Radioelektronická m¥°ení - urel.feec.vutbr.czdrinovsky/?download=mrem_skripta.pdf · Josef Lap£ík ydaVatelv ysokVé u£ení technické v Brn ... Pouºívané komunika£ní sb¥rnice

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 MENÍ

P°edná²ky ver. 2012_05_16

Auto°i Ing. Ji°í D°ínovský, Ph.D.doc. Ing. Toma² Frýza, Ph.D.Václav R·ºekJosef Lap£ík

Vydavatel Vysoké u£ení technické v Brn¥Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologiíÚstav radioelektronikyPurky¬ova 118, 612 00 Brno

Vydání první

Rok vydání 2012

Náklad 100 ks

Tisk MJ Servis s.r.o., Boºet¥chova 133, 612 00 Brno

ISBN 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¥ 91.1 Sb¥rnice GP-IB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1.1 Standard IEEE 488.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.1.2 Standard HS488 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2 Standard SCPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.3 Sb¥rnice RS-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.4 Sb¥rnice RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.5 Rozhraní USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.6 LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.7 Agilent VEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2 Generátory testovacích signál· 272.1 Vysokofrekven£ní generátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2 Syntezátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.1 Syntezátory s p°ímou koherentní syntézou . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.2 Syntezátory s nep°ímou koherentní syntézou . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.3 Syntezátory s p°ímou nekoherentní syntézou . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3 Generátory libovolného, denovaného pr·b¥hu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3 M¥°icí p°ijíma£e 35

4 Vektorové obvodové analyzátory 414.1 P°ímá, odraºená vlna a S-parametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.2 N-branový heterodynní vektorový obvodový analyzátor . . . . . . . . . . . . . . . 444.3 Vstupní £ást obvodového analyzátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.3.1 Odporové m·stky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.3.2 Sm¥rové odbo£nice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.4 Atenuátory pro p°ijíma£ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.5 Atenuátory pro generátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.6 Napájení aktivních prvk· . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.7 Generátor testovacího signálu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.8 Referen£ní a m¥°icí p°ijíma£ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.9 M¥°ení na vektorových obvodových analyzátorech . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.10 Zjednodu²ené realizace vektorových obvodových analyzátor· . . . . . . . . . . . . 58

4.10.1 Vektorový obvodový analyzátor s N+1 p°ijíma£i . . . . . . . . . . . . . . 584.10.2 Vektorový obvodový analyzátor s p°epína£em m¥°icích bran . . . . . . . . 58

4.11 Kalibrace vektorového obvodového analyzátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.11.1 Nelineární vlivy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.11.2 Lineární vlivy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.12 Kalibra£ní standardy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.13 Kalibrace VNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.14 Skalární obvodové analyzátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5 Chyby a neur£itosti m¥°ení 665.1 M¥°icí metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.2 Klasikace chyb m¥°ení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.2.1 Systematické chyby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.2.2 Náhodné chyby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.3 Neur£itost výsledku m¥°ení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4 RADIOELEKTRONICKÁ MENÍ

Literatura 71

Zkratky 73


Seznam obrázk·

1.1 Ukázka automatizovaných ovládacích prost°edí. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2 Topologie sítí: a) hv¥zdicová, b) sb¥rnicová, c) stromová topologie. . . . . . . . . 101.3 Provedení GPIB konektoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4 P°ehled standard· pouºívaných v automatizovaných testovacích systémech. . . . 141.5 Horizontální a vertikální kompatibilita programových p°íkaz·. . . . . . . . . . . . 161.6 Pr·b¥h signálu p°i asynchronním p°enosu znaku K... . . . . . . . . . . . . . . . 181.7 Uspo°ádání jednotlivých bit· p°i komunikaci. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.8 Uspo°ádání jednotlivých pinu v konektoru Cannon DE-9 M. . . . . . . . . . . . . 191.9 T°ívodi£ové propojení RS-232-C dvou DTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.10 P¥tivodi£ové propojení RS-232-C dvou DTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.11 Sb¥rnice RS-485, princip p°ipojení jednotlivých za°ízení. . . . . . . . . . . . . . . 201.12 Hierarchie rozhraní USB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.13 Za°ízení USB Low-Speed s p°enosovou rychlostí aº 1,5 Mbit/s...). . . . . . . . . . 221.14 Za°ízení USB Full-Speed s p°enosovou rychlostí aº 12 Mbit/s... . . . . . . . . . . 221.15 Výstupní obvod USB rozhraní (OE - Output Enable, signál aktivující výstup dat). 221.16 Ukázka negativního potvrzovacího paketu p°i p°enosu dat pro USB 1.1 Full-speed. 232.1 Syntezátor s p°ímou koherentní syntézou, metoda p°ímé p°em¥ny frekvence. . . . 282.2 Syntezátor s p°ímou koherentní syntézou, metoda ... . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3 Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou bez p°edd¥li£e. . . . . . . . . . . . . . 302.4 Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou s d¥li£em kmito£tu fREF. . . . . . . . 312.5 Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou a pevným p°edd¥li£em. . . . . . . . . 322.6 Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou a °ízeným p°edd¥li£em. . . . . . . . . 322.7 Syntezátor s p°ímou nekoherentní syntézou ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.8 Blokové schéma arbitrary waveform generátoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.1 Blokové schéma m¥°i£e elektromagnetického ru²ení. . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2 Vn¥j²í vzhled m¥°icího p°ijíma£e a) a spektrálního analyzátoru ... . . . . . . . . . 363.3 Denice a ur£ování úzkopásmových a) a ²irokopásmových ... . . . . . . . . . . . . 373.4 Princip ²pi£kového detektoru (detektoru vrcholové hodnoty). . . . . . . . . . . . . 383.5 Principiální zapojení kvazi-²pi£kového detektoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.6 Detektor st°ední hodnoty. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.7 Odezvy r·zných druh· detektor· na signály s impulzní ... . . . . . . . . . . . . . 404.1 Denice £initele odrazu, p°ímé a odraºené vlny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.2 Smith·v diagram s vyzna£enými d·leºitými body. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3 Dvojbran s vyzna£enými sm¥ry ²í°ení jednotlivých vln. . . . . . . . . . . . . . . . 424.4 Dvojbran se zdrojem testovacího signálu p°ipojeným k brán¥ 1. . . . . . . . . . . 424.5 Dvojbran se zdrojem testovacího signálu p°ipojeným k brán¥ 2. . . . . . . . . . . 434.6 asový rozvoj p°ímé a odraºené vlny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.7 Blokové schéma vektorového obvodového analyzátoru. . . . . . . . . . . . . . . . 454.8 Analýza rozptylových parametr· sm¥rové odbo£nice. . . . . . . . . . . . . . . . . 464.9 Sm¥rová odbo£nice s referen£ním p°ijíma£em. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.10 Pozm¥n¥ný Smith·v diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.11 Vliv sm¥rovosti na Smith·v diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.12 Mnohonásobný odraz na vstupním portu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.13 Zobrazení v²ech vliv· na testovací brán¥, které ovliv¬ují m¥°ený výsledek. . . . . 484.14 Principiální zapojení odporového m·stku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.15 Odporový m·stek s vazbou pomocí transformátoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.16 Sm¥rová odbo£nice se zp¥tnou vazbou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.17 Sm¥rová odbo£nice s p°ímou vazbou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.18 Zp¥tnovazební sm¥rová odbo£nice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51


4.19 Sm¥rová odbo£nice s postupnou zm¥nou vazby. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.20 Sm¥rová odbo£nice s pozvolnou zm¥nou vazby. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.21 Zapojení atenuátoru mezi test port a zesilova£. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.22 Analýza zapojení atenuátoru a sm¥rové odbo£nice. . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.23 Analýza sm¥rovosti D′. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.24 Zapojení atenuátoru do m¥°icí trasy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.25 Atenuátor umíst¥ný na výstupu oscilátoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.26 Atenuátor umíst¥ný aº za d¥li£em výkonu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.27 Stejnosm¥rné napájení aktivních sou£ástek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.28 Implementace napájecího obvodu do portu VNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.29 Blokové schéma p°ijíma£e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.30 Jedno díl£í m¥°ení s jedním aktivním portem £. 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.31 Blokové schéma VNA s N + 1 p°ijíma£i. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.32 Blokové schéma VNA s N-branovou p°epínací maticí. . . . . . . . . . . . . . . . . 594.33 Zobrazení neur£itosti m¥°ení v závislosti na p°ijímaném výkonu. . . . . . . . . . . 614.34 Odd¥lení chybové sít¥ od ideálního VNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.35 Zobrazení referen£ní roviny v N-konektoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.36 Zobrazení referen£ní roviny v konektorech 3,5; 2,4 a 1,85 mm. . . . . . . . . . . . 614.37 Ukázka mechanického kalibra£ního kitu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.38 Ukázka kalibra£ních standard· pro SMA a N-konektor. . . . . . . . . . . . . . . . 634.39 Ukázka automatického kalibra£ního standardu pro N-konektor. . . . . . . . . . . 634.40 Zobrazení chybové sít¥ pro jednu bránu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.41 Detektor pr·chozího signálu skalárního obvodové analyzátoru. . . . . . . . . . . . 654.42 Detektor odraºeného signálu skalárního obvodové analyzátoru. . . . . . . . . . . . 655.1 Preciznost vs. p°esnost m¥°ení. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.2 Normální Gaussovo rozloºení pravd¥podobnosti... . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70


Seznam tabulek

1.1 Význam jednotlivých pin· v konektoru Cannon DE-9 M RS-232-C. . . . . . . . . 191.2 Význam jednotlivých poloºek v deskriptoru USB za°ízení. . . . . . . . . . . . . . 243.1 í°ka pásma m¥°i£· ru²ení dle SN EN 55016-1-1 ed. 2. . . . . . . . . . . . . . . 383.2 asové konstanty kvazi-²pi£kového detektoru dle SN EN 55016-1-1 ed. 2. . . . . 394.1 Typické hodnoty jednotlivých parametr· sm¥rové odbo£nice. . . . . . . . . . . . 514.2 Shrnutí vlivu atenuátoru na parametry sm¥rové odbo£nice. . . . . . . . . . . . . . 534.3 Vysv¥tlení významu jednotlivých korek£ních parametr·. . . . . . . . . . . . . . . 64


1 Automatizovaná m¥°icí pracovi²t¥

Pod pojmem automatizovaná m¥°icí pracovi²t¥ rozumíme takovou sestavu za°ízení a jejich propo-jení, která umoºní komplexní °e²ení m¥°icí úlohy v£etn¥ jejího automatizovaného provedení. M·ºejít jak o nejjednodu²²í sestavu sloºenou z jednoduchého (obvykle £íslicového) m¥°icího p°ístrojea °ídicího po£íta£e, umoº¬ující pouze automatizovaný odb¥r m¥°eného veli£iny, p°enos výsledkum¥°ení do po£íta£e a následné £íslicové zpracování v£etn¥ prezentace výsledk·, tak i o sloºitýsystém vhodný nap°. pro úplné testování velmi sloºitých za°ízení, kdy je t°eba komplexn¥ °íditm¥°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. Uºivatelp°ed spu²t¥ním pouze nastaví parametry a pr·b¥h m¥°ení. Ovládací prost°edí lze vytvá°et v r·z-ných programovacích prost°edích. Jako vhodná prost°edí lze nap°. uvést: r·zné varianty jazykaC nebo Basic, VEE od rmy Agilent Technologies©, LabView od rmy National InstrumentsCorporation©, atd. Ukázka vzhledu ovládacího panelu automatizovaného prost°edí je zobra-zena na obr. 1.1 [Roh01]. Samotná komunikace pak m·ºe probíhat po rozdílných komunika£níchsb¥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 rámcijednoho m¥°icího systému. M¥°icí p°ístroje takto zapojujme do sítí s r·znou topologií. Obdobnétopologie sítí jsou rozli²ovány také p°i p°ipojování osobních po£íta£· do komunika£ních sítí.Z tohoto hlediska pak m·ºeme rozli²it hv¥zdicovou topologii (obr. 1.2a), sb¥rnicovou topologii(obr. 1.2b) a stromovou topologii (obr. 1.2c) sít¥ apod.

Obr. 1.1: Ukázka automatizovaných ovládacích prost°edí.


Obr. 1.2: Topologie sítí: a) hv¥zdicová, b) sb¥rnicová, c) stromová topologie.

1.1 Sb¥rnice GP-IB

Sb¥rnice GPIB (General Purpose Interface Bus), n¥kdy také nazývaná IEEE 488, HP-IB(Hewlett Packard Interface Bus), je rozhraní pro p°ipojování m¥°icích a zku²ebních p°ístroj·a za°ízení. GPIB umoº¬uje p°enos dat mezi dv¥ma nebo více p°ístroji. Umoº¬uje také p°ipojenípo£íta£e, který m·ºe °ídit p°enos dat mezi jednotlivými jednotkami (m¥°icími p°ístroji). Sb¥r-nice byla navrºena koncem ²edesátých let rmou Hewlett Packard s ozna£ením HP-IB. Sb¥rnicevyuºívá paralelního (více vodi£ového) p°enosu informace mezi jednotlivými za°ízeními. V roce1975 byla sb¥rnice specikována americkou standardiza£ní institucí IEEE, jako standard IEEE488 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 bylypublikovány standardy IEEE 488.1 a IEEE 488.2. Standard IEEE 488.1 obsahuje pouze revido-vaný p·vodní standard z roku 1975. Standard IEEE 488.2, je naopak zcela nový standard, kterýdetailn¥ specikuje funk£ní a opera£ní vlastnosti p°ístroj· s rozhraním IEEE 488.2. StandardIEEE 488.2 obsahuje poºadavky na funkce rozhraní, komunika£ní protokoly, o²et°ení chybovýchstav·, syntaxe zpráv, formát dat, zavádí strukturu stavových registr· apod. Základní parametrysb¥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 °ízeníp°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);


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: log. 1 (TRUE) jeelektrická úrove¬ L a log. 0 (FALSE) odpovídá elektrické hodnot¥ H.

Standard GPIB denuje nejen elektrické a mechanické vlastnosti rozhraní GPIB komunikace.Provedení p°ípojného konektoru sb¥rnice GPIB je zobrazeno na obr. 1.3. Dále je denován i pro-tokol komunikace a synchronizace (handshaking). Je stanovena hierarchie p°ipojení jednotlivýchza°ízení a p°esn¥ denován vztah mezi °ídícím po£íta£em a ostatními periferiemi.

Standardní systém IEEE 488 obsahuje vºdy jednu systémovou °ídící jednotku (system con-troller), 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£innost celého systému. Jako jediná, je schopna vysílat jednovodi£ovou zprávu IFC (interfaceclear), která nastavuje rozhraní v²ech za°ízení p°ipojených ke sb¥rnici do po£áte£ního denova-ného stavu a zprávu REN (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 oridentify), adres a vícevodi£ových p°íkaz· a vysílání a p°íjem p°ístrojových zpráv. Prost°ednic-tvím uvedených p°íkaz· a zpráv je °ízena komunikace mezi jednotlivými funk£ními jednotkamiv 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 adresp°íslu²ných jednotek. P°enos jednotlivých bajt· po DIO vodi£ích je °ízen asynchronn¥ pomocísignál· DAV, NRFD a NDAC. Ve standardu IEEE 488.1 jsou dále denovány následující funkce avlastnosti rozhraní funk£ních jednotek, které jsou stanoveny pomocí následujících funkcí rozhraní.Celkem se jedná o 10 funkcí:

SH (Source Handshake) - zdroj korespondence;

AH (Acceptor Handshake) - p°íjemce korespondence;

T/TE (Talker/Extended Talker) - mluv£í/roz²í°ený mluv£í;

L/LE (Listener/Extended Listener) - poslucha£/roz²í°ený poslucha£;

RL (Remote/Local) - dálkové/místní ovládání;

DC (Device Clear) - nulování p°ístroje;

DT (Device Trigger) - spou²t¥ní p°ístroje;

SR (Service Request) - vyºádání obsluhy;

PP (Parallel Poll) - paralelní hlá²ení;

C (Controller) - kontrolér.


N¥které funkce mohou mít n¥kolik odli²ných variant, které se zna£í £íslem za písmennou zkratkoufunkce (nap°. T0 aº T8; 0 znamená, ºe daná funkce není pouºita). Konkrétní za°ízení má vºdyimplementovány pouze pot°ebné funkce.

1.1.1 Standard IEEE 488.2

Standard IEEE 488.2 denuje následující specikace 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 sestavufunkcí rozhraní (dle IEEE 488.1): SH1, AH1, T5 (p°íp. T6, TE5 nebo TE6), L3 (p°íp. L4, LE3nebo LE4), SR1, RL0 nebo RL1, PP0 nebo PP1, DC1, DT0 nebo DT1, C0 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¥ denovanýtvar. 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 denována syntaxe jednotlivých vysílaných a p°ijímaných p°ístro-jových zpráv následujícím zp·sobem:

jako odd¥lova£ jednotlivých p°íkaz· (zpráv) na dvou rozdílných hierarchických úrov-ních se pouºívá dvojte£ka :, nap°. INP:IMP 50 (nastavení vstupní impedance 50 Ω);

jako odd¥lova£ p°íkaz· stejné úrovn¥ ve vícenásobném p°íkazu (zpráv¥) se pouºívá st°ed-ník ;, nap°. INP:IMP 50; INP:FILT 1 nebo ekvivalentní p°íkaz INP:IMP 50; FILT

1;

jako odd¥lova£ významové £ásti p°íkazu (zprávy) od jeho parametr· se pouºívá mezerat, tj. jakýkoliv znak s dekadickým ekvivalentem 0 aº 9 nebo 11 aº 32 (tzv. white space),nap°. TRIG:SOUR EXT (p°ístroj bude spou²t¥n extern¥);

pro odd¥lení jednotlivých parametr· zprávy se pouºívá £árka , nap°.CONF:VOLT:DC 100, 1E-3 (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?; (provedenodm¥r st°ídavého nap¥tí a uloºení výsledku do výstupní fronty);

jako ukon£ovací znak °et¥zce p°íjmu se pouºívají:

a) pouze znak LF (dek. ekv. 10);


b) znak LF sou£asn¥ s jednovodi£ovou zprávou EOI;

c) pouze EOI;

ukon£ovací znak °et¥zce p°i vysílání je znak LF sou£asn¥ s EOI.

Ve standardu IEEE 488.2 jsou dále denovány obecné p°íkazy (common commands) pro p°ístro-jové zprávy vysílané °ídící jednotkou, které jsou ur£eny k ovládání p°ístroj· na obecné úrovnia identikaci jejich stavu. Pouºívají jednoduchou syntaxi *XXX nebo *XXX?, kde XXX je názevp°íkazu sloºený ze t°í znak· (písmena velké £i malé abecedy). Otazník na konci specikuje p°íkazjako dotaz (query), tzn. ºe p°ístroj po jeho dekódování je povinen vrátit odpov¥¤. P°íklad sadypovinných 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) p°íkaz pro nulování stavových registr·;

*IDN? (Identication Query) dotaz na specikaci p°ístroje;

*STB? (Status Byte Query) 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 StatusEnable registru;

*ESE? (Standard Event Status Enable Query) dotaz na obsah Standard Event Status Enableregistru;

*ESR? (Standard Event Status Register Query) dotaz na obsah Standard Event Status registru;

*OPC (Operation Complete) aktivace hlá²ení o ukon£ení operace;

*OPC? (Operation Complete Query) dotaz na ukon£ení operace;

*WAI (Wait to Continue) £ekání na dokon£ení p°edchozí operace;

*TST (Self Test Query) p°íkaz pro spu²t¥ní vnit°ního testu p°ístroje.

Vý²e uvedené p°íkazy jsou také povinné i pro standard SCPI (Standard Commands forProgrammable Instruments).

1.1.2 Standard HS488

Nejv¥t²ím nedostatkem sb¥rnice GP-IB (IEEE 488) je zejména p°i p°enosu velkých datovýchblok· dat povaºováno omezení rychlosti tohoto p°enosu na 1 MB/s. Proto rma National Instru-ments 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°enosuna p°enos synchronní. P°i p°enosu dat je v p°ípad¥ implementace HS488 £áste£n¥ modikováncyklus asynchronního p°enosu tak, aby vysílací funk£ní jednotka mohla oznámit p°ijímací jed-notce (funk£ní jednotce), ºe je schopna vysílat data dle HS488 a aby bylo moºné identikovat,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


Obr. 1.4: P°ehled standard· pouºívaných v automatizovaných testovacích systémech.

poslucha£ moºnost p°ijímání dat v reºimu HS488 nepotvrdí, dal²í komunikace probíhá b¥ºnýmzp·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 seprojeví zejména p°i p°enosu dlouhých blok· dat (cca nad 5 kB). Implementace HS488 je °e²enana hardwarové úrovni, tím pádem nejsou p°i jejím p°ípadném pouºití nutné jakékoliv modikaceprogramového vybavení.

1.2 Standard SCPI

D°íve se b¥ºn¥ stávalo, ºe r·zní výrobci pro obdobné typy p°ístroj· vyvíjeli r·zné komunika£níp°íkazy. Vytvo°ené programy pak bylo moºné pouºívat pouze s tím p°ístrojem, pro který bylsystém navrºen. Z t¥chto d·vod· byl rmou Hewlett-Packard zahájen vývoj jednotného komu-nika£ního jazyka TMSL (Test and Measurement System Language), který byl mnoha rmamip°evzat. V roce 1990, byla na popud nejvýznamn¥j²ích sv¥tových výrobc· m¥°icí techniky, pu-blikována první verze pr·myslového standardu pod názvem SCPI (Standard Commands forProgrammable Instruments). Tento pr·myslový standard je od té doby kaºdoro£n¥ aktualizo-ván a roz²i°ován. Hlavním cílem SCPI je podstatná redukce ATE p°íkaz· (Automatic TestEquipment). Hlavním cílem SCPI standardu je vytvo°ení jednotných pravidel programovacíhojazyka pro ovládání r·zných p°ístroj· vykonávajících stejnou funkci, nezávisle na výrobci m¥-°icího za°ízení p°ípadn¥ na typu. SCPI je denován jako nadstavbová vrstva nad vrstvu IEEE488.2, jak je z°ejmé z obr. 1.4 [Pie01]. SCPI standard je také zaloºen na stejném konceptu aterminologii jako IEEE 488.2. P°ístroje, které mají implementovány SCPI standard musí takéspl¬ovat standard IEEE 488.2, jinými slovy SCPI p°ístroje jsou vºdy se standardem pln¥ kom-patibilní. 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· £ikódu 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¥ anglickéterminologie a ve²keré p°ístroje vyvinuté významnými výrobci m¥°icí techniky po roce 1990 bym¥ly toto doporu£ení respektovat. SCPI oproti IEEE 488.2 roz²i°uje stavový systém p°ístrojeo dal²í dv¥ skupiny 16-ti bitových stavových registr·. Registry probíhající operace (StandardOperation Status Group) a registry umoº¬ující denovat 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-


vojové prost°edí pro ovládání m¥°icích za°ízení. SCPI standard denuje programovací jazyk projednotlivé 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 nezáleºína dodavateli ani na typu p°ístroje (stejná funkce v r·zných typech p°ístroj· je ovládána stejnýmp°íkazem). Standard také zavádí standardní odezvu m¥°icího p°ístroje na jednotlivé p°íkazy. Jetedy denována jak syntaxe (správný zápis) jednotlivých zpráv (p°íkaz·), tak i sémantika (vý-znam) jednotlivých zpráv SCPI standardu. Funkce m¥°icích p°ístroj·, které vyhovují standarduSCPI by m¥ly být také ovládány pomocí p°íkaz· denovaných SCPI standardem. Na druhoustranu to v²ak neznamená, ºe jsou výrobci limitováni pouze standardizovanými komunika£nímip°íkazy. Naopak, nov¥ vyvíjené p°ístroje vyºadují v této oblasti otev°ený dynamický vývoj. SCPIje 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°ístrojp°ipojen. Funkcí osobního po£íta£e je pouze p°eposlání komunika£ní zprávy (p°íkazu). Je pakna samotném programátorovi, který m¥°icí program vyvíjí, aby zkontroloval funk£nost a odezvum¥°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 SCPIovládány stejným zp·soben a stejným komunika£ním p°íkazem. Stejný formát p°íkazu je pouºívánjak p°i odesílání tak i p°i p°íjmu zprávy. Samotné ATE p°íkazy jsou pak rozd¥leny do jednotlivýcht°íd a kategorií nap°. digitální multimetry, nízkofrekven£ní generátory, napájecí zdroje, oscilo-skopy, akvizi£ní jednotky apod. Shodné programové prost°edí vyjad°uje, ºe pro danou kategoriip°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 kompatibilitanení dostate£ná a je t°eba je²t¥ zavést i horizontální kompatibilitu (obr. 1.5). Horizontální kom-patibilita znamená, ºe pokud máme více r·zných za°ízení, které obsahují stejnou funkci, je tatofunkce 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. Horizontálníkompatibilita je velmi d·leºitou sou£ástí SCPI standardu, která d¥lá instruk£ní sadu nezávislouna typu a výrobci m¥°icího p°ístroje. Dal²í nespornou výhodu p°ístupu SCPI standardu je, ºeze zápisu p°íkazu je z°ejmé jaká £innost bude danou funkcí vykonána nap°. MEAS:VOLT? (me-asurement: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¥°icíp°ístroje s velkým mnoºstvím funkcí. Z t¥chto d·vod· je t°eba také p°idávat dal²í komunika£níp°íkazy pro ovládání t¥chto nadstavbových funkcí. SCPI standard je navrºen takovým zp·so-bem, 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 HWvybavení je nutné zkontrolovat, jestli jsou poºadované m¥°icí funkce realizovány v konkrétnímHW. Pokud je tato podmínka spln¥na, pak není jediný problém s p°enosem jiº realizovanéhoprogramu (SW).

Hlavní výhody respektování standardních p°íkaz· SCPI standardu jsou tedy následující:

zredukování n¥kolika rozdílných p°íkaz· pro ovládání identické funkce stejného za°ízeníod n¥kolika výrobc· do jednoho p°ehledného p°íkazu (denice jednotné instruk£ní sadyp°íkaz· pro daný typ za°ízení);

jednotlivé p°íkazy jsou denovány 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


Obr. 1.5: Horizontální a vertikální kompatibilita programových p°íkaz·.

k podstatnému zrychlení celé tvorby ovládacího programu. Lze také intuitivn¥ vytu²it, cojednotlivé £ásti programu budou vykonávat. V²echny tyto vlastnosti pak zp°ehled¬ují celoutvorbu celého programu a zkracují £as pot°ebný k vývoji ovládacích aplikací;

SCPI standard a jeho p°íkazy zachovávají kompatibilitu programu a je zde zavedena jed-noduchá expanze o nov¥ vznikající p°íkazy, které ovládají nové funkce. Ve skute£nosti paknení t°eba jiº odlad¥ný SW p°ed¥lávat pokud chceme p°idat dal²í funkce, ale sta£í je pouzedo p°íslu²ného programu doplnit;

samotné p°íkazy jsou obvykle v jednotlivých návodech výrobc· denovány takto[:SENSe]:FREQuency:CENTer <freq>. Zapsaný p°íklad pak znamená, ºe chceme nasta-vit st°ední frekvenci spektrálního analyzátoru na hodnotu <freq>, zde pak m·ºeme zapsatnap°: 3.45GHz. V p°íkladu je také slovo frequency zapsáno tímto zp·sobem FREQuency, kdevelká písmena znamenají povinnou £ást p°íkazu a zbytek, který je uveden písmeny malýmijiº nemusíme zapisovat a p°ístroj daný p°íkaz bez problém· zpracuje. Dále zde byl uvedentaké parametr :SENSe uveden v [ ], v tomto p°íkazu se jedná pouze o volitelnou £ást, po-kud tuto £ást :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 pís-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 chybovéa nedenované stavy, které by mohly nastat;

poslední výhodou SCPI standardu a respektování jeho doporu£ení, je zejména pravidelnévydávaní p°íslu²né dokumentace k jednotlivým instruk£ním sadám p°ístroj·.

1.3 Sb¥rnice RS-232

Standard RS-232 ve své poslední specikaci RS-232C z roku 1969 (£asto ozna£ovaný také jakosériová linka, p°ípadn¥ sériový port) se d°íve £asto pouºíval jako komunika£ní rozhraní osobníchpo£íta£· a dal²í elektroniky. Jednotlivé parametry sériového rozhraní RS-232-C byly standar-dizovány asociací EIA (Electronic Industries Association). P·vodn¥ byla tato sb¥rnice ur£enake spojení koncového datového za°ízení (Data Terminal Equipment DTE nap°. PC) s komuni-ka£ním datovým za°ízením (Data Communication Equipment DCE) nej£ast¥ji komunika£nímmodemem. Postupem doby, díky jeho velkému roz²í°ení v osobních po£íta£ích, se za£íná rozhraní


RS-232-C pouºívat i mimo obor telekomunika£ní techniky. RS-232 tedy umoº¬uje propojení avzájemnou sériovou komunikaci dvou r·zných za°ízení. Jednotlivé bity p°ená²ených dat jsou tedyvysílány postupn¥ za sebou (v sérii) po jednom páru vodi£· v kaºdém sm¥ru. V p°ípad¥ sériovélinky díky p°ipojení typu bod - bod se tedy jedná o zcela bezkolizní fyzickou vrstvu. V sou£asnédob¥, i p°es v²echny nedostatky rozhraní RS-232-C (nap°. dvoubodové spojení, nízká p°enosovárychlost 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. Denovanéelektrické parametry pro rozhraní RS-232-C jsou následující:

sériová komunikace, data jsou vysílána jako posloupnost jednotlivých bit·, v jednom £aso-vém intervalu je vºdy p°ená²en jediný bit;

log. 1 odpovídá nap¥óvé úrovni -5 aº -15 V pro vysíla£ a -3 aº -15 V pro p°ijíma£;

log. 0 odpovídá nap¥óvé 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 nulo-vého signálového vodi£e. Odpor zát¥ºe se m·ºe pohybovat v rozmezí 3 aº 7 kΩ, p°i£emº kapacitazát¥ºe nesmí být v¥t²í neº 2,5 nF.

Sériové rozhraní RS-232C vyuºívá pro komunikaci asynchronní p°enos datUART (UniversalAsynchronous Receiver and Transmitter). V p°ekladu se tento typ komunikace ozna£uje jakouniverzální asynchronní p°ijíma£ a vysíla£. Asynchronní komunikace pouºívá synchroniza£ní bityvkládané na za£átek a konec posílaných dat. V praktických aplikacích se dnes vyuºívá 5, 6, 7a nejvíce 8 bitová komunikace. P°ed za£átkem komunikace je t°eba p°ijíma£ i vysíla£ vhodn¥nakongurovat 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 tedyt°eba nastavit správnou p°enosovou rychlost komunikace. Je z°ejmé, ºe ob¥ za°ízení musí mít na-stavenu stejnou délku p°ená²ených dat, stejnou p°enosovou rychlost, která je nej£ast¥ji uvád¥nav bitech za sekundu [bit/s] (bit rate) nebo Baudech [Bd]. Je také nutné nastavit délku tzv. stopbitu a v n¥kterých p°ípadech i zp·sob p°enosu paritního bitu, který p°edstavuje velmi primitivnípodobu detek£ního kódu, ov²em u sériové komunikace £asto vyuºívanou. Datový vodi£ se p°edzahájením komunikace nachází v klidové poloze, coº v této komunikaci znamená vysokou logic-kou 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 musímít naopak nízkou logickou úrove¬. P°ijíma£ musí rozeznat zahájení komunikace od klidovéhostavu datové linky. P°ijíma£ na p°ijímací stran¥ po p°ijetí start bitu o£ekává p°íchod p°edemnadenovaných dat, která p°ijdou po datové lince s p°esn¥ denovanou p°enosovou rychlostí.P°ijímací strana tedy musí dostate£n¥ rychle vzorkovat datovou linku, aby p°ijala v²echna po-sílaná data. Obvykle je stav linky kontrolován (vzorkován) mnohem £ast¥ji neº jednou za dobup°enosu jednoho bitu. Nej£ast¥ji je pouºíváno 16-ti násobného p°evzorkování, pro zejména dosta-te£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 výskytuvíce chyb v jednotlivých bitech není schopna chyby odhalit. O uzav°ení komunikace se postarátzv. stop bit, který má vºdy hodnotu vysoké logické úrovn¥. Nastavuje tedy datovou linku zp¥tdo 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 délkyb¥ºného bitu, aby m¥l p°ijíma£ dostatek £asu na zpracování p°ijatých dat. V p°ípad¥ odesláníbinárního 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 data p°enosovou rychlost u komunikujících za°ízení. P°enosová rychlost se volí z °ady 110, 300, 600,


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 datse 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 bito-vou rychlostí také souvisí maximální p°enosová rychlost. Standard RS-232 uvádí jako maximálnímoºnou délku vodi£· 15 metr· nebo délku vodi£e o maximální kapacit¥ 2500 pF. P°i pouºitíkvalitních vodi£· lze tedy vyhov¥t standardu a p°i zachování maximální kapacity 2500 pF pro-dlouºit 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 mje uvaºováno p°i pouºité p°enosové rychlosti 19200 Bd.

Sériová linka RS-232 bývá nej£ast¥ji realizována pomocí p°ipojovacích kabel· s konektoryCannon (D-shell connector) s 25 nebo 9 piny. Na osobních po£íta£ích bývá sériová linka RS-232vyvedena 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 pouze9 základních signál·. Provedení konektoru a význam jednotlivých pin· je uveden na obr. 1.8a 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°ízenítypu 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.


Obr. 1.8: Uspo°ádání jednotlivých pinu v konektoru Cannon DE-9 M.

Tab. 1.1: Význam jednotlivých pin· v konektoru Cannon DE-9 M RS-232-C.

pin signál význam

1 DCD - Data Carrier Detect Detekce nosného signálu (n¥kdy ozna£ován jen CD).Modem oznamuje terminálu, ºe na telefonní lince de-tekoval nosný kmito£et

2 RxD Receive Data Vysílání dat z modemu (DCE) do terminálu (DTE),p°ijímací port

3 TxD Transmit Data Vysílání dat z terminálu (DTE) do modemu (DCE),vysílání dat

4 DTR Data Terminal Ready Terminál indikuje p°ipravenost ke komunikaci5 SGND Signal Ground Signálová zem6 DSR Data Set Ready Modem indikuje p°ipravenost ke komunikaci7 RTS Request to Send Terminál oznamuje, ºe je momentáln¥ p°ipraven (ne-

p°ipraven) p°ijmout data8 CTS Clear to Send Modem oznamuje, ºe je momentáln¥ p°ipraven (nep°i-

praven) p°ijmout data9 RI 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 bez-modemové propojení, v n¥mº se p°enosový kanál (modemy + p°enosová linka, nap°. telefonní)nahrazuje speciáln¥ zapojeným kabelem (tzv. null modem cable), který zaji²úje 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 tojim 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 tomtozapojení moºné pouze programov¥ (software handshaking). asto vyuºívanou metodou softwaro-vého handshakingu je tzv. protokol Xon / Xoff, kdy p°ístroj p°ijímající data ovládá komunikacivysíláním speciálních znak·. V p°ípad¥ p°ipravenosti k p°ijmu je vyslán °ídící signál Xon (ASCII19), po identikaci vyslaného znaku p°ijíma£em jsou data vysílána. Pokud p°ijíma£ není schopendata zpracovat, vy²le signál Xoff (ASCII 17), vysíla£ pak p°eru²í vysílání dat. Tato £innost sem·ºe libovoln¥ opakovat dokud nedojde k p°enosu dat. Nevýhodou tohoto zp·sobu komunikaceje 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. hardwarového handshakingu je uveden na obr. 1.10[Haa01].


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. Taje 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¥óvými úrovn¥mi. Na rozdílod 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 komunikacir·zné redukce a emulátory sb¥rnice RS-485, je nutné s tímto p°epínáním po£ítat a p°íslu²nýmzp·sobem pak upravit ovládací SW. Sb¥rnice RS-485 se pouºívá zejména v oblasti pr·myslovýchdistribuovaných systém·. Jako p°enosové médium je zde normou pouºit blíºe nespecikovanýdvoudrát. Pro zvý²ení odolnosti proti ru²ení bývá v¥t²inou zkroucen, pop°. i stín¥n. Ke sb¥rnicim·ºe být p°ipojen libovolný po£et vysíla£· s t°ístavovým výstupem (pouze jeden, v²ak m·ºebýt aktivní). Po£et p°ijíma£· je omezen na 32. Sb¥rnice RS-485 je navrºena pro maximálníteoretickou rychlost 10 Mb/s a celková délka sb¥rnice m·ºe dle normy dosahovat aº 1200 m.

1.5 Rozhraní USB

Komunika£ní rozhraní USB (Universal Serial Bus) bylo p·vodn¥ vyvinuto v roce 1994 pro efek-tivní p°ipojení r·zných periferií (klávesnice, my², tiskárny, scannery apod.) k osobnímu po£íta£ia to v£etn¥ moºnosti napájení t¥chto za°ízení pomocí USB rozhraní. K jednomu osobnímu po£í-ta£i (£asto ozna£ovanému jako host) je moºné p°ipojit teoreticky aº 127 r·zných za°ízení. Systémp°ipojení jednotlivých za°ízení pomocí hab· (rozbo£ova£·) je z°ejmý z obr. 1.12 [HWs01]. Jednáse v podstat¥ o stup¬ovitou (vrstevnatou) hv¥zdicovou strukturu. V p°ípad¥ USB jsou datap°ená²ena sériov¥ obvykle na malou vzdálenost. Samotné p°ipojování jednotlivých periferií jerealizováno pln¥ dle lozoe plug&play. Moºnost p°ipojení velkého po£tu za°ízení na vzdálenostjednotek metr· a vysoká p°enosová rychlost jsou vyhovujícími vlastnostmi rozhraní USB projeho 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 nenínutné p°idávat dal²í komunika£ní kartu, nebo´ dne²ní osobní po£íta£e jsou jiº rozhraním USBvºdy 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


Obr. 1.12: Hierarchie rozhraní USB.

nap°. klávesnice, pam¥óvá karta atd.). Propojení je °e²eno pomocí n¥kolikaúrov¬ové hv¥zdicovéstruktury 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, pomocíkteré se v systému identikuje.

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 bylo p°edstaveno v roce 1996 ve dvou rychlostních variantách 1,5 Mbit/s (Low-Bandwidth, Low-Speed) a 12 Mbit/s (Full-Bandwidth, Full-Speed). Identikace rychlostijednotlivých za°ízení je provád¥na pomocí p°ipojeného pull-up rezistoru. Zapojení pull-uprezistoru 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-tikací p°ístroj. USB 1.1 bylo uvedeno v roce 1998 a op¥t se vyskytovalo ve dvou rychlost-ních variantách 1,5 Mbit/s (Low-Speed) pouºívané pro klávesnice, my²i, joystiky apod. a12 Mbit/s (Full-Speed) pro vysokorychlostní za°ízení jako pevné disky apod.;

V roce 2000 byla p°edstavena druhá generace rozhraní USB 2.0, £asto také ozna£ovanájako Hi-Speed. 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 ChargingSpecication 1.1 v roce 2007 apod.;

Se vzr·stající pot°ebou p°enosu stále v¥t²ích objem· dat pak byla v roce 2008 uvoln¥naspecikace USB 3.0 s teoretickou p°enosovou rychlostí aº 5 Gbit/s. USB 3.0 je také ozna-£ováno jako Super-Speed. T°etí generace v²ak jiº zavádí pro komunikaci více vodi£· neº jedenováno ve verzi USB 1.0. Nicmén¥ zp¥tná kompatibilita z·stává zachována i ve t°etígeneraci USB rozhraní.

Propojovací kabel rozhraní USB 1.x a USB 2.0 je £ty°vodi£ový. Dva vodi£e jsou ur£eny prop°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°enosovérychlosti jsou USB propojovací kabely opat°eny stín¥ním. Charakteristická impedance USB ka-bel· je v p°ípad¥ Low-Speed, Full-Speed i Hi-Speed 90 Ω ± 15 %. V p°ípad¥ komunikace pomocí


Obr. 1.13: Za°ízení USB Low-Speeds p°enosovou rychlostí aº 1,2 Mbit/s(pull-up rezistor p°ipojen na D-).

Obr. 1.14: Za°ízení USB Full-Speeds p°enosovou rychlostí aº 12 Mbit/s(pull-up rezistor p°ipojen na D+).

Obr. 1.15: Výstupní obvod USB rozhraní (OE - 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 2.0a to pro dosaºení v¥t²í p°enosové rychlosti. V koncových za°ízeních je pouºito diferen£ní zapojeníp°ijíma£· a vysíla£· (obr. 1.15 [Haa01]). Komunika£ní signál je vysílán pomocí vodi£· D+ a D-

a to tak, ºe vodi£ D- vºdy p°ená²í opa£nou logickou hodnotu neº vodi£ D+. Maximální výstupnínap¥tí pro log. 0 musí být niº²í neº 0,3 V. Pro identikaci log. 1 musí být minimální výstupnínap¥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·ºesamovoln¥ za£ít s komunikací. Data se vysílají v paketech o délce 8 aº 64 (1024 pro izochronníp°enos) bajt·. Samotná komunikace je °e²ena sériovým p°enosem dat a ve²kerý p°enos dat seuskute£¬uje po rámcích o délce p°esn¥ 1 ms. Uvnit° rámce mohou být postupn¥ zpracoványpakety pro n¥kolik za°ízení, dokonce se spolu mohou vyskytnout pakety s r·znou rychlostí. Po-kud se komunikuje s r·znými za°ízeními je hub (rozbo£ova£), odpov¥dný za správné sm¥rovánípaket· 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 zp°ená²eného datového signálu. Pro kódování dat p°i komunikaci mezi USB za°ízeními je k tomutoú£elu vyuºit NRZI kód (Non Return to Zero Inverted). Log. 0 v p°ená²ených datech mají zanásledek zm¥nu úrovn¥, zatímco log. 1 nechávají úrove¬ linky beze zm¥ny (obr. 1.16 [Aim01]).Kódování a dekódování dat je tak £ist¥ hardwarovou záleºitostí. P°ijíma£ dat musí být schopenzískat hodinový signál, p°ijmout a detekovat data. Pokud obsahuje p·vodní datový tok ²est posob¥ 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.Této metod¥ si °íká bit-stung (vsouvání bitu). P°ijíma£ pak nadbyte£nou log. 0 p°i p°íjmuautomaticky odstraní bit-unstung. Kaºdý paket obsahuje za ú£elem synchronizace speciálníbajt, tzv. sync-bajt (00000001b) (obr. 1.16). P°ijíma£ pak v d·sledku NRZI a vsouvání bit·


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 následujícíhop°enosu musí být synchronizace zachována, aby mohlo dojít ke správnému p°enosu dat. Pr·b¥hp°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. Ko-munikace se obvykle skládá ze synchroniza£ního bajtu, typu p°ená²ených paket· a potvrzovacího(koncového) paketu. Vlastní p°enos dat se odehrává mezi bajtem s identikací typu paket· (typeof packet) a koncovým bajtem s potvrzením p°íjmu (end packet). Jak jiº bylo zmín¥no, USBdata jsou vysílána pomocí jednoho páru vodi£· ozna£ovaných D+ a D-. Data jsou odesílána vedvou stavech ozna£ovaných jako J a K. P°i odesílání dat pomocí NRZI je log. 0 vysílána jakozm¥na stavu z J na K nebo K na J. Zatímco p°i odesílání log. 1 nedochází k ºádné zm¥n¥ stavulinky. Pro synchronizaci p°ijíma£e a vysíla£e USB paket za£íná 8-bitovou synchroniza£ní sekvencí00000001 (obr. 1.16). Na za£átku je tedy linka v ne£inném stavu J, následn¥ je díky synchro-niza£ní sekvenci m¥n¥n stav linky následujícím zp·sobem KJKJKJKK (viz obr. 1.16). Poslednízopakování stavu K pak zna£í konec synchroniza£ní sekvence. Pro vy²²í komunika£ní rychlostijsou vyuºívány aº 32-bitové synchroniza£ní sekvence. Na konci p°enosu datového paketu se vy-sílá ukon£ující paket (end packet) ozna£ovaný jako EOP. Jedná se o sekvenci 3 bit· z nichº prvnídva jsou indikovány nízkým stavem obou linek D+ a D-. Tento stav je £asto ozna£ován jakoSingle-Ended zero (0) (SE0). Poslední bit je pak indikován jako J stav. asový pr·b¥h EOP jez°ejmý z obr. 1.16. K resetování linky m·ºe dojít pokud signál SE0 trvá cca 10 aº 20 ms.

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 (SerialInterface Eengine). Tyto jednotky obsahují n¥kolik vyrovnávacích buer· typu FIFO a slouºí prokomunikaci mezi koncovými body (za°ízeními) (tzv. endpointy). Za°ízení USB má tedy obecn¥n¥kolik pam¥tí typu FIFO, jejich prost°ednictvím je moºné p°ená²et data. K samotné adreseza°ízení se pak je²t¥ p°idává adresa koncového bodu (endpointu). Tato adresa udává kam semají uloºit nebo odkud se mají vyzvednout data. Nap°. po£íta£ová my² má vºdy endpoint 0pouºit 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°edstavujelogický kanál k jednomu endpointu v jednom za°ízení. Pipe si lze tedy p°edstavit jako datovýkanál tvo°ený jedním vodi£em. Ve skute£nosti jsou v²ak data z pipe p°ená²ena jako datové paketyv milisekundových rámcích a hardware je sm¥ruje do reálné pam¥ti podle jejich endpointu. Jednoza°ízení m·ºe sou£asn¥ vyuºívat více pipes, coº vede k nár·stu p°enosové rychlosti komunikace.Pro USB rozhraní jsou denovány £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 jednímdotazem lze p°enést aº 64 bajt·;


Tab. 1.2: Význam jednotlivých poloºek v deskriptoru USB za°ízení.

poloºka význam

VID (vendor ID) £íselný identikátor výrobce (16-bitové £íslo p°id¥lované orga-nizací USB)

PID (product ID) £íselný identikátor výrobku (16-bitové £íslo ur£ené výrobcem)manufacturer °et¥zec popisující výrobceproduct °et¥zec popisující výrobekserial number °et¥zec sériového £ísla (umoºní p°ipojit n¥kolik stejných vý-

robk·)number of congurations po£et kongura£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°. kaºdých10 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¥ kritickép°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 datdenovanou 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 jehovýpadek. 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 musíbýt automaticky rozpoznáno opera£ním systémem. Po p°ipojení za°ízení se tedy opera£ní systémdotáºe na parametry USB za°ízení z tohoto d·vodu, aby mohl být správn¥ vybrán odpovídajícíovlada£, který se p°i prvním p°ipojení £asto instaluje. P°i identikaci za°ízení opera£ním systé-mem je za°ízení dotazováno na ur£ité parametry ve form¥ tzv. deskriptor· (p°esn¥ denovanýchblok· dat). Ukázka významu jednotlivých poloºek deskriptoru je uveden v tab. 1.2 [Mat01]. Potomto 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£as-nosti pouºívají p°enosové rychlosti 10 Mbit/s, 100 Mbit/s a 1 Gbit/s a existují snahy o zavedenírychlosti 10 Gbit/s. V²echny t°i generace pouºívaných ethernetovských sítí li²ící se p°enoso-vou 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: LANeXtensions for Instrumentation (LXI) je standard vyvinutý LXI konsorciem a byl ociáln¥ uve-den v roce 2005 rmami Agilent Technologies a VXI Technology. LXI konsorcium v sou£asnédob¥ sdruºuje kolem 50 £lenských spole£ností.

LXI je nový nástupce sb¥rnice GP-IB. LXI standard denuje parametry komunikace meziza°ízeními s p°ipojením na sí´ LAN (Ethernet). Hlavními výhodami tohoto p°ipojení je snadnádostupnost sít¥ LAN (Ethernet), její velká kapacita, rychlost atd. LXI standard má t°i hlavníatributy:

snadné p°ipojení a ovládání m¥°icích p°ístroj· s podporou peer to peer nebo master toslave p°ipojení;


umoº¬uje snadnou £asovou synchronizaci díky IEEE 1588 protokolu; a umoº¬uje snadnousynchronizaci a spou²t¥ní více LXI modul·.

LXI konsorcium p°edpokládá, ºe LXI za°ízení budou zaloºena na odli²ných systémech, kterénebudou LXI kompatibilní. Za°ízení mohou nadále obsahovat GP-IB (IEEE 488), PXI, VXI, aLAN a jiné moºnosti p°ipojení.

LXI standard denuje následující t°ídy za°ízení pro r·zné aplikace:

t°ída C: poskytuje standardní LAN p°ipojení a webový server, který je kompatibilní s LXIstandardem;

t°ída C plus: poskytuje standardní LAN p°ipojení a webový server, který je kompatibilní sLXI 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 specikace IEEE 1588;

t°ída A: poskytuje standardní LAN p°ipojení spolu s £asováním dle specikace IEEE 1588a 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 LabWin-

dows/CVI od rmy National Instruments; MATLAB od rmy MathWorks; Measure Foundryod rmy Data Translation; VEE od rmy Agilent Technologies. LXI je dále podporováno: spo-le£ností Microsoft ve Visual Studiu, Visual Basic, Visual C++, Visual C# a Visual J# ov²emtyto spole£nosti nejsou prozatím £leny LXI konsorcia.

1.7 Agilent VEE

Agilent VEE (Visual Engineering Environment) je gracké vývojové prost°edí pro programováním¥°icích, testovacích a °ídících systém·, které p·vodn¥ vyvinula rma Hewlett Packard. Vývojm¥°icího £i °ídícího programu v grackém programovém prost°edí Agilent VEE spo£ívá v sesta-vení blokového diagramu z denovaných objekt· a jejich propojení cestami signálových tok·.Tato technika oproti klasickému zp·sobu programování na úrovni vy²²ích jazyk·, umoº¬uje pod-statným zp·sobem urychlit vývoj i odlad¥ní aplika£ního programu jak pro jednoduché, tak i provelmi sloºité m¥°icí a °ídící aplikace.

Kaºdý objekt má dv¥ formy zobrazení: rozvinutý tvar nebo tvar ikony se vstupními a vý-stupními body, pomocí nichº je realizováno propojení. Podle charakteru funkce m·ºe mít danýobjekt datové vstupy (na levé stran¥ objektu) a výstupy (na pravé stran¥ objektu), které sepouºívají 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 °ízeníb¥hu programu nemají vliv. Dal²ím typem jsou sekven£ní vstupy (naho°e) a výstupy (dole), kteréslouºí pouze k °ízení b¥hu programu a umoº¬ují specikovat posloupnost aktivace jednotlivýchobjekt·. Objekt se p°i normálním b¥hu programu aktivuje v okamºiku, kdy jsou na v²ech jehodatových 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¥rniciGP-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¥tv podstat¥ t°emi zp·soby. P°ístrojovými ovlada£i s uºivatelským interfacem ve form¥ p°edníhopanelu p°ístroje, ze kterého je moºné p°ístroj v dálkovém reºimu ovládat a na jeho displejiode£ítat výsledky m¥°ení. U kaºdého takového ovlada£e je moºné libovolnou funkci p°ístrojenadenovat jako vstup nebo výstup a za°adit panel £i jeho ikonu do blokového schématu. Ne-výhodou je pom¥rn¥ dlouhá doba odezvy (zpracování vstupních dat) v porovnání s niº²í úrovní.Ta umoº¬uje denovat ovládání ur£itých funkcí p°ístroje p°ímo a její pouºití je výhodné v p°í-pad¥ pot°eby rychlé odezvy. P°i pouºití této úrovn¥ komunikace s p°ístroji je v²ak jiº t°eba znát


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 sreálnými p°ístroji lze nalézt v menu I/O. Pro odla¤ování vlastních program· je k dispozicikrokování programu, breakpoint v kaºdém objektu, zvýrazn¥ní toku dat, aktivních objekt· a téºsignálová sonda, která zobrazí historii dat v daném míst¥ programu. P°i problémech komunikaces p°ístroji lze pouºít monitor sb¥rnice, který zaznamenává ve²keré znaky vyslané £i p°ijaté posb¥rnici GP-IB (IEEE 488) pop°. po sériové lince RS-232. V prost°edí VEE lze velmi jednodu²evytvá°et uºivatelské panely, na kterých jsou obvykle zp°ístupn¥ny pouze d·leºité prvky programua zobrazení nam¥°ených výsledk·.


2 Generátory testovacích signál·

D·leºitou aplikací m¥°icí techniky je ov¥°ování funkcí nejr·zn¥j²ích elektrických za°ízení, pro-m¥°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 signáls nastavitelnými parametry a s garantovanou p°esností. Generované signály jsou stejnosm¥rné,periodické a neperiodické (stochastické £i náhodné nebo ²umové). Místo signálu náhodného sev 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 uºivatelijeví jako neperiodický.

Zvlá²tní skupinu tvo°í generátory pouºívané pro ov¥°ování EMC elektromagnetické kompa-tibility (slu£itelnosti) r·zných za°ízení. Tyto generátory generují nap°. denované 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°enzp¥tnovazebním obvodem sestávajícím se ze zesilova£e a frekven£n¥ závislého obvodu ve zp¥tnévazb¥ (ltru). P°enos tohoto obvodu závisí na frekvenci. Pouºívá se kladná zp¥tná vazba, signálse tedy z výstupu zesilova£e p°ivádí na vstup se stejnou polaritou (pouºívá se nap°. neinvertujícívstup opera£ního zesilova£e). Má-li dojít ke generování harmonického signálu o frekvenci fo, musíbýt spln¥ny dv¥ podmínky:

tzv. zesílení otev°ené smy£ky (sou£in zesílení zesilova£e a p°enosu ltru) musí být nafrekvenci fo rovno jedné;

celkový fázový posuv otev°ené smy£ky (kde sou£et fázových posuv· zesilova£e a ltru) musíbýt na frekvenci fo roven 0° nebo k · 360°, k je celé kladné £íslo.

Pro frekvence odli²né od fo je zesílení otev°ené smy£ky podstatn¥ men²í neº jedna. Zm¥nyfrekvence 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 uvedenédv¥ podmínky stability oscilací. V praxi je zesílení otev°ené smy£ky na po£átku o n¥co v¥t²í neºjedna, takºe vzniknou oscilace s postupn¥ rostoucí amplitudou, a zp¥tnou vazbou je zaji²t¥noomezení r·stu oscilací nad zvolenou úrove¬ (v nejjednodu²²ím p°ípad¥ samo£inným poklesemzesílení 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 vezp¥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£nímpásmu od stovek kHz do stovek MHz. Obvykle umoº¬ují amplitudovou a frekven£ní modulacigenerovaného signálu. V dne²ní dob¥ se tento typ generátor· konstruuje výhradn¥ jako frekven£nísyntezátory.

2.2 Syntezátory

Podle zp·sobu vytvá°ení výstupního signálu rozd¥lujeme kmito£tové syntezátory na syntezátorys p°ímou a nep°ímou syntézou. U syntezátor· s p°ímou syntézou se výstupní kmito£et vytvá°íz kmito£tu jednoho nebo n¥kolika základních generátor· pomocí aritmetických operací jako s£í-tání, 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 °ízenéoscilátory VCO (Voltage Controlled Oscilators), programovatelné d¥li£e kmito£tu, kmito£tovéfázové detektory atd.


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 jsoutedy ve vzájemné koherenci (synchronní). Stabilita výstupního kmito£tu je zde dána stabilitouzákladního 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 jehoºsignálu se odvozují v²echny výstupní signály syntezátoru. Stabilita a p°esnost výstupního kmi-to£tu syntezátoru jsou dány pouze stabilitou a p°esností kmito£tu referen£ního oscilátoru. Dlezp·sobu získání výstupního signálu, rozli²ujeme dva typy syntezátor·: syntezátor s p°ímou p°e-m¥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 zaloºenana 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). Pouºiténásobi£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£itpomocí selektivních obvod·. Tato metoda °e²ení syntezátoru se pouºívá jen v p°ípad¥, ºe poºa-dujeme 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 jeza°azen tvarovací obvod, který deformuje pr·b¥h p·vodního sinusového signálu tak, aby obsaho-val pokud moºno co nejvíce harmonických sloºek. Tvarova£em m·ºe být nap°íklad oboustrannýomezova£.

Výstupní signál SGH z tvarova£e teoreticky obsahuje nekone£n¥ mnoho harmonických sloºek,coº lze vyjád°it následujícím zp·sobem

SGH ≈x2∑

m=x1

mf0 +R, (2.1)


Obr. 2.2: Syntezátor s p°ímou koherentní syntézou, metoda s vyuºitím vy²²ích harmonickýchkmito£t·.

kde x1 je °ád nejniº²í harmonické poºadované na výstupu syntezátoru, x2 je °ád nejvy²²í har-monické poºadované na výstupu syntezátoru a symbol R ozna£uje souhrnn¥ v²echny zbývajícíharmonické, které nejsou vyuºity. Výstupní kmito£ty syntezátoru jsou tedy v rozsahu x1f0 aºx2f0 s krokem f0. Ze signálu SGH je poºadovaná harmonická vybrána aktivní ltrací s dvojímsm¥²ováním. V prvním sm¥²ova£i se vytvo°í mezifrekven£ní signál fMF, jako rozdílový produktse signálem nap¥tím °ízeného oscilátoru fh, který z·stává konstantní pro libovolný výstupníkmito£et. Signál dále prochází mezifrekven£ním ltrem s vysokou selektivitou, ve kterém jsouv²echny neºádoucí signály potla£eny. Ve druhém sm¥²ova£i se jiº vytvá°í výstupní signál fOUT ato sm¥²ováním op¥t se signálem nap¥tím °ízeného oscilátoru fh, v tomto p°ípad¥ je ale vybránsou£tový produkt.

Díky dvojímu sm¥²ování nezávisí kmito£et výstupního signálu na kmito£tu nap¥tím °ízenéhooscilátoru 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 nap°íkladu poºadovaného výstupního kmito£tu fOUT = xkf0, kde je t°eba nastavit °ízený oscilátorna kmito£et

fh = xkf0 − fMF. (2.2)

Pro kmito£et mezifrekven£ního signálu vytvo°eného v 1. sm¥²ova£i platí

fMF = xkf0 − fh, (2.3)

nebo´ ze spektra signálu SGH spl¬uje rovnici (2.3) pouze harmonická sloºka s kmito£tem xkf0.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 = xkf0 − fh + fh = xkf0. (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 kmi-to£tu a fázový záv¥s zapojený jako násobi£ kmito£tu. V zapojení syntezátoru se mohou dálenacházet násobi£e, d¥li£e kmito£tu, p°ípadn¥ i sm¥²ova£e pracující se sou£tovým nebo rozdílo-vým sm¥²ovacím produktem.

Syntezátor bez p°edd¥li£e jehoº blokové zapojení je zachyceno na obr. 2.3 [Lap01]. Na-p¥tím °ízený oscilátor (VCO Voltage Controlled Oscillator) je °ízen signálem z ltru smy£kya jeho výstupní signál s kmito£tem fVCO je sou£asn¥ i výstupním signálem syntezátoru. Tva-rova£ signálu upraví signál z VCO na signál pravoúhlý kv·li zpracování v digitálních obvodech


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. ízeníprogramovatelného 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¥ fázo-vého komparátoru. Na jeho druhý vstup je p°ivád¥n signál s kmito£tem fREF, který je v tomtop°ípad¥ p°ímo výstupním signálem referen£ního oscilátoru s kmito£tem fQ, který je nej£ast¥jirealizován jako krystalový oscilátor. Výstupní nap¥tí kmito£tového fázového komparátoru m·ºenabývat 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 zvy²ujenebo sniºuje své výstupní nap¥tí s rychlostí závislou na £asové konstant¥ integrátoru. Pokud je navstupu nulové nap¥tí, výstupní nap¥tí se nem¥ní a z·stává konstantní. Filtr smy£ky bývá £astodopln¥n zesilova£em, který upravuje rozsah výstupního nap¥tí do úrovní pot°ebných pro °ízeníVCO. Jako integrátor se pouºívá bu¤ integrátor s opera£ním zesilova£em buzeným z nap¥óvéhozdroje 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 dánrovností 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 kmitána poºadovaném kmito£tu fVCO. Výstupní frekvence je pak dána

fVCO

N= fREF → fVCO = NfREF. (2.7)

P°i zm¥n¥ d¥lícího pom¥ru N 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¤ovatk novému kmito£tu f ′VCO. P°ela¤ování trvá do doby, neº je spln¥na op¥t podmínka denovanávztahem (2.6), kdy nastane ustálený stav. Kmito£tový krok syntezátoru je v tomto p°ípad¥

∆fVCO = NfREF − (N− 1)fREF = fREF. (2.8)


Obr. 2.4: Syntezátor s nep°ímou koherentní syntézou s d¥li£em kmito£tu fREF.

Krok syntezátoru je tedy roven p°ímo kmito£tu referen£ního oscilátoru fREF, který b¥ºn¥ bývávolen v rozsahu 1 aº 50 MHz. Z toho plyne, ºe takto navrºený syntezátor by m¥l velmi hrubýkrok. 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 sta-novené v rovnici (2.6). Po dosazení vlivu d¥li£e dostaneme následující vztah

fVCO

N=fREF

M→ fVCO =

N

MfREF . (2.9)

Kmito£tový krok syntezátoru lze pak stanovit dle následujícího vztahu

∆fVCO =N

MfREF −

N− 1

MfREF =

fREF

M. (2.10)

Velkou nevýhodou zde uvedených syntezátor· je omezený kmito£tový rozsah, p°ibliºn¥ do desítekMHz. 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 dosaºenív¥t²ího kmito£tového rozsahu a to za°azením rychlého p°edd¥li£e kmito£tu s d¥lícím pom¥remP (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 neºnejvy²²í 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 odvodittento vztah pro výstupní kmito£et syntezátoru

fVCO

PN=fREF

M→ fVCO =

PN

MfREF . (2.11)

Dosaºený kmito£tový krok je pak dán

∆fVCO =PN

MfREF −

P(N− 1)

MfREF =

P

MfREF . (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 kompa-rátoru fREF, coº znamená bu¤ P-krát zvý²it d¥lící pom¥r M nebo P-krát sníºit kmito£et refe-ren£ního oscilátoru fREF. Zmen²ení pracovního kmito£tu komparátoru by v²ak m¥lo za následek


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£tukomparátoru.

Programovatelný d¥li£ kmito£tu je rozd¥len na dv¥ £ásti. První £ástí je £íta£ swallow , kterýje nastavován k bity °ídícího slova s váhami 20, 21 ... 2k−1. Velikost nastavení je vyjád°ena £íslemA. Druhou £ástí syntezátoru je hlavní programovatelný £íta£, nastavovaný n-k bity °ídícího slova sváhami 2k, 2k+1 ... 2n−1. Velikost nastavení je vyjád°ena £íslem B. ízený p°edd¥li£ sníºí kmito£et(P+1)-krát a P-krát. Impulzy s kmito£tem (P+1)-krát men²ím jsou p°ivád¥ny na vstup £íta£eswallow a impulzy s kmito£tem P-krát men²ím jsou p°ivád¥ny na vstup hlavního £íta£e. Impulzyv obou p°ípadech dekrementují stavy uvedených £íta£·.

Jakmile jsou oba £íta£e nastaveny °ídícím slovem, je °ízený p°edd¥li£ kmito£tu p°epnut nad¥lící pom¥r P + 1. Po na£ítání A impuls· je £íta£ swallow vynulován a hlavní programovatelný£íta£ je nyní ve stavu B−A. ízený p°edd¥li£ je poté p°epnut na d¥lící pom¥r P, který z·stává aºdo 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£ sep°epne na d¥lící pom¥r P + 1 a cyklus se opakuje. Pro vygenerování jednoho impulsu na výstupu


d¥lící soustavy je zapot°ebí N vstupních impuls·, které lze stanovit dle následujícího vztahu

N = (P + 1)A + P(B−A) = A + PB, (2.14)

kde N udává d¥lící pom¥r soustavy s °ízeným p°edd¥li£em. Výstupní kmito£et je potom

fVCO =N

MfREF =

A + PB

MfREF. (2.15)

Kmito£tový krok oscilátoru, lze pak odvodit následujícím zp·sobem

∆fVCO =A + PB

MfREF −

A + PB− 1

MfREF =

fREF

M. (2.16)

Zmi¬ovaná nevýhoda syntezátoru s pevným p°edd¥li£em je tedy odstran¥na.D¥lící pom¥r °ízeného p°edd¥li£e se v¥t²inou volí P = 2k, kde k je po£et bit· dolní £ásti

°ídícího slova. V praxi bývají nej£ast¥j²í d¥lící pom¥ry P/(P + 1) = 8/9, 32/33, 64/65, 128/129nebo 5/6, 10/11, 40/41. Maximální stav £íta£e swallow lze vyjád°it jako

AMAX = P− 1 = 2k − 1 → P = AMAX + 1. (2.17)

Na základ¥ podmínky B ≥ A, která musí platit, lze stanovit rozsah hodnot £íta£e swallow

AMAX = BMIN a 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). (2.19)

Maximální d¥lící pom¥r je p°i n bitovém °ídícím slov¥ dán

NMAX = 2n − 1. (2.20)

U syntezátor· s °ízeným p°edd¥li£em musí d¥lící pom¥ry N nabývat pouze hodnot v uvedenýchmezích, 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°ípot°ebné výstupní signály. Díky tomu je stabilita a p°esnost výstupního signálu závislá na p°í-slu²ných parametrech v²ech oscilátor·. Zjednodu²en¥ platí, ºe výstupní kvalitativní parametrsyntezátoru je n-krát hor²í neº odpovídající parametr jednoho z n pouºitých oscilátor·.

2.3 Generátory libovolného, denovaného pr·b¥hu

Libovolný periodický pr·b¥h je moºno (p°ibliºn¥) generovat pomocí generátoru programovatel-ného pr·b¥hu (arbitrary waveform generator). Principielní blokové schéma takovéhoto generátoruje uvedeno na obr. 2.8 [Haa02]. Základem zapojení jsou dva D/A p°evodníky pro tvorbu libo-volného signálu. Uºivatel p°itom denuje tvar pr·b¥hu a jeho frekvenci. Posloupnost N hodnotsignálu (k-bitových slov) jedné periody je uloºena v £íslicové pam¥ti generátoru. Jednotlivá slovav pam¥ti vyjad°ují amplitudy vzork·, vzdálených od sebe o stejné £asové intervaly. Tyto vzorkyjsou periodicky vybírány z pam¥ti pomocí £íta£e, který £ítá pulsy (a generuje adresy) s frekvencífS = N/T; T je perioda generovaného nap¥tí. ísla z pam¥ti jsou p°evád¥na na nap¥tí pomocíD/A p°evodníku (D/A1). Maximální hodnota výstupního signálu se nastavuje pomocí druhéhoD/A p°evodníku (D/A2), jehoº výstup je p°ipojen na referen£ní vstup D/A1. Výstupní signál jevyhlazen ltrem, který odstra¬uje p°ekmity a prodluºuje p°echody úrovní výstupního signálu zD/A1.


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 generovanéhopr·b¥hu je ur£ena po£tem vzork· na periodu signálu. Zvy²ování po£tu vzork· na periodu N,ale p°i dané frekvenci hodin generátoru fS zmen²uje rozsah nastavitelných frekvencí signálu.Frekvence generovaného signálu je totiº dána vztahem fSIG = fS/N.


3 M¥°icí p°ijíma£e

M¥°icí p°ijíma£ uskute£¬uje vlastní m¥°ení výstupního ru²ivého nap¥tí z výstupu sníma£e, jehokvantitativní vyhodnocení a p°ípadné srovnání s mezemi vyza°ování zkou²eného objektu podlep°íslu²ných norem. Pokud by m¥°ené ru²ivé nap¥tí m¥lo harmonický £asový pr·b¥h, bylo bymoºné k jeho m¥°ení pouºít b¥ºný (rádiový) p°ijíma£ pracující v lineárním reºimu, k jehoºvýstupním 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£tovéspektrum obsahuje velké mnoºství sloºek. Výsledky m¥°ení pak zna£n¥ závisejí na vlastnostechpouºitého m¥°i£e (p°ijíma£e), na jeho ²í°ce pásma, na pr·b¥hu modulové a argumentové cha-rakteristiky jeho vysokofrekven£ní i nízkofrekven£ní £ásti, na elektrických nabíjecích a vybíjecíchkonstantách detektoru apod. a v zájmu srovnatelnosti a reprodukovatelnosti m¥°ení musí býtmezinárodn¥ standardizovány.

Obvyklý m¥°i£ elektromagnetického ru²ení (RFI Meter) je koncipován jako speciální se-lektivní mikrovoltmetr na superheterodynním principu. Jeho vlastnosti jsou ur£eny p°íslu²nýminormami, hlavn¥ SN EN 55016-1-1 ed. 2. Na kvalitní m¥°i£ ru²ení jsou zde kladeny zejménatyto specické 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 lineárnímreºimu 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 vy-soké 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-

nuátoru)A, poté signál prochází vysokofrekven£ním pásmovým ltrem F1 (preselektorem), kterýbývá £asto aktivní, tj. jde o lad¥ný selektivní zesilova£. Po sm¥²ování se signálem místního osci-látoru MO ve sm¥²ova£i SM prochází získaný mezifrekven£ní signál o konstantním rozdílovém(mezifrekven£ním) kmito£tu mezifrekven£ním pásmovým ltrem F2 a n¥kolikastup¬ovým mezif-rekven£ním zesilova£em Z. K jeho výstupu je p°ipojen blok detektor· umoº¬ující výb¥r z n¥kolika

Obr. 3.1: Blokové schéma m¥°i£e elektromagnetického ru²ení.


Obr. 3.2: Vn¥j²í vzhled m¥°icího p°ijíma£e a) a spektrálního analyzátoru b) pro m¥°ení elek-tromagnetického ru²ení.

r·zných typ· detektor· (viz dále). Celý m¥°i£ je vybaven n¥kolika výstupními indikátory: zvu-kovým (po demodulaci signálu v AM/FM demodulátoru D), obrazovým displejem a výstupnímelektronickým µV-metrem (indikátorem I). 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 G poskytujícíharmonický a pulzní kalibra£ní signál s p°esnými elektrickými parametry.

Dal²ím p°ístrojem, který je v posledních letech £asto vyuºíván pro m¥°ení EMI je spektrálníanalyzátor. Jeho základní p°edností je rychlé vizuální zobrazení m¥°eného ru²ivého spektra nadispleji a tím získání celkového p°ehledu o elektromagnetickém ru²ení v daném kmito£tovémpásmu. Výhodou je obvykle i niº²í cena. Kvalitní spektrální analyzátory pro m¥°ení EMI narozdíl od analyzátor· pro obecné pouºití v²ak musí rovn¥º spl¬ovat v²echny hlavní poºadavkynormy SN EN 55016-1-1 ed. 2 kladené na m¥°icí p°ijíma£e, tj. zejména ²í°ku propustnéhopásma, vstupní impedanci, impulzní odezvu, selektivitu, ú£innost stín¥ní a dal²í. Protoºe spek-trální analyzátory jsou v¥t²inou ²irokopásmové (nejsou vybaveny vstupním preselektorem jakom¥°icí p°ijíma£e), nedosahují zdaleka tak velkého dynamického rozsahu m¥°ení a rovn¥º jejichcitlivost je obvykle niº²í neº citlivost m¥°icích p°ijíma£· superheterodynového typu. Tím docházíke zkreslení aº znehodnocení výsledk· m¥°ení zejména impulzního ru²ení. P°ední sv¥toví výrobcielektronické 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°esnýmzobrazením celého kmito£tového spektra nebo naopak spektrální analyzátory vybavené vstup-ním vysokofrekven£ním preselektorem schopné pracovat na diskrétních kmito£tech s vlastnostmiplnohodnotného m¥°icího p°ijíma£e. Uvedené p°ístroje tak p°edstavují ²pi£ku sou£asné ²iroko-pásmové vysokofrekven£ní m¥°icí techniky, navíc pln¥ vyuºívající moºností £íslicového zpracovánía 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 specikuje norma SN EN 55016-1-1ed. 2 jakoºto dal²í druh moºného m¥°i£e ru²ení i nízkofrekven£ní V-metr, který se p°ipojí


Obr. 3.3: Denice a ur£ování úzkopásmových a) a ²irokopásmových b) ru²ivých signál·.

na výstup dobrého rádiového p°ijíma£e. Tento zp·sob m¥°ení ru²ení je v²ak v praxi spí²evýjime£ný.

V technice m¥°ení EMI hraje d·leºitou roli denice úzkopásmových a ²irokopásmových ru-²ivých signál· (nap¥tí). Tyto dva pojmy mají zde totiº pon¥kud jiný význam neº v b¥ºné vy-sokofrekven£ní technice a jsou vymezovány v relaci k pracovní ²í°ce pásma m¥°i£e ru²ení. Jakoúzkopásmový ozna£ujeme takový (ru²ivý) signál, jehoº kmito£tové spektrum je uº²í neº ²í°kamezifrekven£ního propustného pásma m¥°i£e. Jak je vysv¥tleno na obr. 3.3a, úzkopásmovýmijsou v²echny harmonické signály a rovn¥º periodické (neharmonické) signály, jejichº opakovacíkmito£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¥t²íneº ²í°ka mezifrekven£ního propustného pásma m¥°i£e ru²ení. Za ²irokopásmové ru²ení se pova-ºují nejen jednorázové, p°íp. neperiodické impulzy, ale dle obr. 3.3b i periodické neharmonickésignály, jejichº opakovací kmito£et je niº²í neº ²í°ka propustného pásma m¥°i£e. Toto vymezeníje 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 pásmam¥°i£e (obr. 3.3b). Je jasné, ºe pro získání jednozna£ných, vzájemn¥ srovnatelných a reproduko-vatelných výsledk· musí být ²í°ky pásma m¥°i£· ru²ení mezinárodn¥ standardizovány. Hodnotyp°edepsané normou SN EN 55016-1-1 ed. 2 jsou pro jednotlivá m¥°icí kmito£tová pásma uve-deny v tab. 3.1.

Z obr. 3.3 m·ºeme téº ur£it, jak lze uvedené signály jednodu²e identikovat. Budeme-li m¥nit²í°ku mezifrekven£ního pásma m¥°i£e ru²ení (nap°. dle tab. 3.1), bude údaj výstupního indiká-toru m¥°i£e z·stávat konstantní, p·jde-li o úzkopásmový ru²ivý signál. Bude-li se naopak údajindikátoru 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¥zcisuperheterodynu není zavedeno automatické vyrovnávání citlivosti (AVC), nebo´ by tím bylanaru²ena jeho linearita. P°itom p°ebuditelnost takového p°ijíma£e v lineárním reºimu musí býtvysoká (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¥néhopreselektoru F1 (obr. 3.1), p°íp. vstupního lad¥ného p°edzesilova£e za°azeného na vysokofrekven£-


Tab. 3.1: í°ka pásma m¥°i£· ru²ení dle SN EN 55016-1-1 ed. 2.

pásmo rozsah kmito£t·²í°ka propustného

pásma m¥°i£e ru²ení MR

A 9 ÷ 150 kHz 200 HzB 150 kHz ÷ 30 MHz 9 kHzC 30 ÷ 300 MHz 120 kHzD 300 kHz ÷ 1000 MHz 120 kHzE 1 GHz ÷ 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 SM. Prochází-li ²irokopásmový (ru²ivý) signálo ²í°ce spektra Bsign selektivním ltrem o ²í°ce pásma BF a je-li Bsign > BF, je velikost nap¥tína výstupu ltru úm¥rná ²í°ce jeho pásma propustnosti, tedy Uvyst ∼ BF (obr. 3.3b). V zapojením¥°i£e ru²ení na obr. 3.1 platí tato úvaha jak pro nap¥tí U1 na výstupu preselektoru F1 (tj. navstupu sm¥²ova£e SM), tak i pro nap¥tí U2 na výstupu mezifrekven£ního pásmového ltru F2.Pro vzájemný odstup t¥chto nap¥óvých úrovní m·ºeme tedy psát

∆U = 20 · logU1

U2= 20 · log

B1

B2[dB], (3.1)

kde B1 a B2 jsou ²í°ky propustných pásem ltr· F1 a F2, tedy vysokofrekven£ního preselektorua 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 zmen-²ení hodnoty pot°ebného zesílení celého °et¥zce p°iná²í pouºití vstupního úzkopásmového prese-lektoru dal²í pozitivní d·sledek pro parametry m¥°icího p°ijíma£e.

Výstupní nap¥tí ²pi£kového detektoru P (Peak detector) neboli detektoru vrcholovéhodnoty je rovno maximální velikosti vstupního nap¥tí, tedy maximální hodnot¥ obálky nap¥tína mezifrekven£ním výstupu m¥°i£e ru²ení. Princip ²pi£kového detektoru je nazna£en na obr. 3.4[Sch01].

Dioda usm¥r¬uje mezifrekven£ní výstupní nap¥tí umf(t) a nabíjí kondenzátor C na maxi-mální velikost nap¥tí jeho obálky UP, jíº toto nap¥tí dosáhne v intervalu m¥°ení £i v dob¥ trváním¥°eného impulzu. Tuto hodnotu pak kondenzátor C udrºuje tak dlouho, pokud není spína£emS vybit (manuáln¥ £i automaticky) po uplynutí intervalu m¥°ení, tj. doby pot°ebné k jejímuna£tení (zaznamenání). pi£kový detektor má tedy velmi krátkou (nulovou) nabíjecí a velmidlouhou (nekone£nou) vybíjecí £asovou konstantu. Detektor proto reaguje rychle na r·st velikostiobálky 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 pásmukmito£t·.


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 10÷ 150 kHz 0, 15÷ 30 MHz 30÷ 1000 MHz²í°ka mf. pásma 200 Hz 9 kHz 120 kHznabíjecí £asová

45 ms 1 ms 1 mskonstanta R1C

vybíjecí £asová500 ms 160 ms 550 ms

konstanta R2C

£asová konstanta160 ms 160 ms 100 ms

mechanismu m¥°idla

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 hodnotavýstupního nap¥tí kvazi-²pi£kového detektoru QP (Quasi-Peak detector) úm¥rná nap¥óv¥-£asové plo²e obálky vstupního mezifrekven£ního signálu a je tedy ovliv¬ována velikostí i opakova-cím kmito£tem vstupních impulz· ru²ivého nap¥tí. Hodnota kvazi-²pi£kov¥ detekovaného nap¥tísimuluje vnímání akustických efekt· p°i impulzním ru²ení nap°. rozhlasového p°ijíma£e lidskýmsluchem [Sch01]. Ukazuje se, ºe lidské ucho vnímá stejn¥ ru²ivé °ídce se opakující impulzní (akus-tické) signály s velkou amplitudou, jako £asto se opakující impulzy s malou velikostí. Zapojeníkvazi-²pi£kového detektoru [Sch01] je z°ejmé z obr. 3.5.

Efektu kvazi-²pi£kové detekce se zde dosahuje vhodnou volbou nabíjecí a vybíjecí £asovékonstanty R1C a R2C tak, ºe kondenzátor C se mezi sousedními impulzy vºdy £áste£n¥ vybije.Výstupní nap¥tí UQP kvazi-²pi£kového detektoru je proto vºdy men²í neº odpovídající ²pi£ková(vrcholová) hodnota UP a m¥°ení s tímto detektorem je pomalej²í (tj. musí trvat del²í dobu)neº m¥°ení se ²pi£kovým detektorem.

Aby kvazi-²pi£ková m¥°ení byla jednotná, jsou hodnoty nabíjecích a vybíjecích konstant QPdetektoru normalizovány. Hodnoty t¥chto konstant dle normy SN EN 55016-1-1 ed. 2 jsou uve-deny v tab. 3.2, a to v závislosti na kmito£tovém pásmu m¥°ení a tedy i na ²í°ce mezifrekven£níhopásma m¥°i£e ru²ení (viz tab. 3.1). Na velikost výsledného nap¥tí UQP má vliv i £asová konstantamechanického ústrojí výstupního indikátoru (m¥°idla) I. Téº její hodnota je proto p°edepsánanormou.

Výstupní nap¥tí detektoru st°ední hodnoty AV (Average detector) £ili tzv. pr·m¥ru-jícího detektoru 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 kon-denzátor C1 na okamºitou hodnotu obálky tohoto nap¥tí. Díky pom¥rn¥ malé vybíjecí hodnot¥R1 sleduje p°itom nap¥tí na kondenzátoru C1 velikost obálky vstupního signálu. Nap¥tí obálkyje dále vyhlazeno ltra£ním £lenem R2C2, takºe nap¥tí na kondenzátoru C2 se ustálí na arit-metické st°ední hodnot¥ obálky vstupního signálu. Detektor st°ední hodnoty se uºívá p°edev²ím


Obr. 3.6: Detektor st°ední hodnoty.

Obr. 3.7: Odezvy r·zných druh· detektor· na signály s impulzní obdélníkovou obálkou o r·znéopakovací frekvenci.

k m¥°ení úzkopásmových ru²ivých signál· a není p°íli² vhodný pro m¥°ení impulzního ²iroko-pásmového ru²ení.

M¥°ení s detektorem efektivní hodnoty neboli tzv. RMS detektorem (Root-Mean-Square detector) nemá v technice EMC velký význam. P°estoºe norma SN EN 55016-1-1 ed. 2specikuje 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 hodnotáchru²ivých signál·. RMS detektor vyuºívá detek£ní prvky s kvadratickou charakteristikou a jehovýstupní nap¥tí je úm¥rné výkonu m¥°eného signálu. Pro libovolné ²irokopásmové ru²ení je totovýstupní nap¥tí úm¥rné druhé odmocnin¥ ze ²í°ky pásma a proto se výsledek m¥°ení efektivníhodnoty 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 ²irokopásmovýchimpulzních ru²ivých signál·. Obr. 3.7 uvádí p°íklad výstupních nap¥tí r·zných detektor· p°idetekci dvou ru²ivých signál· s pravoúhlou impulzní obálkou stejné velikosti se dv¥ma r·znýmihodnotami opakovacího kmito£tu.

Zatímco odezva ²pi£kového detektoru je na opakovacím kmito£tu zcela nezávislá a je ur£enavýhradn¥ velikostí impulzní obálky ru²ivého signálu, roste odezva kvazi-²pi£kového detektorua detektoru st°ední hodnoty s rostoucí hodnotou opakovacího kmito£tu impulzní obálky signálu,tedy s rostoucí nap¥óv¥-£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 detektorunení 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.


4 Vektorové obvodové analyzátory

Analýza vlastností obvod· (£i sítí) je jedním z nejb¥ºn¥j²ích úkol· ve vysokofrekven£ní tech-nice. Obvodový analyzátor je m¥°icí za°ízení, které je schopné takovouto analýzu provád¥t vevelmi ²irokém kmito£tovém rozsahu s vysokou p°esností a efektivitou. Obvody, které je vhodnéanalyzovat 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 nejuniverzál-n¥j²ím m¥°ícím p°ístrojem pro elektrotechnické inºenýry a pracovníky. Jeho vyuºití lze naléztnejenom ve vývojových laborato°ích p°edních sv¥tových výrobc· a dodavatel· komunika£níchsluºeb a komunika£ní techniky, ale také jako testovací p°ístroj ve výrobním procesu pro kontrolukvality nálních produkt·. Pokud se k tomuto typu m¥°icího p°ístroje propojí jedna £i více anténlze 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 denování 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 jakovlnové mnoºství. P°eklad nicmén¥ není dostate£n¥ zaºit a tak je mnohem lep²í pouºívat pojemz anglické terminologie wave quantity. Celá situace je velmi dob°e zachycena na obr. 4.1 [Hie01].

P°ímá vlna, která je ozna£ena jako (a) 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 DUTzp¥t k analyzátoru. P°ímá vlna je na obr. 4.1 zobrazena modrou barvou a odraºená vlna barvouoranºovou. Pro wave quantity lze odvodit jednotku

√W. P°enesený výkon pomocí p°ímé vlny

od analyzátoru k zát¥ºi je pak dán jako |a|2. Výkon odraºený od zát¥ºe lze pak vypo£ítat jako|b|2. Reek£ní koecient je následn¥ dán jako pom¥r odraºené vlny k vln¥ p°ímé

Γ =b

a[−]. (4.1)

initel odrazu je obecn¥ denován jako komplexní a lze ho stanovit z komplexní impedancezát¥ºe Z. initel odrazu lze vypo£ítat pomocí následujícího vztahu

Γ =z − 1

z + 1[−], (4.2)

kde z je normovaná impedance a je denovaná jako pom¥r obecné impedance Z a impedancecharakteristické Z0, z = Z

Z0. Ve vysokofrekven£ní technice je charakteristická impedance stano-

vena na 50 Ω. Zatímco v televizní a rozhlasové technice je denována jako 75 Ω. Impedance 50 Ωje 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 Ω).

initel odrazu Γ m·ºe být zobrazen v komplexní rovin¥ £initele odrazu. Ke zobrazení nor-malizované impedance z = 2 + 1, 5j se pouºívá Smith·v diagram, který je zobrazen na obr. 4.2

Obr. 4.1: Denice £initele odrazu, p°ímé a odraºené vlny.


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; shortcircuit), 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 denovat i koe-cient p°enosu a to v p°ímém i zp¥tném sm¥ru. Obr. 4.3 [Hie01] zobrazuje dvou branový obvods vyzna£enými v²emi sm¥ry ²í°ení jednotlivých signál·.

P°i porovnání £initele odrazu a jednotlivých S-parametr· (rozptylových parametr·) s11, s12,s21 a s22 zjistíme, ºe rozptylové parametry jsou pro jednotlivé brány denovány následujícímzp·sobem. Pro m¥°ení na brán¥ 1 je brána 2 zakon£ena charakteristickou impedancí a v²echnyzdroje signál· jsou vypnuty (odpojeny). Ve skute£nosti to znamená, ºe £initel odrazu Γ brány2 je roven 0. P°ímá vlna dopadající na bránu 2 nese nulovou energii a2 = 0, zatímco brána 1 jevybuzena energií, která je nesena p°ímou vlnou a1 6= 0. Situace je znázorn¥na na obr. 4.4 [Hie01].

Za t¥chto podmínek m·ºeme provést m¥°ení parametru s11 na brán¥ 1 a také m¥°ení para-metru s21, kterým je denován p°enos obvodu z brány 1 do brány 2. Koecienty s11 a s21, lze

Obr. 4.4: Dvojbran se zdrojem testovacího signálu p°ipojeným k brán¥ 1.


Obr. 4.5: Dvojbran se zdrojem testovacího signálu p°ipojeným k brán¥ 2.

stanovit následovn¥

s11 =b1a1

a2=0 ; s21 =b2a1

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 = 0 resp. a1 = 0) a brána dv¥ je buzenap°ímou vlnou a2 6= 0. Na základ¥ t¥chto podmínek m·ºeme stanovit rozptylové parametry s12,s22

s12 =b1a2

a1=0 ; s22 =b2a2

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 = s11a1 + s12a2b2 = s21a1 + s22a2

. (4.5)

Jestliºe spojíme jednotlivé rovnice pro parametry s11, s12, s21 a s22 získáme matici rozptylo-vých parametr· (S-parametr·). Parametry p°ímé a odraºené vlny jsou pak reprezentoványpomocí vektor· a a b. P°edchozí rovnice (4.5) lze zapsat následujícím zp·sobem[

b1b2

]=

[s11 s12s21 s22

] [a1a2

], (4.6)

resp.

b = Sa. (4.7)

V sou£asné dob¥ má v²ak v¥t²ina nových moderních komunika£ních za°ízení a komponent víceneº dv¥ vstupní £i výstupní brány. Je to dáno zejména komplexností a integrací jednotlivýchkomponent. V obecném popisu se pak bavíme o obecném N-branu. Nap°. t°í branový systém lzepopsat pomocí následující soustavy rovnic

b1 = s11a1 + s12a2 + s13a3b2 = s21a1 + s22a2 + s23a3b3 = s31a1 + s32a2 + s33a3

. (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 a a b a matice rozptylových parametr· je pak rozm¥ru3 × 3. Na diagonále se pak nacházejí prvky s11, s22 a s33, které p°edstavují £initel odrazu odp°íslu²né brány p°i ostatních branách zakon£ených charakteristickou impedancí systému (Γ = 0)


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 koecienty charak-terizují ²est koecient· p°enos· mezi jednotlivými branami. Obdobným zp·sobem je pak moºnécelý systém roz²í°it na libovolný po£et bran.

Vektorový obvodový analyzátor tedy generuje sinusový testovací signál, kterým je vybuzenaprom¥°ovaná brána daného za°ízení (p°ímá vlna a1). V p°ípad¥, ºe prom¥°ované za°ízení budelineární, analyzátor p°ijme odraºenou vlnu (b1), která bude také reprezentována sinusovým signá-lem. Celá situace je znázorn¥na na obr. 4.6 [Hie01]. Obecn¥ lze o£ekávat, ºe p°ímá a odraºená vlnabudou mít jiné amplitudy a budou v·£i sob¥ fázov¥ posunuty. V tomto p°ípad¥ pak rozptylovýparametr s21 p°edstavuje tyto zm¥ny.

Pro m¥°ení rozptylových parametr· m·ºeme tedy zvolit bu¤ skalární a nebo vektorový obvo-dový analyzátor. Skalární obvodový analyzátor m¥°í pouze rozdíl (pom¥r) amplitud p°íméa odraºené vlny. Modul (absolutní hodnoty) rozptylového parametru (nap°. |s21|) pak reprezen-tuje pom¥r amplitud odraºené a p°ímé vlny (nap°. b2 resp. a1). Fáze rozptylového parametru(nap°. arg(s21)) reprezentuje fázový posuv mezi p°ímou a odraºenou vlnou. Tyto zm¥ny je pakmoºné 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 chybyvzniklé p°i m¥°ení;

m¥°ení provedená pomocí vektorového obvodového analyzátoru, mohou být transformovánado £asové oblasti. Tento zp·sob zpracování získaných dat pak roz²i°uje dal²í moºnostianalýzy 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¥°enéhodnoty v£etn¥ informace o fázi.

Vektorové obvodové analyzátory mohou být obecn¥ realizovány na principu homodynu a neboheterodynu. Mnohem roz²í°en¥j²í je °e²ení pomocí heterodynního principu. Tomuto typu analy-zátoru 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 analyzátorumusí odd¥lit p°ímou a odraºenou vlnu. Odd¥lení je provedeno sm¥rovou odbo£nicí. Zárove¬


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£ema druhá je p°ivedena p°es sm¥rovou odbo£nici k testovanému za°ízení. Odraºená vlna je paksm¥rovou odbo£nicí p°ivedena na m¥°icí p°ijíma£. P°ed rozd¥lím je je²t¥ velikost testovacíhosignálu upravena elektronickým atenuátorem pro zvý²ení dynamiky m¥°ení.

Generátor generuje sinusový signál, na kterém chceme m¥°it. Obvykle je tento signál p°epí-nán 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£ese obvykle skládají z analogové (heterodyn) a digitální £ásti. Na výstupu digitální £ásti takzískáme m¥°ená data v digitální podob¥.

Nam¥°ená data jsou pak obvykle zpracovány pomocí po£íta£e. Po£íta£ se také pouºívápro korekci chyb a zobrazení nam¥°ených výsledk·. Tato £ást je obvykle kongurovatelnápomocí p°íslu²ného rmwaru.

V následujících kapitolách budou pak jednotlivé d·leºité £ásti vektorového obvodového analyzá-toru popsány podrobn¥ji.

4.3 Vstupní £ást obvodového analyzátoru

M¥°ení £initele odrazu ΓDUT vyºaduje separaci p°ímé a odraºené vlny. Odd¥lení jednotlivýchvln je moºné pomocí sm¥rové odbo£nice, kterou je obecn¥ moºné popsat jako trojbran. Naobr. 4.8 [Hie01] jsou zobrazeny dv¥ cesty ²í°ení signálu skrz sm¥rovou odbo£nici. P°ímá vlna a1,


Obr. 4.8: Analýza rozptylových parametr· sm¥rové odbo£nice.

generovaná pomocí generátoru je p°enesena z brány 1 do brány 2 s koecientem p°enosu s21. Zesm¥rové odbo£nice pak p°ímá vlna vychází ozna£ena jako b2. V p°ípad¥, ºe máme pouze jednoportový (branový) testovaný obvod DUT, vlnu vycházející ze sm¥rové odbo£nice pak m·ºemeozna£it jako aDUT. Odraºená vlna od testovaného za°ízení (bDUT), bude díky £initeli odrazuΓDUT 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 b2resp. aDUT a odraºená vlna a2 resp. bDUT. P°edchozí rovnici (4.9), m·ºeme p°epsat do následu-jícího tvaru

a2 = ΓDUT b2. (4.10)

Nakonec vlna a2 projde sm¥rovou odbo£nicí na výstupní bránu 3 s vazebním koecientem(útlumem) s32. K této brán¥ je jiº p°ipojen m¥°icí p°ijíma£. Ideáln¥ jsou parametry s21 a s32rovny 1 a signál, který projde skrz sm¥rovou odbo£nici tak není nijak ovlivn¥n. P°ímá vazbamezi 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 conejlépe p°izp·sobena. Jestliºe uváºíme, ºe generátor generuje vlnu a1 o konstantní amplitud¥,pak je p°ijímaná vlna b3 p°ímo úm¥rná £initeli odrazu ΓDUT. V reálném p°ípad¥ v²ak nelzeuvaºovat, ºe sm¥rová odbo£nice signály nijak nezkresluje.

V praxi je moºné generovaný signál vytvo°it s p°esností cca ±0.3 dB s výstupním výkonemcca 0 dBm. Nep°esnost generované vlny a1, p°ímo ovlivnit výsledky m¥°ení. e²ení toho problémuvyºaduje pouºití druhé p°ídavného (referen£ního) p°ijíma£e. Pro získání referen£ního signálu protento p°ijíma£ je nutné generovaný signál rozd¥lit pomocí d¥li£e výkonu (obr. 4.9) [Hie01]. Obavýstupy z d¥li£e jsou symetrické a poskytují na svém výstupu stejný signál (co do £asovéhopr·b¥hu) bez ohledu na p°izp·sobení jednotlivých bran d¥li£e. V p°ípad¥, ºe je DUT p°ipojenopomocí sm¥rové odbo£nice k d¥li£i, m·ºeme zam¥nit a′1 za a1.

initel odrazu ΓDUT je m¥°en jako následující pom¥r

M =b3a′1. (4.11)

P°enos vlastního signálu z generátoru p°es sm¥rovou odbo£nici je ovlivn¥n parametrem s21 (p°ed-stavuje p°enos sm¥rové odbo£nice mezi branami 1 a 2) a parametrem s32, jeº má obdobný významjako parametr s21. Odraºená vlna je tedy ovlivn¥na vlastnostmi sm¥rové odbo£nice, tento vlivje ozna£ován jako (reection tracking R £esky lze ozna£it jako pr·chozí útlum sm¥rové vazby)

R = s32s21. (4.12)


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)

Obr. 4.10 [Hie01] zobrazuje vliv parametru R. Smith·v digram je zmen²en podle modulu para-metru |R| a je pooto£en o úhel daný arg(R).

Dal²í podstatný parametr, který podstatným zp·sobem ovliv¬uje m¥°ený výsledek je samotnásm¥rovost sm¥rové odbo£nice implementované na vstupu VNA. Sm¥rovost je dána jako p°eslechsignálu z brány 1 do brány 3

D =s31R. (4.14)

Direktivita se projevuje v nam¥°ené hodnot¥ M následujícím zp·sobem D

M = R(ΓDUT +D). (4.15)

Dochází tak vlastn¥ ke zkreslení hodnoty £initele odrazu, který se snaºíme zm¥°it. V p°ípad¥,ºe velikost direktivity D je rovna £initeli odrazu prom¥°ované zát¥ºe ΓDUT, m·ºeme o£ekávatnam¥°enou hodnotu M v rozsahu od b3/a1 = 0 do cca b3/a1 = 2R ·D. Tomuto rozsahu zhrubaodpovídají 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 vlivusm¥rovosti D k m¥°enému £initeli odrazu ΓDUT zp·sobí posunutí Smithova diagramu o vektorR ·D, jak je zobrazeno na obr. 4.11 [Hie01].


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 odraºenatestovaným za°ízením (DUT), pak není celá absorbována testovací (m¥°icí) bránou. Dochází zdek 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 hodnotuM = b3/a1 je moºné zapsat následující rovnicí

M = R

(D +

ΓDUT

1− S · ΓDUT

). (4.16)

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.


Obr. 4.14: Principiální zapojení odporového m·stku.

Jestliºe vezmeme v potaz pouze dva odrazy mezi testovací bránou a DUT, pak m·ºemep°edchozí rovnici (4.16) zjednodu²it do následujícího tvaru

M = R (D + ΓDUT (1 + S · ΓDUT)) . (4.17)

Parametr R (reection tracking) zp·sobuje relativní chybu, která není závislá na £initeli odrazutestovaného za°ízení ΓDUT. Chyba m·ºe být odstran¥na pomocí konstantní (komplexní) kalib-ra£ní hodnoty. Sm¥rovost D a vliv mnohonásobných odraz· S zp·sobují chybu m¥°ení, kteráje závislá na velikosti m¥°eného £initele odrazu ΓDUT. Jinými slovy tyto chyby jsou závislé nam¥°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,bude nam¥°ený výsledek zatíºen neur£itou chybou. Pomocí absolutní hodnoty m¥°eného £initeleodrazu ΓDUT m·ºeme specikovat vliv na m¥°enou hodnotu M následujícím zp·sobem:

sm¥rovost limituje p°esnost m¥°ení zejména malých hodnot ΓDUT;

naopak mnohonásobné odrazy limitují zejména m¥°ení velkých hodnot ΓDUT.

Pro realizaci sm¥rové vazby uvnit° VNA se nej£ast¥ji pouºívají odporové m·stky (VSWRbridges) nebo sm¥rové odbo£nice. Odporové m·stky jsou vhodné pro kmito£tové rozsahy odjednotek kHz do cca 4 GHz. Naopak sm¥rové odbo£nice vyºadují pouºití minimálního kmito£tukolem 1 GHz pro dobrou vazbu a je moºné je navrhovat aº pro kmito£ty do cca 100 GHz.

4.3.1 Odporové m·stky

Odporové m·stky (VSWR bridges) jsou obvykle tvo°eny odpory R1, R2 a charakteristickou im-pedancí Z0. 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 za-pojení není na diagonální v¥tvi dosaºeno nulového nap¥tí. M·stek je napájen na brán¥ 1 zdrojemsignálu 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 =R1R2 − Z2

0

2(R1 + Z0)(R2 + Z0). (4.18)

Pro získání ideálního p°izp·sobení testovacího portu (S22 = 0), získáme následující podmínku

R1R2 = Z20 . (4.19)

Na základ¥ této podmínky je moºné odvodit následující rozptylové parametry odporového m·stku

s21 =Z0

Z0 +R2, (4.20)


Obr. 4.15: Odporový m·stek s vazbou pomocí transformátoru.

s32 =R2

Z0 +R2(4.21)

a

s31 = 0. (4.22)

Pokud je²t¥ p°ipojíme obvyklou podmínku, ºe R1 = R2 = Z0, získáme z rovnic (4.20) a (4.21)teoretickou hodnotu £initele R = 1/2 · 1/2 = 1/4, která odpovídá hodnot¥ -12 dB. Obvykle sev²ak tato hodnota uvádí v kladném rozsahu (12 dB) a velmi dob°e odpovídá technické specikacireálného za°ízení. Díky mechanickým a elektrickým tolerancím nem·ºe být dosaºeno hodnotyS31 = 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 symetrickéa 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 po-uºívají obvykle maximáln¥ do kmito£tu 4 GHz. Na druhou stranu, na nízkých kmito£tech jebrána 2 zat¥ºována velkou impedancí p°ipojenou k brán¥ 1. Nesymetrie m·ºe naru²it sm¥rovostcelého m·stku a asymetrii m·stku je pak moºné kompenzovat p°ipojením zát¥ºe k brán¥ 1 (naobr. 4.15 zobrazeno mod°e). Je také z°ejmé, ºe tato p°ídavná impedance také ovlivní i p°izp·so-bení 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 délkouλ/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 jepak 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 odrazuje 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 nebylaby pro reálné pouºití p°íli² vhodná. Z toho d·vodu jsou reálné sm¥rové odbo£nice realizoványs r·zn¥ tvarovanými pozvolnými p°echody. N¥které p°íklady t¥chto realizací jsou zobrazeny naobr. 4.19 resp. na obr. 4.20 [Hie01].


Obr. 4.16: Sm¥rová odbo£nicese zp¥tnou vazbou.

Obr. 4.17: Sm¥rová odbo£nices p°ímou vazbou.

Tab. 4.1: Typické hodnoty jednotlivých parametr· sm¥rové odbo£nice.

reection tracking |R| ≥ 0, 2 cca ≤ 14 dBsm¥rovost |D| ≤ 0, 158 cca ≥ 16 dBp°izp·sobení testovací brány |S| ≤ 0, 178 cca ≥ 15 dBfrekven£ní rozsah f = 1 GHz aº 20 GHz

Bohuºel, v²ak techniky pouºívané pro roz²í°ení kmito£tového rozsahu zvy²ují vazební útlums42 sm¥rové odbo£ni£e. Obdobn¥ pro pouºití na vy²²ích kmito£tech pak musí být jednotliváramena 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 obdobnýchd·vod· není moºné potla£it p°eslech s41. Sm¥rovost D pak není nulová. Obdobná situace nastávái u parametru s21. Typické hodnoty jednotlivých parametr· u reálné odbo£nice jsou shrnuty vtab. 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 maximálníhopovoleného vstupního výkonu VNA. Po p°ekro£ení tohoto limitu jiº VNA nepracuje v lineárnímreºimu a m·ºe dojít k neºádoucímu zkreslení m¥°eného signálu, v p°ípad¥ velkých výkon· i kezni£ení vstupní £ásti VNA. Uvaºujme p°íklad, ºe výstupní výkon VNA je nap°. 20 mW. Navýstupu zesilova£e je nap°. výstupní výkon 400 mW. Z t¥chto údaj· pak plyne, ºe je vhodnépouºít 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 jezesilova£ p°ipojen, mohou být popsány pomocí jeho rozptylových parametr· sπ11, sπ12, sπ21 a

Obr. 4.18: Zp¥tnovazební sm¥rová odbo£nice.


Obr. 4.19: Sm¥rová odbo£nices postupnou zm¥nou vazby.

Obr. 4.20: Sm¥rová odbo£nices 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°ipojeníatenuátoru a sm¥rové odbo£nice. Referen£ní rovina pro ur£ení £initele odrazu zesilova£e je takposunuta z testovací brány na vstupní port atenuátoru. Tím pádem se vlastn¥ atenuátor stávásou£ástí VNA p°i tomto m¥°ení. Veli£iny R, D a S, které byly popsány a odvozeny na za£átkukap. 4.3 je pak nutné znovu denovat. Na obr. 4.22 jsou zavedeny veli£iny R′, D′ a S′, které jsouvztaºeny ke zobrazené referen£ní rovin¥. Generovaný signál musí projít p°es sm¥rovou odbo£nicia atenuátor, kde je tento signál pat°i£n¥ utlumen podle koecientu sπ21, p°ed tím neº je odraºenod DUT s £initelem odrazu ΓDUT (£ervená £ára v obr. 4.22). Odraºený signál (vlna) pak op¥tprojde atenuátorem, kde je utlumen s koecientem sπ21 a je²t¥ projde sm¥rovou odbo£nicí. Vesm¥rové odbo£nici je je²t¥ ovlivn¥na podle koecientu s32, neº projde k m¥°icímu p°ijíma£i. Vevztahu pro reection tracking (4.12) jsou jiº parametry s21 a s32 zahrnuty. Reection trackingse zapo£tením vlivu atenuátoru lze zapsat následujícím zp·sobem

R′ ≈ Rs2π21. (4.23)

P°izp·sobení m¥°icího (testovacího) portu S′ (modrá £ára v obr. 4.22) je dominantn¥ ovliv-

Obr. 4.22: Analýza zapojení atenuátoru a sm¥rové odbo£nice.


Obr. 4.23: Analýza sm¥rovosti D′.

Tab. 4.2: Shrnutí vlivu atenuátoru na parametry sm¥rové odbo£nice.

parametr bez atenuátoru s atenuátoremreection tracking R = 13 dB R′ = 39,5 dB ≈ 40 dBsm¥rovost D =46 dB D′ = -6,4 dB ≈ -6 dBp°izp·sobení m¥°icí brány S = 26 dB S′ = 20 dB

n¥no reek£ním koecientem s11 atenuátoru. Lze tedy pouºít základního zjednodu²ení, ºe

S′ ≈ s11. (4.24)

Sm¥rovost byla p·vodn¥ denována pomocí vztahu (4.14). V p°ípad¥ p°ipojení atenuátoru(obr. 4.23) [Hie01] je nutné k parametru s31 p°ipo£ítat také vliv p°enosové cesty reprezentovanéparametry s21, sπ22 a s32. Z rovnice (4.14) je moºné odvodit rozptylový parametr s31 jako s31 =R ·D. Pouºitím rovnice (4.12) m·ºeme stanovit koecient p°enosu signálové cesty jako s21 · sπ22 ·s32 = R · sπ22. Pro odvození sm¥rovosti D′, musíme vzít v úvahu koecient p°eslechu na sm¥rovéodbo£nici R ·D+R · sπ22 a reection tracking R′ ze vztahu (4.23). Dále p°edpokládejme, ºe proreálný atenuátor platí sπ22 = sπ11. Sm¥rovost D′ je moºné vyjád°it následujícím vztahem

D′ =R ·D +R · sπ11

R · s2π21=D + sπs2π21

. (4.25)

Z p°edchozího rozboru plyne, ºe hodnoty koecient· D a R jsou vlivem atenuátoru zna£n¥ovlivn¥ny (R′, D′). 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£kujsou pak uvedeny stejné parametry pro p°ípad s p°ipojeným atenuátorem s vloºným útlumem13 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 R′,D′ a S′ kompenzovat pomocí vhodné kalibrace. Kalibrace v²ak nenív²emocná a nelze tedy pomocí kalibrace korigovat libovoln¥ velké zm¥ny jednotlivých parametr·.Nap°. není moºné adekvátn¥ kompenzovat vliv teplotních zm¥n parametr· R′, D′ a S′ pomocíkorekce chyb. Zm¥nou reection tracking z hodnoty 40 dB na 13,5 dB podstatným zp·sobemsniºujeme hodnoty SNR (Signal to Noise Ratio, odstup signálu od ²umu). Jestliºe se nebudemechtít 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 zapojitp°ídavný atenuátor. P°íklad zapojení tohoto atenuátoru je uveden na obr. 4.24 [Hie01]. Atenuátor


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 tohod·vodu, ºe sm¥rové odbo£nice umoº¬ují p°enést mnohem vy²²í výkon neº je lineární rozsahm¥°icího p°ijíma£e. Díky tomuto p°edpokladu m·ºeme provést p°esunutí atenuátoru z portu 2na místo vyzna£ené na obr. 4.24. Nyní je tedy testovaný zesilova£ moºné p°ipojit p°ímo ke vstupusm¥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 pou-ºívat 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 pro-dlouºení £i zkrácení elektrické (signálové) délky m¥°icí trasy, tento vliv na nam¥°enou hodnotuje kompenzována elektronicky. Nicmén¥ op¥tovná kalibrace s p°ipojeným atenuátorem je nutnéa to zejména z d·vod· fázových a amplitudových posuv· a zm¥n. P°i kalibraci VNA je vhodnéprovést více kalibrací pro r·zná nastavení vstupního atenuátoru. Uloºením t¥chto kalibra£níchdat, je pak moºné p°i m¥°ení vyuºívat n¥kolika nastavení vstupního atenuátoru, bez nutnostiop¥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 vhodném¥nit. K tomuto ú£elu se ve VNA pouºívají op¥t atenuátory. Díky nim m·ºeme m¥nit (zmen-²ovat) amplitudu p°ímé vlny, které je p°ivedena k testovanému za°ízení. Atenuátor umoº¬ujevhodn¥ sníºit výstupní výkon VNA, bez ovlivn¥ní sm¥rovosti sm¥rové odbo£nice. Je tedy moºném¥°it i za°ízení a zesilova£e s celkovým ziskem aº do 70 dB. Obecn¥ lze pouºít dva p°ístupy proimplementaci 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¥ ge-nerované vlny a1 i a′1 jsou ovlivn¥ny atenuátorem. U obou je tedy stejn¥ zm¥n¥na jak amplituda


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 a a′1. Zm¥nyamplitudy a fáze p°ímé vlny se na m¥°ení nijak neprojevují, protoºe jsou ob¥ vlny a1 i a′1 ovliv-n¥ny £inností atenuátoru naprosto stejn¥. Nicmén¥ díky niº²í úrovní signálu, který je p°ijímánreferen£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£níholtru.

Realizace zobrazená na obr. 4.26, kde je atenuátor zapojen pouze na jednom výstupu d¥li£evýkonu, ovliv¬uje (tlumí) pouze p°ímou vlnu a1. Vlna p°ijímaná referen£ním p°ijíma£em a′1 nenínijak atenuátorem ovlivn¥na. I v p°ípad¥ vysokých útlum· nastavených atenuátorem, nedocházík ºádnému ovlivn¥ní. M¥°icí p°ijíma£ tedy p°ijímá vlnu a′1 o dostate£ní intenzit¥ a nedochází kesníºení zhor²ení odstupu signálu od ²umu. Zm¥ny nastavení atenuátoru v²ak nemohou být zane-dbány, protoºe kaºdá z vln a′1 a a1 jsou jinak ovlivn¥ny. Je tedy nutné provést op¥t samostatnoukalibraci 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 ob-vykle superponováno na testovací vysokofrekven£ní signál. Stejnosm¥rné napájení je obvyklep°ivedeno pomocí dvou základních sou£ástek. Pro co nejmen²í ovlivn¥ní vysokofrekven£ního sig-nálu je mezi VF signál a DC napájecí signál zapojována induk£nost. Obvykle je tato induk£nostrealizována pomocí n¥kolika vzduchových cívek, které jsou navíc stín¥ny. Druhá sou£ástka (kon-denzátor) slouºí k blokování stejnosm¥rného nap¥tí tak, aby nedo²lo k ovlivn¥ní VNA. Tyto VFp°ístroje jsou totiº obvykle velmi náchylné na DC napájecí nap¥tí. Na obr. 4.27 [Hie01] je uvedenp°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. Mno-hem lep²í je implementovat stejnosm¥rnou napájecí sí´ p°ímo do obvod· portu VNA jak jeukázáno 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°irealizaci odporových m·stk· (obr. 4.15) musí být p°íslu²né kondenzátory umíst¥ny u zemnicíchuzl·.

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 osci-látory s velkým rozsahem p°elad¥ní. Pro dosaºení frekven£ní stability a spektrální £istoty jsounej£ast¥ji tvo°eny VCO a fázovým záv¥sem PLL. Základní referen£ní oscilátor je realizován jako


Obr. 4.27: Stejnosm¥rné napájení aktivních sou£ástek.

Obr. 4.28: Implementace napájecího obvodu do portu VNA.

teplotn¥ kompenzovaný oscilátor (Temterature-Compensated crystal Oscillator) TCXO p°íp.jako vyh°ívaný krystalový oscilátor (Oven Controlled temperature crystal Oscillator) OCXO.Oscilátor OCXO je obvykle nabízen jako p°íplatková valba p°i konguraci VNA. Vhodnou vol-bou vazby pomocí d¥li£ek a násobi£ek kmito£tu, mezi referen£ním oscilátorem a VCO je pakmoºné m¥nit výstupní frekvenci generovaného signálu. Pro pokrytí velkého kmito£tového roz-sahu dne²ních VNA je nutné p°epínat mezi n¥kolika VCO. Alternativn¥ lze i pouºítYttrium-IronGarnet oscillator YIG s velkým rozsahem p°elad¥ní (typ. od 2 do 20 GHz). Tyto oscilátory jsouv²ak p°ela¤ovány pomocí externího magnetického pole. P°ela¤ování vykazuje jistou hystereznícharakteristiku a znemoº¬uje tak velmi rychlé a p°esné p°elad¥ní, které je v m¥°icí technice vyºa-dováno. Nízké kmito£ty jsou obvykle generovány pomocí sm¥°ování signál· nebo pomocí d¥li£ekkmito£tu.

4.8 Referen£ní a m¥°icí p°ijíma£

Heterodynní princip (hetero znamená rozdílný) vyuºívaný ve VNA pot°ebuje ke své £innostilokální oscilátor o frekvenci fLO, která je rozdílná od frekvence p°ijímané fRF. V praxi to zna-mená, ºe dochází ke konverzi signálu do mezifrekven£ního pásma fIF = |fRF − fLO| (viz obr. 4.29)[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 ²irokopásmovéhoru²ení. 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 limitujevelikost dynamického rozsahu celého za°ízení. Pokud dojde k jeho p°ebuzení, dochází k produkcinelineárního zkreslení. Naopak lineární rozsah sm¥²ova£e je na svém spodním okraji limitován


Obr. 4.29: Blokové schéma p°ijíma£e.

p°ijímaným ²umem. Pomocí p°ipojitelného zesilova£e, tak m·ºe být optimalizován vstupní vý-kon m¥°eného signálu p°ivád¥ného na vstup sm¥²ova£e. Poºadované zesílení je zji²t¥no pomocírychlého p°edm¥°ení velikosti signálu. Tento postup je £asto ozna£ován jako automatická korekcezisku (Automatic Gain Control) AGC.

Zm¥nou frekvence lokálního oscilátoru je moºné p°evést libovolný VF signál na xní (kon-stantní) mezifrekven£ní kmito£et fIF. Tento krok zjednodu²uje dal²í zpracování prom¥°ovanéhosignálu. Toto zpracování je pak v moderních VNA °e²eno £ist¥ digitáln¥ (viz obr. 4.29). V rámcidigitálního zpracování (Digital Signal Processing) DSP mezifrekven£ního signálu je implemen-tován mezifrekven£ní ltr, který zlep²uje selektivitu daného VNA. Znázorn¥ný £íslicov¥ °ízenýoscilátor (Numerically Controlled Oscillator) NCO generuje sinusový signál, který je pouºívánke sm¥²ování mezifrekven£ního signálu na kmito£et f = 0. Následn¥ jsou pouºity dva násobi£epro I/Q demodulaci.

V p°ípad¥, ºe je t°eba realizovat VNA pro vy²²í kmito£ty, je obecn¥ velmi drahé realizovatlokální oscilátory na takto vysoké kmito£ty. Z tohoto d·vodu se vyuºívají sm¥²ova£e, které pracujís vy²²ími harmonickými základního kmito£tu (harmonic mixing). Nepouºívá se tedy lokálnífrekvence fLO = |fRF ± fIF|, ale frekvence fLO = 1/3 |fRF ± fIF|. Samoz°ejm¥ tím dojde kezvý²ení konverzních ztrát ve sm¥²ova£i. Tato nevýhoda se pak projevuje ve sníºeném dynamickémrozsahu analyzátoru.

4.9 M¥°ení na vektorových obvodových analyzátorech

Samotná m¥°icí procedura je u moderních vektorových obvodových analyzátor· °ízena pomocíp°edinstalovaného rmwaru. Pro kompletní m¥°ení v²ech S-parametr· N-branového za°ízení, jet°eba stanovit N2 rozptylových parametr·. Vektorový obvodový analyzátor v²ak primárn¥ m¥°ípouze velikost odraºené b a p°ímé a vlny v£etn¥ jejich fázového posuvu (wave quantities). M¥°eníN-branového za°ízení vyºaduje rozd¥lit samotné m¥°ení na N jednotlivých m¥°ení p°i vybu-zení kaºdé brány zvlá²´. P°i takovémto m¥°ení je pouze jedna brána aktivní (je na ni p°ivedengenerovaný testovací signál) a ostatní brány jsou pasivní. Pasivní brány pouze p°ijímají propu²-t¥né signály a testované za°ízení zat¥ºují charakteristickou impedancí m¥°icího systému (obvykleZ0 = 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).


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

b1b2b3b4

= S

a1000

⇔b1 = s11a1b2 = s21a1b3 = s31a1b4 = s41a1

. (4.26)

4.10 Zjednodu²ené realizace vektorových obvodových analyzátor·

N-branový vektorový obvodový analyzátor, jehoº blokové schéma je zobrazeno na obr. 4.7, vy-ºaduje implementaci jednotlivých díl· nezávisle pro kaºdou m¥°icí bránu. Tato implementacezvy²uje cenu celého VNA. Pro více branové analyzátory (N ≥ 3), lze proto uvaºovat o dvoumoºnostech 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 N m¥°icích p°ijíma£·. Dojdetak ke zmen²ení po£tu pot°ebných p°ijíma£· z 2 ·N na N + 1. Blokové schéma takovéhoto VNAje zobrazeno na obr. 4.31 [Hie01].

V tomto p°ípad¥ v²ak není moºné monitorovat velikost p°eslechu na p°epína£i a ani nenímoºné znát p°esnou velikost p°ímé vlny ai na pasivním portu. V tomto p°ípad¥ je pot°eba pouºítvelmi p°esných kalibra£ních technik, aby bylo moºné tuto nevýhodu kompenzovat. Samotnýp°epína£ je díky kalibraci zahrnut do chybového modelu celého VNA a jeho vliv je tím pádempotla£en. Samoz°ejmým p°edpokladem je, ºe p°epína£ musí p°epínat s opakovatelnými výsledkya 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°edpo-kladem celého zapojení je, ºe m·ºeme jakýkoliv N-branový VNA p°evést na pouze dvou branovýVNA. Tímto krokem se zna£n¥ zjednodu²it celou konstrukci VNA. Tento typ VNA je v²ak slo-ºit¥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 branáchmusí být provedeno postupn¥, kdy mezi jednotlivými m¥°eními dochází k p°epnutí m¥°enébrány. Z této úvahy je z°ejmé, ºe tento typ VNA se v kaºdém m¥°icím okamºiku chovápouze jako dvou branové VNA. Je tedy nutné provést n¥kolik m¥°ení. Pokud vylou£íme


Obr. 4.31: Blokové schéma VNA s N + 1 p°ijíma£i.

duplicitní m¥°ení m·ºeme stanovit pot°ebný po£et m¥°icích cykl· na 1/2(N − 1)N proN-branové DUT. Je logické, ºe pro tento typ m¥°ení je t°eba více £asu n¥º v p°ípad¥ jinýchrealizací VNA. Vstupní p°epína£ jednotlivých m¥°icích port· také sniºuje dynamický rozsahcelého VNA, v tomto p°ípad¥ je obvykle pouºívána men²í ²í°ka mezifrekven£ního ltru proop¥tovné zvý²ení dynamického rozsahu. Tento krok také zvy²uje £as pot°ebný pro jednom¥°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.


Vstupní p°epína£ není v tomto p°ípad¥ moºné realizovat pomocí mechanických relé, díkyjejich mechanickým vlastnostem a dlouhému £asu pot°ebného pro p°epnutí. Pouºívají setedy elektronické p°epína£e, tyto p°epína£e v²ak mají odraz na vstupní brán¥ kolem 10 aº15 dB. Brány takovéhoto typu VNA nejsou tak dob°e p°izp·sobeny jako brány analyzátorus plnou implementací v²ech pot°ebných blok· (obr. 4.7). Také ztráty vyvolené p°epínánímnejsou zanedbatelné a p°edstavují 2 aº 6 dB na kmito£tu 8 GHz. Vzhledem k tomu ºe jet°eba implementovat n¥kolik takových to p°epína£· za sebou, aby bylo moºné realizovatcelou p°epínací matici a dosáhnout pot°ebné isolace bran uvnit° p°epína£e, m·ºe se cel-kový 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 DUTa testovací port VNA (viz kap. 4.4). Samoz°ejm¥, ºe tím pádem dochází k podstatnémusníºení 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 blokovéhoschématu, 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 lineárnía nelineární.

4.11.1 Nelineární vlivy

Pokud provozujeme VNA poblíº horního okraje dynamického rozsahu, dochází zde ke kompresip°evodní charakteristiky (odklon p°evodní charakteristiky od ideálního lineárního pr·b¥hu). Kekompresi dochází zejména díky pouºití VF sm¥²ova£e v m¥°icích p°ijíma£ích. Pokud jsou m¥°enypodobné výkony jak referen£ním tak i m¥°icím p°ijíma£em, je moºné tento efekt kompenzovatp°i výsledném výpo£tu rozptylových parametr·. V praxi jsou v²ak kaºdým p°ijíma£em m¥°enyrozdílné výkony. Referen£ní p°ijíma£ a jeho sm¥²ova£ mohou být optimalizovány na pouºívanýrozsah vstupních výkon·, jejichº rozsah je p°edem znám. Naopak m¥°icí p°ijíma£ je realizovánpro typické charakteristiky typických VF za°ízení. Obecn¥ v²ak je moºné, ºe tento rozsah jeneznámý. V p°ípad¥ m¥°ení aktivních za°ízení, m·ºe jejich výstupní výkon snadno p°esáhnoutlineární rozsah p°ijíma£e a m·ºe dojít ke kompresi p°evodní charakteristiky. Typické hodnotyneur£itosti vzniklé kompresí jsou zobrazeny na obr. 4.33 [Hie01].

Na druhém konci dynamického rozsahu dochází k poklesu p°esnosti vlivem hor²ího pom¥rusignál/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¥ nedocházíke kompresi p°evodní charakteristiky a zárove¬ je pro daný výkon dosaºeno uspokojivé hodnotySNR. Z tohoto pohledu je nap°. výstupní výkon VNA -10 dBm dobrým kompromisem. Pokudchceme m¥°it DUT s vysokým ziskem a velkými výstupními výkony je nutné výstupní výkonVNA adekvátn¥ redukovat.

4.11.2 Lineární vlivy

Pokud se budeme zabývat analýzou VNA z hlediska lineárních vliv·, m·ºeme celou záleºitostp°evést na p°ípad ideálního VNA a k n¥mu p°ipojené sít¥ lineárních vliv· £i chyb. Situace jezachycena na obr. 4.34 [Hie01]. V¥t²ina chybových koecient· chybové sít¥ eik m·ºe být získánap°ímo z dat samotného systému. Pomocí matematické kompenzace pak mohou být eliminoványzbylé koecienty, které obsahují obvykle systematické chyby. Tento typ chyb je pak nutné kom-penzovat pomocí kalibra£ních dat. Z t¥chto dat jsou vypo£teny zbývající koecienty eik. Pro


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 provedenapro 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 denována referen£nírovina, kde jsou data fyzicky m¥°ena a jsou pro toto místo platná. Referen£ní rovina pro jednotlivékonektory je zobrazena na obr. 4.35 a 4.36 [Hie01]. Kalibra£ní proces tedy vyºaduje vyuºitíspeciálních jednobranových a dvoubranových za°ízení. Jedná se ve své podstat¥ o ideální zkratΓ = −1, ideální otev°ený konec vedení Γ = 1 atd. Tyto standardy spolu s kalibra£ními daty odjednotlivých 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.


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 jenutné jednotlivé známé impedance postupn¥ p°ipojovat k jednotlivým port·v VNA. Samotnéutaºení konektor· je realizováno vºdy konstantním momentem. Z t¥chto d·vod· je sou£ástíkaºdého kalibra£ního kitu momentový klí£ s p°edepsaným momentem utaºení. Detailní zobrazeníjednotlivých kalibra£ních standard· je zobrazeno na obr. 4.38 [Hie01]. Pro opakované kalibrace jevhodné pouºívat automatické kalibra£ní standardy. P°íklad vzhled automatického kalibra£níhostandardu 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 býtv tomto p°ípad¥ reprezentovány pomocí dvojbranové chybové sít¥. Nej£ast¥ji pouºívaná kalib-race je ozna£ovaná zkratkou OSM (Open Shot Match). V £eské literatu°e se dost £asto pouºíváozna£ení t°íbodová kalibrace. Pro zjednodu²ení na²ich výpo£t· m·ºeme uvaºovat ideální p°izp·-sobení (Match) Γ = 0. Zkrat (Short) a otev°ený konec (Open) jsou charakterizovány pomocíjejich £initel· odrazu ΓO a ΓS. Chybová sí´ m·ºe být reprezentována pomocí jejich rozptylovýchparametr·[

aDUT

b3

]= SG

[bDUT

a1

], kde SG =

[e11 e10e01 e00

]. (4.27)

M¥°ená hodnota M získaná z nam¥°ených parametr· p°ímé a1 a odraºené vlny b3 je dánam¥°ením na ideálním vektorovém obvodovém analyzátoru s p°ipojenou chybovou sítí. Pokudzavedeme p°edpoklad, ºe hodnotu chybového koecientu e01 poloºíme rovnu 1, zp·sobíme tímmalou chybu, které v²ak m·ºeme zahrnout do koecientu e10. M¥°ený parametr M lze speci-kovat následujícím zp·sobem

M =b3a1

= e00 +e10ΓDUT

1− e11ΓDUT. (4.28)

Jestliºe pak provedeme m¥°ení pro otev°ený konec (open ΓDUT = ΓO), zkrat (short ΓDUT =ΓS) a p°izp·sobená zát¥º (match ΓDUT = ΓM = 0) obdrºíme následující hodnoty M = MO,


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 do rovnice (4.28) charakteristické hodnoty pro ΓO, ΓS

a ΓM získáme následující vztahy

MO = e00 +e10ΓO

1− e11ΓO, (4.29)

MS = e00 +e10ΓS

1− e11ΓS, (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 koecientypomocí nam¥°ených kalibra£ních dat

e00 = MM, (4.32)


Obr. 4.40: Zobrazení chybové sít¥ pro jednu bránu.

Tab. 4.3: Vysv¥tlení významu jednotlivých korek£ních parametr·.

základní data systému korek£ní parametrreection tracking e10sm¥rovost e00p°izp·sobení m¥°icí brány e11

e10 =(ΓO − ΓS) (MO −MM) (MS −MM)

ΓOΓS (MO −MS), (4.33)

e11 =ΓS (MO −MM)− ΓO (MS −MM)

ΓOΓS (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 útlumna p°ípojné VF kabeláºi, kterými jsou jednotlivé porty p°ipojeny. Tento útlum by ovliv¬ovalm¥°ení p°enosu mezi branami. Tento kalibra£ní krok je pak ozna£ován písmenem T (Through =pr·chod). Celková kalibrace VNA v£etn¥ OSM je poté £asto ozna£ována jako TOSM.

4.14 Skalární obvodové analyzátory

Jedná se o levn¥j²í náhradu vektorového obvodového analyzátoru. Tento typ analyzátoru obvykleneobsahuje m¥°icí ani referen£ní p°ijíma£. P°ijímané signály jsou detekovány detek£ními diodamip°ímo na výstupu m¥°eného za°ízení pomocí jednotlivých detektor· a signál je pak ke skalár-nímu analyzátoru (Scalar Network Analyser 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£níodezvy 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£nívstupní £ást s m¥°icími p°ijíma£i. Díky tomu jsou také mnohem levn¥j²í neº vektorové obvodovéanalyzátory, mají v²ak také men²í dynamický rozsah m¥°ení. Tento typ analyzátor· se v¥t²inoukalibruje 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 vzájemnýfázový posuv mezi jednotlivými m¥°enými signály. Z toho také plyne jisté omezení p°i pouºití


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 jsoup°esn¥ dány jednotlivé o£ekávané parametry výrobku (produkt je jiº vyvinut) a není zde t°ebap°esného m¥°ení v£etn¥ fáze.


5 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 jed-notkách 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 nebom¥°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 jem¥°idlo, které b¥hem pouºívání reprodukuje hodnotu nebo hodnoty m¥°ené veli£iny (nap°. re-zistor známé hodnoty). M¥°icí p°ístroje se dají rozd¥lí na analogové a £íslicové (digitální). Údajanalogového m¥°icího p°ístroje je charakterizován spojitou funkcí m¥°ené veli£iny (nap°. poloharu£ky nad analogovou stupnicí). íslicový m¥°icí p°ístroj poskytuje m¥°enou hodnotu v £íslico-vém tvaru.M¥°icí p°evodník transformuje vstupní veli£inu (elektrickou nebo neelektrickou) podleur£ité zákonitosti na výstupní veli£inu (obvykle elektrickou). Série m¥°icích £len·, kterými pro-chází 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 nípracujeme 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 pojmyp°esnost a preciznost jsou nejlépe vyjád°eny pomocí p°íklad· st°elby na ter£, jejichº výsledkyjsou zobrazeny na obr. 5.1 [Cap01]. Na obr. 5.1a) je zobrazen výsledek st°elby na ter£, kdy bylavykázána jak dobrá p°esnost tak i dobrá preciznost jednotlivých st°el st°elce. Obr. 5.1b) referujeo situaci, kdy st°elec vykazoval dobrou preciznost (trefoval se do stejného místa), ale ²patnoup°esnost z d·vodu ²patn¥ se°ízeného hledí zbran¥. Obr. 5.1c) zobrazuje výsledek st°elby, kdy je²patná preciznost jednotlivých st°el, ale p°esnost je dobrá. V posledním p°ípad¥ (obr. 5.1d)) je²patná preciznost tak i ²patná p°esnost jednotlivých st°el. U kaºdého ter£e je zobrazeno statickéi 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 provéstpr·m¥r;

2) Provedení n¥kolika m¥°ení s pomocí n¥kolika obdobných m¥°icích p°ístroj·, pokud je tomoºné;

3) P°i provád¥ní m¥°ení nap°. pomocí svinovacího metru a nebo analogového m¥°i£e je vhodnéprovést 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. Kon-stantní citlivost (nezávislou na m¥°ené veli£in¥) mají lineární p°evodníky. Rozli²ení (rozli²ovacíschopnost) je nejmen²í zm¥na m¥°ené veli£iny, která vyvolá detekovatelnou zm¥nu údaje p°í-stroje (nap°. dílek nebo polovinu dílku stupnice u analogového p°ístroje nebo zm¥nu posledníhomísta £íslicového zobrazova£e o jedni£ku u £íslicových p°ístroj·). M¥°icí rozsah p°ístroje nebop°evodníku vyjad°uje meze hodnot, ve kterých se m·ºe m¥nit m¥°ená veli£ina, aby byla m¥°enase zaru£ovanou p°esností. Ovliv¬ující veli£ina je veli£ina, která není p°edm¥tem m¥°ení, alekterá 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. Podlezp·sobu ur£ení m¥°ené veli£iny se m¥°icí metody d¥lí na


a) p°ímé m¥°icí 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 funkcen¥kolika prom¥nných. Hodnoty t¥chto prom¥nných se získají pomocí p°ímých m¥°icíchmetod. P°íkladem je ur£ení odporu z údaj· voltmetru a ampérmetru pomocí Ohmovazákona.

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 druhua známé hodnoty; srovnávací metody lze dále rozd¥lit na

Obr. 5.1: Preciznost vs. p°esnost m¥°ení.


b1) diferen£ní metody, kde se m¥°ená veli£ina porovnává se stejnou veli£inou nepatrn¥odli²né hodnoty; m¥°ením se zji²úje pouze malá odchylka od obou veli£in;

b2) substitu£ní metody, kde se m¥°ená veli£ina nahradí stejnou veli£inou známé hodnotynalezené 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¥noujedné nebo n¥kolika veli£in vázaných s m¥°enou veli£inou známými matematickýmivztahy. Dosaºení rovnováhy je indikováno nulovou výchylkou indika£ního p°ístroje(nap°. kompenzátor nap¥tí, vyváºené odporové m·stky apod.).

5.2 Klasikace chyb m¥°ení

ádným m¥°ením nezískáme správnou hodnotu m¥°ené veli£iny, protoºe kaºdé m¥°ení je zatí-ºeno chybou. Výsledná chyba pak charakterizuje p°esnost m¥°ení. Ú£elem studia chyb je nalezenícelkové chyby, jednotlivých díl£ích sloºek a jejich p°í£in. Analýza chyb je základní podmínkouzvy²ování p°esnosti m¥°ení. Výsledek m¥°ení není úplný, pokud neobsahuje moºný rozsah jed-notlivých 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°esnostm¥°ení, je obvykle vyjád°ena její velikostí a znaménkem. Chybu zle vyjád°it jako absolutní neborelativní. Absolutní chyba (∆) m¥°ené veli£iny X je

∆(X) = XM −XS′ , (5.1)

kde XM je nam¥°ená hodnota a XS′ je pravá (konven£n¥ pravá) hodnota. Absolutní chyba sevyjad°uje v jednotkách m¥°ené veli£iny (nap°. V, A, W, Ω apod.). Relativní chyba (δ) je obvyklevztaºena 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)

XS[−] , δ(X) =

∆(X)

XS· 100 [%] , δ(X) =

∆(X)

XS· 106 [ppm] . (5.2)

Dále lze chyby m¥°ení rozd¥lit dle jejich projevu p°i opakovaných m¥°eních. Z tohoto pohledu senej£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·stávástálá 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 jejíhovzniku známá, lze tuto sloºku chyby odstranit korekcí. Je-li moºné zjistit konven£n¥ pravouhodnotu m¥°ené veli£inyXS jiným p°esn¥j²ím m¥°ením, m·ºeme absolutní a relativní systémovouchybu sérií opakovaných m¥°ení veli£iny X zjistit podle následujících vztah·

∆SYST(X) = X −XS [−] , δSYST(X) =∆SYST(X)

XS· 100 [%] . (5.3)

Symbol X je tzv. výb¥rový pr·m¥r z N opakovaných m¥°ení xi a lze jej vyjád°it pomocí tohotovztahu

X =1

N

N∑i=1

Xi . (5.4)

Mezi systematické chyby lze za°adit:


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 nenulovýmvnit°ním odporem). Tuto chybu lze korigovat respektováním její hodnoty v£etn¥ znaménka.Korigovanou hodnotu vypo£teme podle upraveného vztahu (5.1) jako XS = XM −∆S;

chyba nuly (ofsetu) je hodnota výstupní veli£iny p°evodníku nebo údaj p°ístroje, který jev £innosti (£ili p°ipojen k napájecím zdroj·m), p°i nulové hodnot¥ m¥°ené veli£iny. Jdeo 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£inebo v p°ed°adném rezistoru voltmetru. Absolutní chyba tohoto typu je úm¥rná m¥°enéveli£in¥.

5.2.2 Náhodné chyby

Náhodná chyba je taková chyba, která se p°i opakovaných m¥°eních téºe veli£iny (za stejnýchpodmínek) 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 statis-tickými 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 chybylze 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 zaokrouh-lování provádí pozorovatel (na nejbliº²í dílek nebo jeho £ást), £íslicové m¥°icí p°ístrojezaokrouhlují výsledek samo£inn¥ (u t¥chto m¥°icích p°ístroj· je tento druh chyby nazývánkvantiza£ním ²umem).

S výjimkou zaokrouhlovacích chyb, které jsou rovnom¥rn¥ rozloºeny, se u náhodných chyb p°ed-pokládá tzv. normální (Gaussovo) rozloºení. Toto rozloºení mají veli£iny zp·sobené mnoha ne-závislými náhodnými veli£inami nezávisle na jejich rozloºení pravd¥podobnosti. Hustota pravd¥-podobnosti normáln¥ rozloºené veli£iny X je popsána vztahem

f(x) =1

σ√

2πe−

(x−m)2

2σ2 , −∞ < x <∞, (5.5)

kde m je st°ední (pr·m¥rná) hodnota veli£iny X a σ je sm¥rodatná odchylka nebo st°ední kva-dratická chyba veli£iny X. Disperze veli£iny X je σ2. Normální rozloºení pravd¥podobnosti jedáno známou Gaussovou k°ivkou (obr. 5.2) [Haa02]. Poloha k°ivky je ur£ena hodnotou m a jejítvar 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, mezikterými leºí skute£ná hodnota m¥°ené veli£iny. í°ka tohoto intervalu je rovna dvojnásobku ab-solutní hodnoty nejv¥t²í moºné absolutní chyby m¥°ení po korekci systematické chyby. Ve st°edutohoto intervalu leºí výb¥rový pr·m¥r m¥°ené veli£iny po korekci systematické chyby. Neur£i-tost 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 chy-bou) a vn¥j²ími ru²ivými vlivy. Tolerance jsou dány pouze jako absolutní hodnoty |∆maxX |


Obr. 5.2: Normální Gaussovo rozloºení pravd¥podobnosti pro m = 0, σ = 1 a pro m = 0, σ = 4.

nebo |δmaxX |. Jejich znaménko neznáme. Aby byly hodnoty |∆maxX | nebo |δmaxX | nalezené ztolerancí a náhodných chyb skute£n¥ nejv¥t²ími moºnými chybami m¥°ení, je nutno korigovatsystematickou chybu. Pro m¥°icí systém nebo p°ístroj sloºený z velkého po£tu sou£ástí je ur£enímaximální moºné chyby z tolerancí v²ech sou£ástí nereáln¥ pesimistický odhad. Pravd¥podob-nost, ºe v²echny sou£ásti budou mít chyby téhoº znaménka a nejv¥t²í hodnoty, je totiº velmimalá. Jsou-li hodnoty pouºitých sou£ástek sice nep°esné, ale £asov¥ stálé, lze ur£it výslednousystematickou chybu experimentáln¥ a korigovat ji p°i výrob¥. Takto lze vyráb¥t velmi p°esnésloºité p°ístroje (nap°. £íslicové voltmetry) z mén¥ p°esných, ale £asov¥ stabilních díl·. Sta£í, abypouze n¥kolik klí£ových sou£ástí vyuºívaných p°i periodických kalibracích bylo vyrobeno z velmip°esných díl· (sou£ástek) [Haa02].


Literatura

[Agi01] Agilent Technologies©, Agilent VEE Practical Graphical Programming (2008 Edition).First. Edition. Agilent Technologies© Malaysia, May 2008. 470 stran. W1141-10038.

[Aim01] Aimonen, P., USB signal example. January 2012. cit. dne 13.3.2012 dostupné na:<http://en.wikipedia.org/wiki/File:USB_signal_example.svg>.

[Cap01] Capr, J. J., Practical Radio Frequency Test & Measurement (A Technician's Handbook).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. ISBN978-0-470-11800-9.

[Haa01] Haasz, V., Rorto£il, J., Novák, J., íslicové m¥°icí systémy. VUT, Praha 2000, 315stran. 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, M., Fundamentals of Vector Network Analysis. Rohde&Schwarz GmbH& Co.KG, 2005. 419 stran. ISBN: 978-3-939837-06-0.

[HWs01] HW server, USB - Universal Serial Bus - Popis rozhraní. HW server hw.cz, 2002, cit.dne 9.3.2012 dostupné na: <http://www.hw.cz/docs/usb/usb.html>.

[Kai01] Kainka, B., M¥°ení, °ízení a regulace pomocí PC (Vývoj hw a sw pro praxi. BEN, Praha2003. 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 práceIng. Ji°í D°ínovský, Ph.D.

[Las01] Laskar, J., Matinpour, B., Chakraborty, S., Modern Receiver Front-Ends (Systems,Circuits, and Integration). 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 RS-232. HW ser-ver hw.cz, 2005, cit. dne 7.3.2012 dostupné na: <http://www.hw.cz/rozhrani/hw-server-predstavuje-seriova-linka-rs-232.html>.

[Pie01] Pieper, J. M., 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.


[Rau01] Rauscher C., Fundamentals of Spectrum Analysis. Rohde&Schwarz GmbH & Co.KG,Mnichov 2007, ISBN 978-3-939837.

[Roh01] Rohde&Schwarzr, FM Stereo Tuner Measurements, Application Note RAC-0502-0012. Rohde&Schwarz GmbH & Co.KG, 9 stran, cit. dne 19.2.2012 dostupné na:<http://www2.rohde-schwarz.com/file/RAC-0502-0012.pdf>.

[Ser01] Servisní dokumentace a katalogy rem: Techniserv s. r. o. Praha; Agilent Technologies;Schaner - ENERGO PRAGA s. r. o. Praha; Siemens Matsushita Components - Siemenss. 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£ástkyOstrava; Filtana s. r. o. Velký Beranov; TESLA s. r. o. Jihlava; TESLA Blatná; TESLALan²kroun; HAKEL s. r. o. Hradec Králové; DEHN + SÖHNE Praha; Elektrotechnickýzku²ební ústav (EZÚ) Praha; SELTEKO CZ s. r. o. Praha; SALTEK s. r. o. Ústí nadLabem; a dal²í.

[Sch01] Schwab, A. J., Elektromagnetische Verträglichkeit. Springer Verlag, Berlin 1991. 449stran. ISBN 3-540-54011-3.

[Syd01] Sydenham, P. H., Handbook of Measurement Science (Volume 1 Theoretical Fundamen-tals). John Wiley & Sons, 1986. 654 stran. ISBN 0-471-10037-4.

[Syd02] Sydenham, P. H., Handbook of Measurement Science (Volume 2 Practical Fundamen-tals). John Wiley & Sons, 1988. 759 stran. ISBN 0-471-10493-0.

[Syd03] Sydenham, P. H., Thorn, R., Handbook of Measurement Science (Volume 3 Elementsof change). John Wiley & Sons, 1992. 578 stran. ISBN 0-471-92219-6.

[Vac01] Vaculíková, P., Vaculík, E. aj., Elektromagnetická kompatibilita elektrotechnických sys-tém·. Grada Publishing, Praha 1998. 504 stran. ISBN 80-7169-568-8.

[Wik01] Wikipedia (otev°ená encyklopedie, RS-232. cit. dne 19.2.2012 dostupné na:<http://cs.wikipedia.org/wiki/RS-232>.

[Wit01] Witte R. A., Spectrum & Network Measurements. Scitech Publishing, INC. 2006. 297stran. ISBN 1-884932-16-9.


Zkratky

AC Alternating Current; st°ídavý proudA/D Analog-to-Digital converter; analogov¥ digitální p°evodníkAF Antenna Factor; anténní faktor (anténní £initel)AM Amplitude Modulation; amplitudová modulaceATE Automatic Test Equipment; automatické zku²ební (testovací) za°ízeníAV Average; st°ední (nej£ast¥ji nap°. st°ední hodnota)CMOS Complementary MetalOxideSemiconductor; technologie pouºívaná p°i

výrob¥ £ip· a mikroprocesor·NI eský normaliza£ní institut v PrazeSN eská normaD/A Digital-to-Analog converter; digitáln¥ analogový p°evodníkDC Direct Current; stejnosm¥rný proudDUT Device Under Test); za°ízení podrobované zkou²ce (zkou²ené za°ízení)EMC Electromagnetic Compatibility); elektromagnetická kompatibilita (slu£itel-

nost)EMI Electromagnetic Interference; elektromagnetické ru²eníEMS Electromagnetic Susceptibility; elektromagnetická citlivostEN European Norm; evropská normaEU European Union; Evropská unieEUT Equipment Under Test; zkou²ený (testovaný) objektGSM Global System for Mobile communications, p·vodní ozna£ení v²ak je

Groupe Spécial Mobile; £esky je zkratka GSM p°ekládána jako GlobálníSystém pro Mobilní komunikaci, v sou£asnosti se jedná o nejpopulárn¥j²ístandard pro mobilní telefony na sv¥t¥

IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers; spole£nost elektro-technických a elektronických inºenýr· v USA

IF Intermediate Frequency; mezifrekvence, mezifrekven£níIL Insertion Loss; vloºný útlumI/O Input/Output; vstup/výstupNF Noise Figure; ²umové £ísloPLL Phase-Locked Loop; fázová záv¥sPWM Pulse Width Modulation; pulzní ²í°ková modulaceQP Quasi Peak; kvazi-²pi£kový (nap°. detektor)RF Radio Frequency; rádiofrekven£ní (vysokofrekven£ní) nap°. signálRFI Radio Frequency Interference; vysokofrekven£ní elektromagnetické ru²eníRL Return Loss; útlumu odrazem (reektivita)RMS Root-Mean-Square; efektivní hodnotaRX Receiver; p°ijíma£ (obvykle rádiový)SNR Signal to Noise Ratio; odstup signálu od ²umuSWR Standing Wave Ratio; pom¥r stojatých vlnTRX Transceiver; transceiver (vysíla£ a p°ijíma£)TX Transmitter; vysíla£ (obvykle vysokofrekven£ní)USB Universal Serial Bus; univerzální sériová sb¥rniceVCO Voltage Controled Oscilator; nap¥tím °ízený oscilátor


VSWR Voltage Standing Wave Ratio; nap¥óvý pom¥r stojatých vlnVNA Vector Network Analyser; vektorovým obvodovým analyzátoremWV whole vehicle; celé vozidloZO zkou²ený objekt

Documents

Radioelektronická m¥°ení - urel.feec.vutbr.czdrinovsky/?download=mrem_skripta.pdf · Josef Lap£ík ydaVatelv ysokVé u£ení technické v Brn ... Pouºívané komunika£ní sb¥rnice