
4.28 Implementace napájecího obvodu do portu VNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
4.29 Blokové schéma p°ijíma£e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
4.30 Jedno díl£í m¥°ení s jedním aktivním portem £. 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.31 Blokové schéma VNA s
N +1
p°ijíma£i. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58 59
4.32 Blokové schéma VNA s N-branovou p°epínací maticí. . . . . . . . . . . . . . . . .
59
4.33 Zobrazení neur£itosti m¥°ení v závislosti na p°ijímaném výkonu. . . . . . . . . . .
61
4.34 Odd¥lení chybové sít¥ od ideálního VNA.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
4.35 Zobrazení referen£ní roviny v N-konektoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
4.36 Zobrazení referen£ní roviny v konektorech 3,5; 2,4 a 1,85 mm. . . . . . . . . . . .
61
4.37 Ukázka mechanického kalibra£ního kitu.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
4.38 Ukázka kalibra£ních standard· pro SMA a N-konektor. . . . . . . . . . . . . . . .
63
4.39 Ukázka automatického kalibra£ního standardu pro N-konektor.
. . . . . . . . . .
63
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
4.41 Detektor pr·chozího signálu skalárního obvodové analyzátoru. . . . . . . . . . . .
65
4.40 Zobrazení chybové sít¥ pro jednu bránu.
4.42 Detektor odraºeného signálu skalárního obvodové analyzátoru. . . . . . . . . . . .
65
5.1
Preciznost vs. p°esnost m¥°ení.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
5.2
Normální Gaussovo rozloºení pravd¥podobnosti... . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
7
Seznam tabulek 1.1
Význam jednotlivých pin· v konektoru Cannon DE-9 M RS-232-C. . . . . . . . .
19
1.2
Význam jednotlivých poloºek v deskriptoru USB za°ízení.
24
3.1
í°ka pásma m¥°i£· ru²ení dle SN EN 55016-1-1 ed. 2.
. . . . . . . . . . . . . .
38
3.2
asové konstanty kvazi-²pi£kového detektoru dle SN EN 55016-1-1 ed. 2. . . . .
39
4.1
Typické hodnoty jednotlivých parametr· sm¥rové odbo£nice.
. . . . . . . . . . .
51
4.2
Shrnutí vlivu atenuátoru na parametry sm¥rové odbo£nice. . . . . . . . . . . . . .
53
4.3
Vysv¥tlení významu jednotlivých korek£ních parametr·.
64
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
1
9
Automatizovaná m¥°icí pracovi²t¥
Pod pojmem automatizovaná m¥°icí pracovi²t¥ rozumíme takovou sestavu za°ízení a jejich propojení, která umoºní komplexní °e²ení m¥°icí úlohy v£etn¥ jejího automatizovaného provedení. M·ºe jít jak o nejjednodu²²í sestavu sloºenou z jednoduchého (obvykle £íslicového) m¥°icího p°ístroje a °ídicího po£íta£e, umoº¬ující pouze automatizovaný odb¥r m¥°eného veli£iny, p°enos výsledku m¥°ení do po£íta£e a následné £íslicové zpracování v£etn¥ prezentace výsledk·, tak i o sloºitý systém vhodný nap°. pro úplné testování velmi sloºitých za°ízení, kdy je t°eba komplexn¥ °ídit m¥°icí p°ístroje v£etn¥ nastavování parametr· generátor· testovacích signál· na základ¥ nam¥°ených hodnot. Vlastní ovládání m¥°icích p°ístroj· je pak °ízeno bez zásahu uºivatele. Uºivatel p°ed spu²t¥ním pouze nastaví parametry a pr·b¥h m¥°ení. Ovládací prost°edí lze vytvá°et v r·zných programovacích prost°edích. Jako vhodná prost°edí lze nap°. uvést: r·zné varianty jazyka C nebo Basic, VEE od rmy Agilent Technologies©, LabView od rmy National Instruments
Corporation©, atd. Ukázka vzhledu ovládacího panelu automatizovaného prost°edí je zobrazena na obr. 1.1 [Roh01]. Samotná komunikace pak m·ºe probíhat po rozdílných komunika£ních sb¥rnicích. Pouºívané komunika£ní sb¥rnice v m¥°icí technice mohou být následující:
GP-IB - paralelní sb¥rnice, maximální rychlost 1 MB/s;
RS-232 - sériová sb¥rnice, p°ipojení bod - bod, maximální rychlost cca 120 kb/s;
RS-485 - sériová sb¥rnice pro více bodové p°ipojení, maximální rychlost aº 10 Mb/s;
USB - sériová sb¥rnice, max. rychlost 480 Mb/s, max. 127 za°ízení;
LAN - sériové rozhraní, rychlost aº 10 Gb/s.
ostatní ... .
P°i£emº s jednotlivými m¥°icími p°ístroji m·ºeme komunikovat po r·zných sb¥rnicích v rámci jednoho m¥°icího systému. M¥°icí p°ístroje takto zapojujme do sítí s r·znou topologií. Obdobné topologie sítí jsou rozli²ovány také p°i p°ipojování osobních po£íta£· do komunika£ních sítí. Z tohoto hlediska pak m·ºeme rozli²it (obr. 1.2b) a
Obr. 1.1
stromovou topologii
hv¥zdicovou topologii
(obr. 1.2c) sít¥ apod.
: Ukázka automatizovaných ovládacích prost°edí.
(obr. 1.2a),
sb¥rnicovou topologii
10
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 1.2
: Topologie sítí: a) hv¥zdicová, b) sb¥rnicová, c) stromová topologie.
1.1 Sb¥rnice GP-IB
GPIB
General Purpose Interface Bus ), n¥kdy také nazývaná (Hewlett Packard Interface Bus ), je rozhraní pro p°ipojování m¥°icích a Sb¥rnice
(
IEEE 488 HP-IB ,
zku²ebních p°ístroj·
a za°ízení. GPIB umoº¬uje p°enos dat mezi dv¥ma nebo více p°ístroji. Umoº¬uje také p°ipojení po£íta£e, který m·ºe °ídit p°enos dat mezi jednotlivými jednotkami (m¥°icími p°ístroji). Sb¥rnice byla navrºena koncem ²edesátých let rmou Hewlett Packard s ozna£ením
HP-IB
. Sb¥rnice
vyuºívá paralelního (více vodi£ového) p°enosu informace mezi jednotlivými za°ízeními. V roce 1975 byla sb¥rnice speci kována americkou standardiza£ní institucí IEEE, jako standard IEEE 488
Standard Digital Interface for Programmable Instrumentation, který byl v pr·b¥hu sedmde-
sátých a osmdesátých let p°evzat dal²ími institucemi. V roce 1987 byl standard revidován a byly publikovány standardy IEEE 488.1 a IEEE 488.2. Standard IEEE 488.1 obsahuje pouze revidovaný p·vodní standard z roku 1975. Standard IEEE 488.2, je naopak zcela nový standard, který detailn¥ speci kuje funk£ní a opera£ní vlastnosti p°ístroj· s rozhraním IEEE 488.2. Standard IEEE 488.2 obsahuje poºadavky na funkce rozhraní, komunika£ní protokoly, o²et°ení chybových stav·, syntaxe zpráv, formát dat, zavádí strukturu stavových registr· apod. Základní parametry sb¥rnice dle standardu IEEE 488.2 jsou:
m¥°icí systém dle IEEE 488.1 se skládá z funk£n¥ samostatných za°ízení (p°ístroj·, PC, apod.) propojených standardizovanou paralelní sb¥rnicí;
maximální po£et p°ipojených funk£ních jednotek je 15;
celková maximální délka sb¥rnice m·ºe dosáhnout aº 20 m;
maximální vzdálenost mezi dv¥ma funk£ními jednotkami je stanovena na 2 m;
po£et vodi£· sb¥rnice je 24, z toho je 8 datových (DIO1 aº DIO8), 3 jsou ur£eny pro °ízení p°enosu dat (DAV, NRFD, NDAC), 5 vodi£· je ur£eno pro vysílání jednovodi£ových zpráv (ATN, IFC, REN, SQR, EIO) a 8 vodi£· je zemních;
maximální p°enosová rychlost sb¥rnice 1 MB/s (typicky niº²í 250 aº 500 kB/s);
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
11
Obr. 1.3
: Provedení GPIB konektoru.
pro komunikaci je pouºita negativní TTL logika, elektrické úrovn¥ signálu TTL jsou: L (< 0,8 V) a H (> 2 V);
elektrickým signál·m pak odpovídají následující logické úrovn¥ signálu: elektrická úrove¬ L a
log. 0 (FALSE)
log. 1 (TRUE)
je
odpovídá elektrické hodnot¥ H.
Standard GPIB de nuje nejen elektrické a mechanické vlastnosti rozhraní GPIB komunikace. Provedení p°ípojného konektoru sb¥rnice GPIB je zobrazeno na obr. 1.3. Dále je de nován i pro-
handshaking ). Je stanovena hierarchie p°ipojení jednotlivých
tokol komunikace a synchronizace (
za°ízení a p°esn¥ de nován vztah mezi °ídícím po£íta£em a ostatními periferiemi. Standardní systém IEEE 488 obsahuje vºdy jednu systémovou °ídící jednotku (
troller ),
system con-
která je obvykle zastoupena po£íta£em s odpovídající kartou standardu GPIB a ma-
ximáln¥ 14-ti dal²ími funk£ními jednotkami (p°ístroji). Systémová jednotka pak pln¥ ovládá
IFC
(interface clear ), která nastavuje rozhraní v²ech za°ízení p°ipojených ke sb¥rnici do po£áte£ního de novaného stavu a zprávu (remote enable ) umoº¬ující p°epnutí za°ízení do dálkového ovládání. ídící jednotka dále umoº¬uje vysílání jednovodi£ových p°íkaz· ATN (attention ), EOI (end or identify ), adres a vícevodi£ových p°íkaz· a vysílání a p°íjem p°ístrojových zpráv. Prost°ednic£innost celého systému. Jako jediná, je schopna vysílat jednovodi£ovou zprávu
REN
tvím uvedených p°íkaz· a zpráv je °ízena komunikace mezi jednotlivými funk£ními jednotkami v systému. Vlastní komunikace (tj. vysílání a p°íjem zpráv) probíhá mezi jednou vysílací jednotkou
talker ) a jednou nebo více p°ijímacími jednotkami (listeners ) prost°ednictvím datových vodi£·
(
DIO1 aº DIO8. ídícího a p°ijíma£e v komunikaci vºdy ur£uje °ídící jednotka vysíláním adres p°íslu²ných jednotek. P°enos jednotlivých bajt· po DIO vodi£ích je °ízen asynchronn¥ pomocí signál· DAV, NRFD a NDAC. Ve standardu IEEE 488.1 jsou dále de novány následující funkce a vlastnosti rozhraní funk£ních jednotek, které jsou stanoveny pomocí následujících funkcí rozhraní. Celkem se jedná o 10 funkcí:
SH Source Handshake AH Acceptor Handshake T TE Talker/Extended Talker L LE Listener/Extended Listener RL Remote/Local DC Device Clear DT Device Trigger SR Service Request PP Parallel Poll C Controller
(
) - zdroj korespondence;
(
/
(
/
) - mluv£í/roz²í°ený mluv£í;
(
(
(
) - poslucha£/roz²í°ený poslucha£;
) - dálkové/místní ovládání;
) - nulování p°ístroje;
(
) - spou²t¥ní p°ístroje;
(
) - vyºádání obsluhy;
(
(
) - p°íjemce korespondence;
) - paralelní hlá²ení;
) - kontrolér.
12
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
N¥které funkce mohou mít n¥kolik odli²ných variant, které se zna£í £íslem za písmennou zkratkou funkce (nap°.
T0 T8 aº
; 0 znamená, ºe daná funkce není pouºita). Konkrétní za°ízení má vºdy
implementovány pouze pot°ebné funkce.
1.1.1 Standard IEEE 488.2 Standard IEEE 488.2 de nuje následující speci kace pro systémy na bázi sb¥rnice IEE 488.1:
moºné sestavy funkcí rozhraní za°ízení dle IEEE 488.1;
formát dat;
syntaxi zpráv;
roz²í°ený stavový model za°ízení;
soubor obecných p°íkaz·;
protokoly p°ístrojových zpráv.
Funk£ní jednotka podle standardu IEEE 488.2 musí mít implementovánu následující sestavu funkcí rozhraní (dle IEEE 488.1): nebo LE4),
SR1 RL0 ,
SH1 AH1 T5 PP0 DC1 DT0 ,
nebo RL1,
,
L3 C0
(p°íp. T6, TE5 nebo TE6),
nebo PP1,
,
nebo DT1,
(p°íp. L4, LE3 nebo C4 s C5,
C7, C9 nebo C11. Minimální poºadavky na kaºdou funk£ní jednotku jsou zvýrazn¥ny tu£n¥. Datové formáty jsou ve standardu IEEE 488.2 rozd¥leny na formáty pro p°íjem a vysílání. Oba druhy se jen nepatrn¥ li²í podle zásady p°ijímat libovolný tvar a vysílat p°esn¥ de novaný tvar. Pouºívají se následující kódy: a) ASCII - sedmibitový kód pro p°ístrojové zprávy (8. bit se ignoruje); b) 8-bitový binární kód pro vyjád°ení celých £ísel; c) binární kód pro vyjád°ení £ísel s plovoucí °ádovou te£kou. Ve standardu IEEE 488.2 je de nována syntaxe jednotlivých vysílaných a p°ijímaných p°ístrojových zpráv následujícím zp·sobem:
odd¥lova£ ních odd¥lova£
jako
jednotlivých p°íkaz· (zpráv) na
se pouºívá dvojte£ka :, nap°. INP:IMP
jako
p°íkaz·
stejné úrovn¥
ník ;, nap°. INP:IMP
1;
jako
odd¥lova£
dvou rozdílných hierarchických úrov-
50
(nastavení vstupní impedance 50
Ω);
ve vícenásobném p°íkazu (zpráv¥) se pouºívá st°ed-
50; INP:FILT 1
nebo ekvivalentní p°íkaz INP:IMP
významové £ásti p°íkazu (zprávy)
od jeho parametr·
50; FILT
se pouºívá mezera
t, tj. jakýkoliv znak s dekadickým ekvivalentem 0 aº 9 nebo 11 aº 32 (tzv. white space), nap°. TRIG:SOUR
pro
EXT
(p°ístroj bude spou²t¥n extern¥);
odd¥lení jednotlivých parametr· zprávy
CONF:VOLT:DC
100, 1E-3
se
pouºívá
£árka
,
nap°.
(nastavení p°ístroje pro m¥°ení stejnosm¥rného nap¥tí na roz-
sahu 100 V a s rozli²ením 1 mV);
jako
ukon£ovací znak dotazu
se pouºívá otazník ?, nap°. MEAS:VOLT:AC?; (proveden
odm¥r st°ídavého nap¥tí a uloºení výsledku do výstupní fronty);
ukon£ovací znak °et¥zce p°íjmu a) LF
jako
pouze znak
(dek. ekv. 10);
se pouºívají:
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
b) LF c) EOI ukon£ovací znak °et¥zce p°i vysílání znak
sou£asn¥ s jednovodi£ovou zprávou
pouze
;
je znak
13
EOI
;
LF
sou£asn¥ s
EOI
.
common commands ) pro p°ístro-
Ve standardu IEEE 488.2 jsou dále de novány obecné p°íkazy (
jové zprávy vysílané °ídící jednotkou, které jsou ur£eny k ovládání p°ístroj· na obecné úrovni a identi kaci jejich stavu. Pouºívají jednoduchou syntaxi
*XXX
nebo
*XXX?,
kde
XXX
je název
p°íkazu sloºený ze t°í znak· (písmena velké £i malé abecedy). Otazník na konci speci kuje p°íkaz jako dotaz (
query
), tzn. ºe p°ístroj po jeho dekódování je povinen vrátit odpov¥¤. P°íklad sady
povinných obecných p°íkaz·:
*RST (Reset Command )
p°íkaz pro nulování p°ístroje (ukon£ení probíhajících operací a nasta-
vení p°ístroje do klidového stavu), obsahy stavových registr· z·stanou nezm¥n¥ny;
*CLS (Clear Status Command ) *IDN? (Identi cation Query ) *STB? (Status Byte Query )
p°íkaz pro nulování stavových registr·;
dotaz na speci kaci p°ístroje;
dotaz na obsah Status Byte registru;
*SRE (Service Request Enable )
p°íkaz pro nastavení Service Request Enable registru;
*SRE? (Service Request Enable Query )
dotaz na obsah Service Request Enable registru;
*ESE (Standard Event Status Enable Command )
p°íkaz pro nastavení Standard Event Status
Enable registru;
*ESE? (Standard Event Status Enable Query )
dotaz na obsah Standard Event Status Enable
registru;
*ESR? (Standard Event Status Register Query ) *OPC (Operation Complete )
aktivace hlá²ení o ukon£ení operace;
*OPC? (Operation Complete Query ) *WAI (Wait to Continue ) *TST (Self Test Query )
dotaz na obsah Standard Event Status registru;
dotaz na ukon£ení operace;
£ekání na dokon£ení p°edchozí operace;
p°íkaz pro spu²t¥ní vnit°ního testu p°ístroje.
Vý²e uvedené p°íkazy jsou také povinné i pro standard
Programmable Instruments ).
SCPI
Standard Commands for
(
1.1.2 Standard HS488 Nejv¥t²ím nedostatkem sb¥rnice GP-IB (IEEE 488) je zejména p°i p°enosu velkých datových blok· dat povaºováno omezení rychlosti tohoto p°enosu na 1 MB/s. Proto rma National Instruments vyvinula algoritmus p°enosu s názvem HS488 High Speed GPIB, který umoº¬uje podstatn¥ vy²²í p°enosovou rychlost u t¥ch funk£ních jednotek, jeº mají tento algoritmus implementován. Na stejné sb¥rnici mohou komunikovat i funk£ní jednotky bez implementace tohoto algoritmu. Podstatou patentované úpravy p°enosového algoritmu je p°echod z asynchronního p°enosu na p°enos synchronní. P°i p°enosu dat je v p°ípad¥ implementace HS488 £áste£n¥ modi kován cyklus asynchronního p°enosu tak, aby vysílací funk£ní jednotka mohla oznámit p°ijímací jednotce (funk£ní jednotce), ºe je schopna vysílat data dle HS488 a aby bylo moºné identi kovat, zda poslucha£ je schopen takto vysílaná data p°ijímat. Pokud poslucha£ potvrdí tuto moºnost, dal²í p°enos dat jiº probíhá synchronn¥ a signál DAV p°evezme funkci taktovacího signálu. Pokud
14
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 1.4
: P°ehled standard· pouºívaných v automatizovaných testovacích systémech.
poslucha£ moºnost p°ijímání dat v reºimu HS488 nepotvrdí, dal²í komunikace probíhá b¥ºným zp·sobem. Maximální dosaºitelná p°enosová rychlost je 8 MB/s. Skute£ná p°enosová rychlost, v²ak závisí na pouºité platform¥, délce kabelu a na délce p°ená²ených dat. Výhoda HS488 se projeví zejména p°i p°enosu dlouhých blok· dat (cca nad 5 kB). Implementace HS488 je °e²ena na hardwarové úrovni, tím pádem nejsou p°i jejím p°ípadném pouºití nutné jakékoliv modi kace programového vybavení.
1.2 Standard SCPI D°íve se b¥ºn¥ stávalo, ºe r·zní výrobci pro obdobné typy p°ístroj· vyvíjeli r·zné komunika£ní p°íkazy. Vytvo°ené programy pak bylo moºné pouºívat pouze s tím p°ístrojem, pro který byl systém navrºen. Z t¥chto d·vod· byl rmou Hewlett-Packard zahájen vývoj jednotného komunika£ního jazyka
TMSL
Test and Measurement System Language ), který byl mnoha rmami
(
p°evzat. V roce 1990, byla na popud nejvýznamn¥j²ích sv¥tových výrobc· m¥°icí techniky, publikována první verze pr·myslového standardu pod názvem
Programmable Instruments ).
SCPI ATE
Standard Commands for
Tento pr·myslový standard je od té doby kaºdoro£n¥ aktualizo-
ván a roz²i°ován. Hlavním cílem SCPI je podstatná redukce
Equipment ).
(
Automatic Test
p°íkaz· (
Hlavním cílem SCPI standardu je vytvo°ení jednotných pravidel programovacího
jazyka pro ovládání r·zných p°ístroj· vykonávajících stejnou funkci, nezávisle na výrobci m¥°icího za°ízení p°ípadn¥ na typu. SCPI je de nován jako nadstavbová vrstva nad vrstvu IEEE 488.2, jak je z°ejmé z obr. 1.4 [Pie01]. SCPI standard je také zaloºen na stejném konceptu a terminologii jako IEEE 488.2. P°ístroje, které mají implementovány SCPI standard musí také spl¬ovat standard IEEE 488.2, jinými slovy SCPI p°ístroje jsou vºdy se standardem pln¥ kompatibilní. SCPI standard není také pln¥ vázán na jeden konkrétní typ sb¥rnice, i kdyº p·vodn¥ byl vyvíjen pro pot°eby sb¥rnice GPIB. Je tedy moºné pomocí SCPI kompatibilních p°íkaz· £i kódu komunikovat s p°ístroji p°ipojenými pomocí r·zných sb¥rnic a r·zných fyzických rozhraní (USB, LAN, RS-232 apod.). Toto doporu£ení vychází ze standardu IEEE 488.2, kódy jsou navrºeny na základ¥ anglické terminologie a ve²keré p°ístroje vyvinuté významnými výrobci m¥°icí techniky po roce 1990 by m¥ly toto doporu£ení respektovat. SCPI oproti IEEE 488.2 roz²i°uje stavový systém p°ístroje o dal²í dv¥ skupiny 16-ti bitových stavových registr·. Registry probíhající operace (Standard Operation Status Group) a registry umoº¬ující de novat kvalitu nam¥°ených hodnot, nap°. vyuºití rozsahu, p°ete£ení apod. (Questionable Data Group). Komunika£ní p°íkazy zavedené standardem SCPI jsou ur£eny pro ovládání m¥°icích p°ístroj· pomocí kontroléru (obvykle po£íta£e). Hlavním cílem SCPI standardu je poskytnout shodné vý-
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
15
vojové prost°edí pro ovládání m¥°icích za°ízení. SCPI standard de nuje programovací jazyk pro jednotlivé zprávy v£etn¥ referen£ních p°íkaz·, jejich pouºití a také odezvu m¥°icího p°ístroje. SCPI kompatibilní p°ístroje pouºívají stejné p°íkazy pro ovládání identické funkce, kdy nezáleºí na dodavateli ani na typu p°ístroje (stejná funkce v r·zných typech p°ístroj· je ovládána stejným p°íkazem). Standard také zavádí standardní odezvu m¥°icího p°ístroje na jednotlivé p°íkazy. Je tedy de nována jak syntaxe (správný zápis) jednotlivých zpráv (p°íkaz·), tak i sémantika (význam) jednotlivých zpráv SCPI standardu. Funkce m¥°icích p°ístroj·, které vyhovují standardu SCPI by m¥ly být také ovládány pomocí p°íkaz· de novaných SCPI standardem. Na druhou stranu to v²ak neznamená, ºe jsou výrobci limitováni pouze standardizovanými komunika£ními p°íkazy. Naopak, nov¥ vyvíjené p°ístroje vyºadují v této oblasti otev°ený dynamický vývoj. SCPI je navrºen pro programování m¥°icích za°ízení, nejedná se v²ak o programovací jazyk jako nap°. BASIC, PASCAL, C apod. P°íkazy v t¥chto jazycích jsou ur£eny pro ovládání osobního po£íta£e. SCPI p°íkazy jsou ur£eny pouze pro ovládání m¥°icích p°ístroj· a budou jim rozum¥t pouze m¥°icí p°ístroje. Osobní po£íta£, který je obsluhován pomocí programu vytvo°eném nap°. v C++, pak pouze p°eposílá SCPI p°íkazy do p°íslu²ného °adi£e, ke kterému je ovládaný m¥°icí p°ístroj p°ipojen. Funkcí osobního po£íta£e je pouze p°eposlání komunika£ní zprávy (p°íkazu). Je pak na samotném programátorovi, který m¥°icí program vyvíjí, aby zkontroloval funk£nost a odezvu m¥°icího p°ístroje na jednotlivé p°íkazy. SCPI standard umoº¬uje díky shodnému programovému prost°edí a redukci ATE p°íkaz·, redukovat £as pot°ebný na vývoj m¥°icí aplikace. Identické p°ístrojové funkce jsou díky SCPI ovládány stejným zp·soben a stejným komunika£ním p°íkazem. Stejný formát p°íkazu je pouºíván jak p°i odesílání tak i p°i p°íjmu zprávy. Samotné ATE p°íkazy jsou pak rozd¥leny do jednotlivých t°íd a kategorií nap°. digitální multimetry, nízkofrekven£ní generátory, napájecí zdroje, osciloskopy, akvizi£ní jednotky apod. Shodné programové prost°edí vyjad°uje, ºe pro danou kategorii p°ístroj·, je stejná funkce ovládána stejným programovým p°íkazem. Tento typ kompatibility je £asto ozna£ován jako vertikální kompatibilita obr. 1.5 [Pie01]. Nicmén¥, vertikální kompatibilita není dostate£ná a je t°eba je²t¥ zavést i horizontální kompatibilitu (obr. 1.5). Horizontální kompatibilita znamená, ºe pokud máme více r·zných za°ízení, které obsahují stejnou funkci, je tato funkce ovládána stejným p°íkazem, nezávisle na pouºité technologií m¥°icího p°ístroje. Nap°. osciloskop a £íta£ pouºívají dle SCPI standardu stejný p°íkaz pro m¥°ení kmito£tu. Horizontální kompatibilita je velmi d·leºitou sou£ástí SCPI standardu, která d¥lá instruk£ní sadu nezávislou na typu a výrobci m¥°icího p°ístroje. Dal²í nespornou výhodu p°ístupu SCPI standardu je, ºe ze zápisu p°íkazu je z°ejmé jaká £innost bude danou funkcí vykonána nap°. MEAS:VOLT? (measurement:voltage?) provede odm¥°ení nap¥tí a vrátí nam¥°enou hodnotu do osobního po£íta£e. Sou£asný prudký vývoj technologií umoº¬uje navrhovat a konstruovat komplikovan¥j²í m¥°icí p°ístroje s velkým mnoºstvím funkcí. Z t¥chto d·vod· je t°eba také p°idávat dal²í komunika£ní p°íkazy pro ovládání t¥chto nadstavbových funkcí. SCPI standard je navrºen takovým zp·sobem, ºe umoº¬uje dopl¬ovat instruk£ní sadu o nové p°íkazy se zachováním zp¥tné kompatibility. Díky tomuto p°ístupu je umoºn¥na i £áste£ná p°enositelnost realizovaného ovládacího programu. Omezujícím faktorem v²ak je, ºe ne v²echny výrobky (nap°. generátory) mají u v²ech výrobc· realizovány stejné funkce (nap°. r·zné typy modulací). P°ed p°enosem programu na jiné HW vybavení je nutné zkontrolovat, jestli jsou poºadované m¥°icí funkce realizovány v konkrétním HW. Pokud je tato podmínka spln¥na, pak není jediný problém s p°enosem jiº realizovaného programu (SW). Hlavní výhody respektování standardních p°íkaz· SCPI standardu jsou tedy následující:
zredukování n¥kolika rozdílných p°íkaz· pro ovládání identické funkce stejného za°ízení od n¥kolika výrobc· do jednoho p°ehledného p°íkazu (de nice jednotné instruk£ní sady p°íkaz· pro daný typ za°ízení);
jednotlivé p°íkazy jsou de novány p°ehledn¥ a celý koncept je p°átel²t¥ji implementován (user-friendy). Díky tomu, ºe jednotlivé p°íkazy p°ímo referují o ovládané funkci, dochází
16
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 1.5
: Horizontální a vertikální kompatibilita programových p°íkaz·.
k podstatnému zrychlení celé tvorby ovládacího programu. Lze také intuitivn¥ vytu²it, co jednotlivé £ásti programu budou vykonávat. V²echny tyto vlastnosti pak zp°ehled¬ují celou tvorbu celého programu a zkracují £as pot°ebný k vývoji ovládacích aplikací;
SCPI standard a jeho p°íkazy zachovávají kompatibilitu programu a je zde zavedena jednoduchá expanze o nov¥ vznikající p°íkazy, které ovládají nové funkce. Ve skute£nosti pak není t°eba jiº odlad¥ný SW p°ed¥lávat pokud chceme p°idat dal²í funkce, ale sta£í je pouze do p°íslu²ného programu doplnit;
samotné
p°íkazy
jsou
obvykle
v
jednotlivých
návodech
výrobc·
de novány
takto
[:SENSe]:FREQuency:CENTer
. Zapsaný p°íklad pak znamená, ºe chceme nastavit st°ední frekvenci spektrálního analyzátoru na hodnotu , zde pak m·ºeme zapsat nap°: 3.45GHz. V p°íkladu je také slovo frequency zapsáno tímto zp·sobem FREQuency, kde velká písmena znamenají povinnou £ást p°íkazu a zbytek, který je uveden písmeny malými jiº nemusíme zapisovat a p°ístroj daný p°íkaz bez problém· zpracuje. Dále zde byl uveden
:SENSe uveden v [ ], v tomto p°íkazu se jedná pouze o volitelnou £ást, po:SENSe vynecháme m·ºeme výsledný p°íkaz zapsat následujícím zp·sobem: freq:cent 3.45GHz. P°íkaz samotný pak m·ºe být zapsán jak malý nebo velkými pístaké parametr kud tuto £ást
meny (znaky). U 99 % m¥°icích p°ístroj· to bude v podstat¥ jedno jakým typem znak· dojde k zapsání p°íkazu, tyto p°ístroje nejsou key-sensitive;
tím, ºe je SCPI standard pln¥ kompatibilní s IEEE 488.2 jsou o²et°eny i jednotlivé chybové a nede nované stavy, které by mohly nastat;
poslední výhodou SCPI standardu a respektování jeho doporu£ení, je zejména pravidelné vydávaní p°íslu²né dokumentace k jednotlivým instruk£ním sadám p°ístroj·.
1.3 Sb¥rnice RS-232 Standard RS-232 ve své poslední speci kaci RS-232C z roku 1969 (£asto ozna£ovaný také jako sériová linka, p°ípadn¥ sériový port) se d°íve £asto pouºíval jako komunika£ní rozhraní osobních po£íta£· a dal²í elektroniky. Jednotlivé parametry sériového rozhraní RS-232-C byly standar-
Electronic Industries Association ). P·vodn¥ byla tato sb¥rnice ur£ena Data Terminal Equipment DTE nap°. PC) s komuniza°ízením (Data Communication Equipment DCE) nej£ast¥ji komunika£ním
dizovány asociací EIA (
ke spojení koncového datového za°ízení ( ka£ním datovým
modemem. Postupem doby, díky jeho velkému roz²í°ení v osobních po£íta£ích, se za£íná rozhraní
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
17
RS-232-C pouºívat i mimo obor telekomunika£ní techniky. RS-232 tedy umoº¬uje propojení a vzájemnou sériovou komunikaci dvou r·zných za°ízení. Jednotlivé bity p°ená²ených dat jsou tedy vysílány postupn¥ za sebou (v sérii) po jednom páru vodi£· v kaºdém sm¥ru. V p°ípad¥ sériové linky díky p°ipojení typu bod - bod se tedy jedná o zcela bezkolizní fyzickou vrstvu. V sou£asné dob¥, i p°es v²echny nedostatky rozhraní RS-232-C (nap°. dvoubodové spojení, nízká p°enosová rychlost a malá odolnost proti ru²ení), má toto rozhraní stále své zastoupení v m¥°icí technice, kde je aplikováno p°edev²ím u levn¥j²ích m¥°icích p°ístroj·, speciálních modul· apod. De nované elektrické parametry pro rozhraní RS-232-C jsou následující:
sériová komunikace, data jsou vysílána jako posloupnost jednotlivých bit·, v jednom £asovém intervalu je vºdy p°ená²en jediný bit;
log. 1
odpovídá nap¥´ové úrovni -5 aº -15 V pro vysíla£ a -3 aº -15 V pro p°ijíma£;
log. 0
odpovídá nap¥´ové úrovni 3 aº 15 V pro vysíla£ a 3 aº 15 V pro p°ijíma£.
Obvody rozhraní jsou obecn¥ nesymetrické, proto se uvedené úrovn¥ vztahují k potenciálu nulového signálového vodi£e. Odpor zát¥ºe se m·ºe pohybovat v rozmezí 3 aº 7 kΩ, p°i£emº kapacita zát¥ºe nesmí být v¥t²í neº 2,5 nF. Sériové rozhraní RS-232C vyuºívá pro komunikaci asynchronní p°enos dat
Asynchronous Receiver and Transmitter ).
UART
Universal
(
V p°ekladu se tento typ komunikace ozna£uje jako
univerzální asynchronní p°ijíma£ a vysíla£. Asynchronní komunikace pouºívá synchroniza£ní bity vkládané na za£átek a konec posílaných dat. V praktických aplikacích se dnes vyuºívá 5, 6, 7 a nejvíce 8 bitová komunikace. P°ed za£átkem komunikace je t°eba p°ijíma£ i vysíla£ vhodn¥ nakon gurovat tak, aby komunikace probíhala plynule bez chyb a p°ípadných datových ztrát. P°ijíma£ musí v¥d¥t, jaká data má o£ekávat a jak £asto by m¥l vzorkovat datovou linku. Je tedy t°eba nastavit správnou p°enosovou rychlost komunikace. Je z°ejmé, ºe ob¥ za°ízení musí mít nastavenu stejnou délku p°ená²ených dat, stejnou p°enosovou rychlost, která je nej£ast¥ji uvád¥na v bitech za sekundu [bit/s] (bit rate) nebo Baudech [Bd]. Je také nutné nastavit délku tzv. stop bitu a v n¥kterých p°ípadech i zp·sob p°enosu paritního bitu, který p°edstavuje velmi primitivní podobu detek£ního kódu, ov²em u sériové komunikace £asto vyuºívanou. Datový vodi£ se p°ed zahájením komunikace nachází v klidové poloze, coº v této komunikaci znamená vysokou logickou úrove¬ (nízkou elektrickou). Tato úrove¬ se m·ºe na datovém vodi£i nacházet po libovoln¥ dlouhou dobu do zahájení vlastní komunikace (obr. 1.6 [Wik01]). Zahájení komunikace se provede zasláním tzv. start bitu, jak je z°ejmé z obr. 1.6, který musí mít naopak nízkou logickou úrove¬. P°ijíma£ musí rozeznat zahájení komunikace od klidového stavu datové linky. P°ijíma£ na p°ijímací stran¥ po p°ijetí start bitu o£ekává p°íchod p°edem nade novaných dat, která p°ijdou po datové lince s p°esn¥ de novanou p°enosovou rychlostí. P°ijímací strana tedy musí dostate£n¥ rychle vzorkovat datovou linku, aby p°ijala v²echna posílaná data. Obvykle je stav linky kontrolován (vzorkován) mnohem £ast¥ji neº jednou za dobu p°enosu jednoho bitu. Nej£ast¥ji je pouºíváno 16-ti násobného p°evzorkování, pro zejména dostate£n¥ p°esné ur£ení start bitu. Na záv¥r se m·ºe poslat tzv. paritní bit, podle kterého p°ijíma£ zkontroluje správnost p°ijetí dat. Jedná se o velmi jednoduchou ochranu dat, která p°i výskytu více chyb v jednotlivých bitech není schopna chyby odhalit. O uzav°ení komunikace se postará tzv. stop bit, který má vºdy hodnotu vysoké logické úrovn¥. Nastavuje tedy datovou linku zp¥t do klidového stavu. P°ijíma£ £eká na znovuzahájení komunikace p°íchodem dal²ího start bitu. Nej£ast¥ji pouºívaná délka stop bitu je jeden bit, lze pouºít i del²í stop bity 1,5 aº 2 násobek délky b¥ºného bitu, aby m¥l p°ijíma£ dostatek £asu na zpracování p°ijatých dat. V p°ípad¥ odeslání binárního kódu
11111111
by mohlo dojít k poru²ení synchronizace, dal²í obnovení synchroni-
zace komunikace tedy v tomto p°ípad¥ nastane po p°ijetí dal²ího start bit, kdy dojde ke zm¥n¥ z
log. 1
(klidový stav linky) na
log. 0.
P°i asynchronním sériovém p°enosu je naprosto nezbytné shodn¥ nastavit formát p°enosu dat a p°enosovou rychlost u komunikujících za°ízení. P°enosová rychlost se volí z °ady 110, 300, 600,
18
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 1.6
: Pr·b¥h signálu p°i asynchronním p°enosu znaku K (ASCII kód
75, binárn¥ 01001011)
bez parity a s jedním stop bitem pomocí rozhraní RS-232-C.
1200, 2400, 4800, 9600, 19200 nebo 115200 bit/s (nebo Bd, 1 Bd = 1 bit/s). Formát p°enosu dat se skládá z 1 start bitu, 5 aº 8 datových bit·, z maximáln¥ 1 paritního bitu (m·ºe být vynechán) p°ípadn¥ 1,5 nebo 2 stop bit·. Uspo°ádání jednotlivých bit· je z°ejmé z obr. 1.7. S pouºitou bitovou rychlostí také souvisí maximální p°enosová rychlost. Standard RS-232 uvádí jako maximální moºnou délku vodi£· 15 metr· nebo délku vodi£e o maximální kapacit¥ 2500 pF. P°i pouºití kvalitních vodi£· lze tedy vyhov¥t standardu a p°i zachování maximální kapacity 2500 pF prodlouºit vzdálenost aº na cca 50 metr·. Kabel lze také prodluºovat p°i sníºení p°enosové rychlosti, protoºe potom bude p°enos odoln¥j²í v·£i velké kapacit¥ vedení. Uvedených maximálních 15 m je uvaºováno p°i pouºité p°enosové rychlosti 19200 Bd. Sériová linka RS-232 bývá nej£ast¥ji realizována pomocí p°ipojovacích kabel· s konektory Cannon (D-shell connector) s 25 nebo 9 piny. Na osobních po£íta£ích bývá sériová linka RS-232 vyvedena pomocí konektoru D-Sub typu DE-9 M (male - samec), za°ízení se v tomto p°ípad¥ pak obvykle p°ipojuje kabelem s konektorem DE-9 F (female - samice). U star²ích po£íta£· byla druhá linka vyvedena na konektor DB-25 M, který je doporu£ován p·vodním standardem. Pouºíval se nap°íklad pro p°ipojení modemu. V p°ípad¥ m¥°icích p°ístroj· se pouºívá pouze 9 základních signál·. Provedení konektoru a význam jednotlivých pin· je uveden na obr. 1.8 a v tab. 1.1 [Kai01]. V p°eváºné v¥t²in¥ aplikací RS-232-C v m¥°icí technice se jedná o p°ipojení dvou za°ízení typu DTE (zpravidla osobní po£íta£ a m¥°icí p°ístroj). Jde o p°ipojení typu bod-bod na krátkou
Obr. 1.7
: Uspo°ádání jednotlivých bit· p°i komunikaci.
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
19
Obr. 1.8
: Uspo°ádání jednotlivých pinu v konektoru Cannon DE-9 M.
Tab. 1.1 pin signál
: Význam jednotlivých pin· v konektoru Cannon DE-9 M RS-232-C.
1
DCD -
Data Carrier Detect
význam Detekce nosného signálu (n¥kdy ozna£ován jen CD). Modem oznamuje terminálu, ºe na telefonní lince de-
2 3 4 5 6 7 8 9
RxD
TxD
tekoval nosný kmito£et
Receive Data
Vysílání dat z modemu (DCE) do terminálu (DTE), p°ijímací port
Transmit Data
Vysílání dat z terminálu (DTE) do modemu (DCE),
Data Terminal Ready SGND Signal Ground DSR Data Set Ready RTS Request to Send DTR
CTS
RI
vysílání dat Terminál indikuje p°ipravenost ke komunikaci Signálová zem Modem indikuje p°ipravenost ke komunikaci Terminál oznamuje, ºe je momentáln¥ p°ipraven (nep°ipraven) p°ijmout data
Clear to Send
Modem oznamuje, ºe je momentáln¥ p°ipraven (nep°ipraven) p°ijmout data
Ring Indicator
Indikátor zvon¥ní. Modem oznamuje terminálu, ºe na telefonní lince detekoval signál zvon¥ní
vzdálenost (°ádov¥ jednotky aº desítky metr·). V t¥chto p°ípadech se nej£ast¥ji pouºívá bezmodemové propojení, v n¥mº se p°enosový kanál (modemy nahrazuje speciáln¥ zapojeným kabelem (tzv.
+
p°enosová linka, nap°. telefonní)
null modem cable ),
který zaji²´uje vhodné propo-
jení vstupních a výstupních signál· obou za°ízení a simuluje tak do jisté míry £innost modem·. Výrobci u p°ístroj· £asto pouºívají jen n¥které z devíti vý²e jmenovaných signál· a mimo to jim p°id¥lují r·zný funk£ní význam! Nejjednodu²²í je tzv. t°ívodi£ové zapojení (obr. 1.9 [Haa01], ve kterém je pouºito pouze datových vodi£· a signálové zem¥. ízení p°enosu dat je v tomto zapojení moºné pouze programov¥ (
software handshaking ). asto vyuºívanou metodou softwaro-
Xon / Xoff, kdy p°ístroj p°ijímající data ovládá komunikaci p°ípad¥ p°ipravenosti k p°ijmu je vyslán °ídící signál Xon (ASCII
vého handshakingu je tzv. protokol vysíláním speciálních znak·. V
19), po identi kaci vyslaného znaku p°ijíma£em jsou data vysílána. Pokud p°ijíma£ není schopen data zpracovat, vy²le signál Xoff (ASCII 17), vysíla£ pak p°eru²í vysílání dat. Tato £innost se m·ºe libovoln¥ opakovat dokud nedojde k p°enosu dat. Nevýhodou tohoto zp·sobu komunikace je dlouhá reak£ní doba, po kterou musí p°ístroj zachytit vysílaná data, jinak dojde k jejich ztrát¥. P°íklad zapojení sériové linky s realizací tzv. [Haa01].
hardwarového handshakingu je uveden na obr. 1.10
20
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 1.9
: T°ívodi£ové propo-
jení RS-232-C dvou DTE.
Obr. 1.10
: P¥tivodi£ové propo-
jení RS-232-C dvou DTE.
Obr. 1.11
: Sb¥rnice RS-485, princip p°ipojení jednotlivých za°ízení.
1.4 Sb¥rnice RS-485 Dal²ím velmi roz²í°eným p°enosovým rozhraním se sériovým p°enosem dat je sb¥rnice RS-485. Ta je odvozena od mén¥ pouºívaného propojení RS-422, coº je stejn¥ jako RS-232 propojení bod bod, av²ak s diferen£ním zapojením vysíla£· a p°ijíma£· s jinými nap¥´ovými úrovn¥mi. Na rozdíl od linky RS-422 pouºívá rozhraní RS-485 jen jeden pár vodi£· pro oba sm¥ry toku dat (obr. 1.11) [Olm01]. Je tedy t°eba sm¥r komunikace p°epínat a to m·ºe být v n¥kterých p°ípadech problém. Pokud není na daných za°ízeních linka RS-485 pln¥ implementována a pouºíváme ke komunikaci r·zné redukce a emulátory sb¥rnice RS-485, je nutné s tímto p°epínáním po£ítat a p°íslu²ným zp·sobem pak upravit ovládací SW. Sb¥rnice RS-485 se pouºívá zejména v oblasti pr·myslových distribuovaných systém·. Jako p°enosové médium je zde normou pouºit blíºe nespeci kovaný dvoudrát. Pro zvý²ení odolnosti proti ru²ení bývá v¥t²inou zkroucen, pop°. i stín¥n. Ke sb¥rnici m·ºe být p°ipojen libovolný po£et vysíla£· s t°ístavovým výstupem (pouze jeden, v²ak m·ºe být aktivní). Po£et p°ijíma£· je omezen na 32. Sb¥rnice RS-485 je navrºena pro maximální teoretickou rychlost 10 Mb/s a celková délka sb¥rnice m·ºe dle normy dosahovat aº 1200 m.
1.5 Rozhraní USB Universal Serial Bus ) bylo p·vodn¥ vyvinuto v roce 1994 pro efek-
Komunika£ní rozhraní USB (
tivní p°ipojení r·zných periferií (klávesnice, my², tiskárny, scannery apod.) k osobnímu po£íta£i a to v£etn¥ moºnosti napájení t¥chto za°ízení pomocí USB rozhraní. K jednomu osobnímu po£íta£i (£asto ozna£ovanému jako host) je moºné p°ipojit teoreticky aº 127 r·zných za°ízení. Systém p°ipojení jednotlivých za°ízení pomocí hab· (rozbo£ova£·) je z°ejmý z obr. 1.12 [HWs01]. Jedná se v podstat¥ o stup¬ovitou (vrstevnatou) hv¥zdicovou strukturu. V p°ípad¥ USB jsou data p°ená²ena sériov¥ obvykle na malou vzdálenost. Samotné p°ipojování jednotlivých periferií je realizováno pln¥ dle lozo e
plug&play. Moºnost p°ipojení velkého po£tu za°ízení na vzdálenost
jednotek metr· a vysoká p°enosová rychlost jsou vyhovujícími vlastnostmi rozhraní USB pro jeho pouºití ke tvorb¥ malých m¥°icí systém·. P°enosová rychlost rozhraní je i ve verzi USB 1.1 (Full Speed) pln¥ srovnatelná se systémem GP-IB (IEEE 488). Zna£nou výhodou v²ak je, ºe není nutné p°idávat dal²í komunika£ní kartu, nebo´ dne²ní osobní po£íta£e jsou jiº rozhraním USB vºdy standardn¥ vybaveny. Za°ízení vybavené rozhraním USB (USB device) je bu¤ rozd¥lova£ (hub, centrální jednotka hv¥zdicové struktury), nebo funk£ní jednotka (koncové za°ízení, periferie
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
21
Obr. 1.12
: Hierarchie rozhraní USB.
nap°. klávesnice, pam¥´ová karta atd.). Propojení je °e²eno pomocí n¥kolikaúrov¬ové hv¥zdicové struktury jak je zobrazeno na obr. 1.12. St°edem kaºdého hv¥zdicového propojení je rozbo£ova£, který dále propojuje jednotlivé segmenty. Kaºdé USB za°ízení má svoji USB adresu, pomocí které se v systému identi kuje. V sou£asné dob¥ existuje USB rozhraní ve své t°etí verzi. Protoºe je rozhraní USB zp¥tn¥ kompatibilní je moºné se stále setkat se v²emi jeho verzemi:
USB 1.0
Low-
bylo p°edstaveno v roce 1996 ve dvou rychlostních variantách 1,5 Mbit/s (
Bandwidth, Low-Speed )
Full-Bandwidth, Full-Speed ).
a 12 Mbit/s (
Identi kace rychlosti
jednotlivých za°ízení je provád¥na pomocí p°ipojeného pull-up rezistoru. Zapojení pull-up rezistoru je z°ejmé z obr. 1.13 a 1.14 [Mat01];
USB 1.1
p°edstavuje revizi standardu USB 1.0, kdy do²lo k odstran¥ní problém· s iden-
ti kací p°ístroj. USB 1.1 bylo uvedeno v roce 1998 a op¥t se vyskytovalo ve dvou rychlost-
Low-Speed )
ních variantách 1,5 Mbit/s ( 12 Mbit/s (
pouºívané pro klávesnice, my²i, joystiky apod. a
Full-Speed ) pro vysokorychlostní za°ízení jako pevné disky apod.;
V roce 2000 byla p°edstavena druhá generace rozhraní jako
Hi-Speed.
USB 2.0
, £asto také ozna£ovaná
Teoretická p°enosová rychlost USB 2.0 je 480 Mbit/s. Na základ¥ speci -
kace USB 2.0 vznikaly dal²í t°ídy jednotlivých za°ízení jako nap°. USB Battery Charging Speci cation 1.1 v roce 2007 apod.;
Se vzr·stající pot°ebou p°enosu stále v¥t²ích objem· dat pak byla v roce 2008 uvoln¥na speci kace
USB 3.0
£ováno jako
s teoretickou p°enosovou rychlostí aº 5 Gbit/s. USB 3.0 je také ozna-
Super-Speed.
T°etí generace v²ak jiº zavádí pro komunikaci více vodi£· neº je
de nováno ve verzi USB 1.0. Nicmén¥ zp¥tná kompatibilita z·stává zachována i ve t°etí generaci USB rozhraní. Propojovací kabel rozhraní USB 1.x a USB 2.0 je £ty°vodi£ový. Dva vodi£e jsou ur£eny pro p°enos dat (D+,
D-)
a jsou v kabelu krouceny, aby byl minimalizován ²um a p°eslechy. Propojo-
vací kabel dále obsahuje napájecí vodi£ +5 V (Vbus) a zemní vodi£ (GND). Pro zvý²ení p°enosové
rychlosti jsou USB propojovací kabely opat°eny stín¥ním. Charakteristická impedance USB kabel· je v p°ípad¥
Low-Speed, Full-Speed i Hi-Speed
90
Ω±
15 %. V p°ípad¥ komunikace pomocí
22
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 1.13
: Za°ízení USB Low-Speed
s p°enosovou rychlostí aº 1,2 Mbit/s (pull-up rezistor p°ipojen na
D-).
Obr. 1.14
: Za°ízení USB Full-Speed
s p°enosovou rychlostí aº 12 Mbit/s (pull-up rezistor p°ipojen na
Obr. 1.15
: Výstupní obvod USB rozhraní (OE -
D+).
Output Enable, signál aktivující výstup dat).
USB 3.0 je pouºito dvojnásobného mnoºství vodi£· o v¥t²ím pr·m¥ru neº v p°ípad¥ USB 2.0 a to pro dosaºení v¥t²í p°enosové rychlosti. V koncových za°ízeních je pouºito diferen£ní zapojení p°ijíma£· a vysíla£· (obr. 1.15 [Haa01]). Komunika£ní signál je vysílán pomocí vodi£· a to tak, ºe vodi£ nap¥tí pro
D-
vºdy p°ená²í opa£nou logickou hodnotu neº vodi£
D+.
D+
a
D-
Maximální výstupní
log. 0 musí být niº²í neº 0,3 V. Pro identi kaci log. 1 musí být minimální výstupní
nap¥tí vy²²í neº 2,8 V. USB je jednomasterová sb¥rnice a v²echny aktivity tedy musí vycházet z osobního po£íta£e. Komunikaci vºdy °ídí host (osobní po£íta£), znamená to tedy, ºe ºádné jiné za°ízení nem·ºe samovoln¥ za£ít s komunikací. Data se vysílají v paketech o délce 8 aº 64 (1024 pro izochronní p°enos) bajt·. Samotná komunikace je °e²ena sériovým p°enosem dat a ve²kerý p°enos dat se uskute£¬uje po rámcích o délce p°esn¥ 1 ms. Uvnit° rámce mohou být postupn¥ zpracovány pakety pro n¥kolik za°ízení, dokonce se spolu mohou vyskytnout pakety s r·znou rychlostí. Pokud se komunikuje s r·znými za°ízeními je hub (rozbo£ova£), odpov¥dný za správné sm¥rování paket· a také zabra¬uje tomu, aby se signály s vy²²ími rychlostmi p°edaly na pomalá za°ízení. P°i komunikaci se nejprve musí slave (p°íjemce komunikace) zasynchronizovat na datový tok. Synchroniza£ní signál v²ak není p°ená²en po zvlá²tní lince, hodinový signál se získává p°ímo z p°ená²eného datového signálu. Pro kódování dat p°i komunikaci mezi USB za°ízeními je k tomuto ú£elu vyuºit NRZI kód (
Non Return to Zero Inverted ). Log. 0
následek zm¥nu úrovn¥, zatímco
log. 1
v p°ená²ených datech mají za
nechávají úrove¬ linky beze zm¥ny (obr. 1.16 [Aim01]).
Kódování a dekódování dat je tak £ist¥ hardwarovou záleºitostí. P°ijíma£ dat musí být schopen získat hodinový signál, p°ijmout a detekovat data. Pokud obsahuje p·vodní datový tok ²est po sob¥ jdoucích
log. 1,
p°idá vysíla£ automaticky
log. 0
proto, aby se vynutila zm¥na úrovn¥.
Tato operace se pouºívá pro obnovení hodinového synchroniza£ního signálu z datového toku.
bit-stu ng bit-unstu ng sync-bajt 00000001b
Této metod¥ si °íká
(vsouvání bitu). P°ijíma£ pak nadbyte£nou
automaticky odstraní bajt, tzv.
log. 0
p°i p°íjmu
. Kaºdý paket obsahuje za ú£elem synchronizace speciální
(
) (obr. 1.16). P°ijíma£ pak v d·sledku NRZI a vsouvání bit·
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
23
Obr. 1.16
: Ukázka negativního potvrzovacího paketu p°i p°enosu dat pro USB 1.1 Full-speed.
vidí 8 st°ídajících se bitových stav·, na které se snadno zasynchronizuje. B¥hem následujícího p°enosu musí být synchronizace zachována, aby mohlo dojít ke správnému p°enosu dat. Pr·b¥h p°ená²ených dat pro negativní potvrzení p°íjmu USB 1.1 Full-speed je zobrazeno na obr. 1.16. Jedná se o ukázku ukon£ení komunikace, protoºe jiº zde nejsou ºádná dal²í data pro £tení. Komunikace se obvykle skládá ze synchroniza£ního bajtu, typu p°ená²ených paket· a potvrzovacího (koncového) paketu. Vlastní p°enos dat se odehrává mezi bajtem s identi kací typu paket· (type of packet) a koncovým bajtem s potvrzením p°íjmu (end packet). Jak jiº bylo zmín¥no, USB data jsou vysílána pomocí jednoho páru vodi£· ozna£ovaných
D+
a
D-.
Data jsou odesílána ve
J a K. P°i odesílání dat pomocí NRZI je log. 0 vysílána jako J na K nebo K na J. Zatímco p°i odesílání log. 1 nedochází k ºádné zm¥n¥ stavu
dvou stavech ozna£ovaných jako zm¥na stavu z
linky. Pro synchronizaci p°ijíma£e a vysíla£e USB paket za£íná 8-bitovou synchroniza£ní sekvencí
00000001
J, následn¥ je díky KJKJKJKK (viz obr. 1.16).
(obr. 1.16). Na za£átku je tedy linka v ne£inném stavu
niza£ní sekvenci m¥n¥n stav linky následujícím zp·sobem zopakování stavu
K
synchroPoslední
pak zna£í konec synchroniza£ní sekvence. Pro vy²²í komunika£ní rychlosti
jsou vyuºívány aº 32-bitové synchroniza£ní sekvence. Na konci p°enosu datového paketu se vy-
EOP. Jedná se o sekvenci 3 bit· z nichº první D+ a D-. Tento stav je £asto ozna£ován jako Single-Ended zero (0) (SE0). Poslední bit je pak indikován jako J stav. asový pr·b¥h EOP je z°ejmý z obr. 1.16. K resetování linky m·ºe dojít pokud signál SE0 trvá cca 10 aº 20 ms.
sílá ukon£ující paket (end packet) ozna£ovaný jako dva jsou indikovány nízkým stavem obou linek
Z p°edchozího textu je z°ejmé, ºe kaºdá jednotka obsahuje jak p°ijíma£ tak také vysíla£ dat. V USB za°ízení jsou p°ijíma£ a vysíla£ integrovány do jednotky ozna£ované jako
SIE (Serial
Interface Eengine ). Tyto jednotky obsahují n¥kolik vyrovnávacích buer· typu FIFO a slouºí pro komunikaci mezi koncovými body (za°ízeními) (tzv.
endpointy endpointu
). Za°ízení USB má tedy obecn¥
n¥kolik pam¥tí typu FIFO, jejich prost°ednictvím je moºné p°ená²et data. K samotné adrese za°ízení se pak je²t¥ p°idává adresa koncového bodu (
). Tato adresa udává kam se
mají uloºit nebo odkud se mají vyzvednout data. Nap°. po£íta£ová my² má vºdy endpoint 0 pouºit pro inicializaci a endpoint 1 se pouºívá pro p°edávaní dat (zde si PC vybírá data z my²i). USB programy tvo°í tzv. trubice (
pipes
) k jednotlivým endpoint·m. Jedna pipe pak p°edstavuje
logický kanál k jednomu endpointu v jednom za°ízení. Pipe si lze tedy p°edstavit jako datový kanál tvo°ený jedním vodi£em. Ve skute£nosti jsou v²ak data z pipe p°ená²ena jako datové pakety v milisekundových rámcích a hardware je sm¥ruje do reálné pam¥ti podle jejich endpointu. Jedno za°ízení m·ºe sou£asn¥ vyuºívat více pipes, coº vede k nár·stu p°enosové rychlosti komunikace. Pro USB rozhraní jsou de novány £ty°i druhy p°enosu dat:
°ídící p°enos
control transfer ) se pouºívá k °ízení hardware. Tento p°enos pracuje s vyso-
(
kou prioritou a automatickým zabezpe£ením chyb. P°enosová rychlost bývá vysoká a jedním dotazem lze p°enést aº 64 bajt·;
24
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Tab. 1.2 poloºka
: Význam jednotlivých poloºek v deskriptoru USB za°ízení.
VID
význam
(vendor ID)
£íselný identi kátor výrobce (16-bitové £íslo p°id¥lované organizací USB)
PID
(product ID)
£íselný identi kátor výrobku (16-bitové £íslo ur£ené výrobcem)
manufacturer
°et¥zec popisující výrobce
product
°et¥zec popisující výrobek
serial number
°et¥zec sériového £ísla (umoºní p°ipojit n¥kolik stejných výrobk·)
number of con gurations
po£et kon gura£ních deskriptor·, které se nap°. li²í odb¥rem
p°enos pomocí p°eru²ení
interrupt transfer ) pouºívají za°ízení, která periodicky vysí-
(
lají men²í mnoºství dat (my², klávesnice ...). Osobní po£íta£ se periodicky na p°. kaºdých 10 ms dotazuje na nová data. Typicky je jeden dotaz p°esn¥ 8 bit·;
hromadný p°enos
bulk transfer ) je vhodný pro p°enos velkého mnoºství dat se zabezpe-
(
£ením. Priorita p°enosu je nízká, tento typ komunikace tedy není vhodný pro £asov¥ kritické p°enosy dat. Typicky se tento typ p°enosu pouºívá nap°. pro tiskárny, skenery apod.;
izochronní p°enos
isochronous transfer )
(
je vhodný pro p°enos velkých mnoºství dat
de novanou rychlostí, kdy je prioritní vysoká rychlost p°enosu p°ed jejich zabezpe£ením. Tento typ p°enosu je vhodný pro systémy, kdy chyba p°enosu dat je mén¥ kritická neº jeho výpadek. Tento typ p°enosu dat je nap°. vyuºíván v externích zvukových kartách. USB rozhraní podporuje
Plug&Play
tak, ºe kaºdé USB za°ízení, které se p°ipojí k PC musí
být automaticky rozpoznáno opera£ním systémem. Po p°ipojení za°ízení se tedy opera£ní systém dotáºe na parametry USB za°ízení z tohoto d·vodu, aby mohl být správn¥ vybrán odpovídající ovlada£, který se p°i prvním p°ipojení £asto instaluje. P°i identi kaci za°ízení opera£ním systémem je za°ízení dotazováno na ur£ité parametry ve form¥ tzv.
deskriptor·
(p°esn¥ de novaných
blok· dat). Ukázka významu jednotlivých poloºek deskriptoru je uveden v tab. 1.2 [Mat01]. Po tomto kroku je pak za°ízení ohlá²eno a obdrºí svou sb¥rnicovou adresu.
1.6 LAN Nej£ast¥ji se setkáme se sítí Ethernet, jeº je nejroz²í°en¥j²í po£íta£ovou sítí. Sít¥ LAN v sou£asnosti pouºívají p°enosové rychlosti 10 Mbit/s, 100 Mbit/s a 1 Gbit/s a existují snahy o zavedení rychlosti 10 Gbit/s. V²echny t°i generace pouºívaných ethernetovských sítí li²ící se p°enosovou rychlostí pouºívají stejný formát rámce podle normy IEEE 802.3, v²echny v sou£asné dob¥ existují i ve variantách, které umoº¬ují pln¥ duplexní provoz i °ízení toku. LXI rozhraní: LAN eXtensions for Instrumentation (LXI) je standard vyvinutý LXI konsorciem a byl o ciáln¥ uveden v roce 2005 rmami Agilent Technologies a VXI Technology. LXI konsorcium v sou£asné dob¥ sdruºuje kolem 50 £lenských spole£ností. LXI je nový nástupce sb¥rnice GP-IB. LXI standard de nuje parametry komunikace mezi za°ízeními s p°ipojením na sí´ LAN (Ethernet). Hlavními výhodami tohoto p°ipojení je snadná dostupnost sít¥ LAN (Ethernet), její velká kapacita, rychlost atd. LXI standard má t°i hlavní atributy:
snadné p°ipojení a ovládání m¥°icích p°ístroj· s podporou peer to peer nebo master to slave p°ipojení;
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
25
umoº¬uje snadnou £asovou synchronizaci díky IEEE 1588 protokolu; a umoº¬uje snadnou synchronizaci a spou²t¥ní více LXI modul·.
LXI konsorcium p°edpokládá, ºe LXI za°ízení budou zaloºena na odli²ných systémech, které nebudou LXI kompatibilní. Za°ízení mohou nadále obsahovat GP-IB (IEEE 488), PXI, VXI, a LAN a jiné moºnosti p°ipojení. LXI standard de nuje následující t°ídy za°ízení pro r·zné aplikace:
t°ída C: poskytuje standardní LAN p°ipojení a webový server, který je kompatibilní s LXI standardem;
t°ída C plus: poskytuje standardní LAN p°ipojení a webový server, který je kompatibilní s LXI standardem a dále v²ak fyzicky obsahuje spou²t¥cí sb¥rnici WTB (wired trigger bus);
t°ída B: poskytuje standardní LAN p°ipojení spolu s £asováním dle speci kace IEEE 1588;
t°ída A: poskytuje standardní LAN p°ipojení spolu s £asováním dle speci kace IEEE 1588 a dále v²ak fyzicky obsahuje spou²t¥cí sb¥rnici WTB (wired trigger bus).
V sou£asné dob¥ naprostá v¥t²ina LXI za°ízení je t°ídy C. Softwarové balí£ky, podporující vývoj aplikací pro LXI za°ízení: LabVIEW a LabWindows/CVI od rmy National Instruments; MATLAB od rmy MathWorks; Measure Foundry od rmy Data Translation; VEE od rmy Agilent Technologies. LXI je dále podporováno: spole£ností Microsoft ve Visual Studiu, Visual Basic, Visual C++, Visual C# a Visual J# ov²em tyto spole£nosti nejsou prozatím £leny LXI konsorcia.
1.7 Agilent VEE Agilent VEE (Visual Engineering Environment) je gra cké vývojové prost°edí pro programování m¥°icích, testovacích a °ídících systém·, které p·vodn¥ vyvinula rma Hewlett Packard. Vývoj m¥°icího £i °ídícího programu v gra ckém programovém prost°edí Agilent VEE spo£ívá v sestavení blokového diagramu z de novaných objekt· a jejich propojení cestami signálových tok·. Tato technika oproti klasickému zp·sobu programování na úrovni vy²²ích jazyk·, umoº¬uje podstatným zp·sobem urychlit vývoj i odlad¥ní aplika£ního programu jak pro jednoduché, tak i pro velmi sloºité m¥°icí a °ídící aplikace. Kaºdý objekt má dv¥ formy zobrazení: rozvinutý tvar nebo tvar ikony se vstupními a výstupními body, pomocí nichº je realizováno propojení. Podle charakteru funkce m·ºe mít daný objekt datové vstupy (na levé stran¥ objektu) a výstupy (na pravé stran¥ objektu), které se pouºívají pro vým¥nu dat mezi objekty. Tyto vstupy slouºí zárove¬ i pro °ízení b¥hu programu. Dále jsou zde k dispozici °ídící asynchronní vstupy, kterými lze m¥nit stav objektu, ale na °ízení b¥hu programu nemají vliv. Dal²ím typem jsou sekven£ní vstupy (naho°e) a výstupy (dole), které slouºí pouze k °ízení b¥hu programu a umoº¬ují speci kovat posloupnost aktivace jednotlivých objekt·. Objekt se p°i normálním b¥hu programu aktivuje v okamºiku, kdy jsou na v²ech jeho datových a sekven£ních vstupech (pokud jsou p°ipojeny) k dispozici platná data. Vývojové prost°edí Agilent VEE podporuje ve verzi 8.0 komunikaci s p°ístroji po sb¥rnici GP-IB (IEEE 488), sériové lince RS-232, USB a s m¥°icími p°ístroji, které jsou p°ipojeny do sít¥ LAN (Ethernet). Programování p°ístroj· (modul·) a p°enos nam¥°ených dat je moºné provád¥t v podstat¥ t°emi zp·soby. P°ístrojovými ovlada£i s uºivatelským interfacem ve form¥ p°edního panelu p°ístroje, ze kterého je moºné p°ístroj v dálkovém reºimu ovládat a na jeho displeji ode£ítat výsledky m¥°ení. U kaºdého takového ovlada£e je moºné libovolnou funkci p°ístroje nade novat jako vstup nebo výstup a za°adit panel £i jeho ikonu do blokového schématu. Nevýhodou je pom¥rn¥ dlouhá doba odezvy (zpracování vstupních dat) v porovnání s niº²í úrovní. Ta umoº¬uje de novat ovládání ur£itých funkcí p°ístroje p°ímo a její pouºití je výhodné v p°ípad¥ pot°eby rychlé odezvy. P°i pouºití této úrovn¥ komunikace s p°ístroji je v²ak jiº t°eba znát
26
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
jejich vnit°ní strukturu. Na nejniº²í úrovni lze vysílat na sb¥rnici £i sériovou linku p°ímo ASCII °et¥zce, zapsané do p°íslu²ného komunika£ního objektu. Objekty pouºívané pro komunikaci s reálnými p°ístroji lze nalézt v menu I/O. Pro odla¤ování vlastních program· je k dispozici krokování programu, breakpoint v kaºdém objektu, zvýrazn¥ní toku dat, aktivních objekt· a téº signálová sonda, která zobrazí historii dat v daném míst¥ programu. P°i problémech komunikace s p°ístroji lze pouºít monitor sb¥rnice, který zaznamenává ve²keré znaky vyslané £i p°ijaté po sb¥rnici GP-IB (IEEE 488) pop°. po sériové lince RS-232. V prost°edí VEE lze velmi jednodu²e vytvá°et uºivatelské panely, na kterých jsou obvykle zp°ístupn¥ny pouze d·leºité prvky programu a zobrazení nam¥°ených výsledk·.
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
2
27
Generátory testovacích signál·
D·leºitou aplikací m¥°icí techniky je ov¥°ování funkcí nejr·zn¥j²ích elektrických za°ízení, prom¥°ování frekven£ních charakteristik, m¥°ení pom¥ru signál/²um, m¥°ení nelineárních obvod· apod. Pro v²echna tato (a °adu dal²ích) m¥°ení je zapot°ebí mít k dispozici zku²ební signál s nastavitelnými parametry a s garantovanou p°esností. Generované signály jsou stejnosm¥rné, periodické a neperiodické (stochastické £i náhodné nebo ²umové). Místo signálu náhodného se v praxi £asto pouºívá signál pseudonáhodný, který má vlastnosti obdobné signálu náhodnému, a£koliv je periodický, jeho perioda m·ºe být podstatn¥ del²í neº je doba m¥°ení a pak se uºivateli jeví jako neperiodický. Zvlá²tní skupinu tvo°í generátory pouºívané pro ov¥°ování EMC elektromagnetické kompatibility (slu£itelnosti) r·zných za°ízení. Tyto generátory generují nap°. de nované skupiny puls· (bursts), ESD elektrostatické výboje, výpadky v napájecí síti apod.
2.1 Vysokofrekven£ní generátory Základním blokem vysokofrekven£ních generátor· je harmonický oscilátor. Ten je obvykle tvo°en zp¥tnovazebním obvodem sestávajícím se ze zesilova£e a frekven£n¥ závislého obvodu ve zp¥tné vazb¥ ( ltru). P°enos tohoto obvodu závisí na frekvenci. Pouºívá se kladná zp¥tná vazba, signál se tedy z výstupu zesilova£e p°ivádí na vstup se stejnou polaritou (pouºívá se nap°. neinvertující vstup opera£ního zesilova£e). Má-li dojít ke generování harmonického signálu o frekvenci
fo , musí
být spln¥ny dv¥ podmínky:
tzv. zesílení otev°ené smy£ky (sou£in zesílení zesilova£e a p°enosu ltru) musí být na frekvenci
fo
rovno jedné;
celkový fázový posuv otev°ené smy£ky (kde sou£et fázových posuv· zesilova£e a ltru) musí být na frekvenci
fo
roven
Pro frekvence odli²né od
fo
0°
nebo
k · 360°, k
je celé kladné £íslo.
je zesílení otev°ené smy£ky podstatn¥ men²í neº jedna. Zm¥ny
frekvence generovaného signálu se dosahuje zm¥nou parametr· ltru, v praxi zm¥nou hodnot R, C nebo L (tzv.
lad¥ním generátoru ),
takºe se m¥ní frekvence, pro kterou jsou spln¥ny uvedené
dv¥ podmínky stability oscilací. V praxi je zesílení otev°ené smy£ky na po£átku o n¥co v¥t²í neº jedna, takºe vzniknou oscilace s postupn¥ rostoucí amplitudou, a zp¥tnou vazbou je zaji²t¥no omezení r·stu oscilací nad zvolenou úrove¬ (v nejjednodu²²ím p°ípad¥ samo£inným poklesem zesílení zesilova£e p°i r·stu amplitudy vstupu do oblasti, kde za£íná nasycení zesilova£e). Vysokofrekven£ní generátory nej£ast¥ji vyuºívají harmonického oscilátoru s LC ltrem ve zp¥tné vazb¥ (LC oscilátoru). V minulosti (od poloviny 20. století) se konstruovaly podle tém¥° nezm¥n¥ného blokového schématu, pouºívají se pro radioelektronická m¥°ení ve frekven£ním pásmu od stovek kHz do stovek MHz. Obvykle umoº¬ují amplitudovou a frekven£ní modulaci generovaného signálu. V dne²ní dob¥ se tento typ generátor· konstruuje výhradn¥ jako frekven£ní syntezátory.
2.2 Syntezátory Podle zp·sobu vytvá°ení výstupního signálu rozd¥lujeme kmito£tové syntezátory na syntezátory s p°ímou a nep°ímou syntézou. U syntezátor· s p°ímou syntézou se výstupní kmito£et vytvá°í z kmito£tu jednoho nebo n¥kolika základních generátor· pomocí aritmetických operací jako s£ítání, ode£ítání, násobení a d¥lení realizovaných soustavou sm¥²ova£·, násobi£· a d¥li£· kmito£tu. Syntezátory s nep°ímou syntézou vyuºívají zp¥tné vazby realizované fázovým záv¥sem
PLL
Phase-Locked Loop ). Krom¥ sm¥²ova£·, násobi£· a d¥li£· kmito£tu, obsahují i nap¥tím °ízené oscilátory VCO (Voltage Controlled Oscilators ), programovatelné d¥li£e kmito£tu, kmito£tové (
fázové detektory atd.
28
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 2.1
: Syntezátor s p°ímou koherentní syntézou, metoda p°ímé p°em¥ny frekvence.
Syntezátory dále d¥líme na koherentní a nekoherentní a to podle po£tu základních oscilátor·. V koherentních syntezátorech se pouºívá pouze jeden základní oscilátor a výstupní signály jsou tedy ve vzájemné koherenci (synchronní). Stabilita výstupního kmito£tu je zde dána stabilitou základního generátoru. U nekoherentních syntezátor· se vyuºívá n¥kolik základních generátor·, takºe jsou výstupní signály nekoherentní a stanovení stability výstupního kmito£tu je náro£n¥j²í.
2.2.1 Syntezátory s p°ímou koherentní syntézou Základním blokem tohoto typu syntezátoru je referen£ní oscilátor s vysokou stabilitou z jehoº signálu se odvozují v²echny výstupní signály syntezátoru. Stabilita a p°esnost výstupního kmito£tu syntezátoru jsou dány pouze stabilitou a p°esností kmito£tu referen£ního oscilátoru. Dle zp·sobu získání výstupního signálu, rozli²ujeme dva typy syntezátor·: syntezátor s p°ímou p°em¥nou frekvence a syntezátor s vyuºitím vy²²ích harmonických kmito£t·.
Metoda p°ímé p°em¥ny frekvence
, jejíº princip je zobrazen obr. 2.1 [Lap01], je zaloºena
na p°ímém násobení a sm¥²ování signálu referen£ního oscilátoru (1 MHz). Kmito£et referen£ního oscilátoru zárove¬ ur£uje kmito£tový krok syntezátoru (v tomto p°ípad¥ 1 MHz). Pouºité násobi£e a sm¥²ova£e kmito£tu jsou nelineární obvody a produkují nelineární zkreslení signálu (produkují vy²²í harmonické kmito£ty) a je zapot°ebí na jejich výstupu neºádoucí signály potla£it pomocí selektivních obvod·. Tato metoda °e²ení syntezátoru se pouºívá jen v p°ípad¥, ºe poºadujeme relativn¥ malý po£et výstupních kmito£t·, p°i£emº výhodou je vyuºití v²ech kmito£t· sou£asn¥.
Metoda s vyuºitím vy²²ích harmonických kmito£t·
, blokové schéma tohoto typu syn-
tezátoru je zobrazeno na obr. 2.2 [Lap01]. Zde je základním blokem op¥t harmonický oscilátor, který realizuje zdroj sinusového signálu s p°esným a stabilním kmito£tem
f0 .
Za oscilátorem je
za°azen tvarovací obvod, který deformuje pr·b¥h p·vodního sinusového signálu tak, aby obsahoval pokud moºno co nejvíce harmonických sloºek. Tvarova£em m·ºe být nap°íklad oboustranný omezova£. Výstupní signál
SGH
z tvarova£e teoreticky obsahuje nekone£n¥ mnoho harmonických sloºek,
coº lze vyjád°it následujícím zp·sobem
SGH ≈
x2 X m=x1
mf0 + R,
(2.1)
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
Obr. 2.2
29
: Syntezátor s p°ímou koherentní syntézou, metoda s vyuºitím vy²²ích harmonických
kmito£t·.
x1
kde
je °ád nejniº²í harmonické poºadované na výstupu syntezátoru,
monické poºadované na výstupu syntezátoru a symbol
R
x2
je °ád nejvy²²í har-
ozna£uje souhrnn¥ v²echny zbývající
harmonické, které nejsou vyuºity. Výstupní kmito£ty syntezátoru jsou tedy v rozsahu
x2 f0
s krokem
f0 .
Ze signálu
SGH
x1 f0
aº
je poºadovaná harmonická vybrána aktivní ltrací s dvojím
sm¥²ováním. V prvním sm¥²ova£i se vytvo°í mezifrekven£ní signál se signálem nap¥tím °ízeného oscilátoru
fh ,
fMF ,
jako rozdílový produkt
který z·stává konstantní pro libovolný výstupní
kmito£et. Signál dále prochází mezifrekven£ním ltrem s vysokou selektivitou, ve kterém jsou v²echny neºádoucí signály potla£eny. Ve druhém sm¥²ova£i se jiº vytvá°í výstupní signál to sm¥²ováním op¥t se signálem nap¥tím °ízeného oscilátoru
fh ,
fOUT
a
v tomto p°ípad¥ je ale vybrán
sou£tový produkt. Díky dvojímu sm¥²ování nezávisí kmito£et výstupního signálu na kmito£tu nap¥tím °ízeného oscilátoru VCO
fh .
Na výstupní signál se tedy nep°ená²í ºádné negativní vlivy nap¥tím °íze-
ného oscilátoru jako je fázový ²um, nestabilita apod. Tuto vlastnost lze jednodu²e ukázat na p°íkladu poºadovaného výstupního kmito£tu
fOUT = xk f0 ,
kde je t°eba nastavit °ízený oscilátor
na kmito£et
fh = xk f0 − fMF .
(2.2)
Pro kmito£et mezifrekven£ního signálu vytvo°eného v 1. sm¥²ova£i platí
fMF = xk f0 − fh , nebo´ ze spektra signálu
(2.3)
SGH
spl¬uje rovnici (2.3) pouze harmonická sloºka s kmito£tem
xk f0 .
Na výstupu 2. sm¥²ova£e se vytvá°í signál
fOUT = fMF − fh .
(2.4)
Z p°edchozích rovnic tedy plyne, ºe na výstupu syntezátoru je signál o kmito£tu
fOUT = fMF + fh = xk f0 − fh + fh = xk f0 .
(2.5)
2.2.2 Syntezátory s nep°ímou koherentní syntézou Základním blokem je op¥t referen£ní oscilátor s vysokou stabilitou a p°esností výstupního kmito£tu a fázový záv¥s zapojený jako násobi£ kmito£tu. V zapojení syntezátoru se mohou dále nacházet násobi£e, d¥li£e kmito£tu, p°ípadn¥ i sm¥²ova£e pracující se sou£tovým nebo rozdílovým sm¥²ovacím produktem.
Syntezátor bez p°edd¥li£e VCO Voltage Controlled Oscillator
jehoº blokové zapojení je zachyceno na obr. 2.3 [Lap01]. Na-
p¥tím °ízený oscilátor (
a jeho výstupní signál s kmito£tem
fVCO
) je °ízen signálem z ltru smy£ky
je sou£asn¥ i výstupním signálem syntezátoru. Tva-
rova£ signálu upraví signál z VCO na signál pravoúhlý kv·li zpracování v digitálních obvodech
30
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 2.3
: Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou bez p°edd¥li£e.
programovatelného d¥li£e kmito£tu s d¥lícím pom¥rem nastavitelným v rozsahu 1 aº
N.
ízení
programovatelného d¥li£e a tedy i celého syntezátoru se provádí p°es paralelní £i sériovou linku. Kmito£tový krok syntezátoru
∆fVCO
je dán zm¥nou kmito£tu výstupního signálu p°i zm¥n¥
d¥lícího pom¥ru o jedni£ku. Signál z výstupu programovatelného d¥li£e (fTEST ) p°ichází na jeden vstup kmito£tov¥ fázového komparátoru. Na jeho druhý vstup je p°ivád¥n signál s kmito£tem p°ípad¥ p°ímo výstupním signálem referen£ního oscilátoru s kmito£tem
fREF , který je v tomto fQ , který je nej£ast¥ji
realizován jako krystalový oscilátor. Výstupní nap¥tí kmito£tového fázového komparátoru m·ºe nabývat kladných nebo záporných hodnot. V p°ípad¥, ºe oba vstupní signály jsou kmito£tov¥ i fázov¥ shodné, výstupní nap¥tí komparátoru je nulové a syntezátor je v ustáleném stavu [Han01]. Posledním blokem je ltr smy£ky (integrátor), který podle polarity vstupního nap¥tí zvy²uje nebo sniºuje své výstupní nap¥tí s rychlostí závislou na £asové konstant¥ integrátoru. Pokud je na vstupu nulové nap¥tí, výstupní nap¥tí se nem¥ní a z·stává konstantní. Filtr smy£ky bývá £asto dopln¥n zesilova£em, který upravuje rozsah výstupního nap¥tí do úrovní pot°ebných pro °ízení VCO. Jako integrátor se pouºívá bu¤ integrátor s opera£ním zesilova£em buzeným z nap¥´ového zdroje nebo integrátor tvo°ený kondenzátorem a proudovým zdrojem, který kondenzátor nabíjí, resp. vybíjí podle polarity vstupního signálu (nábojová pumpa). innost syntezátoru m·ºeme ilustrovat na jednoduchém p°íklad¥, prost°ednictvím digitálního °ízení se nastaví programovatelný d¥li£ kmito£tu na hodnotu
N. Ustálený stav syntezátoru je dán
rovností kmito£t· na vstupech kmito£tov¥ fázového komparátoru
fTEST = fREF .
(2.6)
V tomto ustáleném stavu je na výstupu integrátoru konstantní nap¥tí, p°i kterém VCO kmitá na poºadovaném kmito£tu
fVCO .
Výstupní frekvence je pak dána
fVCO = fREF → fVCO = NfREF . N P°i zm¥n¥ d¥lícího pom¥ru
N
(2.7)
se poru²í rovnost kmito£t· na vstupech kmito£tov¥ fázového kom-
parátoru. To zp·sobí vzr·st nebo pokles nap¥tí integrátoru a tím se VCO za£ne p°ela¤ovat k novému kmito£tu
0 fVCO .
P°ela¤ování trvá do doby, neº je spln¥na op¥t podmínka de novaná
vztahem (2.6), kdy nastane ustálený stav. Kmito£tový krok syntezátoru je v tomto p°ípad¥
∆fVCO = NfREF − (N − 1)fREF = fREF .
(2.8)
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
31
Obr. 2.4
: Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou s d¥li£em kmito£tu
Krok syntezátoru je tedy roven p°ímo kmito£tu referen£ního oscilátoru
fREF .
fREF ,
který b¥ºn¥ bývá
volen v rozsahu 1 aº 50 MHz. Z toho plyne, ºe takto navrºený syntezátor by m¥l velmi hrubý krok. Tuto nevýhodu lze °e²it zapojením d¥li£e kmito£tu, v¥t²inou s konstantním d¥lícím pom¥rem
M
mezi referen£ní oscilátor a komparátor (obr. 2.4) [Lap01].
P°i stanovení výstupního kmito£tu takovéhoto syntezátoru se vychází op¥t z podmínky stanovené v rovnici (2.6). Po dosazení vlivu d¥li£e dostaneme následující vztah
fVCO fREF N = → fVCO = fREF . N M M
(2.9)
Kmito£tový krok syntezátoru lze pak stanovit dle následujícího vztahu
∆fVCO =
N N−1 fREF fREF − fREF = . M M M
(2.10)
Velkou nevýhodou zde uvedených syntezátor· je omezený kmito£tový rozsah, p°ibliºn¥ do desítek MHz. Programovatelný d¥li£ musí zpracovat i nejvy²²í kmito£et VCO a tím se promítá negativn¥ jeho kmito£tové omezení.
Syntezátor s pevným p°edd¥li£em
je zobrazen na obr. 2.5 [Lap01]. Cílem je dosaºení
v¥t²ího kmito£tového rozsahu a to za°azením rychlého p°edd¥li£e kmito£tu s d¥lícím pom¥rem
P
(m·ºe být pevný nebo nastavitelný v n¥kolika málo krocích) p°ed programovatelný d¥li£ kmi-
to£tu. Díky tomu je kmito£et p°ivedený na vstup programovatelného d¥li£e
P-krát
men²í neº
nejvy²²í kmito£et VCO. Sou£ástí p°edd¥li£e je obvykle i tvarova£ signálu. P°i stanovení výstupního kmito£tu se vychází op¥t z podmínky (2.6) a po dosazení lze odvodit tento vztah pro výstupní kmito£et syntezátoru
fVCO fREF PN = → fVCO = fREF . PN M M
(2.11)
Dosaºený kmito£tový krok je pak dán
∆fVCO =
PN P(N − 1) P fREF − fREF = fREF . M M M
(2.12)
Kmito£tový krok se nám P-krát zvý²il a je nyní hrub²í
fVCO = PfREF .
(2.13)
Abychom tuto nevýhodu eliminovali, museli bychom P-krát sníºit pracovní kmito£et komparátoru
fREF ,
M nebo P-krát sníºit kmito£et refefREF . Zmen²ení pracovního kmito£tu komparátoru by v²ak m¥lo za následek
coº znamená bu¤ P-krát zvý²it d¥lící pom¥r
ren£ního oscilátoru
32
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 2.5
: Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou a pevným p°edd¥li£em.
Obr. 2.6
: Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou a °ízeným p°edd¥li£em.
men²í rychlost p°ela¤ování syntezátoru a zvý²ení £asové konstanty ltru smy£ky (integrátoru) [Han01]. Princip £innosti
syntezátor· s °ízeným p°edd¥li£em
je zobrazen obr. 2.6 [Lap01]. e²í ob¥
vý²e zmín¥né nevýhody a to jak omezený kmito£tový rozsah, tak i sníºení pracovního kmito£tu komparátoru. Programovatelný d¥li£ kmito£tu je rozd¥len na dv¥ £ásti. První £ástí je £íta£
0 bity °ídícího slova s váhami 2 ,
21 ...
swallow , který
2k−1 . Velikost nastavení je vyjád°ena £íslem
k A. Druhou £ástí syntezátoru je hlavní programovatelný £íta£, nastavovaný n-k bity °ídícího slova s k k+1 ... 2n−1 . Velikost nastavení je vyjád°ena £íslem B. ízený p°edd¥li£ sníºí kmito£et váhami 2 , 2
je nastavován
(P+1)-krát a P-krát. Impulzy s kmito£tem (P+1)-krát men²ím jsou p°ivád¥ny na vstup £íta£e swallow a impulzy s kmito£tem P-krát men²ím jsou p°ivád¥ny na vstup hlavního £íta£e. Impulzy v obou p°ípadech dekrementují stavy uvedených £íta£·. Jakmile jsou oba £íta£e nastaveny °ídícím slovem, je °ízený p°edd¥li£ kmito£tu p°epnut na d¥lící pom¥r
P + 1.
Po na£ítání
£íta£ je nyní ve stavu
A
impuls· je £íta£ swallow vynulován a hlavní programovatelný
B−A. ízený p°edd¥li£ je poté p°epnut na d¥lící pom¥r P, který z·stává aº
do vynulování hlavního programovatelného £íta£e. Po vynulování je vyslán impuls ke kmito£tov¥ fázovému komparátoru, oba £íta£e se znovu nastaví podle °ídícího slova, °ízený p°edd¥li£ se p°epne na d¥lící pom¥r
P + 1 a cyklus se opakuje. Pro vygenerování jednoho impulsu na výstupu
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
d¥lící soustavy je zapot°ebí
N
33
vstupních impuls·, které lze stanovit dle následujícího vztahu
N = (P + 1)A + P(B − A) = A + PB, kde
N
(2.14)
udává d¥lící pom¥r soustavy s °ízeným p°edd¥li£em. Výstupní kmito£et je potom
fVCO =
N A + PB fREF = fREF . M M
(2.15)
Kmito£tový krok oscilátoru, lze pak odvodit následujícím zp·sobem
∆fVCO =
A + PB A + PB − 1 fREF fREF − fREF = . M M M
(2.16)
Zmi¬ovaná nevýhoda syntezátoru s pevným p°edd¥li£em je tedy odstran¥na.
P = 2k, kde k je po£et bit· dolní £ásti pom¥ry P/(P + 1) = 8/9, 32/33, 64/65, 128/129
D¥lící pom¥r °ízeného p°edd¥li£e se v¥t²inou volí °ídícího slova. V praxi bývají nej£ast¥j²í d¥lící nebo
5/6, 10/11, 40/41.
Maximální stav £íta£e swallow lze vyjád°it jako
AMAX = P − 1 = 2k − 1 → P = AMAX + 1. Na základ¥ podmínky
AMAX = BMIN
a
B ≥ A,
(2.17)
která musí platit, lze stanovit rozsah hodnot £íta£e swallow
AMIN = 0.
(2.18)
Lze také stanovit vztah pro minimální d¥lící pom¥r celé soustavy
NMIN = AMIN + PBMIN = 0 + (AMAX + 1)AMAX = P(P − 1) = 2k (2k − 1). Maximální d¥lící pom¥r je p°i
n
(2.19)
bitovém °ídícím slov¥ dán
NMAX = 2n − 1. U syntezátor· s °ízeným p°edd¥li£em musí d¥lící pom¥ry
(2.20)
N
nabývat pouze hodnot v uvedených
mezích, coº p°edstavuje omezení tohoto zp·sobu kmito£tové syntézy.
2.2.3 Syntezátory s p°ímou nekoherentní syntézou Základ tvo°í n¥kolik krystalem °ízených oscilátor· (obr. 2.7 [Lap01]), z jejichº signál· se vytvá°í pot°ebné výstupní signály. Díky tomu je stabilita a p°esnost výstupního signálu závislá na p°íslu²ných parametrech v²ech oscilátor·. Zjednodu²en¥ platí, ºe výstupní kvalitativní parametr syntezátoru je n-krát hor²í neº odpovídající parametr jednoho z
n
pouºitých oscilátor·.
2.3 Generátory libovolného, de novaného pr·b¥hu Libovolný periodický pr·b¥h je moºno (p°ibliºn¥) generovat pomocí generátoru programovatelného pr·b¥hu (
arbitrary waveform generator ). Principielní blokové schéma takovéhoto generátoru
je uvedeno na obr. 2.8 [Haa02]. Základem zapojení jsou dva D/A p°evodníky pro tvorbu libovolného signálu. Uºivatel p°itom de nuje tvar pr·b¥hu a jeho frekvenci. Posloupnost
N
hodnot
signálu (k-bitových slov) jedné periody je uloºena v £íslicové pam¥ti generátoru. Jednotlivá slova v pam¥ti vyjad°ují amplitudy vzork·, vzdálených od sebe o stejné £asové intervaly. Tyto vzorky jsou periodicky vybírány z pam¥ti pomocí £íta£e, který £ítá pulsy (a generuje adresy) s frekvencí
fS = N/T; T
je perioda generovaného nap¥tí. ísla z pam¥ti jsou p°evád¥na na nap¥tí pomocí
D/A p°evodníku (D/A1). Maximální hodnota výstupního signálu se nastavuje pomocí druhého D/A p°evodníku (D/A2), jehoº výstup je p°ipojen na referen£ní vstup D/A1. Výstupní signál je vyhlazen ltrem, který odstra¬uje p°ekmity a prodluºuje p°echody úrovní výstupního signálu z D/A1.
34
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 2.7
: Syntezátor s p°ímou nekoherentní syntézou (základem je 30 krystalových oscilátor·).
Obr. 2.8
: Blokové schéma arbitrary waveform generátoru.
Tvar poºadovaného pr·b¥hu je moºno zadávat bod po bodu z klávesnice, vypo£ítat v po£íta£i nebo sejmout ze záznamu z pam¥ti osciloskopu. Základní periodické pr·b¥hy (sinusovka, obdélník, trojúhelník) jsou £asto uloºeny v pam¥ti ROM v generátoru. Dokonalost generovaného pr·b¥hu je ur£ena po£tem vzork· na periodu signálu. Zvy²ování po£tu vzork· na periodu ale p°i dané frekvenci hodin generátoru
fS
N,
zmen²uje rozsah nastavitelných frekvencí signálu.
Frekvence generovaného signálu je totiº dána vztahem
fSIG = fS /N.
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
3
35
M¥°icí p°ijíma£e
M¥°icí p°ijíma£ uskute£¬uje vlastní m¥°ení výstupního ru²ivého nap¥tí z výstupu sníma£e, jeho kvantitativní vyhodnocení a p°ípadné srovnání s mezemi vyza°ování zkou²eného objektu podle p°íslu²ných norem. Pokud by m¥°ené ru²ivé nap¥tí m¥lo harmonický £asový pr·b¥h, bylo by moºné k jeho m¥°ení pouºít b¥ºný (rádiový) p°ijíma£ pracující v lineárním reºimu, k jehoº výstupním svorkám by byl p°ipojen vhodný indikátor (nap°. nízkofrekven£ní mV-metr apod.). V praxi jsou v²ak daleko £ast¥j²í ru²ivé signály neharmonického pr·b¥hu, jejichº kmito£tové spektrum obsahuje velké mnoºství sloºek. Výsledky m¥°ení pak zna£n¥ závisejí na vlastnostech pouºitého m¥°i£e (p°ijíma£e), na jeho ²í°ce pásma, na pr·b¥hu modulové a argumentové charakteristiky jeho vysokofrekven£ní i nízkofrekven£ní £ásti, na elektrických nabíjecích a vybíjecích konstantách detektoru apod. a v zájmu srovnatelnosti a reprodukovatelnosti m¥°ení musí být mezinárodn¥ standardizovány.
RFI Meter )
Obvyklý m¥°i£ elektromagnetického ru²ení (
je koncipován jako speciální se-
lektivní mikrovoltmetr na superheterodynním principu. Jeho vlastnosti jsou ur£eny p°íslu²nými normami, hlavn¥ SN EN 55016-1-1 ed. 2. Na kvalitní m¥°i£ ru²ení jsou zde kladeny zejména tyto speci cké poºadavky:
moºnost spojitého p°ela¤ování v ²irokém kmito£tovém rozsahu minimáln¥ 9 kHz aº 18 GHz, s výhledem k vy²²ím pásm·m;
vysoká citlivost a nízký vlastní ²um pro moºnost m¥°it i nízké úrovn¥ ru²ivých nap¥tí;
velký dynamický rozsah (v¥t²í neº 40 dB) a vysoká p°ebuditelnost umoº¬ující v lineárním reºimu m¥°it i vysoké úrovn¥ ru²ivých nap¥tí;
r·zné typy detektor· pro r·zné zp·soby vyhodnocení ru²ivých nap¥tí v souladu s normami;
výstupy, p°íp. obvody pro zvukovou a obrazovou analýzu a monitorování m¥°ených signál·;
kvalitní elektromagnetické stín¥ní celého m¥°i£e i jeho díl£ích blok· pro dosaºení jeho vysoké elektromagnetické odolnosti v·£i vlastnímu i vn¥j²ímu ru²ení.
Blokové schéma typického m¥°i£e ru²ení pro uvedené poºadavky je na obr. 3.1. Velikost vstupního m¥°eného nap¥tí je nejprve upravena v ²irokopásmovém d¥li£i nap¥tí (ate-
A MO
nuátoru)
, poté signál prochází vysokofrekven£ním pásmovým ltrem
F
1 (preselektorem), který
bývá £asto aktivní, tj. jde o lad¥ný selektivní zesilova£. Po sm¥²ování se signálem místního oscilátoru
SM
ve sm¥²ova£i
prochází získaný mezifrekven£ní signál o konstantním rozdílovém
(mezifrekven£ním) kmito£tu mezifrekven£ním pásmovým ltrem rekven£ním zesilova£em
Obr. 3.1
Z
F
2 a n¥kolikastup¬ovým mezif-
. K jeho výstupu je p°ipojen blok detektor· umoº¬ující výb¥r z n¥kolika
: Blokové schéma m¥°i£e elektromagnetického ru²ení.
36
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 3.2
: Vn¥j²í vzhled m¥°icího p°ijíma£e
tromagnetického ru²ení.
a)
a spektrálního analyzátoru
b)
pro m¥°ení elek-
r·zných typ· detektor· (viz dále). Celý m¥°i£ je vybaven n¥kolika výstupními indikátory: zvukovým (po demodulaci signálu v AM/FM demodulátoru elektronickým
µV-metrem (indikátorem
I
D
), obrazovým displejem a výstupním
). D·leºité jsou i výstupy pro p°ipojení vn¥j²ího zapiso-
va£e, nahrávacího £i jiného záznamového za°ízení, £íslicový záznam apod. Pro p°esnou a sou£asn¥ operativní kalibraci m¥°i£e je £asto p°ímo v n¥m zabudován kalibra£ní generátor harmonický a pulzní kalibra£ní signál s p°esnými elektrickými parametry.
G
poskytující
Dal²ím p°ístrojem, který je v posledních letech £asto vyuºíván pro m¥°ení EMI je spektrální analyzátor. Jeho základní p°edností je rychlé vizuální zobrazení m¥°eného ru²ivého spektra na displeji a tím získání celkového p°ehledu o elektromagnetickém ru²ení v daném kmito£tovém pásmu. Výhodou je obvykle i niº²í cena. Kvalitní spektrální analyzátory pro m¥°ení EMI na rozdíl od analyzátor· pro obecné pouºití v²ak musí rovn¥º spl¬ovat v²echny hlavní poºadavky normy SN EN 55016-1-1 ed. 2 kladené na m¥°icí p°ijíma£e, tj. zejména ²í°ku propustného pásma, vstupní impedanci, impulzní odezvu, selektivitu, ú£innost stín¥ní a dal²í. Protoºe spektrální analyzátory jsou v¥t²inou ²irokopásmové (nejsou vybaveny vstupním preselektorem jako m¥°icí p°ijíma£e), nedosahují zdaleka tak velkého dynamického rozsahu m¥°ení a rovn¥º jejich citlivost je obvykle niº²í neº citlivost m¥°icích p°ijíma£· superheterodynového typu. Tím dochází ke zkreslení aº znehodnocení výsledk· m¥°ení zejména impulzního ru²ení. P°ední sv¥toví výrobci elektronické m¥°icí techniky v poslední dob¥ kombinují výhodné vlastnosti obou druh· p°ístroj·. Vznikají tak vysoce kvalitní m¥°icí p°ijíma£e se ²irokopásmovým rozmítáním kmito£tu a p°esným zobrazením celého kmito£tového spektra nebo naopak spektrální analyzátory vybavené vstupním vysokofrekven£ním preselektorem schopné pracovat na diskrétních kmito£tech s vlastnostmi plnohodnotného m¥°icího p°ijíma£e. Uvedené p°ístroje tak p°edstavují ²pi£ku sou£asné ²irokopásmové vysokofrekven£ní m¥°icí techniky, navíc pln¥ vyuºívající moºností £íslicového zpracování a po£íta£ové analýzy, archivace a zpracování m¥°ených dat. Vn¥j²í vzhled typických p°edstavitel· obou t¥chto skupin m¥°i£· ru²ení je na obr. 3.2 [Ser01]. Krom¥ m¥°icího p°ijíma£e a spektrálního analyzátoru speci kuje norma SN EN 55016-1-1 ed. 2 jakoºto dal²í druh moºného m¥°i£e ru²ení i
nízkofrekven£ní V-metr
, který se p°ipojí
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
Obr. 3.3
: De nice a ur£ování úzkopásmových
a)
37
a ²irokopásmových
b)
ru²ivých signál·.
na výstup dobrého rádiového p°ijíma£e. Tento zp·sob m¥°ení ru²ení je v²ak v praxi spí²e výjime£ný. V technice m¥°ení EMI hraje d·leºitou roli de nice úzkopásmových a ²irokopásmových ru²ivých signál· (nap¥tí). Tyto dva pojmy mají zde totiº pon¥kud jiný význam neº v b¥ºné vysokofrekven£ní technice a jsou vymezovány v relaci k pracovní ²í°ce pásma m¥°i£e ru²ení. Jako úzkopásmový ozna£ujeme takový (ru²ivý) signál, jehoº kmito£tové spektrum je uº²í neº ²í°ka mezifrekven£ního propustného pásma m¥°i£e. Jak je vysv¥tleno na obr. 3.3a, úzkopásmovými jsou v²echny harmonické signály a rovn¥º periodické (neharmonické) signály, jejichº opakovací kmito£et je v¥t²í neº ²í°ka propustného kmito£tového pásma m¥°i£e [Vac01]. V¥t²ina ru²ivých signál· je v²ak ²irokopásmových, tj. takových, jejichº spektrální ²í°ka je v¥t²í neº ²í°ka mezifrekven£ního propustného pásma m¥°i£e ru²ení. Za ²irokopásmové ru²ení se povaºují nejen jednorázové, p°íp. neperiodické impulzy, ale dle obr. 3.3b i periodické neharmonické signály, jejichº opakovací kmito£et je niº²í neº ²í°ka propustného pásma m¥°i£e. Toto vymezení je d·leºité p°edev²ím z hlediska údaje výstupního indikátoru
I
m¥°i£e ru²ení. Zatímco v p°ípad¥
úzkopásmového signálu je tento údaj nezávislý na ²í°ce propustného pásma m¥°i£e (obr. 3.3a), je údaj indikátoru p°i m¥°ení ²irokopásmového signálu p°ímo úm¥rný ²í°ce propustného pásma m¥°i£e (obr. 3.3b). Je jasné, ºe pro získání jednozna£ných, vzájemn¥ srovnatelných a reprodukovatelných výsledk· musí být ²í°ky pásma m¥°i£· ru²ení mezinárodn¥ standardizovány. Hodnoty p°edepsané normou SN EN 55016-1-1 ed. 2 jsou pro jednotlivá m¥°icí kmito£tová pásma uvedeny v tab. 3.1. Z obr. 3.3 m·ºeme téº ur£it, jak lze uvedené signály jednodu²e identi kovat. Budeme-li m¥nit ²í°ku mezifrekven£ního pásma m¥°i£e ru²ení (nap°. dle tab. 3.1), bude údaj výstupního indikátoru m¥°i£e z·stávat konstantní, p·jde-li o úzkopásmový ru²ivý signál. Bude-li se naopak údaj indikátoru p°i zm¥n¥ ²í°ky pracovního pásma výrazn¥ m¥nit, jedná se o ²irokopásmový signál (obr. 3.3b). Základním rysem obvodové koncepce m¥°icího p°ijíma£e na obr. 3.1 je to, ºe v celém °et¥zci superheterodynu není zavedeno automatické vyrovnávání citlivosti (AVC), nebo´ by tím byla naru²ena jeho linearita. P°itom p°ebuditelnost takového p°ijíma£e v lineárním reºimu musí být vysoká (v¥t²í neº 40 dB), aby bylo moºné m¥°it ru²ivé signály v ²irokém rozmezí jejich velikostí. Ukáºeme, ºe této vysoké hodnoty p°ebuditelnosti lze dosáhnout jen pouºitím vstupního lad¥ného preselektoru
F
1 (obr. 3.1), p°íp. vstupního lad¥ného p°edzesilova£e za°azeného na vysokofrekven£-
38
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Tab. 3.1
: í°ka pásma m¥°i£· ru²ení dle SN EN 55016-1-1 ed. 2.
²í°ka propustného pásmo rozsah kmito£t· pásma m¥°i£e ru²ení MR A ÷ B ÷ C ÷ D ÷ E ÷ 9
150 kHz
150 kHz 30
200 Hz
30 MHz
9 kHz
300 MHz
300 kHz
1 GHz
120 kHz
1000 MHz
120 kHz
18 GHz
1 MHz
Obr. 3.4
: Princip ²pi£kového detektoru (detektoru vrcholové hodnoty).
ním vstupu p°ijíma£e je²t¥ p°ed blok sm¥²ova£e o ²í°ce spektra
Bsign
SM
. Prochází-li ²irokopásmový (ru²ivý) signál
selektivním ltrem o ²í°ce pásma
BF
m¥°i£e ru²ení na obr. 3.1 platí tato úvaha jak pro nap¥tí vstupu sm¥²ova£e
SM
), tak i pro nap¥tí
U2
Bsign > BF , je velikost nap¥tí Uvyst ∼ BF (obr. 3.3b). V zapojení
a je-li
na výstupu ltru úm¥rná ²í°ce jeho pásma propustnosti, tedy
U1
na výstupu preselektoru
F
1 (tj. na
na výstupu mezifrekven£ního pásmového ltru
Pro vzájemný odstup t¥chto nap¥´ových úrovní m·ºeme tedy psát
∆U = 20 · log kde
B1
a
B2
U1 B1 = 20 · log U2 B2
[dB],
jsou ²í°ky propustných pásem ltr·
F
2.
(3.1)
F F 1 a
2 , tedy vysokofrekven£ního preselektoru
a mezifrekven£ního pásmového ltru. Tento výsledek znamená, ºe pro dosaºení (tj. indikování) ur£ité velikosti výstupního nap¥tí
U2
musí být nap¥tí
U1
vy²²í alespo¬ o hodnotu
∆U
(3.1).
Krom¥ výrazného sníºení nárok· na pot°ebný dynamický rozsah pouºitého sm¥²ova£e a zmen²ení hodnoty pot°ebného zesílení celého °et¥zce p°iná²í pouºití vstupního úzkopásmového preselektoru dal²í pozitivní d·sledek pro parametry m¥°icího p°ijíma£e. Výstupní nap¥tí
hodnoty
²pi£kového detektoru P
Peak detector )
(
neboli
detektoru vrcholové
je rovno maximální velikosti vstupního nap¥tí, tedy maximální hodnot¥ obálky nap¥tí
na mezifrekven£ním výstupu m¥°i£e ru²ení. Princip ²pi£kového detektoru je nazna£en na obr. 3.4 [Sch01].
umf (t) a nabíjí kondenzátor C na maxiUP , jíº toto nap¥tí dosáhne v intervalu m¥°ení £i v dob¥ trvání hodnotu pak kondenzátor C udrºuje tak dlouho, pokud není spína£em
Dioda usm¥r¬uje mezifrekven£ní výstupní nap¥tí mální velikost nap¥tí jeho obálky m¥°eného impulzu. Tuto
S vybit (manuáln¥ £i automaticky) po uplynutí intervalu m¥°ení, tj. doby pot°ebné k jejímu na£tení (zaznamenání). pi£kový detektor má tedy velmi krátkou (nulovou) nabíjecí a velmi dlouhou (nekone£nou) vybíjecí £asovou konstantu. Detektor proto reaguje rychle na r·st velikosti obálky mezifrekven£ního signálu a udrºuje na výstupu její maximální dosaºenou hodnotu. M¥°ení se ²pi£kovým detektorem se uºívá jako rychlé p°ehledové m¥°ení ru²ivých signál· v pásmu kmito£t·.
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
39
Obr. 3.5
: Principiální zapojení kvazi-²pi£kového detektoru.
Tab. 3.2
: asové konstanty kvazi-²pi£kového detektoru dle SN EN 55016-1-1 ed. 2.
kmito£et ²í°ka mf. pásma
10 ÷ 150
nabíjecí £asová konstanta
R1 C
vybíjecí £asová konstanta
R2 C
£asová konstanta mechanismu m¥°idla
kHz
0, 15 ÷ 30
MHz
30 ÷ 1000
MHz
200 Hz
9 kHz
120 kHz
45 ms
1 ms
1 ms
500 ms
160 ms
550 ms
160 ms
160 ms
100 ms
Zatímco hodnota výstupního nap¥tí ²pi£kového detektoru závisí pouze na velikosti (obálky) ru²ivého vstupního nap¥tí a není ovlivn¥na opakovacím kmito£tem ru²ivých impulz·, je hodnota výstupního nap¥tí
kvazi-²pi£kového detektoru QP (Quasi-Peak detector
) úm¥rná nap¥´ov¥-
£asové plo²e obálky vstupního mezifrekven£ního signálu a je tedy ovliv¬ována velikostí i opakovacím kmito£tem vstupních impulz· ru²ivého nap¥tí. Hodnota kvazi-²pi£kov¥ detekovaného nap¥tí simuluje vnímání akustických efekt· p°i impulzním ru²ení nap°. rozhlasového p°ijíma£e lidským sluchem [Sch01]. Ukazuje se, ºe lidské ucho vnímá stejn¥ ru²ivé °ídce se opakující impulzní (akustické) signály s velkou amplitudou, jako £asto se opakující impulzy s malou velikostí. Zapojení kvazi-²pi£kového detektoru [Sch01] je z°ejmé z obr. 3.5. Efektu kvazi-²pi£kové detekce se zde dosahuje vhodnou volbou nabíjecí a vybíjecí £asové konstanty
R1 C
R2 C tak, ºe kondenzátor C se mezi sousedními impulzy vºdy £áste£n¥ vybije. UQP kvazi-²pi£kového detektoru je proto vºdy men²í neº odpovídající ²pi£ková hodnota UP a m¥°ení s tímto detektorem je pomalej²í (tj. musí trvat del²í dobu) a
Výstupní nap¥tí (vrcholová)
neº m¥°ení se ²pi£kovým detektorem. Aby kvazi-²pi£ková m¥°ení byla jednotná, jsou hodnoty nabíjecích a vybíjecích konstant QP detektoru normalizovány. Hodnoty t¥chto konstant dle normy SN EN 55016-1-1 ed. 2 jsou uvedeny v tab. 3.2, a to v závislosti na kmito£tovém pásmu m¥°ení a tedy i na ²í°ce mezifrekven£ního pásma m¥°i£e ru²ení (viz tab. 3.1). Na velikost výsledného nap¥tí normou. Výstupní nap¥tí
jícího detektoru
UQP
má vliv i £asová konstanta
I detektoru st°ední hodnoty AV Average detector
mechanického ústrojí výstupního indikátoru (m¥°idla)
. Téº její hodnota je proto p°edepsána (
) £ili tzv.
pr·m¥ru-
na obr. 3.6 je rovno aritmetické st°ední hodnot¥ obálky vstupního (ru²ivého)
mezifrekven£ního nap¥tí
umf (t)
[Sch01].
Podobn¥ jako u ²pi£kového detektoru dioda usm¥r¬uje mezifrekven£ní nap¥tí a nabíjí kondenzátor
R1
C1
na okamºitou hodnotu obálky tohoto nap¥tí. Díky pom¥rn¥ malé vybíjecí hodnot¥
C1 velikost obálky vstupního signálu. Nap¥tí obálky R2 C2 , takºe nap¥tí na kondenzátoru C2 se ustálí na arit-
sleduje p°itom nap¥tí na kondenzátoru
je dále vyhlazeno ltra£ním £lenem
metické st°ední hodnot¥ obálky vstupního signálu. Detektor st°ední hodnoty se uºívá p°edev²ím
40
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 3.6
: Detektor st°ední hodnoty.
Obr. 3.7
: Odezvy r·zných druh· detektor· na signály s impulzní obdélníkovou obálkou o r·zné
opakovací frekvenci.
k m¥°ení úzkopásmových ru²ivých signál· a není p°íli² vhodný pro m¥°ení impulzního ²irokopásmového ru²ení.
detektorem efektivní hodnoty
RMS detektorem
M¥°ení s neboli tzv. (Root-MeanSquare detector ) nemá v technice EMC velký význam. P°estoºe norma SN EN 55016-1-1 ed. 2 speci kuje parametry m¥°icího p°ijíma£e s tímto detektorem a n¥které m¥°i£e ru²ení jej skute£n¥ obsahují, prakticky ºádná z norem EMC nevyjad°uje meze vyza°ování v efektivních hodnotách ru²ivých signál·. RMS detektor vyuºívá detek£ní prvky s kvadratickou charakteristikou a jeho výstupní nap¥tí je úm¥rné výkonu m¥°eného signálu. Pro libovolné ²irokopásmové ru²ení je toto výstupní nap¥tí úm¥rné druhé odmocnin¥ ze ²í°ky pásma a proto se výsledek m¥°ení efektivní hodnoty d¥lí výkonovou ²í°kou pásma v kHz a udává se jako hodnota na 1 kHz ²í°ky pásma. Rozdílné odezvy r·zných typ· detektor· jsou nejvíce patrné p°i detekci ²irokopásmových impulzních ru²ivých signál·. Obr. 3.7 uvádí p°íklad výstupních nap¥tí r·zných detektor· p°i detekci dvou ru²ivých signál· s pravoúhlou impulzní obálkou stejné velikosti se dv¥ma r·znými hodnotami opakovacího kmito£tu. Zatímco odezva ²pi£kového detektoru je na opakovacím kmito£tu zcela nezávislá a je ur£ena výhradn¥ velikostí impulzní obálky ru²ivého signálu, roste odezva kvazi-²pi£kového detektoru a detektoru st°ední hodnoty s rostoucí hodnotou opakovacího kmito£tu impulzní obálky signálu, tedy s rostoucí nap¥´ov¥-£asovou plochou impulz· za ur£itý £asový interval (nap°. za dobu m¥°ení). Velikost odezvy AV detektoru p°itom roste lineárn¥, zatímco r·st odezvy QP detektoru není lineární funkcí opakovacího kmito£tu, ale je ur£en tzv. váhovou funkcí QP detektoru, tj. nastavením jeho nabíjecích a vybíjecích £asových konstant v souladu s p°íslu²nou normou (tab. 3.2). Z uvedených záv¥r· je sou£asn¥ jasné, ºe bude-li vstupní ru²ivý signál £ist¥ harmonický (s konstantní amplitudou), budou výstupní odezvy v²ech t°í typ· detektor· shodné.
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
4
41
Vektorové obvodové analyzátory
Analýza vlastností obvod· (£i sítí) je jedním z nejb¥ºn¥j²ích úkol· ve vysokofrekven£ní technice. Obvodový analyzátor je m¥°icí za°ízení, které je schopné takovouto analýzu provád¥t ve velmi ²irokém kmito£tovém rozsahu s vysokou p°esností a efektivitou. Obvody, které je vhodné analyzovat pomocí obvodových analyzátor· mají jednu nebo více vstupních/výstupních bran. Obvodový analyzátor tak umoº¬uje analyzovat a m¥°it konkrétní elektrické vlastnosti od nap°. ltr·, zesilova£·, násobi£· kmito£tu aº po sloºité komunika£ní za°ízení a komunika£ní satelity. Obecn¥ lze °íci, ºe obvodový analyzátor je svým zp·sobem nejkomplexn¥j²í a nejuniverzáln¥j²ím m¥°ícím p°ístrojem pro elektrotechnické inºenýry a pracovníky. Jeho vyuºití lze nalézt nejenom ve vývojových laborato°ích p°edních sv¥tových výrobc· a dodavatel· komunika£ních sluºeb a komunika£ní techniky, ale také jako testovací p°ístroj ve výrobním procesu pro kontrolu kvality nálních produkt·. Pokud se k tomuto typu m¥°icího p°ístroje propojí jedna £i více antén lze jej pouºít jako jednoduchý radar, p°ípadn¥ jej lze pouºít pro analýzu struktur materiál· apod.
4.1 P°ímá, odraºená vlna a S-parametry Pro de nování parametr· vysokofrekven£ních obvod· se pouºívají pojmy p°ímá a odraºená vlna. Oba tyto parametry se souhrnn¥ ozna£ují pojmem
wave quantity, který lze asi voln¥ p°eloºit jako
vlnové mnoºství. P°eklad nicmén¥ není dostate£n¥ zaºit a tak je mnohem lep²í pouºívat pojem z anglické terminologie
wave quantity. Celá situace je velmi dob°e zachycena na obr. 4.1 [Hie01].
a
P°ímá vlna, která je ozna£ena jako ( ) se na obr. 4.1 ²í°í od zdroje signálu (analyzátoru) k prom¥°ovanému za°ízení (device under test DUT). Odraºená vlna se pak ²í°í od zát¥ºe DUT zp¥t k analyzátoru. P°ímá vlna je na obr. 4.1 zobrazena modrou barvou a odraºená vlna barvou
√
oranºovou. Pro wave quantity lze odvodit jednotku od analyzátoru k zát¥ºi je pak dán jako
|b|2 .
2
|a|
W.
P°enesený výkon pomocí p°ímé vlny
. Výkon odraºený od zát¥ºe lze pak vypo£ítat jako
Re ek£ní koe cient je následn¥ dán jako pom¥r odraºené vlny k vln¥ p°ímé
Γ=
b [−]. a
(4.1)
initel odrazu je obecn¥ de nován jako komplexní a lze ho stanovit z komplexní impedance zát¥ºe
Z.
initel odrazu lze vypo£ítat pomocí následujícího vztahu
Γ= kde
z
z−1 [−], z+1
(4.2)
je normovaná impedance a je de novaná jako pom¥r obecné impedance
a impedance
Z0 , z = Ω. Zatímco v televizní a rozhlasové technice je de nována jako 75 Ω. Impedance 50 Ω
charakteristické vena na 50
Z
Z Z0 . Ve vysokofrekven£ní technice je charakteristická impedance stano-
je stanovena jako kompromis mezi impedancí, p°i které dochází k maximálnímu p°enosu výkonu (30
Ω)
a impedancí, kdy dochází k minimálnímu útlumu koaxiálního kabelu (77
initel odrazu
Γ
malizované impedance
Obr. 4.1
Ω).
m·ºe být zobrazen v komplexní rovin¥ £initele odrazu. Ke zobrazení nor-
z = 2 + 1, 5j
se pouºívá Smith·v diagram, který je zobrazen na obr. 4.2
: De nice £initele odrazu, p°ímé a odraºené vlny.
42
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 4.2
: Smith·v diagram s vyzna£enými d·leºitými body.
Obr. 4.3
: Dvojbran s vyzna£enými sm¥ry ²í°ení jednotlivých vln.
[Hie01]. V obr. 4.2 jsou také vyzna£eny n¥které d·leºité body: nulová impedance (zkrat; short circuit), odpojený obvod (otev°ený konec; open circuit) a p°izp·sobený obvod (match circuit). U více branových obvod·, lze krom¥ £initel· odrazu na jednotlivých branách de novat i koe cient p°enosu a to v p°ímém i zp¥tném sm¥ru. Obr. 4.3 [Hie01] zobrazuje dvou branový obvod s vyzna£enými v²emi sm¥ry ²í°ení jednotlivých signál·. P°i porovnání £initele odrazu a jednotlivých S-parametr· (rozptylových parametr·)
s21
a
s22
s11 , s12 ,
zjistíme, ºe rozptylové parametry jsou pro jednotlivé brány de novány následujícím
zp·sobem. Pro m¥°ení na brán¥ 1 je brána 2 zakon£ena charakteristickou impedancí a v²echny zdroje signál· jsou vypnuty (odpojeny). Ve skute£nosti to znamená, ºe £initel odrazu 2 je roven 0. P°ímá vlna dopadající na bránu 2 nese nulovou energii
a2 = 0,
Za t¥chto podmínek m·ºeme provést m¥°ení parametru
s21 ,
Obr. 4.4
kterým je de nován p°enos
brány
a1 6= 0. Situace je znázorn¥na na obr. 4.4 [Hie01]. s11 na brán¥ 1 a také m¥°ení paraobvodu z brány 1 do brány 2. Koe cienty s11 a s21 , lze
vybuzena energií, která je nesena p°ímou vlnou metru
Γ
zatímco brána 1 je
: Dvojbran se zdrojem testovacího signálu p°ipojeným k brán¥ 1.
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
43
Obr. 4.5
: Dvojbran se zdrojem testovacího signálu p°ipojeným k brán¥ 2.
stanovit následovn¥
s11 =
b1 a1
a2 =0 ; s21
=
b2 a1
a2 =0 .
(4.3)
Pro opa£ný sm¥r pak nastává obdobná situace, která je nyní zobrazena na obr. 4.5 [Hie01] a charakteristickou impedancí je zakon£ena brána 1 (Γ p°ímou vlnou
a2 6= 0.
=0
resp.
a1 = 0)
a brána dv¥ je buzena
Na základ¥ t¥chto podmínek m·ºeme stanovit rozptylové parametry
s12 ,
s22 s12 =
b1 a2
a1 =0 ; s22
=
b2 a2
a1 =0 .
(4.4)
V obecném p°ípad¥ v²ak mohou mít ob¥ budící vlny nenulovou energii (a1
6= 0
a
a2 6= 0).
Tento p°ípad si pak m·ºeme p°estavit (pro lineární systém) jako superpozici jednotlivých signál· (a1
6= 0
a
a2 = 0
resp.
a1 = 0
a
a2 6= 0).
Výsledek je moºné zapsat následujícím zp·sobem
b1 = s11 a1 + s12 a2 . b2 = s21 a1 + s22 a2
(4.5)
Jestliºe spojíme jednotlivé rovnice pro parametry
vých parametr· S-parametr· a b (
pomocí vektor·
b1 b2
=
a
s11 , s12 , s21
a
s22
získáme
matici rozptylo-
). Parametry p°ímé a odraºené vlny jsou pak reprezentovány
. P°edchozí rovnice (4.5) lze zapsat následujícím zp·sobem
s11 s12 s21 s22
a1 a2
,
(4.6)
resp.
b = Sa.
(4.7)
V sou£asné dob¥ má v²ak v¥t²ina nových moderních komunika£ních za°ízení a komponent více neº dv¥ vstupní £i výstupní brány. Je to dáno zejména komplexností a integrací jednotlivých komponent. V obecném popisu se pak bavíme o obecném N-branu. Nap°. t°í branový systém lze popsat pomocí následující soustavy rovnic
b1 = s11 a1 + s12 a2 + s13 a3 b2 = s21 a1 + s22 a2 + s23 a3 . b3 = s31 a1 + s32 a2 + s33 a3
(4.8)
Rovnice (4.7) je obdobn¥ bez jakýkoliv omezení pouºitelná i pro N-branový systém. V p°ípad¥ rovnice (4.6) je nutné roz²í°it vektory
3 × 3.
a b a
Na diagonále se pak nacházejí prvky
a matice rozptylových parametr· je pak rozm¥ru
s11 , s22
a
s33 ,
které p°edstavují £initel odrazu od
p°íslu²né brány p°i ostatních branách zakon£ených charakteristickou impedancí systému (Γ
= 0)
44
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 4.6
: asový rozvoj p°ímé a odraºené vlny.
(p°izp·sobené zakon£ení bran). Pro stejný p°ípad zakon£ení bran pak zbylé koe cienty charakterizují ²est koe cient· p°enos· mezi jednotlivými branami. Obdobným zp·sobem je pak moºné celý systém roz²í°it na libovolný po£et bran. Vektorový obvodový analyzátor tedy generuje sinusový testovací signál, kterým je vybuzena prom¥°ovaná brána daného za°ízení (p°ímá vlna
a1 ).
V p°ípad¥, ºe prom¥°ované za°ízení bude
lineární, analyzátor p°ijme odraºenou vlnu (b1 ), která bude také reprezentována sinusovým signálem. Celá situace je znázorn¥na na obr. 4.6 [Hie01]. Obecn¥ lze o£ekávat, ºe p°ímá a odraºená vlna budou mít jiné amplitudy a budou v·£i sob¥ fázov¥ posunuty. V tomto p°ípad¥ pak rozptylový parametr
s21
p°edstavuje tyto zm¥ny.
Pro m¥°ení rozptylových parametr· m·ºeme tedy zvolit bu¤ skalární a nebo vektorový obvodový analyzátor.
Skalární obvodový analyzátor
m¥°í pouze rozdíl (pom¥r) amplitud p°ímé
a odraºené vlny. Modul (absolutní hodnoty) rozptylového parametru (nap°. tuje pom¥r amplitud odraºené a p°ímé vlny (nap°.
bb2
resp.
b a1 ).
|s21 |)
pak reprezen-
Fáze rozptylového parametru
(nap°. arg(s21 )) reprezentuje fázový posuv mezi p°ímou a odraºenou vlnou. Tyto zm¥ny je pak moºné m¥°it pouze
vektorovým obvodovým analyzátorem VNA
. Vektorový obvodový ana-
lyzátor dále nabízí následující výhody oproti skalárním obvodovým analyzátor·m:
moºnost korekce chyb v plném rozsahu. Tento typ korekcí kompenzuje systematické chyby vzniklé p°i m¥°ení;
m¥°ení provedená pomocí vektorového obvodového analyzátoru, mohou být transformována do £asové oblasti. Tento zp·sob zpracování získaných dat pak roz²i°uje dal²í moºnosti analýzy vlastností testovacích obvod·;
p°i n¥kterých m¥°eních je pak nutné i p°idat £i odebrat n¥jakou £ást m¥°icí procedury. I tento poºadavek m·ºe být pomocí vektorových obvodových analyzátor· spln¥n;
pro p°esné zobrazení nam¥°ených dat ve Smithov¥ diagramu je pak nutné znát nam¥°ené hodnoty v£etn¥ informace o fázi.
Vektorové obvodové analyzátory mohou být obecn¥ realizovány na principu homodynu a nebo heterodynu. Mnohem roz²í°en¥j²í je °e²ení pomocí heterodynního principu. Tomuto typu analyzátoru bude dále v¥nována dal²í pozornost.
4.2 N-branový heterodynní vektorový obvodový analyzátor Na obr. 4.7 [Hie01] je zobrazeno základní blokové schéma vektorového obvodového analyzátoru. V tomto p°ípad¥ se vektorový obvodový analyzátor skládá ze 4 základních blok· (viz obr. 4.7):
Vstupní díly (test sets) jednotlivých testovacích bran vektorového obvodového analyzátoru musí odd¥lit p°ímou a odraºenou vlnu. Odd¥lení je provedeno sm¥rovou odbo£nicí. Zárove¬
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
45
Obr. 4.7
: Blokové schéma vektorového obvodového analyzátoru.
je p°ímá vlna rozd¥lena na dv¥ vlny, z nichº jedna je p°ijímána referen£ním p°ijíma£em a druhá je p°ivedena p°es sm¥rovou odbo£nici k testovanému za°ízení. Odraºená vlna je pak sm¥rovou odbo£nicí p°ivedena na m¥°icí p°ijíma£. P°ed rozd¥lím je je²t¥ velikost testovacího signálu upravena elektronickým atenuátorem pro zvý²ení dynamiky m¥°ení.
Generátor generuje sinusový signál, na kterém chceme m¥°it. Obvykle je tento signál p°epínán mezi jednotlivými m¥°icími branami (test porty) vektorového obvodového analyzátoru. Práv¥ vybraná brána bývá ozna£ována jako aktivní (active test port).
Za kaºdým vstupním dílem jsou pak umíst¥ny dva p°ijíma£e pro m¥°icí a referen£ní kanál. Obvykle jsou ozna£ovány jako m¥°icí (testovací) p°ijíma£ a referen£ní p°ijíma£. P°ijíma£e se obvykle skládají z analogové (heterodyn) a digitální £ásti. Na výstupu digitální £ásti tak získáme m¥°ená data v digitální podob¥.
Nam¥°ená data jsou pak obvykle zpracovány pomocí po£íta£e. Po£íta£ se také pouºívá pro korekci chyb a zobrazení nam¥°ených výsledk·. Tato £ást je obvykle kon gurovatelná pomocí p°íslu²ného rmwaru.
V následujících kapitolách budou pak jednotlivé d·leºité £ásti vektorového obvodového analyzátoru popsány podrobn¥ji.
4.3 Vstupní £ást obvodového analyzátoru M¥°ení £initele odrazu
ΓDUT
vyºaduje separaci p°ímé a odraºené vlny. Odd¥lení jednotlivých
vln je moºné pomocí sm¥rové odbo£nice, kterou je obecn¥ moºné popsat jako trojbran. Na obr. 4.8 [Hie01] jsou zobrazeny dv¥ cesty ²í°ení signálu skrz sm¥rovou odbo£nici. P°ímá vlna
a1 ,
46
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 4.8
: Analýza rozptylových parametr· sm¥rové odbo£nice.
generovaná pomocí generátoru je p°enesena z brány 1 do brány 2 s koe cientem p°enosu sm¥rové odbo£nice pak p°ímá vlna vychází ozna£ena jako
b2 .
s21 .
Ze
V p°ípad¥, ºe máme pouze jedno
portový (branový) testovaný obvod DUT, vlnu vycházející ze sm¥rové odbo£nice pak m·ºeme ozna£it jako
ΓDUT
aDUT .
Odraºená vlna od testovaného za°ízení (bDUT ), bude díky £initeli odrazu
zm¥n¥na následujícím zp·sobem
bDUT = ΓDUT aDUT .
(4.9)
Pokud se na celou problematiku podíváme z pohledu testovaného za°ízení, je p°ímá vlna resp.
aDUT
a odraºená vlna
a2
resp.
bDUT .
b2
P°edchozí rovnici (4.9), m·ºeme p°epsat do následu-
jícího tvaru
a2 = ΓDUT b2 . Nakonec vlna (útlumem)
s32 .
a2
(4.10) projde sm¥rovou odbo£nicí na výstupní bránu 3 s vazebním koe cientem
K této brán¥ je jiº p°ipojen m¥°icí p°ijíma£. Ideáln¥ jsou parametry
s21
a
s32
rovny 1 a signál, který projde skrz sm¥rovou odbo£nici tak není nijak ovlivn¥n. P°ímá vazba mezi branami 1 a 3 je neºádoucí a je t°eba, aby tyto brány byly od sebe co nejvíce izolovány (s31
= 0).
Odraz na brán¥ 2 sm¥rové odbo£nice je také neºádoucí a brána 2 by m¥la být co
nejlépe p°izp·sobena. Jestliºe uváºíme, ºe generátor generuje vlnu pak je p°ijímaná vlna
b3
p°ímo úm¥rná £initeli odrazu
ΓDUT .
a1
o konstantní amplitud¥,
V reálném p°ípad¥ v²ak nelze
uvaºovat, ºe sm¥rová odbo£nice signály nijak nezkresluje.
±0.3 dB s výstupním výkonem a1 , p°ímo ovlivnit výsledky m¥°ení. e²ení toho problému
V praxi je moºné generovaný signál vytvo°it s p°esností cca cca 0 dBm. Nep°esnost generované vlny
vyºaduje pouºití druhé p°ídavného (referen£ního) p°ijíma£e. Pro získání referen£ního signálu pro tento p°ijíma£ je nutné generovaný signál rozd¥lit pomocí d¥li£e výkonu (obr. 4.9) [Hie01]. Oba výstupy z d¥li£e jsou symetrické a poskytují na svém výstupu stejný signál (co do £asového pr·b¥hu) bez ohledu na p°izp·sobení jednotlivých bran d¥li£e. V p°ípad¥, ºe je DUT p°ipojeno pomocí sm¥rové odbo£nice k d¥li£i, m·ºeme zam¥nit initel odrazu
M=
ΓDUT
a01
za
a1 .
je m¥°en jako následující pom¥r
b3 . a01
(4.11)
s21 (p°eds32 , jeº má obdobný význam
P°enos vlastního signálu z generátoru p°es sm¥rovou odbo£nici je ovlivn¥n parametrem stavuje p°enos sm¥rové odbo£nice mezi branami 1 a 2) a parametrem jako parametr
s21 .
je ozna£ován jako (
R = s32 s21 .
Odraºená vlna je tedy ovlivn¥na vlastnostmi sm¥rové odbo£nice, tento vliv
re ection tracking
R
£esky lze ozna£it jako pr·chozí útlum sm¥rové vazby) (4.12)
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
47
Obr. 4.9
: Sm¥rová odbo£nice s referen£ním p°ijíma£em.
Obr. 4.10
: Pozm¥n¥ný Smith·v diagram.
Pro veli£iny
M
a
R
obdrºíme následující rovnici
M = R · ΓDUT .
(4.13)
R. arg(R).
Obr. 4.10 [Hie01] zobrazuje vliv parametru metru
|R|
a je pooto£en o úhel daný
Smith·v digram je zmen²en podle modulu para-
Dal²í podstatný parametr, který podstatným zp·sobem ovliv¬uje m¥°ený výsledek je samotná sm¥rovost sm¥rové odbo£nice implementované na vstupu VNA. Sm¥rovost je dána jako p°eslech signálu z brány 1 do brány 3
D=
s31 . R
Direktivita se projevuje v nam¥°ené hodnot¥
M = R(ΓDUT + D).
(4.14)
M
následujícím zp·sobem D (4.15)
Dochází tak vlastn¥ ke zkreslení hodnoty £initele odrazu, který se snaºíme zm¥°it. V p°ípad¥,
D je rovna £initeli odrazu prom¥°ované zát¥ºe ΓDUT , m·ºeme o£ekávat nam¥°enou hodnotu M v rozsahu od b3 /a1 = 0 do cca b3 /a1 = 2R · D . Tomuto rozsahu zhruba odpovídají hodnoty −∞ aº 6,02 dB. Stejn¥ jako R mohlo být p°ímo zobrazeno ve Smithov¥ diagramu a zobrazen i jeho vliv, lze zobrazit i vliv direktivity (sm¥rovosti) D . P°idání vlivu sm¥rovosti D k m¥°enému £initeli odrazu ΓDUT zp·sobí posunutí Smithova diagramu o vektor R · D, jak je zobrazeno na obr. 4.11 [Hie01]. ºe velikost direktivity
48
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 4.11
: Vliv sm¥rovosti na Smith·v diagram.
Obr. 4.12
: Mnohonásobný odraz na vstupním portu.
P°izp·sobení m¥°icí brány má také zna£ný vliv na výsledky m¥°ení. V praxi je nutné uvaºovat, ºe parametr
S 6= 0
(£initel odrazu na testovací brán¥). Vlna
bDUT = a2 ,
která je odraºena
testovaným za°ízením (DUT), pak není celá absorbována testovací (m¥°icí) bránou. Dochází zde k mnohonásobným odraz·m na této brán¥. Celá situace je znázorn¥na na obr. 4.12 [Hie01]. Pokud zahrneme v²echny zmi¬ované vlivy, vstupní £ásti VNA, zjistíme ºe m¥°enou hodnotu
M = b3 /a1
je moºné zapsat následující rovnicí
M =R D+
ΓDUT 1 − S · ΓDUT
.
Vysv¥tlení jednotlivých parametr· pouºitých v rovnici je z°ejmé z obr. 4.13 [Hie01].
Obr. 4.13
: Zobrazení v²ech vliv· na testovací brán¥, které ovliv¬ují m¥°ený výsledek.
(4.16)
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
49
Obr. 4.14
: Principiální zapojení odporového m·stku.
Jestliºe vezmeme v potaz pouze dva odrazy mezi testovací bránou a DUT, pak m·ºeme p°edchozí rovnici (4.16) zjednodu²it do následujícího tvaru
M = R (D + ΓDUT (1 + S · ΓDUT )) . Parametr
R
(4.17)
(re ection tracking) zp·sobuje relativní chybu, která není závislá na £initeli odrazu
ΓDUT . Chyba m·ºe být odstran¥na pomocí konstantní (komplexní) kalibra£ní hodnoty. Sm¥rovost D a vliv mnohonásobných odraz· S zp·sobují chybu m¥°ení, která je závislá na velikosti m¥°eného £initele odrazu ΓDUT . Jinými slovy tyto chyby jsou závislé na m¥°eném parametru M . Pro korekci nam¥°ených dat je nutné pouºít komplexní korekci chyb. Pokud zanedbáme vliv sm¥rovosti D a vliv mnohonásobných odraz· na testovacím portu S , testovaného za°ízení
bude nam¥°ený výsledek zatíºen neur£itou chybou. Pomocí absolutní hodnoty m¥°eného £initele odrazu
ΓDUT
m·ºeme speci kovat vliv na m¥°enou hodnotu
M
následujícím zp·sobem:
sm¥rovost limituje p°esnost m¥°ení zejména malých hodnot
naopak mnohonásobné odrazy limitují zejména m¥°ení velkých hodnot
ΓDUT ; ΓDUT .
Pro realizaci sm¥rové vazby uvnit° VNA se nej£ast¥ji pouºívají odporové m·stky (VSWR bridges) nebo sm¥rové odbo£nice. Odporové m·stky jsou vhodné pro kmito£tové rozsahy od jednotek kHz do cca 4 GHz. Naopak sm¥rové odbo£nice vyºadují pouºití minimálního kmito£tu kolem 1 GHz pro dobrou vazbu a je moºné je navrhovat aº pro kmito£ty do cca 100 GHz.
4.3.1 Odporové m·stky VSWR bridges Odporové m·stky ( pedancí
Z0 .
) jsou obvykle tvo°eny odpory
R1 , R2 a charakteristickou im-
Pokud pro realizaci odporového m·stku pouºijeme Wheatston·v m·stek (obr. 4.14)
[Hie01], m·ºeme jeho zapojení p°ekreslit, jak je uvedeno na obr. 4.14. Je z°ejmé, ºe pro toto zapojení není na diagonální v¥tvi dosaºeno nulového nap¥tí. M·stek je napájen na brán¥ 1 zdrojem signálu s charakteristickou impedancí
Z0 .
K brán¥ 2 je zapojena m¥°ená impedance
ZDUT .
Pro základní orientaci a pochopení jednotlivých veli£in m·ºeme porovnat obr. 4.14 s obr. 4.8. Pro p°izp·sobení na testovací brán¥ m·ºeme odvodit následující vztah
s22 =
R1 R2 − Z02 . 2(R1 + Z0 )(R2 + Z0 )
Pro získání ideálního p°izp·sobení testovacího portu (S22
R1 R2 = Z02 .
(4.18)
= 0),
získáme následující podmínku (4.19)
Na základ¥ této podmínky je moºné odvodit následující rozptylové parametry odporového m·stku
s21 =
Z0 , Z0 + R2
(4.20)
50
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 4.15
: Odporový m·stek s vazbou pomocí transformátoru.
s32 =
R2 Z0 + R2
(4.21)
a
s31 = 0.
(4.22)
R1 = R2 = Z0 , získáme z rovnic (4.20) a (4.21) R = 1/2 · 1/2 = 1/4, která odpovídá hodnot¥ -12 dB. Obvykle se
Pokud je²t¥ p°ipojíme obvyklou podmínku, ºe teoretickou hodnotu £initele
v²ak tato hodnota uvádí v kladném rozsahu (12 dB) a velmi dob°e odpovídá technické speci kaci reálného za°ízení. Díky mechanickým a elektrickým tolerancím nem·ºe být dosaºeno hodnoty
S31 = 0.
Z tohoto d·vodu pak m·ºe být sm¥rovost
|D| > 0.
Nevýhodou zapojení z obr. 4.14 je nutnost m¥°it diagonální nap¥tí
u3 ,
které je symetrické
a není vztaºeno k nulovému potenciálu (proti zemi). Pouºitím transformátoru (obr. 4.15 [Hie01]) je nap¥tí
u3
moºné m¥°it proti zemnímu vodi£i. Je samoz°ejmé, ºe transformátor není libovoln¥
²irokopásmový a omezuje kmito£tové pásmo tohoto odporového d¥li£e. Odporové d¥li£e se pouºívají obvykle maximáln¥ do kmito£tu 4 GHz. Na druhou stranu, na nízkých kmito£tech je brána 2 zat¥ºována velkou impedancí p°ipojenou k brán¥ 1. Nesymetrie m·ºe naru²it sm¥rovost celého m·stku a asymetrii m·stku je pak moºné kompenzovat p°ipojením zát¥ºe k brán¥ 1 (na obr. 4.15 zobrazeno mod°e). Je také z°ejmé, ºe tato p°ídavná impedance také ovlivní i p°izp·sobení vstupní brány, ke které je p°ipojena paraleln¥. P°izp·sobení testovacího portu samoz°ejm¥ ovliv¬ují i dal²í sou£ástky jako nap°.
R1 , Z4
apod.
4.3.2 Sm¥rové odbo£nice Sm¥rové odbo£nice se obvykle skládají z dvou odd¥lených vedení spojených vazbou s délkou
λ/4.
Podle sm¥ru ²í°ení signálu je moºno rozeznat dva druhy sm¥rových odbo£nic: se zp¥tnou
(obr. 4.16) a s p°ímou (obr. 4.17) [Hie01] sm¥rovou vazbou. K brán¥ 1 je p°ipojován zdroj signálu (generátor) a k brán¥ 2 m¥°ená impedance DUT. Ve VNA se nej£ast¥ji pouºívají reverzní (zp¥tné) sm¥rové odbo£nice. U t¥chto odbo£nic je pak brána 3 nevyuºívána a je zakon£ena charakteristickou impedancí celého systému (a3
= 0).
Výsledná sm¥rová odbo£nice je známa jako 3-portová sm¥rová vazba (odbo£nice). initel odrazu je m¥°en na brán¥ 2 jako
b4
(obr. 4.18) [Hie01].
Sm¥rová odbo£nice realizovaná podle obr. 4.16 by v²ak byla p°íli² úzkopásmová a nebyla by pro reálné pouºití p°íli² vhodná. Z toho d·vodu jsou reálné sm¥rové odbo£nice realizovány s r·zn¥ tvarovanými pozvolnými p°echody. N¥které p°íklady t¥chto realizací jsou zobrazeny na obr. 4.19 resp. na obr. 4.20 [Hie01].
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
Obr. 4.16
Obr. 4.17
: Sm¥rová odbo£nice
se zp¥tnou vazbou.
51
: Sm¥rová odbo£nice
s p°ímou vazbou.
Tab. 4.1
: Typické hodnoty jednotlivých parametr· sm¥rové odbo£nice.
re ection tracking sm¥rovost p°izp·sobení testovací brány frekven£ní rozsah
|R| ≥ 0, 2 |D| ≤ 0, 158 |S| ≤ 0, 178 f = 1 GHz aº
cca cca cca
≤ 14 ≥ 16 ≥ 15
dB dB dB
20 GHz
Bohuºel, v²ak techniky pouºívané pro roz²í°ení kmito£tového rozsahu zvy²ují vazební útlum
s42
sm¥rové odbo£ni£e. Obdobn¥ pro pouºití na vy²²ích kmito£tech pak musí být jednotlivá
ramena zna£n¥ malá (n¥kolik centimetr·), aby nezvy²ovaly útlum pro vy²²í kmito£ty. Z p·vodn¥ dobrého vazebního efektu, dosahují sm¥rové odbo£nice od kmito£tu cca 1 GHz. Z obdobných d·vod· není moºné potla£it p°eslech i u parametru
s21 .
s41 . Sm¥rovost D pak není nulová. Obdobná situace nastává
Typické hodnoty jednotlivých parametr· u reálné odbo£nice jsou shrnuty v
tab. 4.1 [Hie01].
4.4 Atenuátory pro p°ijíma£ Pokud bychom cht¥li m¥°it nap°. zesilova£ mohlo by snadno dojít k p°ekro£ení maximálního povoleného vstupního výkonu VNA. Po p°ekro£ení tohoto limitu jiº VNA nepracuje v lineárním reºimu a m·ºe dojít k neºádoucímu zkreslení m¥°eného signálu, v p°ípad¥ velkých výkon· i ke zni£ení vstupní £ásti VNA. Uvaºujme p°íklad, ºe výstupní výkon VNA je nap°. 20 mW. Na výstupu zesilova£e je nap°. výstupní výkon 400 mW. Z t¥chto údaj· pak plyne, ºe je vhodné pouºít atenuátor o hodnot¥ útlumu 13 dB. Celá situace je zobrazena na obr. 4.21 [Hie01]. Toto °e²ení má v²ak n¥kolik nevýhod, jak bude diskutováno dále v textu. Zesilova£ má na svém výstupu £initel odrazu
ΓAmpl .
Vlastnosti atenuátoru, ke kterému je
zesilova£ p°ipojen, mohou být popsány pomocí jeho rozptylových parametr·
Obr. 4.18
: Zp¥tnovazební sm¥rová odbo£nice.
sπ11 , sπ12 , sπ21
a
52
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 4.19
Obr. 4.20
: Sm¥rová odbo£nice
s postupnou zm¥nou vazby.
: Sm¥rová odbo£nice
s pozvolnou zm¥nou vazby.
Obr. 4.21
: Zapojení atenuátoru mezi test port a zesilova£.
sπ22 ,
p°i£emº
sπ12 = sπ21 .
Na následujícím obr. 4.22 [Hie01] je tedy detailn¥ zobrazeno p°ipojení
atenuátoru a sm¥rové odbo£nice. Referen£ní rovina pro ur£ení £initele odrazu zesilova£e je tak posunuta z testovací brány na vstupní port atenuátoru. Tím pádem se vlastn¥ atenuátor stává sou£ástí VNA p°i tomto m¥°ení. Veli£iny
R, D
a
S,
které byly popsány a odvozeny na za£átku
kap. 4.3 je pak nutné znovu de novat. Na obr. 4.22 jsou zavedeny veli£iny
R0 , D 0
a
S 0 , které jsou
vztaºeny ke zobrazené referen£ní rovin¥. Generovaný signál musí projít p°es sm¥rovou odbo£nici a atenuátor, kde je tento signál pat°i£n¥ utlumen podle koe cientu od DUT s £initelem odrazu
ΓDUT
sπ21 , p°ed tím neº je odraºen
(£ervená £ára v obr. 4.22). Odraºený signál (vlna) pak op¥t
sπ21 a je²t¥ projde sm¥rovou odbo£nicí. Ve je²t¥ ovlivn¥na podle koe cientu s32 , neº projde k m¥°icímu p°ijíma£i. Ve tracking (4.12) jsou jiº parametry s21 a s32 zahrnuty. Re ection tracking
projde atenuátorem, kde je utlumen s koe cientem sm¥rové odbo£nici je vztahu pro re ection
se zapo£tením vlivu atenuátoru lze zapsat následujícím zp·sobem
R0 ≈ R s2π21 . P°izp·sobení m¥°icího (testovacího) portu
Obr. 4.22
(4.23)
S0
(modrá £ára v obr. 4.22) je dominantn¥ ovliv-
: Analýza zapojení atenuátoru a sm¥rové odbo£nice.
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
Obr. 4.23
: Analýza sm¥rovosti
53
D0 .
Tab. 4.2
: Shrnutí vlivu atenuátoru na parametry sm¥rové odbo£nice.
parametr
bez atenuátoru
s atenuátorem
re ection tracking
R = 13 dB D =46 dB S = 26 dB
R0 = 39,5 dB ≈ 40 dB D0 = -6,4 dB ≈ -6 dB S 0 = 20 dB
sm¥rovost p°izp·sobení m¥°icí brány
n¥no re ek£ním koe cientem
s11
atenuátoru. Lze tedy pouºít základního zjednodu²ení, ºe
S 0 ≈ s11 .
(4.24)
Sm¥rovost byla p·vodn¥ de nována pomocí vztahu (4.14). V p°ípad¥ p°ipojení atenuátoru (obr. 4.23) [Hie01] je nutné k parametru
D0 =
s21 , sπ22
a
s32 .
s31
p°ipo£ítat také vliv p°enosové cesty reprezentované
s31 jako s31 = R · D. Pouºitím rovnice (4.12) m·ºeme stanovit koe cient p°enosu signálové cesty jako s21 · sπ22 · s32 = R · sπ22 . Pro odvození sm¥rovosti D0 , musíme vzít v úvahu koe cient p°eslechu na sm¥rové 0 odbo£nici R · D + R · sπ22 a re ection tracking R ze vztahu (4.23). Dále p°edpokládejme, ºe pro 0 reálný atenuátor platí sπ22 = sπ11 . Sm¥rovost D je moºné vyjád°it následujícím vztahem parametry
Z rovnice (4.14) je moºné odvodit rozptylový parametr
R · D + R · sπ11 D + sπ = . 2 R · sπ21 s2π21
Z p°edchozího rozboru plyne, ºe hodnoty koe cient·
0 ovlivn¥ny (R ,
(4.25)
D
a
R
jsou vlivem atenuátoru zna£n¥
D0 ). Obecn¥ lze °íci, ºe p°izp·sobení m¥°icího portu je ur£eno p°izp·sobením ate-
nuátoru. Tab. 4.2 p°ehledn¥ zobrazuje typické hodnoty parametr·
R, D a S . Ve t°etím sloupe£ku
jsou pak uvedeny stejné parametry pro p°ípad s p°ipojeným atenuátorem s vloºným útlumem 13 dB a £initelem odrazu -20 dB. Zhor²ení sm¥rovosti z p·vodní hodnoty 46 dB na hodnotu -6 dB je opravdu velice neºádoucí. Obecn¥ lze sice parametry
R0 , D0 a S 0 kompenzovat pomocí vhodné kalibrace. Kalibrace v²ak není
v²emocná a nelze tedy pomocí kalibrace korigovat libovoln¥ velké zm¥ny jednotlivých parametr·. Nap°. není moºné adekvátn¥ kompenzovat vliv teplotních zm¥n parametr·
R0 , D 0
a
S0
pomocí
korekce chyb. Zm¥nou re ection tracking z hodnoty 40 dB na 13,5 dB podstatným zp·sobem sniºujeme hodnoty SNR (
Signal to Noise Ratio, odstup signálu od ²umu). Jestliºe se nebudeme
chtít spokojit s tímto sníºením p°esnosti m¥°ení, je nutné pouºít jiného zapojení atenuátoru. N¥které VNA umoº¬ují p°ímo p°istupovat do m¥°icí signálové cesty, kde je moºné zapojit p°ídavný atenuátor. P°íklad zapojení tohoto atenuátoru je uveden na obr. 4.24 [Hie01]. Atenuátor
54
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 4.24
: Zapojení atenuátoru do m¥°icí trasy.
Obr. 4.25
: Atenuátor umíst¥ný na výstupu oscilátoru.
je moºné zapojit mezi sm¥rovou odbo£nici a m¥°icí p°ijíma£. Toto zapojení je moºné z toho d·vodu, ºe sm¥rové odbo£nice umoº¬ují p°enést mnohem vy²²í výkon neº je lineární rozsah m¥°icího p°ijíma£e. Díky tomuto p°edpokladu m·ºeme provést p°esunutí atenuátoru z portu 2 na místo vyzna£ené na obr. 4.24. Nyní je tedy testovaný zesilova£ moºné p°ipojit p°ímo ke vstupu sm¥rové odbo£nice (port 2), sm¥rovost
D sm¥rové odbo£nice tedy není nijak negativn¥ ovlivn¥na.
Pokud jsou £asto prom¥°ována za°ízení s r·znými výstupními výkony pak je vhodn¥j²í pouºívat elektronicky p°epínatelný atenuátor. P°epínací £asy u takovýchto atenuátor· jsou pom¥rn¥ krátké a nijak neprodluºují samotné m¥°ení. P°i p°ipojení £i odpojení atenuátoru dochází k prodlouºení £i zkrácení elektrické (signálové) délky m¥°icí trasy, tento vliv na nam¥°enou hodnotu je kompenzována elektronicky. Nicmén¥ op¥tovná kalibrace s p°ipojeným atenuátorem je nutné a to zejména z d·vod· fázových a amplitudových posuv· a zm¥n. P°i kalibraci VNA je vhodné provést více kalibrací pro r·zná nastavení vstupního atenuátoru. Uloºením t¥chto kalibra£ních dat, je pak moºné p°i m¥°ení vyuºívat n¥kolika nastavení vstupního atenuátoru, bez nutnosti op¥tovné kalibrace celého m¥°icího p°ístroje (VNA).
4.5 Atenuátory pro generátory Velikost výstupního výkonu p°ímé vlny, která je generována v obvodech generátoru je také vhodné m¥nit. K tomuto ú£elu se ve VNA pouºívají op¥t atenuátory. Díky nim m·ºeme m¥nit (zmen²ovat) amplitudu p°ímé vlny, které je p°ivedena k testovanému za°ízení. Atenuátor umoº¬uje vhodn¥ sníºit výstupní výkon VNA, bez ovlivn¥ní sm¥rovosti sm¥rové odbo£nice. Je tedy moºné m¥°it i za°ízení a zesilova£e s celkovým ziskem aº do 70 dB. Obecn¥ lze pouºít dva p°ístupy pro implementaci takovýchto atenuátor· (obr. 4.25 a 4.26) [Hie01]. Na obr. 4.25 je atenuátor umíst¥n p°ímo na výstupu generátoru testovacího signálu. Ob¥ generované vlny
a1 i a01
jsou ovlivn¥ny atenuátorem. U obou je tedy stejn¥ zm¥n¥na jak amplituda
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
55
Obr. 4.26
: Atenuátor umíst¥ný aº za d¥li£em výkonu.
tak i fáze díky nastavení atenuátoru. initel odrazu
ΓDUT
je dán op¥t pom¥rem
b3
amplitudy a fáze p°ímé vlny se na m¥°ení nijak neprojevují, protoºe jsou ob¥ vlny
a01 . Zm¥ny a1 i a01 ovliva
n¥ny £inností atenuátoru naprosto stejn¥. Nicmén¥ díky niº²í úrovní signálu, který je p°ijímán referen£ním p°ijíma£em, je zmen²en i pom¥r signál ²um. Tento problém je v²ak moºné £áste£n¥ kompenzovat automatickou kontrolou zisku nebo pouºitím vhodné ²í°ky pásma mezifrekven£ního ltru. Realizace zobrazená na obr. 4.26, kde je atenuátor zapojen pouze na jednom výstupu d¥li£e výkonu, ovliv¬uje (tlumí) pouze p°ímou vlnu
a1 . Vlna p°ijímaná referen£ním p°ijíma£em a01
není
nijak atenuátorem ovlivn¥na. I v p°ípad¥ vysokých útlum· nastavených atenuátorem, nedochází k ºádnému ovlivn¥ní. M¥°icí p°ijíma£ tedy p°ijímá vlnu
a01
o dostate£ní intenzit¥ a nedochází ke
sníºení zhor²ení odstupu signálu od ²umu. Zm¥ny nastavení atenuátoru v²ak nemohou být zanedbány, protoºe kaºdá z vln
a01
a
a1
jsou jinak ovlivn¥ny. Je tedy nutné provést op¥t samostatnou
kalibraci pro kaºdou zm¥nu výstupního výkonu, p°íp. si jednotlivá kalibra£ní data uloºit.
4.6 Napájení aktivních prvk· M¥°ení a nastavovaní aktivních komponent vyºaduje napájení takovýchto za°ízení, které je obvykle superponováno na testovací vysokofrekven£ní signál. Stejnosm¥rné napájení je obvykle p°ivedeno pomocí dvou základních sou£ástek. Pro co nejmen²í ovlivn¥ní vysokofrekven£ního signálu je mezi VF signál a DC napájecí signál zapojována induk£nost. Obvykle je tato induk£nost realizována pomocí n¥kolika vzduchových cívek, které jsou navíc stín¥ny. Druhá sou£ástka (kondenzátor) slouºí k blokování stejnosm¥rného nap¥tí tak, aby nedo²lo k ovlivn¥ní VNA. Tyto VF p°ístroje jsou totiº obvykle velmi náchylné na DC napájecí nap¥tí. Na obr. 4.27 [Hie01] je uveden p°íklad realizace DC napájení. Bohuºel vliv této napájecí struktury není zanedbatelný. V¥t²ina °e²ení stejnosm¥rné napájecí sít¥ vyºaduje implementaci speciálního ltru do m¥°icí cesty. Mnohem lep²í je implementovat stejnosm¥rnou napájecí sí´ p°ímo do obvod· portu VNA jak je ukázáno na obr. 4.28 [Hie01]. A napájecí obvod umístit mezi d¥li£ výkonu a sm¥rovou odbo£nici. Sm¥rová odbo£nice (obr. 4.18) umoº¬uje i p°enos stejnosm¥rného napájecího signálu. P°i realizaci odporových m·stk· (obr. 4.15) musí být p°íslu²né kondenzátory umíst¥ny u zemnicích uzl·.
4.7 Generátor testovacího signálu Ve VNA jsou generátory vyuºívány ke tvorb¥ testovacího signálu, který má tém¥° výhradn¥ sinusový pr·b¥h. Základem takovýchto generátor· jsou obvykle elektronicky p°eladitelné oscilátory s velkým rozsahem p°elad¥ní. Pro dosaºení frekven£ní stability a spektrální £istoty jsou nej£ast¥ji tvo°eny VCO a fázovým záv¥sem PLL. Základní referen£ní oscilátor je realizován jako
56
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 4.27
: Stejnosm¥rné napájení aktivních sou£ástek.
Obr. 4.28
: Implementace napájecího obvodu do portu VNA.
teplotn¥ kompenzovaný oscilátor (
TCXO OCXO
Temterature-Compensated crystal Oscillator ) Oven Controlled temperature crystal Oscillator )
jako vyh°ívaný krystalový oscilátor ( Oscilátor
OCXO
p°íp. .
je obvykle nabízen jako p°íplatková valba p°i kon guraci VNA. Vhodnou vol-
bou vazby pomocí d¥li£ek a násobi£ek kmito£tu, mezi referen£ním oscilátorem a VCO je pak moºné m¥nit výstupní frekvenci generovaného signálu. Pro pokrytí velkého kmito£tového rozsahu dne²ních VNA je nutné p°epínat mezi n¥kolika VCO. Alternativn¥ lze i pouºít
Garnet
oscillator
YIG
Yttrium-Iron
s velkým rozsahem p°elad¥ní (typ. od 2 do 20 GHz). Tyto oscilátory jsou
v²ak p°ela¤ovány pomocí externího magnetického pole. P°ela¤ování vykazuje jistou hysterezní charakteristiku a znemoº¬uje tak velmi rychlé a p°esné p°elad¥ní, které je v m¥°icí technice vyºadováno. Nízké kmito£ty jsou obvykle generovány pomocí sm¥°ování signál· nebo pomocí d¥li£ek kmito£tu.
4.8 Referen£ní a m¥°icí p°ijíma£ Heterodynní princip (
hetero znamená rozdílný )
lokální oscilátor o frekvenci
fLO ,
vyuºívaný ve VNA pot°ebuje ke své £innosti
fRF . V praxi to znafIF = |fRF − fLO | (viz obr. 4.29)
která je rozdílná od frekvence p°ijímané
mená, ºe dochází ke konverzi signálu do mezifrekven£ního pásma
[Hie01]. Informace o amplitud¥ a fázi z·stávají po konverzi signálu zachovány. Na výstupu sm¥²ova£e je pak implementován mezifrekven£ní ltr, který slouºí pro potla£ení ²irokopásmového ru²ení. Tento ltr také slouºí jako antialising ltr pro následný A/D p°evod. A/D p°evodníky pouºívané ve VNA mají rozli²ení kolem 14 bit·. Pomocí váhovacích technik, lze je²t¥ dodate£n¥ bitové rozli²ení navý²it. Analogový sm¥²ova£ v celém °et¥zci nejvíce limituje velikost dynamického rozsahu celého za°ízení. Pokud dojde k jeho p°ebuzení, dochází k produkci nelineárního zkreslení. Naopak lineární rozsah sm¥²ova£e je na svém spodním okraji limitován
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
57
Obr. 4.29
: Blokové schéma p°ijíma£e.
p°ijímaným ²umem. Pomocí p°ipojitelného zesilova£e, tak m·ºe být optimalizován vstupní výkon m¥°eného signálu p°ivád¥ného na vstup sm¥²ova£e. Poºadované zesílení je zji²t¥no pomocí rychlého p°edm¥°ení velikosti signálu. Tento postup je £asto ozna£ován jako automatická korekce
Automatic Gain Control )
zisku (
AGC
.
Zm¥nou frekvence lokálního oscilátoru je moºné p°evést libovolný VF signál na xní (konstantní) mezifrekven£ní kmito£et
fIF .
Tento krok zjednodu²uje dal²í zpracování prom¥°ovaného
signálu. Toto zpracování je pak v moderních VNA °e²eno £ist¥ digitáln¥ (viz obr. 4.29). V rámci digitálního zpracování (
DSP NCO
Digital Signal Processing )
mezifrekven£ního signálu je implemen-
tován mezifrekven£ní ltr, který zlep²uje selektivitu daného VNA. Znázorn¥ný £íslicov¥ °ízený oscilátor (
Numerically Controlled Oscillator )
generuje sinusový signál, který je pouºíván
ke sm¥²ování mezifrekven£ního signálu na kmito£et pro
I/Q
f = 0.
Následn¥ jsou pouºity dva násobi£e
demodulaci.
V p°ípad¥, ºe je t°eba realizovat VNA pro vy²²í kmito£ty, je obecn¥ velmi drahé realizovat lokální oscilátory na takto vysoké kmito£ty. Z tohoto d·vodu se vyuºívají sm¥²ova£e, které pracují
harmonic mixing
s vy²²ími harmonickými základního kmito£tu ( frekvence
fLO = |fRF ± fIF |,
ale frekvence
). Nepouºívá se tedy lokální
fLO = 1/3 |fRF ± fIF |.
Samoz°ejm¥ tím dojde ke
zvý²ení konverzních ztrát ve sm¥²ova£i. Tato nevýhoda se pak projevuje ve sníºeném dynamickém rozsahu analyzátoru.
4.9 M¥°ení na vektorových obvodových analyzátorech Samotná m¥°icí procedura je u moderních vektorových obvodových analyzátor· °ízena pomocí p°edinstalovaného rmwaru. Pro kompletní m¥°ení v²ech S-parametr· N-branového za°ízení, je t°eba stanovit
N2
rozptylových parametr·. Vektorový obvodový analyzátor v²ak primárn¥ m¥°í
pouze velikost odraºené
b a p°ímé a vlny v£etn¥ jejich fázového posuvu (wave quantities). M¥°ení N jednotlivých m¥°ení p°i vybu-
N-branového za°ízení vyºaduje rozd¥lit samotné m¥°ení na
zení kaºdé brány zvlá²´. P°i takovémto m¥°ení je pouze jedna brána aktivní (je na ni p°iveden generovaný testovací signál) a ostatní brány jsou pasivní. Pasivní brány pouze p°ijímají propu²t¥né signály a testované za°ízení zat¥ºují charakteristickou impedancí m¥°icího systému (obvykle
Z0 = 50 Ω).
P°i kaºdém m¥°ení se pak:
p°ímá vlna ²í°í od aktivní brány sm¥rem k DUT;
odraºená vlna se ²í°í od DUT k aktivní brán¥;
pr·chozí vlny se pak ²í°í ke zbylým pasivním branám (N
−1
bran).
58
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 4.30
: Jedno díl£í m¥°ení s jedním aktivním portem £. 1.
Na obr. 4.30 [Hie01] je celé jedno £áste£né m¥°ení nazna£eno pro aktivní port £. 1. Toto £áste£né m¥°ení lze popsat následujíc rovnicí
b1 b2 = b3 b4
S
a1 b1 0 ⇔ b2 0 b3 b4 0
= = = =
s11 a1 s21 a1 . s31 a1 s41 a1
(4.26)
4.10 Zjednodu²ené realizace vektorových obvodových analyzátor· N-branový vektorový obvodový analyzátor, jehoº blokové schéma je zobrazeno na obr. 4.7, vyºaduje implementaci jednotlivých díl· nezávisle pro kaºdou m¥°icí bránu. Tato implementace zvy²uje cenu celého VNA. Pro více branové analyzátory (N
≥ 3),
lze proto uvaºovat o dvou
moºnostech implementace jednodu²²ího blokového schématu VNA.
4.10.1 Vektorový obvodový analyzátor s N+1 p°ijíma£i Tento typ VNA pot°ebuje ke své £innosti jeden referen£ní p°ijíma£ a tak ke zmen²ení po£tu pot°ebných p°ijíma£· z
2·N
na
N + 1.
N
m¥°icích p°ijíma£·. Dojde
Blokové schéma takovéhoto VNA
je zobrazeno na obr. 4.31 [Hie01]. V tomto p°ípad¥ v²ak není moºné monitorovat velikost p°eslechu na p°epína£i a ani není moºné znát p°esnou velikost p°ímé vlny
ai
na pasivním portu. V tomto p°ípad¥ je pot°eba pouºít
velmi p°esných kalibra£ních technik, aby bylo moºné tuto nevýhodu kompenzovat. Samotný p°epína£ je díky kalibraci zahrnut do chybového modelu celého VNA a jeho vliv je tím pádem potla£en. Samoz°ejmým p°edpokladem je, ºe p°epína£ musí p°epínat s opakovatelnými výsledky a dostate£nou p°esností.
4.10.2 Vektorový obvodový analyzátor s p°epína£em m¥°icích bran Blokové schéma tohoto typu analyzátoru je zobrazeno na obr. 4.32 [Hie01]. Základním p°edpokladem celého zapojení je, ºe m·ºeme jakýkoliv N-branový VNA p°evést na pouze dvou branový VNA. Tímto krokem se zna£n¥ zjednodu²it celou konstrukci VNA. Tento typ VNA je v²ak sloºit¥j²í na synchronizaci a je t°eba jeho funkci ovládat pomocí °ídícího po£íta£e. P°edstavené zapojení má v²ak n¥kolik následujících nevýhod:
P°i m¥°ení, kdy je aktivní jeden port není moºné m¥°it odezvu na v²ech branách zárove¬. Tuto nevýhodu nemá zapojení p°edstavené na obr. 4.31. M¥°ení na jednotlivých branách musí být provedeno postupn¥, kdy mezi jednotlivými m¥°eními dochází k p°epnutí m¥°ené brány. Z této úvahy je z°ejmé, ºe tento typ VNA se v kaºdém m¥°icím okamºiku chová pouze jako dvou branové VNA. Je tedy nutné provést n¥kolik m¥°ení. Pokud vylou£íme
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
Obr. 4.31
: Blokové schéma VNA s
N +1
59
p°ijíma£i.
duplicitní m¥°ení m·ºeme stanovit pot°ebný po£et m¥°icích cykl· na
1/2(N − 1)N
pro
N-branové DUT. Je logické, ºe pro tento typ m¥°ení je t°eba více £asu n¥º v p°ípad¥ jiných realizací VNA. Vstupní p°epína£ jednotlivých m¥°icích port· také sniºuje dynamický rozsah celého VNA, v tomto p°ípad¥ je obvykle pouºívána men²í ²í°ka mezifrekven£ního ltru pro op¥tovné zvý²ení dynamického rozsahu. Tento krok také zvy²uje £as pot°ebný pro jedno m¥°ení.
B¥hem m¥°ení s tímto typem VNA je pot°eba provést opravdu velký po£et p°epnutí.
Obr. 4.32
: Blokové schéma VNA s N-branovou p°epínací maticí.
60
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Vstupní p°epína£ není v tomto p°ípad¥ moºné realizovat pomocí mechanických relé, díky jejich mechanickým vlastnostem a dlouhému £asu pot°ebného pro p°epnutí. Pouºívají se tedy elektronické p°epína£e, tyto p°epína£e v²ak mají odraz na vstupní brán¥ kolem 10 aº 15 dB. Brány takovéhoto typu VNA nejsou tak dob°e p°izp·sobeny jako brány analyzátoru s plnou implementací v²ech pot°ebných blok· (obr. 4.7). Také ztráty vyvolené p°epínáním nejsou zanedbatelné a p°edstavují 2 aº 6 dB na kmito£tu 8 GHz. Vzhledem k tomu ºe je t°eba implementovat n¥kolik takových to p°epína£· za sebou, aby bylo moºné realizovat celou p°epínací matici a dosáhnout pot°ebné isolace bran uvnit° p°epína£e, m·ºe se celkový vloºný útlum takovéto p°epína£e pohybovat mezi 6 aº 16 dB na kmito£tu 8 GHz. Vliv takového p°epína£e lze p°irovnat k vlivu atenuátoru, který je zapojený mezi DUT a testovací port VNA (viz kap. 4.4). Samoz°ejm¥, ºe tím pádem dochází k podstatnému sníºení sm¥rovosti
D
vstupní sm¥rové odbo£nice.
V p°epínací matici m·ºe také docházet ke zna£ným p°eslech·m mezi jednotlivými kanály. Izolace takto realizovaného VNA je mnohem hor²í neº VNA realizovaného dle blokového schématu, které bylo uvedeno na obr. 4.7.
4.11 Kalibrace vektorového obvodového analyzátoru P°i kalibraci je nutné kompenzovat n¥kolik typ· chyb a vliv·, které se vyskytují v m¥°icím °et¥zci vektorového obvodového analyzátoru. Obecn¥ lze jednotlivé vlivy rozd¥lit na
nelineární 4.11.1 Nelineární vlivy a
.
lineární
Pokud provozujeme VNA poblíº horního okraje dynamického rozsahu, dochází zde ke kompresi p°evodní charakteristiky (odklon p°evodní charakteristiky od ideálního lineárního pr·b¥hu). Ke kompresi dochází zejména díky pouºití VF sm¥²ova£e v m¥°icích p°ijíma£ích. Pokud jsou m¥°eny podobné výkony jak referen£ním tak i m¥°icím p°ijíma£em, je moºné tento efekt kompenzovat p°i výsledném výpo£tu rozptylových parametr·. V praxi jsou v²ak kaºdým p°ijíma£em m¥°eny rozdílné výkony. Referen£ní p°ijíma£ a jeho sm¥²ova£ mohou být optimalizovány na pouºívaný rozsah vstupních výkon·, jejichº rozsah je p°edem znám. Naopak m¥°icí p°ijíma£ je realizován pro typické charakteristiky typických VF za°ízení. Obecn¥ v²ak je moºné, ºe tento rozsah je neznámý. V p°ípad¥ m¥°ení aktivních za°ízení, m·ºe jejich výstupní výkon snadno p°esáhnout lineární rozsah p°ijíma£e a m·ºe dojít ke kompresi p°evodní charakteristiky. Typické hodnoty neur£itosti vzniklé kompresí jsou zobrazeny na obr. 4.33 [Hie01]. Na druhém konci dynamického rozsahu dochází k poklesu p°esnosti vlivem hor²ího pom¥ru signál/²um. Nelze tak p°ijíma£em detekovat libovoln¥ nízký výkon jak je zobrazeno na obr. 4.33. Pro ideální m¥°ení je vhodné pro m¥°ení pouºít takový výstupní výkon VNA, kde je²t¥ nedochází ke kompresi p°evodní charakteristiky a zárove¬ je pro daný výkon dosaºeno uspokojivé hodnoty SNR. Z tohoto pohledu je nap°. výstupní výkon VNA -10 dBm dobrým kompromisem. Pokud chceme m¥°it DUT s vysokým ziskem a velkými výstupními výkony je nutné výstupní výkon VNA adekvátn¥ redukovat.
4.11.2 Lineární vlivy Pokud se budeme zabývat analýzou VNA z hlediska lineárních vliv·, m·ºeme celou záleºitost p°evést na p°ípad ideálního VNA a k n¥mu p°ipojené sít¥ lineárních vliv· £i chyb. Situace je zachycena na obr. 4.34 [Hie01]. V¥t²ina chybových koe cient· chybové sít¥
eik
m·ºe být získána
p°ímo z dat samotného systému. Pomocí matematické kompenzace pak mohou být eliminovány zbylé koe cienty, které obsahují obvykle systematické chyby. Tento typ chyb je pak nutné kompenzovat pomocí kalibra£ních dat. Z t¥chto dat jsou vypo£teny zbývající koe cienty
eik .
Pro
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
61
Obr. 4.33
: Zobrazení neur£itosti m¥°ení v závislosti na p°ijímaném výkonu.
Obr. 4.34
: Odd¥lení chybové sít¥ od ideálního VNA.
kalibraci se obvykle pouºívá n¥kolik kalibra£ních standard·, aby mohla být kalibrace provedena pro celý dynamický rozsah VNA.
4.12 Kalibra£ní standardy P°i kalibraci je nutné si uv¥domit, ºe mezi testovaným za°ízením a VNA je de nována referen£ní rovina, kde jsou data fyzicky m¥°ena a jsou pro toto místo platná. Referen£ní rovina pro jednotlivé konektory je zobrazena na obr. 4.35 a 4.36 [Hie01]. Kalibra£ní proces tedy vyºaduje vyuºití speciálních jednobranových a dvoubranových za°ízení. Jedná se ve své podstat¥ o ideální zkrat
Γ = −1,
ideální otev°ený konec vedení
Γ=1
atd. Tyto standardy spolu s kalibra£ními daty od
jednotlivých referen£ních zát¥ºí jsou sou£ástí tzv. kalibra£ního kitu.
Obr. 4.35
:
Zobrazení
refe-
ren£ní roviny v N-konektoru.
Obr. 4.36
:
Zobrazení
refe-
ren£ní roviny v konektorech 3,5; 2,4 a 1,85 mm.
62
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 4.37
: Ukázka mechanického kalibra£ního kitu.
Ukázka manuální kalibra£ní sady je uvedena na obr. 4.37 [Hie01]. P°i provád¥ní kalibrace je nutné jednotlivé známé impedance postupn¥ p°ipojovat k jednotlivým port·v VNA. Samotné utaºení konektor· je realizováno vºdy konstantním momentem. Z t¥chto d·vod· je sou£ástí kaºdého kalibra£ního kitu momentový klí£ s p°edepsaným momentem utaºení. Detailní zobrazení jednotlivých kalibra£ních standard· je zobrazeno na obr. 4.38 [Hie01]. Pro opakované kalibrace je vhodné pouºívat automatické kalibra£ní standardy. P°íklad vzhled automatického kalibra£ního standardu je zobrazen na obr. 4.39 [Hie01].
4.13 Kalibrace VNA Na obr. 4.40 [Hie01] je zobrazena chybová sí´ pro jeden port VNA. Systematické chyby mohou být v tomto p°ípad¥ reprezentovány pomocí dvojbranové chybové sít¥. Nej£ast¥ji pouºívaná kalibrace je ozna£ovaná zkratkou
OSM
Open Shot Match ). V £eské literatu°e se dost £asto pouºívá
(
ozna£ení t°íbodová kalibrace. Pro zjednodu²ení na²ich výpo£t· m·ºeme uvaºovat ideální p°izp·sobení (Match)
Γ = 0. Zkrat ΓO a ΓS .
jejich £initel· odrazu
(Short) a otev°ený konec (Open) jsou charakterizovány pomocí Chybová sí´ m·ºe být reprezentována pomocí jejich rozptylových
parametr·
aDUT bDUT e11 e10 = SG , kde SG = . b3 a1 e01 e00
M¥°ená hodnota
M
(4.27)
získaná z nam¥°ených parametr· p°ímé
a1
a odraºené vlny
b3
je dána
m¥°ením na ideálním vektorovém obvodovém analyzátoru s p°ipojenou chybovou sítí. Pokud
e01 poloºíme rovnu 1, zp·sobíme tím koe cientu e10 . M¥°ený parametr M lze speci -
zavedeme p°edpoklad, ºe hodnotu chybového koe cientu malou chybu, které v²ak m·ºeme zahrnout do kovat následujícím zp·sobem
M=
b3 e10 ΓDUT = e00 + . a1 1 − e11 ΓDUT
(4.28)
Jestliºe pak provedeme m¥°ení pro otev°ený konec (open
ΓS )
a p°izp·sobená zát¥º (match
ΓDUT = ΓM = 0)
ΓDUT = ΓO ),
ΓDUT = M = MO ,
zkrat (short
obdrºíme následující hodnoty
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
63
Obr. 4.38
: Ukázka kalibra£ních standard· pro SMA a N-konektor.
Obr. 4.39
: Ukázka automatického kalibra£ního standardu pro N-konektor.
M = MS a M = MM . Pokud dosadíme ΓM získáme následující vztahy
do rovnice (4.28) charakteristické hodnoty pro
ΓO , ΓS
a
MO = e00 +
e10 ΓO , 1 − e11 ΓO
(4.29)
MS = e00 +
e10 ΓS , 1 − e11 ΓS
(4.30)
MM = e00 .
(4.31)
Z p°edchozích rovnic (4.29), (4.30) a (4.31) m·ºeme nyní vyjád°it jednotlivé korek£ní koe cienty pomocí nam¥°ených kalibra£ních dat
e00 = MM ,
(4.32)
64
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 4.40
: Zobrazení chybové sít¥ pro jednu bránu.
Tab. 4.3
: Vysv¥tlení významu jednotlivých korek£ních parametr·.
základní data systému
korek£ní parametr
e10 e00 e11
re ection tracking sm¥rovost p°izp·sobení m¥°icí brány
e10 =
(ΓO − ΓS ) (MO − MM ) (MS − MM ) , ΓO ΓS (MO − MS )
(4.33)
e11 =
ΓS (MO − MM ) − ΓO (MS − MM ) . ΓO ΓS (MO − MS )
(4.34)
Níºe uvedená tabulka tab. 4.3 p°ehledn¥ uvádí význam jednotlivých korek£ních parametr·. Po získání parametr·
e00 , e10
a
e11
m·ºeme z rovnice (4.28) vyjád°it hledaný parametr
ΓDUT .
Hledaný £initel odrazu lze pak získat dle následujícího vztahu
ΓDUT =
MDUT − e00 . e10 + e11 (MDUT − e00 )
(4.35)
Pro úplnou kalibraci více portových vektorových analyzátor· je t°eba je²t¥ eliminovat útlum na p°ípojné VF kabeláºi, kterými jsou jednotlivé porty p°ipojeny. Tento útlum by ovliv¬oval
T Through TOSM
m¥°ení p°enosu mezi branami. Tento kalibra£ní krok je pak ozna£ován písmenem pr·chod). Celková kalibrace VNA v£etn¥
OSM
je poté £asto ozna£ována jako
(
=
.
4.14 Skalární obvodové analyzátory Jedná se o levn¥j²í náhradu vektorového obvodového analyzátoru. Tento typ analyzátoru obvykle neobsahuje m¥°icí ani referen£ní p°ijíma£. P°ijímané signály jsou detekovány detek£ními diodami p°ímo na výstupu m¥°eného za°ízení pomocí jednotlivých detektor· a signál je pak ke skalár-
Scalar Network Analyser
nímu analyzátoru (
SNA
) veden jako stejnosm¥rný £i nízkofrekven£ní.
P°íklad vzhledu jednotlivých detektor· je uveden na obr. 4.41 a obr. 4.42. Z nízkofrekven£ní odezvy m¥°ení na t¥chto diodových detektorech jsou následn¥ vypo£tena p°íslu²ná m¥°ená data. Tyto p°ístroje jsou konstruk£n¥ mnohem jednodu²²í, kdyº nemusí obsahovat vysokofrekven£ní vstupní £ást s m¥°icími p°ijíma£i. Díky tomu jsou také mnohem levn¥j²í neº vektorové obvodové analyzátory, mají v²ak také men²í dynamický rozsah m¥°ení. Tento typ analyzátor· se v¥t²inou kalibruje na zkrat
S
(short) a otev°ený konec vedení
O
(open). Protoºe v tomto typu analy-
zátoru nejsou implementovány jednotlivé p°ijíma£e, nelze t¥mito analyzátory m¥°it vzájemný fázový posuv mezi jednotlivými m¥°enými signály. Z toho také plyne jisté omezení p°i pouºití
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
65
Obr. 4.41
: Detektor pr·chozího signálu skalárního obvodové analyzátoru.
Obr. 4.42
: Detektor odraºeného signálu skalárního obvodové analyzátoru.
t¥chto analyzátor·. Naopak jsou vhodné pro kontrolu nap°. výstupní kvality výroby, kdy jiº jsou p°esn¥ dány jednotlivé o£ekávané parametry výrobku (produkt je jiº vyvinut) a není zde t°eba p°esného m¥°ení v£etn¥ fáze.
66
5
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Chyby a neur£itosti m¥°ení
M¥°ení je souhrn £inností s cílem ur£it hodnotu m¥°ené veli£iny (vyjád°it hodnotu veli£iny v jednotkách této veli£iny). M¥°ení má základní význam nejen v experimentálních p°írodních v¥dách, ale ve v¥t²in¥ obor· lidského poznání.
Elektrické m¥°ení
je m¥°ení elektrických veli£in a nebo
m¥°ení neelektrických veli£in s vyuºitím elektrických m¥°icích prost°edk·. Pro m¥°ení se vyuºívají m¥°icí prost°edky: m¥°icí p°ístroje a m¥°icí p°evodníky. Míra je m¥°idlo, které b¥hem pouºívání reprodukuje hodnotu nebo hodnoty m¥°ené veli£iny (nap°. rezistor známé hodnoty). M¥°icí p°ístroje se dají rozd¥lí na analogové a £íslicové (digitální). Údaj analogového m¥°icího p°ístroje je charakterizován spojitou funkcí m¥°ené veli£iny (nap°. poloha ru£ky nad analogovou stupnicí). íslicový m¥°icí p°ístroj poskytuje m¥°enou hodnotu v £íslicovém tvaru.
M¥°icí p°evodník
transformuje vstupní veli£inu (elektrickou nebo neelektrickou) podle
ur£ité zákonitosti na výstupní veli£inu (obvykle elektrickou). Série m¥°icích £len·, kterými prochází m¥°ený signál, se nazývá m¥°icí °et¥zec. První £len m¥°icího °et¥zce, na který bezprost°edn¥ p·sobí m¥°ená veli£ina se nazývá sníma£ nebo senzor (£idlo).
P°esnost m¥°ení
accuracy
(
) je míra t¥snosti, se kterou výsledek m¥°ení vyjad°uje správnou
(pravou) hodnotu m¥°ené veli£iny.
Pravou
hodnotu m¥°ené veli£iny
nikdy neznáme
, místo ní
pracujeme s tzv. konven£n¥ pravou hodnotou, která je získána m¥°ením pomocí p°esn¥j²ího m¥°icího p°ístroje (resp. p°esn¥j²í metody) nebo pomocí metody povaºované dohodou za referen£ní.
Preciznost m¥°ení
precision
(
) odkazuje na preciznost (ekzaktnost, zaost°ení) provedení úsp¥²-
ných m¥°ení. N¥kdy se téº ozna£uje jako stupe¬ kultivovanosti provedených m¥°ení. Oba pojmy
p°esnost
a
preciznost
jsou nejlépe vyjád°eny pomocí p°íklad· st°elby na ter£, jejichº výsledky
jsou zobrazeny na obr. 5.1 [Cap01]. Na obr. 5.1a) je zobrazen výsledek st°elby na ter£, kdy byla vykázána jak dobrá p°esnost tak i dobrá preciznost jednotlivých st°el st°elce. Obr. 5.1b) referuje o situaci, kdy st°elec vykazoval dobrou preciznost (trefoval se do stejného místa), ale ²patnou p°esnost z d·vodu ²patn¥ se°ízeného hledí zbran¥. Obr. 5.1c) zobrazuje výsledek st°elby, kdy je ²patná preciznost jednotlivých st°el, ale p°esnost je dobrá. V posledním p°ípad¥ (obr. 5.1d)) je ²patná preciznost tak i ²patná p°esnost jednotlivých st°el. U kaºdého ter£e je zobrazeno statické i rozloºení jednotlivých st°eleckých pokus·. Doporu£ené postupy pro sníºení chyby m¥°ení: 1) Provedení vy²²ího po£tu m¥°ení v dal²ím £asovém úseku a ze získaných dat pak provést pr·m¥r; 2) Provedení n¥kolika m¥°ení s pomocí n¥kolika obdobných m¥°icích p°ístroj·, pokud je to moºné; 3) P°i provád¥ní m¥°ení nap°. pomocí svinovacího metru a nebo analogového m¥°i£e je vhodné provést r·zná m¥°ení s vyuºitím r·zných £ástí m¥°icí stupnice (rozsahu).
Citlivost m¥°icího p°ístroje
nebo za°ízení je pom¥r zm¥ny výstupní veli£iny (údaje p°ístroje)
ke zm¥n¥ vstupní (m¥°ené) veli£iny. P°íli² malá citlivost m·ºe zhor²it p°esnost m¥°ení. Konstantní citlivost (nezávislou na m¥°ené veli£in¥) mají lineární p°evodníky.
Rozli²ení
(rozli²ovací
schopnost) je nejmen²í zm¥na m¥°ené veli£iny, která vyvolá detekovatelnou zm¥nu údaje p°ístroje (nap°. dílek nebo polovinu dílku stupnice u analogového p°ístroje nebo zm¥nu posledního místa £íslicového zobrazova£e o jedni£ku u £íslicových p°ístroj·).
M¥°icí rozsah
p°ístroje nebo
p°evodníku vyjad°uje meze hodnot, ve kterých se m·ºe m¥nit m¥°ená veli£ina, aby byla m¥°ena se zaru£ovanou p°esností.
Ovliv¬ující veli£ina
je veli£ina, která není p°edm¥tem m¥°ení, ale
která ovliv¬uje údaj m¥°idla.
5.1 M¥°icí metody M¥°icí metoda je souhrn teoretických poznatk· a praktických operací pouºitých p°i m¥°ení. Podle zp·sobu ur£ení m¥°ené veli£iny se m¥°icí metody d¥lí na
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
a)
p°ímé m¥°icí
67
metody, u kterých se výsledek m¥°ení získá ode£tením údaje jediného p°í-
stroje; nap°. zm¥°ením proudu pomocí ampérmetru; b)
nep°ímé m¥°icí
metody, u kterých se výsledek m¥°ení získává výpo£tem hodnoty funkce
n¥kolika prom¥nných. Hodnoty t¥chto prom¥nných se získají pomocí p°ímých m¥°icích metod. P°íkladem je ur£ení odporu z údaj· voltmetru a ampérmetru pomocí Ohmova zákona. Podle zp·sobu provedení samotného m¥°ení m·ºeme rozli²it následující p°ístupy a)
základní m¥°icí metody,
kdy se m¥°ená veli£ina stanoví m¥°ením základních veli£in (nap°.
£asu, hmotnosti, délky); b)
srovnávací metody,
kde se m¥°ená veli£ina stanoví srovnáním s veli£inou téhoº druhu
a známé hodnoty; srovnávací metody lze dále rozd¥lit na
Obr. 5.1
: Preciznost vs. p°esnost m¥°ení.
68
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
b1) diferen£ní metody, kde se m¥°ená veli£ina porovnává se stejnou veli£inou nepatrn¥ odli²né hodnoty; m¥°ením se zji²´uje pouze malá odchylka od obou veli£in; b2) substitu£ní metody, kde se m¥°ená veli£ina nahradí stejnou veli£inou známé hodnoty nalezené tak, aby bylo dosaºeno stejných údaj· indika£ního p°ístroje; b3) nulové metody, kde se m¥°ená hodnota najde z rovnováhy za°ízení dosaºené zm¥nou jedné nebo n¥kolika veli£in vázaných s m¥°enou veli£inou známými matematickými vztahy. Dosaºení rovnováhy je indikováno nulovou výchylkou indika£ního p°ístroje (nap°. kompenzátor nap¥tí, vyváºené odporové m·stky apod.).
5.2 Klasi kace chyb m¥°ení ádným m¥°ením nezískáme správnou hodnotu m¥°ené veli£iny, protoºe kaºdé m¥°ení je zatíºeno chybou. Výsledná chyba pak charakterizuje p°esnost m¥°ení. Ú£elem studia chyb je nalezení celkové chyby, jednotlivých díl£ích sloºek a jejich p°í£in. Analýza chyb je základní podmínkou zvy²ování p°esnosti m¥°ení. Výsledek m¥°ení není úplný, pokud neobsahuje moºný rozsah jednotlivých chyb, není uvedena tzv. neur£itost m¥°ení.
Chyba m¥°ení
error of measurement
(
)
je odchylka od správné hodnoty m¥°ené veli£iny. Chyba, kterou je charakterizována p°esnost m¥°ení, je obvykle vyjád°ena její velikostí a znaménkem. Chybu zle vyjád°it jako absolutní nebo relativní.
Absolutní chyba (∆) m¥°ené veli£iny X
je
∆(X) = XM − XS0 , kde
XM
(5.1)
je nam¥°ená hodnota a
XS0
je pravá (konven£n¥ pravá) hodnota. Absolutní chyba se
vyjad°uje v jednotkách m¥°ené veli£iny (nap°. V, A, W,
Ω
apod.).
Relativní chyba (δ ) je obvykle
vztaºena k n¥jaké hodnot¥. Obvykle je vyjad°ována jako bezrozm¥rné £íslo £i v procentech [%] nebo v p.p.m. (z angl. parts per million), tj. v miliontinách, jako
δ(X) =
∆(X) ∆(X) ∆(X) [−] , δ(X) = · 100 [%] , δ(X) = · 106 [ppm] . XS XS XS
(5.2)
Dále lze chyby m¥°ení rozd¥lit dle jejich projevu p°i opakovaných m¥°eních. Z tohoto pohledu se nej£ast¥ji chyby d¥lí na systematické a náhodné chyby.
5.2.1 Systematické chyby Systematická chyba je sloºka chyb m¥°ení, která p°i opakovaných m¥°eních téºe veli£iny z·stává stálá nebo se p°edvídatelným zp·sobem m¥ní. Její p°í£iny mohou být známé nebo neznámé. V p°ípad¥, ºe lze tuto chybu zjistit pomocí jiného (p°esn¥j²ího) m¥°ení nebo ºe je p°í£ina jejího vzniku známá, lze tuto sloºku chyby odstranit korekcí. Je-li moºné zjistit konven£n¥ pravou hodnotu m¥°ené veli£iny
XS jiným p°esn¥j²ím m¥°ením, m·ºeme absolutní a relativní systémovou X zjistit podle následujících vztah·
chybu sérií opakovaných m¥°ení veli£iny
¯ − XS [−] , δSYST(X) = ∆SYST(X) = X Symbol
¯ X
je tzv. výb¥rový pr·m¥r z
N
∆SYST(X) · 100 [%] . XS
opakovaných m¥°ení
xi
(5.3)
a lze jej vyjád°it pomocí tohoto
vztahu
N
X ¯= 1 X Xi . N i=1
Mezi systematické chyby lze za°adit:
(5.4)
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
69
chyby metody (∆M , δM ) jsou zp·sobené zám¥rným zjednodu²ením vztahu pro výpo£et m¥°ené veli£iny (nap°. zanedbání vlivu odporu voltmetru na m¥°ené nap¥tí zdroje s nenulovým vnit°ním odporem). Tuto chybu lze korigovat respektováním její hodnoty v£etn¥ znaménka. Korigovanou hodnotu vypo£teme podle upraveného vztahu (5.1) jako
chyba nuly
XS = XM − ∆S ;
(ofsetu) je hodnota výstupní veli£iny p°evodníku nebo údaj p°ístroje, který je
v £innosti (£ili p°ipojen k napájecím zdroj·m), p°i nulové hodnot¥ m¥°ené veli£iny. Jde o adaptivní chybu, která se v£etn¥ znaménka p°i£ítá ke v²em m¥°ením;
chyba zesílení
je chyba zp·sobená nap°. nesprávnou hodnotou odporu ve vstupním d¥li£i
nebo v p°ed°adném rezistoru voltmetru. Absolutní chyba tohoto typu je úm¥rná m¥°ené veli£in¥.
5.2.2 Náhodné chyby Náhodná chyba je taková chyba, která se p°i opakovaných m¥°eních téºe veli£iny (za stejných podmínek) nep°edvídateln¥ m¥ní. Náhodnou chybu není moºné odstranit korekcí. Jediným zp·sobem zpracování t¥chto chyb je zvý²it po£et m¥°ení (alespo¬ na 20) a výsledek zpracovat statistickými metodami. Tak lze získat st°ední hodnotu opakovaných m¥°ení a jejich rozptyl (disperzi, varianci). Rozptyl se v¥t²inou charakterizuje tzv. sm¥rodatnou odchylkou. Mezi náhodné chyby lze za°adit:
²umy;
neznámé zm¥ny podmínek m¥°ení (teplota, vlhkost, ru²ivá elektromagnetická pole);
zaokrouhlování výsledku m¥°ení, kdy v p°ípad¥ analogového m¥°icího p°ístroje zaokrouhlování provádí pozorovatel (na nejbliº²í dílek nebo jeho £ást), £íslicové m¥°icí p°ístroje zaokrouhlují výsledek samo£inn¥ (u t¥chto m¥°icích p°ístroj· je tento druh chyby nazýván kvantiza£ním ²umem).
S výjimkou zaokrouhlovacích chyb, které jsou rovnom¥rn¥ rozloºeny, se u náhodných chyb p°edpokládá tzv. normální (Gaussovo) rozloºení. Toto rozloºení mají veli£iny zp·sobené mnoha nezávislými náhodnými veli£inami nezávisle na jejich rozloºení pravd¥podobnosti. Hustota pravd¥podobnosti normáln¥ rozloºené veli£iny
X
je popsána vztahem
(x−m)2 1 f (x) = √ e− 2σ2 , −∞ < x < ∞, σ 2π
kde
m
(5.5)
X a σ je sm¥rodatná odchylka nebo st°ední kvaX je σ 2 . Normální rozloºení pravd¥podobnosti je [Haa02]. Poloha k°ivky je ur£ena hodnotou m a její
je st°ední (pr·m¥rná) hodnota veli£iny
dratická chyba veli£iny
X.
Disperze veli£iny
dáno známou Gaussovou k°ivkou (obr. 5.2) tvar hodnotou
σ.
5.3 Neur£itost výsledku m¥°ení V praxi se v¥t²inou neur£uje chyba jednotlivého m¥°ení, ale zajímají nás meze intervalu, mezi kterými leºí skute£ná hodnota m¥°ené veli£iny. í°ka tohoto intervalu je rovna dvojnásobku absolutní hodnoty nejv¥t²í moºné absolutní chyby m¥°ení po korekci systematické chyby. Ve st°edu tohoto intervalu leºí výb¥rový pr·m¥r m¥°ené veli£iny po korekci systematické chyby. Neur£itost m¥°ení (£ili absolutní hodnota nejv¥t²í moºné chyby m¥°ení nebo tolerance m¥°ení, angl.
uncertainty of measurement
) je ur£ena chybami p°ístroj· (vyjad°ovanými u elektromecha-
nických ukazovacích p°ístroj· pomocí tzv. t°ídy p°esnosti), tolerancemi rezistor·, kondenzátor· a cívek uºívaných v m¥°eních (v¥t²inou tzv. etalon· a dekád), náhodnými chybami (krajní chybou) a vn¥j²ími ru²ivými vlivy. Tolerance jsou dány pouze jako absolutní hodnoty
|∆maxX |
70
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Obr. 5.2
: Normální Gaussovo rozloºení pravd¥podobnosti pro
nebo
|δmaxX |.
Jejich znaménko neznáme. Aby byly hodnoty
m = 0, σ = 1 a pro m = 0, σ = 4.
|∆maxX |
nebo
|δmaxX |
nalezené z
tolerancí a náhodných chyb skute£n¥ nejv¥t²ími moºnými chybami m¥°ení, je nutno korigovat systematickou chybu. Pro m¥°icí systém nebo p°ístroj sloºený z velkého po£tu sou£ástí je ur£ení maximální moºné chyby z tolerancí v²ech sou£ástí nereáln¥ pesimistický odhad. Pravd¥podobnost, ºe v²echny sou£ásti budou mít chyby téhoº znaménka a nejv¥t²í hodnoty, je totiº velmi malá. Jsou-li hodnoty pouºitých sou£ástek sice nep°esné, ale £asov¥ stálé, lze ur£it výslednou systematickou chybu experimentáln¥ a korigovat ji p°i výrob¥. Takto lze vyráb¥t velmi p°esné sloºité p°ístroje (nap°. £íslicové voltmetry) z mén¥ p°esných, ale £asov¥ stabilních díl·. Sta£í, aby pouze n¥kolik klí£ových sou£ástí vyuºívaných p°i periodických kalibracích bylo vyrobeno z velmi p°esných díl· (sou£ástek) [Haa02].
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
71
Literatura [Agi01]
Agilent Technologies©,
Agilent VEE Practical Graphical Programming (2008 Edition).
First. Edition. Agilent Technologies© Malaysia, May 2008. 470 stran. W1141-10038.
USB signal example.
[Aim01] Aimonen, P.,
January 2012. cit. dne 13.3.2012 dostupné na:
. [Cap01]
Practical Radio Frequency Test & Measurement (A Technician's Handbook).
Capr, J. J.,
Newnes, Burlington 2002, 348 stran. ISBN 978-0-7506-7161-3. [Cra01]
Crawford, J. A.,
Frequency Synthesizer Design Handbook. Artech House, Norwood 1994,
435 stran. ISBN 0-89006-440-7. [Ega01]
Egan, W. F.,
Phase-Lock Basics. John Wiley & Sons, New Jersey, 2007, 441 stran. ISBN
978-0-470-11800-9. [Haa01]
Haasz, V., Rorto£il, J., Novák, J.,
íslicové m¥°icí systémy.
VUT, Praha 2000, 315
stran. ISBN 80-01-02219-6. [Haa02]
Haasz, V., Sedlá£ek, M.,
Elektrická m¥°ení, P°ístroje a metody.
VUT, Praha 2005,
337 stran. ISBN 80-01-02731-7. [Han01]
Hanus, S., Sva£ina, J.,
Vysokofrekven£ní a mikrovlnná technika. Elektronické skriptum.
Brno: FEKT VUT v Brn¥, 2002. [Har01]
Harpe, P., Hegt, H., van Roermund, A.,
Smart AD and DA Conversion. Springer, 2010.
167 stran. ISBN: 978-90-481-9041-6. [Hie01]
Hiebel,
Fundamentals of Vector Network Analysis.
M.,
Rohde&Schwarz
GmbH
& Co.KG, 2005. 419 stran. ISBN: 978-3-939837-06-0.
USB - Universal Serial Bus - Popis rozhraní.
[HWs01] HW server,
dne 9.3.2012 dostupné na: [Kai01]
HW server hw.cz, 2002, cit.
.
M¥°ení, °ízení a regulace pomocí PC (Vývoj hw a sw pro praxi. BEN, Praha
Kainka, B.,
2003. 270 stran. ISBN: 80-7300-089-X. [Lap01]
Lap£ík, J.,
Kmito£tové syntezátory. Brno: Vysoké u£ení technické v Brn¥, Fakulta elek-
trotechniky a komunika£ních technologií, 2011. 58 s, 6 p°íloh. Vedoucí diplomové práce Ing. Ji°í D°ínovský, Ph.D. [Las01]
Laskar, J., Matinpour, B., Chakraborty, S.,
Circuits, and Integration).
Modern Receiver Front-Ends (Systems,
John Wiley & Sons, New Jersey, 2004. 221 stran. ISBN:
0-471-22591-6. [Mat01]
Matou²ek, D.,
USB prakticky s obvody FTDI 1. díl.
BEN, Praha 2003. 272 stran +
CD-ROM. ISBN: 80-7300-103-9. [Olm01] Olmr,
V.,
HW
server
p°edstavuje
-
Sériová
linka
dostupné
na:
RS-232.
HW
ser-
. ver
[Pie01]
hw.cz,
Pieper, J. M.,
2005,
cit.
dne
7.3.2012
Automatic Measurement Control (A tutorial on SCPI and IEEE 488.2).
Rohde&Schwarz GmbH & Co.KG, 2007, 295 stran. ISBN: 978-3-939837-02-2.
72
[Rau01]
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
Rauscher C.,
Fundamentals of Spectrum Analysis.
Rohde&Schwarz GmbH & Co.KG,
Mnichov 2007, ISBN 978-3-939837. [Roh01]
Rohde&Schwarzr,
0012.
FM Stereo Tuner Measurements, Application Note RAC-0502-
Rohde&Schwarz GmbH & Co.KG, 9 stran, cit. dne 19.2.2012 dostupné na:
. [Ser01]
Servisní dokumentace a katalogy rem: Techniserv s. r. o. Praha; Agilent Technologies; Schaner - ENERGO PRAGA s. r. o. Praha; Siemens Matsushita Components - Siemens s. r. o. Praha; Haefely Trench; RWMO s. r. o. Brno; Rohde & Schwarz s. r. o. Praha; EMCO; Frankonia; ELFIS s. r. o.; ELSYST s. r. o. Praha; Elektronické sou£ástky Ostrava; Filtana s. r. o. Velký Beranov; TESLA s. r. o. Jihlava; TESLA Blatná; TESLA Lan²kroun; HAKEL s. r. o. Hradec Králové; DEHN + SÖHNE Praha; Elektrotechnický zku²ební ústav (EZÚ) Praha; SELTEKO CZ s. r. o. Praha; SALTEK s. r. o. Ústí nad Labem; a dal²í.
[Sch01]
Schwab, A. J.,
Elektromagnetische Verträglichkeit.
Springer Verlag, Berlin 1991. 449
stran. ISBN 3-540-54011-3.
Handbook of Measurement Science (Volume 1 Theoretical Fundamen-
[Syd01]
Sydenham, P. H.,
[Syd02]
Sydenham, P. H.,
[Syd03]
Sydenham, P. H., Thorn, R.,
[Vac01]
Vaculíková, P., Vaculík, E. aj.,
[Wik01]
Wikipedia
tals). John Wiley & Sons, 1986. 654 stran. ISBN 0-471-10037-4.
Handbook of Measurement Science (Volume 2 Practical Fundamentals). John Wiley & Sons, 1988. 759 stran. ISBN 0-471-10493-0. Handbook of Measurement Science (Volume 3 Elements of change). John Wiley & Sons, 1992. 578 stran. ISBN 0-471-92219-6. Elektromagnetická kompatibilita elektrotechnických systém·. Grada Publishing, Praha 1998. 504 stran. ISBN 80-7169-568-8. (otev°ená
encyklopedie,
RS-232.
cit.
dne
19.2.2012
dostupné
na:
. [Wit01]
Witte R. A.,
Spectrum & Network Measurements.
stran. ISBN 1-884932-16-9.
Scitech Publishing, INC. 2006. 297
Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, VUT v Brn¥
Zkratky
AC A/D AF AM ATE AV CMOS NI SN D/A DC DUT EMC EMI EMS EN EU EUT GSM
A A A A A A C s D D D E E E E E E G S
C D F M T E M
lternating
urrent; st°ídavý proud
nalog-tontenna
igital converter; analogov¥ digitální p°evodník
actor; anténní faktor (anténní £initel)
mplitude
odulation; amplitudová modulace
utomatic
est
quipment; automatické zku²ební (testovací) za°ízení
verage; st°ední (nej£ast¥ji nap°. st°ední hodnota)
omplementary
etal
O
S
xide emiconductor; technologie pouºívaná p°i
výrob¥ £ip· a mikroprocesor·
n i n A C U T m C m I m S N U U T S M M I E E F L /O F L L W M P kvazi-²pi£kový F F I L M S N R W R
eský
ormaliza£ní
e ká
orma
igital-to-
irect
nstitut v Praze
nalog converter; digitáln¥ analogový p°evodník
urrent; stejnosm¥rný proud
evice
nder
lectro
agnetic
est); za°ízení podrobované zkou²ce (zkou²ené za°ízení) ompatibility); elektromagnetická kompatibilita (slu£itel-
nost)
lectro
agnetic
lectro
agnetic
nterference; elektromagnetické ru²ení usceptibility; elektromagnetická citlivost
uropean
orm; evropská norma
uropean
nion; Evropská unie
quipment lobal
nder
est; zkou²ený (testovaný) objekt
ystem for
obile communications, p·vodní ozna£ení v²ak je
Groupe Spécial Mobile; £esky je zkratka GSM p°ekládána jako ystém pro
IEEE IF IL I/O NF PLL PWM QP RF RFI RL RMS RX SNR SWR TRX TX USB VCO
73
standard pro mobilní telefony na sv¥t¥ The
G
lobální
obilní komunikaci, v sou£asnosti se jedná o nejpopulárn¥j²í
nstitute of
lectrical and
lectronics
E
ngineers; spole£nost elektro-
technických a elektronických inºenýr· v USA
I I I N P P Q R R R R R S S Tr T U V
ntermediate nsertion
nput
requency; mezifrekvence, mezifrekven£ní
oss; vloºný útlum
utput; vstup/výstup
oise
igure; ²umové £íslo
hase-
ocked
ulse
uasi
idth
oop; fázová záv¥s
odulation; pulzní ²í°ková modulace
eak;
(nap°. detektor)
adio
requency; rádiofrekven£ní (vysokofrekven£ní) nap°. signál
adio
requency
eturn oot-
nterference; vysokofrekven£ní elektromagnetické ru²ení
oss; útlumu odrazem (re ektivita)
ean- quare; efektivní hodnota
eceiver; p°ijíma£ (obvykle rádiový)
ignal to
oise
tanding
ave
atio; odstup signálu od ²umu atio; pom¥r stojatých vln
ansceiver; transceiver (vysíla£ a p°ijíma£)
ransmitter; vysíla£ (obvykle vysokofrekven£ní)
S C
niversal oltage
erial
B
us; univerzální sériová sb¥rnice
ontroled
O
scilator; nap¥tím °ízený oscilátor
74
RADIOELEKTRONICKÁ M
ENÍ
VSWR VNA WV ZO
V V w z
S N v o
oltage ector
hole
W R A
tanding
etwork
ave
nalyser; vektorovým obvodovým analyzátorem
ehicle; celé vozidlo
kou²ený
bjekt
atio; nap¥´ový pom¥r stojatých vln
