××Особенностью нынешнего этапа развития радиоэлектроники является разработка устройств, выполненных на интегральных микросхемах с применением современных технологий монтажа. Изделия многих фирм имеют малые габариты и вес, и для их выпуска организуется крупносерийное производство. Примером может служить корпорация Apple (США). Эта огромная компания производит не сырьё, не военную технику, не автомобили или самолёты, а миниатюрные компьютеры и мобильные телефоны, проигрыватели и другие подобные изделия. Но, благодаря высокому качеству и обширной рекламе, они пользуются спросом в США, а их массовый выпуск позволил корпорации занять первое место в мире по уровню капитализации.
Чтобы проектировать и создавать подобные изделия необходимо добиваться высочайшего качества изделий в условиях острой конкуренции на рынке. Это значит, что рабочее место разработчика должно быть оснащено современными компьютерами и программами для математических расчётов, математического моделирования и проектирования электронных узлов. Каждый компонент нового изделия должен тщательно просчитываться с учётом его лучшего или, в крайнем случае, оптимального применения. Поэтому необходимо создавать специализированные рабочие места для исследования, проектирования и тестирования каждого компонента или узла системы.
Для оборудования рабочего места общего назначения вполне достаточен компьютерный стол.
Органы зрения, слуха и осязания человека не чувствуют малые токи и напряжения. Для большинства людей их глазами в области электричества уже давно стали электронные осциллографы [1, 2] и анализаторы спектра [3]. Такие малогабаритные приборы выпускают и лидеры рынка, например, компания Agilent Technologies (см. рис. 1). Их можно легко разместить в кейсе.
Корпорация Agilent выпускает около ста типов осциллографов. Её ручные цифровые приборы серии U1600 – это универсальные полнофункциональные осциллографы (см. рис. 2), обеспечивающие измерение напряжения и тока, сопротивления, ёмкости и других параметров электронных устройств и компонентов в частотном диапазоне от 0 до 200 МГц.
Приборы имеют по два изолированных входных канала и сертифицированы по третьей категории изоляции (600 В), что обеспечивает безопасность пользователей и предотвращает повреждение приборов при измерении высокого напряжения без заземления. Благодаря максимальному объёму памяти 2 М точек (бит) приборы позволяют захватывать сложные и неповторяющиеся сигналы без потери информации. Цветной жидкокристаллический TFT-дисплей с повышенной яркостью, диагональю 5,7² (14,5 см) и разрешением 640 × 320 точек позволяет рассмотреть детали осциллограммы даже при ярком освещении. Интерфейс USB 2.0 обеспечивает подключение к ноутбуку или настольному компьютеру.
Подобные приборы выпускают многие фирмы, например, другая крупная американская компания Fluke. Её приборы широко используются при тестировании и ремонте средств энергетической электроники и компьютерных сетей. В день, когда автор писал эти строки (15.11.2012), компания Fluke разослала сообщение о выпуске своего новейшего осциллографа – скоупметра (scopemeter) Fluke 190 серии II (см. рис. 3).
Впервые у портативного осциллографа с автономным питанием и промышленным исполнением достигнута полоса частот 500 МГц при частоте дискретизации 5 ГГц. Прибор не боится дождя и снега и даже падений с умеренной высоты.
Переносные приборы можно использовать и в стационарных условиях. Но самыми массовыми являются настольные измерительные приборы, позволяющие оборудовать стационарные рабочие места. В состав таких рабочих мест входят как минимум мультиметр, цифровой осциллограф и анализатор спектра радиочастот. Современный настольный мультиметр – высокоточный многофункциональный измерительный прибор, базовая погрешность которого составляет сотые и даже тысячные доли процента. Например, в лаборатории автора есть 6,5-разрядный мультиметр фирмы Keithley серии 2000 с базовой погрешностью 0,002% [5]. Это позволяет использовать прибор для измерения и калибровки постоянного и переменного напряжения и тока, частоты, периода, сопротивления и других параметров электронных цепей и устройств (всего 13 функций). Другим примером может быть настольный 6,5-разрядный мультиметр Tektronix DMM4040/4050.
Самыми массовыми настольными осциллографами являются изделия фирм Tektronix и Agilent. Обе фирмы в период нынешнего экономического кризиса создали серии бюджетных моделей осциллографов, например, TDS2000 компании Tektronix (см. рис. 4).
В разработке бюджетных моделей цифровых осциллографов лидирует и компания Agilent. Масштабы интервенции Agilent на рынке осциллографов малой и умеренной стоимости беспрецедентны – недавно появились две серии приборов 26 типов! Первая серия X 2000 включает 12 осциллографов с полосой исследуемых частот 70, 100 и 200 МГц, с 2/4 аналоговыми каналами и большими дисплеями высокого разрешения (см. рис. 5).
Половина приборов содержит 8-разрядный вход логических (цифровых) сигналов и относится к осциллографам смешанных сигналов (MSO). В разработке приборов серии 1000 фирма Agilent сотрудничала с китайской компанией RIGOL.
С целью экономии рабочего места и расширения функциональности используемых приборов были разработаны комбинированные приборы. Например, в осциллографы (даже портативные) часто встраивают мультиметр или генератор импульсных сигналов. Так, осциллографы новейшей серии Х 2000 фирмы Agilent оснащены встроенным функциональным генератором.
Современные, даже бюджетные, цифровые осциллографы позволяют выполнять до нескольких десятков видов автоматических измерений и могут заменить целую лабораторию [2] (см. рис. 6).
Как правило, в них предусмотрено и быстрое преобразование Фурье, позволяющее наблюдать спектр сравнительно низкочастотных сигналов.
В массовых рабочих местах обычно используются анализаторы спектра радиочастот до 3–6 ГГц [3], который охватывает диапазоны частот мобильной, сотовой и частично спутниковой связи. Анализаторы спектра – довольно дорогие приборы. Поэтому часто на рабочих местах используют их дешёвые разновидности (см. рис. 7).
Снабжённые функцией следящего генератора, такие приборы позволяют снимать АЧХ электронных компонентов, устройств и систем.
При выборе анализатора спектра для рабочего места обратите особое внимание на полосу частот. У простых и дешёвых приборов она простирается от 9 (иногда 50) кГц до 3–6 ГГц. Так что анализатор спектра – прибор высокочастотный, и от него мало пользы в звуковом и ультразвуком диапазоне частот. Правда, есть приборы с нижней частотой 20 Гц и ниже, но они дорогие.
Революционным событием в технике осциллографии стала разработка и выпуск корпорацией Tektronix новой серии мультидоменных осциллографов MDO4000 с встроенным радиочастотным анализатором спектра (см. рис. 8).
Это осциллографы смешанных (аналоговых и логических цифровых) сигналов с возможностью полноценного спектрального анализа аналоговых сигналов в частотной области. Один из таких приборов был предоставлен автору для испытаний Российским отделением корпорации Tektronix в середине 2012 г.
Приборы оснащены модулями микропрограммного обеспечения и способны выполнять многие функции систем компьютерной математики, таких как матричная лаборатория MATLAB [6]. На рисунке 9 показано тестирование таким прибором последовательной шины.
На экране видна работа интеллектуальной «лупы времени» Wave Inspector, временнáя диаграмма (обычная осциллограмма), спектрограмма и спектр сигнала данных тестируемой шины. Спектрограмма строится в плоскости частота – время, причём интенсивность спектральных линий обозначается цветом.
Анализатор спектра DMO4000 относится к классу векторных, т.к. он получает спектр сигнала с отсчётами в комплексном виде и позволяет вычислить не только амплитудно-частотную, но и фазочастотную характеристику сигнала, построить форму искажённого сигнала и оценить степень искажений (см. рис. 10).
При изучении сильно зашумлённых сигналов обычные осциллограммы бесполезны – видна лишь шумовая дорожка. Спектр позволяет выявить и измерить основные частотные составляющие сигнала – частоту и амплитуду, а спектрограмма позволяет наблюдать их изменение во времени (см. рис. 11).
Некоторые фирмы (Tektronix, Agilent, Rohde&Schwarz и др.) выпускают гораздо более высокочастотные анализаторы спектра – вплоть до 300 ГГц. Но это дорогие и обычно громоздкие приборы специального назначения. Чаще всего их возможности для наших разработчиков кажутся почти фантастическими, а цена – запредельной.
Стоит отметить ёще один класс приборов – генераторы сигналов различной формы [4]. В наши дни завершается переход на полностью цифровые генераторы, и число типов таких генераторов на рынке нарастает лавинообразно. Наряду с громоздкими генераторами ведущих фирм мира с уникальными параметрами, на рынок поставляются бюджетные модели генераторов китайских, южнокорейских и российских фирм. Например, автор приобрёл бюджетный генератор АКТАКОМ AWG-4150, который имеет два независимых канала и генерирует полсотни видов сигналов различной формы, включая произвольную.
Новый модельный ряд цифровых генераторов сигналов различной формы DG5000 (см. рис. 12) крупной китайской компании RIGOL включает модели с максимальными частотами от 100 до 350 МГц. Генераторы имеют графический TFT-дисплей с высокой разрешающей способностью, диагональю 4,3² (11 см) и 16 млн цветов, который отображает форму сигнала, значения установленных параметров, карту кодоимпульсной модуляции сигнала и другие данные. Минимальное время нарастания и спада составляет 2,5 нс в старших моделях и 3 нс в младших.
Немаловажное значение имеют источники электропитания электронной аппаратуры. Сейчас на рынке можно найти множество типов линейных и импульсных источников электропитания с практически любыми характеристиками. Фирма Agilent выпускает анализаторы источников электропитания с полным набором средств их контроля и встроенными блоками для питания внешних испытуемых устройств (см. рис. 13).
Остаётся сказать несколько слов о рабочих местах (см. рис. 14) разработчиков оборудования для научной, в частности, микроэлектронной, атомной и космической областей [5].
Обычно в них используются лучшие приборы фирм Tektronix, Agilent и LeCroy с верхней частотой полосы исследуемых сигналов от 300 МГц до 5–6 ГГц. Есть приборы реального времени с верхней частотой до 40–50 ГГц и стробоскопические осциллографы с частотой до 80–100 ГГц. Это дорогие (многие десятки тысяч долларов) и уникальные приборы штучного применения.
При разработке и тестировании электронных компонентов и узлов широко применяются приборы с компьютерной обработкой данных и компьютерным управлением (см. рис. 15).
В процессе разработки и производства даже одной СБИС используются десятки приборов, на базе которых создают специализированные измерительные стенды (см. рис. 16).
Дорогие и уникальные приборы вряд ли можно увидеть на обычных рабочих местах. Но надо понимать, что подобные генераторы, широкополосные осциллографы и анализаторы сигналов, СВЧ-анализаторы спектра и анализаторы цепей определяют лицо современной электроники и её новых разработок на базе достижений фундаментальной науки.
Литература
- Дьяконов В.П. Современная осциллография и осциллографы. СОЛОН-Пресс, 2005.
- Афонский А.А., Дьяконов В.П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. СОЛОН-Пресс, 2007.
- Афонский А.А., Дьяконов В.П. Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики. СОЛОН-Пресс, 2009.
- Дьяконов В.П. Современные измерительные генераторы сигналов. ДМК-Пресс, 2011.
- Афонский А.А., Дьяконов В.П. Электронные измерения в нанотехнологиях и в микроэлектронике. ДМК-Пресс, 2011.
- Дьяконов В.П. MATLAB и SIMULINK для радиоинженеров. ДМК-Пресс, 2011.
© СТА-ПРЕСС
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
