Модуляционный метод измерения шумовых параметров четырехполюсников

3.2 Модуляционный метод измерения шумовых параметров четырехполюсников

Известно много различных вариантов модуляционного метода. Общим для них является сравнение мощности шумов на выходе линейной части испытуемого устройства при включенной и выключенной мерах температуры шума [спектральной плотности мощности шума (СПМШ)] на входе четырехполюсника. Для выделения слабых шумовых сигналов на выходе измеряемого устройства используется модуляционный метод выделения и измерения сигналов.

Рисунок 3.4 - Упрощенная структурная схема

Метод обладает достаточно высокой чувствительностью, что позволяет использовать при измерениях относительно маломощные меры шума, а также включать их в измерительные тракты через направленные ответвители. Последнее в свою очередь делает возможным:

·        производить измерения коэффициента шума при работе приемного устройства на реальную нагрузку (антенну);

·        осуществлять измерения шумовых параметров без нарушения функционирования приемного устройства;

·        исключать дополнительную погрешность измерения, обусловленную изменением выходного сопротивления генератора шума при его работе в режиме модуляции.

На рисунке 3.4 приведена упрощенная структурная схема метода измерения.

Принцип измерения иллюстрируется на рисунке 3.5, на котором показан характер изменения во времени относительных температур шума, приведенных к входу измеряемого устройства.

Рисунок 3.5 - Временная диаграмма изменения температуры шума на входе измеряемого четырехполюсника

При модуляции генератора шума (включении и выключении) относительная температура шума, приведенная к входу измеряемого четырехполюсника, изменяется

от

Тгш/Т0 + Тч/Т0 + Тизм/Т0 или tгш+Fч+

до

Т0/Т0 + Тч/Т0 + Тизм/Т0 или Fч + ,

где  = (Fизм – 1)/G;

Тгш - температура шума генератора;

Tгш - избыточная относительная температура шума генератора;

Тч - температура шума измеряемого четырехполюсника;

Fч - коэффициент шума четырехполюсника;

Fизм - коэффициент шума измерительного устройства;

Т0 - нормальная температура (293К).

Шумовой сигнал на выходе четырехполюсника промодулирован частотой модуляции генератора шума. Как видно из рисунка 3.5, глубина модуляции тем больше, чем меньше мощность шумов измеряемого четырехполюсника. Во всех вариантах модуляционного метода селективно выделяются низкочастотные составляющие частоты модуляции, пропорциональные tгш и tгш + Fч +  или Fч + . Одна из величин (tгш) фиксируется с помощью автоматического регулирования усиления (АРУ) усилителя измерительного устройства, а другая используется для определения коэффициента шума измеряемого четырехполюсника. Применение при этом узкополосных устройств (синхронных и частотных детекторов, фильтров и др.) позволяет избавиться от шумового фона и увеличить чувствительность к первой гармонике низкочастотной составляющей модулированных сигналов.

Известно большое число различных вариантов модуляционного метода, удовлетворяющих многим требованиям, предъявляемым к измерениям шумовых параметров четырехполюсников. В зависимости от требуемой точности и пределов измерения, особенностей исследуемых устройств может быть технически реализован тот или иной вариант метода.

4. Средства измерения коэффициента шума четырехполюсников

4.1 Общие сведения

Для измерения коэффициента шума и коэффициента передачи приемно-усилительных устройств СВЧ диапазона выпускается относительно большое число типов приборов. Эта измерительная аппаратура различается по техническим характеристикам (пределам измерений, диапазонам рабочих частот) и номенклатуре исследуемых устройств. Весь комплекс приборов позволяет решать многие измерительные задачи, возникающие при оценке шумовых свойств как аппаратуры в целом, так и отдельных ее узлов при их проектировании, производстве и эксплуатации. С помощью подобных приборов могут производиться измерения:

·        коэффициента шума и коэффициента передачи приемных устройств;

·        коэффициента шума и коэффициента передачи СВЧ усилителей, интегральных микросхем и транзисторов по точкам и в панораме;

·        коэффициента шума и коэффициента преобразования смесителей;

·        градуировка рабочих генераторов шума.

Измеритель коэффициента шума, как правило, представляет собой супергетеродинный приемник с высокоточным детектором. ИКШ обеспечивает управление генератором шума и вывод результатов измерения на индикатор. Вычисление коэффициента шума производится автоматически по модуляционному методу.

4.2 Измерение коэффициента шума и коэффициента передачи приемно-усилительных устройств СВЧ диапазона

Измерение выполняется в два этапа: вначале проводится калибровка измерительного тракта с подключением генератора шума к входу измерителя (рисунок 4.1), при которой измеряется собственный коэффициент шума измерителя во всем частотном диапазоне при двух различных температурах источника шума (включенное и выключенное состояние ГШ).

Рисунок 4.1 - Структурная схема калибровки измерительного тракта

При этом напряжение на входе АЦП изменяется от величины

 (4.1)

до величины

 (4.2)

где  - коэффициент передачи по мощности измерительной схемы от входа ИКШ до выхода детектора;

 - приведенная к входу температура шума ИКШ;

 - коэффициент пропорциональности.

По сигналам α1 и β1 происходит определение коэффициента шума ИКШ

 (4.3)

где  - избыточная относительная температура генератора шума.

Далее присоединяется исследуемое устройство между выходом ГШ и входом измерителя и проводится измерение его характеристик (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 - Структурная схема измерения КШ и КП четырехполюсников

На этапе измерения (рисунок 4.2) в зависимости от того выключен генератор шума или включен, напряжение на входе АЦП изменяется от величины

 (4.4)

до величины

 (4.5)

После этого происходит определение искомых параметров  и  в соответствии с формулами:

(4.6)

 (4.7)

В случае если коэффициент усиления приемного устройства (ПУ) достаточно высок, так что можно пренебречь шумами ИКШ, то измерения производят без калибровки, сразу определяя коэффициент шума ПУ, который равен

, (4.8)

где α2 и β2 - величины, определяемые по (4.4) и (4.5).

Одним из основных качеств современных ИКШ является высокая автоматизация процесса измерения на базе вычислительной техники. Основную роль в автоматизации процесса измерения, управления работой и обработки результатов в ИКШ выполняют микропроцессоры и ЭВМ. Применение в приборах микропроцессоров позволило за счет замены аппаратных средств программными принципиально изменить процесс измерения, расширить функциональные возможности ИКШ, автоматизировать ряд трудоемких операций по проведению подготовительных настроек, обработке результатов измерений, а также упростить электрические схемы. Расширение функциональных возможностей ИКШ выразилось в том, что одним прибором, удается реализовать все измерительные задачи.

Микропроцессор в приборе выполняет следующие основные функции:

·        производит автоматический выбор пределов измерений;

·        выполняет автоматическое управление процессом измерения (устанавливает необходимый для измерения уровень входных сигналов, управляет работой отдельных узлов измерительного тракта и др.);

·        автоматически перестраивает встроенный в прибор гетеродин либо в заданном оператором диапазоне частот, либо на частоту, на которой должны производиться измерения;

·        производит автоматически измерение собственных коэффициентов шума и передачи ИКШ и вносит коррекцию в результаты измерений шумовых и передаточных характеристик четырехполюсников;

·        производит математическую обработку результатов измерений (усредняя их с целью уменьшения флуктуационной погрешности).

Наряду с ИКШ часто применяются анализаторы спектра, измерение коэффициента шума в этом случае осуществляют по методу опорного генератора или по методу двух отсчетов. Вычисление шумовых параметров производится вручную, но некоторые современные анализаторы спектра могут вычислять КШ автоматически модуляционным методом. Наряду с таким достоинством, как многофункциональность, анализаторы обладают несколькими недостатками, такими как:

·             низкая чувствительность, для повышения которой необходим малошумящий усилитель;

·             погрешность измерения сильно превышает погрешность ИКШ;

·             низкая скорость и относительно высокая трудоемкость проведения измерений по сравнению с ИКШ.

В качестве простейшего прибора для измерения шумовых параметров может быть использован ваттметр, как основной прибор измерения уровня сигнала. При этом по методу двух отсчетов рассчитывать коэффициент шума нужно вручную или при наличии соответствующего интерфейса с помощью ЭВМ. Так как измеритель мощности является широкополосным устройством, то в результате расчета будут определены интегральные шумовые параметры. Для определения дифференциальных параметров на выходе измеряемого устройства надо поставить узкополосный фильтр. Такой фильтр обычно является не перестраиваемым, поэтому измерения производятся на фиксированной частоте. Наиболее часто ваттметры используются для измерения коэффициента шума приемников, имеющих фиксированную промежуточную частоту. Низкая чувствительность ваттметров налагает дополнительное требование на измеряемые приемники, которые должны обладать достаточным коэффициентом усиления. Дополнительный малошумящий усилитель, включенный на входе измерителя мощности, повысит чувствительность, но может внести погрешность из-за нестабильности своих параметров.

4.3 Генераторы шума

4.3.1 Общие сведения

В качестве градуированных по температуре шума или спектральной плотности мощности шумов источников сигналов при измерениях шумовых параметров приемно-усилительных устройств, СВЧ интегральных микросхем, транзисторов и пр. используется значительная номенклатура генераторов шума. Физическая природа возникновения флуктуации электрического тока или напряжения весьма разнообразна. Она может заключаться в тепловом движении электронов (тепловой шум), дрейфе носителей тока (дробовой эффект), флуктуациях проводимости (избыточный шум) и др. В качестве первичных источников шума в задающих генераторах используются различные устройства. Классификация шумовых приборов приведена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - Классификация шумовых приборов приведена

Похожие работы

Терминологический словарь по специальности «Электротехнические комплексы»

Скачать

25438

1

0

noun метод биений 47 bell insulator noun юбочный изолятор 48 bias current noun ток смещения 49 bimodal distribution noun бимодальное распределение 50 binomial series noun биномиальный ряд 51 biquadratic equation noun уравнение четвертой степени 52 bisecting point of a segment noun середина отрезка 53 bivariate distribution noun двумерное распределение 54 block relay ...

Допплеровский измеритель скорости кровотока

Скачать

157070

33

0

... Аорта 30-60 Большие артерии 20-40 Вены 10-20 Малые артерии, артериолы 1-10 Венулы, малые вены 0.1-1 Капилляры 0.05-0.07 Ограничения, налагаемые на частотный диапазон существующих допплеровских измерителей скорости кровотока, обусловлены, в основном, двумя причинами: сложностью получения приемлемых параметров УЗ преобразователя, выполненного на основе пьезокерамики, для работы на ...

Устройство измерения отношения двух напряжений

Скачать

83278

20

0

... устройств относительно не велика, соответственно по форме финансирования это могут быть и частные фирмы и госпредприятия. Величина закупок данного вида устройств не может быть высока, т.к. операция измерения отношения двух напряжений является весьма специфической, хотя как таковая она может быть использована в управлении различными техпроцессами на заводах. Приобретая разрабатываемое устройство, ...

Измеритель отношения сигнал/шум ТВ канала

Скачать

115712

40

9

... возможную реализацию точностных характеристик измерительного блока во времени. Функции М ( t ) и s ( t ) можно представить в виде: М ( t ) = А х t ; s ( t ), = sо + В х t, где sо - дисперсия погрешности измерения отношения сигнал/шум в момент начала эксплуатации. Выбираем: sо  = 0,5 Коэффициенты А и В выбираем по интенсивности внезапных отказов l å из соотношений ...