Потребность в диагностике электрических цепей возникает у специалистов, занимающихся разработкой, проектированием, настройкой, регулировкой и ремонтом различных электронных устройств. И простыми тестерами радиоэлементов здесь не обойтись.
Каждая радиодеталь имеет определённый разброс характеристик, определяемый техническими условиями производителя. Потому после замены неисправного элемента на аналогичный, обычно требуется настройка и регулировка ремонтируемого узла или блока. Это особенно актуально при работе с высокочастотными схемами, когда любое непродуманное вмешательство в изделие может в лучшем случае существенно ухудшить его характеристики, а в худшем — привести к полной утрате работоспособности.
С помощью приборов для анализа электрических цепей решаются различные диагностические задачи. Существует целый класс таких средств измерений, отличающихся по функциональным возможностям, метрологическим характеристикам, степени автоматизации и цене.
В статье проведён анализ возможностей таких устройств и приведены сценарии их практического применения для тестирования цепей.
Время чтения: 28 минут
Назначение анализаторов электрических цепей
Измерение электрических характеристик различных узлов и блоков требует от специалиста определённой теоретической подготовки и навыков в работе с приборами для проверки электрических цепей.
Для описания цепей-четырёхполюсников используют несколько подходов. Наиболее распространён метод, использующий систему S-параметров, для измерения которых применяют приборы, называемые анализаторами цепей. Они состоят из генератора и приёмника гармонических сигналов. Последний, как правило, одновременно выполняет роль нагрузки для изучаемой схемы. С целью получения сведений о поведении S-параметров в определённом частотном диапазоне, оба устройства выполняются автоматически перестраиваемыми в пределах заданного спектрального участка.
Эти параметры состоят из следующих коэффициентов:
- S11 отображает отражения сигнала от входа испытываемого четырёхполюсника. Он характеризует величину рассогласования источника сигнала, подключённого к входу устройства, и его входного сопротивления. Если этот коэффициент стремится к бесконечности, то имеет место полное рассогласование. При этом энергия сигнала полностью отражается от входа тестируемой схемы. Такая ситуация возможна при коротком замыкании входной цепи или её обрыве. Если S11 равен нулю, то вся энергия источника поглощается четырёхполюсником. Это происходит при равенстве выходного сопротивления генератора и входного — исследуемой схемы.
- S12 показывает, какая часть энергии сигнала возвращается с выхода на вход четырёхполюсника.
- S21 характеризует ослабление (увеличение) мощности сигнала после его прохождения через испытуемую цепь.
- S22соответствует мощности, поступающей с выхода устройства в подключённую к нему нагрузку. Если S22 стремится к бесконечности, то вся энергия отражается от нагрузки обратно к выходу четырёхполюсника. Это происходит при коротком замыкании или обрыве в нагрузке. При равенстве значений выходной проводимости диагностируемого устройства и нагрузки, поступающая энергия поглощается в ней.
В большинстве измерителей результаты тестов отображаются в виде таблиц и графиков. Их визуализация происходит с помощью круговой диаграммы Вольперта-Смита.
Этот графический инструмент необходим при анализе электрических цепей и их характеристик. К таким цепям относятся пассивные, т. е. не содержащие активных элементов (транзисторов, диодов, микросхем) двух и четырёхполюсные схемы.
На этом графике выделяют несколько разновидностей кривых:
- концентрические окружности модулей коэффициентов отражения и КСВ с центрами, совпадающими с центральной точкой диаграммы (внешняя окружность на рисунке соответствует величине КСВ, равной бесконечности);
- радиальные линии, соответствующие различным значениям фазовых углов коэффициентов отражения или длин волн (для простоты на рисунке не показаны);
- окружности постоянных величин активных сопротивлений;
- круги постоянных значений реактивных сопротивлений — их центры находятся за пределами рисунка.
Круги, обозначенные числами 0.25, 0.5, 1, 2, 4 соответствуют индуктивному значению импеданса. Такие же круги, помеченные аналогичными числами со знаком «-», соответствуют ёмкостному импедансу. Область индуктивных значений находится выше горизонтальной оси. Аналогичная зона ёмкостных величин располагается ниже этой оси. Этот факт проиллюстрирован на диаграмме соответствующими схемными обозначениями индуктивностей и ёмкостей.
Каждой произвольной точке диаграммы соответствует единственное значение комплексного импеданса. Для удобства использования график содержит величины, нормированные относительно волнового сопротивления измерителя, применяемого при тестировании. Оно обозначается латинской буквой ρ, приводится в паспортах на приборы и в большинстве случаев равно величине 50, реже 75 Ом. Нормирование позволяет ограничить диапазон составляющих комплексного импеданса значениями в диапазоне от 0 до 1.
Основная задача, решаемая с помощью диаграммы — вычисление импеданса нагрузки, подключённой к тракту передачи энергии, по величине измеренного КСВ и положению минимума напряжённости электрического поля (или значению фазового угла коэффициента отражения).
Существуют наглядные средства, позволяющие на практике ознакомиться с возможностями круговой диаграммы Вольперта-Смита. Одно из них представлено на следующем фото.
Это печатная плата, на которой собраны пассивные фрагменты радиоцепей (индуктивности, конденсаторы, колебательные контуры, фильтры и т. д). Они находятся в областях платы, пронумерованных числами от 1 до 18.
В каждой области имеется упрощённое схематическое изображение диаграммы Вольперта-Смита, на которой жирной линией изображена кривая зависимости импеданса от периода колебаний (длины волны).
Подключив анализатор к контактам соответствующей области платы, можно на его экране получить полноценный график с оцифрованными осями координат, эквивалентный изображённому на ней.
Основные метрологические свойства и критерии выбора анализаторов
К главным параметрам рассматриваемых устройств относятся:
- частотный и динамический диапазон генераторной и приёмной частей измерителя;
- полоса и скорость сканирования;
- погрешности и разрешение при измерении амплитуды, фазы и периода колебаний;
- временная стабильность;
- мощность генератора;
- чувствительность приёмника и его перегрузочная способность.
Значения этих параметров являются определяющими при подборе измерителя. С точки зрения удобства эксплуатации, имеет смысл использовать аппараты, обеспечивающие удобную визуализацию, запоминание, автоматизацию обработки результатов тестов и их передачу на внешние устройства через встроенные интерфейсы.
На примере приборов KC901Q и LibreVNA, принадлежащих к разным ценовым сегментам, ознакомимся с основными характеристиками и особенностями устройств рассматриваемого назначения. Параметры этих изделий сведены в следующую таблицу.
| Параметр/модель | KC901Q | LibreVNA |
| Диапазон рабочих частот | 9 кГц–20ГГц* | 100кГц–6ГГц |
| Полоса качания | 9 кГц–30ГГц | 100кГц–6ГГц |
| Подавление зеркального канала по 1 промежуточной частоте, дБ | 0 | - |
| Подавление зеркального канала по 2 промежуточной частоте, дБ | 40 | - |
| Чувствительность, ограниченная шумами, дБм (полоса частот) |
От -101 до – 113 (1 МГц–7 ГГц) От -98 до – 110 (7–15 ГГц) От -95 до – 101 (15–22 ГГц) |
-100 |
| Предельный уровень входного сигнала, дБм | +15 | +10 |
| Нестабильность частоты, ppm | 0.3 | ˂2 |
| Скорость обзора, мс (для разрешения по частоте, кГц) | 1.2 (30); 1.5 (10); 2.4 (3); 3.4 (1) | - |
| Разрешение по частоте, Гц | 0.1, 1 | - |
| Разрешение по амплитуде, дБ | 0.01 | - |
| Разрешение по фазе, град | 0.01 | - |
| Уровень выходного сигнала генератора, дБм (полоса частот) |
От -10 до +10 (1 МГц–7.5 ГГц) От -10 до +6 (7–20 ГГц) |
От -40 до 0 (100кГц–6ГГц) |
| Динамический диапазон измерения уровня сигнала дБ (полоса частот) |
80 (2–15 ГГц) 40 (15–26.5 ГГц) |
95 (100 кГц–3000 МГц) 50 (3000–6000 МГц) |
| Интерфейсы связи с внешними устройствами | USB, RG-45, TF card | USB 2.0, 3.0 |
| Источник питания | 220В, аккумулятор 6.5В | 5 В, 1,5 А (USB) |
| Габариты, мм | 200 х 114 х 46 | 122 х 98 х 16 |
| Вес, кг | 1.2 | 0.6 |
| Ценовой сегмент | Премиум | Средний |
Примечание.
*Для режима тестирования коэффициента отражения. Качественный анализ спектра возможен в диапазоне 9 кГц–30ГГц*.
Векторный анализатор электрических цепей MEASALL KC901Q
Это устройство поддерживает ряд основных функций:
- тестирование S-параметров цепей (коэффициентов отражения S11 и передачи S21);
- оценка мощности высокочастотных сигналов;
- отличные точностные свойства и характеристики разрешения;
- широкий диапазон рабочих волн;
- возможность автономного использования, в т. ч. и в полевых условиях;
- наличие дополнительных функций (анализатора спектра, измерения коэффициентов усиления антенн, обнаружение источников радиопомех, настройки дуплексёров).
Расположение органов управления на передней панели прибора показано на следующем рисунке.
Назначение органов управления измерителем:
- F1–F5 — функциональные клавиши.
- CENT — установка центральной частоты полосы сканирования.
- SPAN — задание диапазона сканирования.
- MODE — переключатель между разными функциональными блоками меню и его отдельными функциями.
- FUNC — ввод системных настроек.
- STOP/RUN — запуск (остановка) сканирования.
- +/- — изменение выбранного параметра, которое происходит с большим шагом, чем при использовании поворотной ручки.
- SAVE, SAVE AS — выбор способа сохранения результатов испытаний.
- READ — запуск режима чтения.
- MARK — вход в курсорную функцию меню и активация кнопки управления маркером.
- AMP — настройка опорного уровня источника сигнала и вертикального масштаба при тестировании КСВ.
- BRIGHT — установка яркости дисплея.
- Po.ATT — управление выходным аттенюатором встроенного источника сигнала.
- BEEP — активация звуковой индикации.
- PWR — выключатель питания.
- SHIFT — вход в подменю второстепенных функций.
- SAVE/CALL — активация сохранения результатов тестов в карте памяти micro SD или их вызова из памяти.
- READ/CALL — запуск чтения записанных данных.
- LOCK/ENTER — блокировка клавиатуры для защиты от случайного нажатия или ввод выбранных параметров.
Схемотехника прибора состоит из трёх блоков: генераторного, измерительного и вычислительного.
В генераторный блок входят следующие узлы, обозначенные цифрами:
- 1 — генератор сигналов диапазона частот от 3.5 до 15 ГГц.
- 2, (6) — источники колебаний диапазона от 0.06 до 7 ГГц (0.001–60 МГц).
- 3 — умножитель частоты на 2.
- 4, 7 — коммутаторы высокочастотных сигналов.
- 5 — выходной аттенюатор.
Генераторы ВЧ-напряжений (1), (2) и (6) необходимы для перекрытия сверхширокого диапазона 9 кГц–30 ГГц. Сигналы от 15 до 30 ГГц формируются путём умножения колебаний генератора (1) в умножителе (3). В зависимости от выбранных параметров обзора, сигнал соответствующего генератора через коммутаторы (4) и (7) подключается к аттенюатору (5), ослабляется до заданного оператором уровня и поступает на выход (1).
Измерительный блок состоит из двух одинаковых каналов приёма. При диагностике коэффициента S11 первый канал служит для получения информации об амплитуде и фазе падающей волны, распространяющейся от выхода (1) в сторону объекта тестирования. Он подключается к нему и к входу (1) анализатора через внешний направленный ответвитель.
Второй канал применяется для извлечения аналогичных данных об отражённой волне, которая выделяется с помощью направленного ответвителя. В режиме диагностирования S21 исследуемая цепь подключается непосредственно к выходу и входу прибора.
В состав первого (второго) приёмных трактов входят:
- 9, 11 (13,18) — смесители.
- 10, 12 (15,18) — полосовые фильтры.
- 8 (14) — умножители частоты на 2.
Общими для обоих приёмных каналов выступают гетеродин (17), генерирующий напряжение 110 МГц и перестраиваемый гетеродин (19), работающий в диапазоне от 0.169 до 15 ГГц.
Приёмники построены по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием. С их выходов сигналы поступают на вычислительный блок. В состав блока входят аналогово-цифровой преобразователь (20), узел анализа и обработки оцифрованных данных (21) и дисплей (22). Назначение этих элементов в комментариях не нуждается.
Поскольку в схеме приёмного тракта на входе смесителя (14) отсутствует преселектор, зеркальный канал приёма по первой промежуточной частоте не подавляется. При неблагоприятной помеховой обстановке это может повлиять на достоверность измерений, особенно при определении направления на источник излучения. В таких случаях производитель предлагает использовать режекторный фильтр, который не входит в комплект изделия и приобретается отдельно.
Векторный измеритель LibreVNA
Особенность прибора:
- устройство позволяет тестировать все S-параметры четырёхполюсников;
- имеется встроенная светодиодная индикация состояния;
- обеспечивается поддержка функции анализатора спектра;
- не может использоваться для автономной работы — для этого нужен внешний источник питания и компьютер с операционной системой Windows, Linux или MacOS (64 bit).
Сценарии использования анализаторов цепей
Вариантов применения контрольно-измерительного оборудования этого типа немало. Рассмотрим основные.
Измерения в антенно-фидерных устройствах
Тестирование импеданса антенны, оценка её коэффициента усиления, диагностика неисправностей. Условия установки антенны оказывают большое влияние на все её характеристики, в том числе и на импеданс.
Для получения корректных результатов тестирования эксперименты нужно проводить в обстановке, максимально приближённой к условиям эксплуатации. Антенны портативных устройств испытывают с использованием модели корпуса. Если это по каким-то причинам невозможно, их размещают над металлической поверхностью, размеры которой значительно больше размеров излучателя. Такая поверхность играет роль противовеса.
Высота антенных опор, применяемых в испытаниях, должна быть больше двух рабочих длин волн. При измерении коэффициента усиления расстояние между тестируемой и эталонной антеннами должно быть не менее 10 рабочих длин волн. Чтобы устранить влияние отражённых от поверхности земли радиоволн на итоги тестов, выполняют несколько испытаний на разных расстояниях между излучателями. Затем результаты исследований усредняют.
Идеальные условия тестирования создаются в безэховой камере. При её отсутствии измерения проводят на ровной, открытой местности, на которой нет крупных металлических предметов (линии электропередач, трубопроводов и т. д.). Размеры такого участка местности должны быть не менее 100 рабочих волн.
Тестовый высокочастотный кабель, который соединяет измеритель с антенной, должен проходить через тороидальное кольцо, расположенное как можно ближе к ней. При диагностике неисправностей радиочастотных кабелей учитывают, что если на его конце кабеля имеется разрыв цепи или короткое замыкание, то потери составляют примерно половину энергии отражённой волны.
Тестирование и настройка дуплексёра
Это устройство, позволяющее обеспечить работу приёмника и передатчика на одну антенну при условии их настройки на разные рабочие волны. Такие изделия широко применятся в радио и радиорелейных станциях УКВ диапазона.
Аббревиатуры ФНЧ (ФВЧ) расшифровываются как фильтры нижних (верхних) частот соответственно. Это классические пассивные четырёхполюсники. В более сложном варианте вместо ФНЧ и ФВЧ используют полосовые фильтры.
Для рассматриваемой схемы частота настройки передатчика (F1) должна быть выше, чем аналогичный параметр для приёмника (F2). Приёмник и передатчик можно поменять местами при соответствующем изменении их рабочих волн.
Фильтры могут изготавливаться на индуктивностях и конденсаторах, отрезках линий передач или объёмных резонаторах. Независимо от варианта изготовления, все они содержат элементы настройки для получения необходимых частотных характеристик. Для настройки вход измерителя подключают к входу антенны, а выход — к ФНЧ. Неиспользуемый выход ФВЧ нагружают на согласованную нагрузку 50 (реже 75) Ом, номинал которой определяется входным импедансом приёмника и выходным — передатчика.
В процессе регулировки ФНЧ эмпирическим путём добиваются минимального затухания в области спектра (F2) и максимального в области (F1). Затем выход измерителя и согласованную нагрузку меняют местами и регулируют ФВЧ так, чтобы получить максимальное затухание на (F2) и минимальное на (F1). После регулировки на F1 (F2) ФВЧ (ФНЧ) будет обеспечен их активный импеданс, близкий к расчётному.
В большинстве практических случаев затухания, вносимого ФВЧ на F1 в 2 дБ и на F2 в 40 дБ, оказывается вполне достаточно. Для ФНЧ наоборот. Вид экрана дисплея MEASALL KC901Q в режиме испытаний полосового режекторного фильтра, применяемого в дуплексёрах, изображён на следующем фото.
Из осциллограммы видно, что на частоте 439.02 МГц (в точке размещения зелёного курсора 2) фильтр обеспечивает максимальное затухание не менее минус 91.08 дБ. В полосе пропускания на частоте 434 МГц (в точке нахождения красного курсора) реализовано затухание минус 15.62 дБ. Разница между этими величинами составляет 75.46 дБ. Соответствующие данные представлены в верхней части дисплея. Там же индицируется пиктограмма с обозначением измеряемого параметра (S21) и масштаб по горизонтальной оси, величина которого равна 44.44 кГц.
В нижней части экрана отображается уровень выходного сигнала генераторной части измерителя (13 дБ), значение центральной волны (439.2 МГц) и ширина полосы обзора (20 МГц).
Оптимизация работы дуплексёров в реальном времени в процессе эксплуатации радиосредств реализована в технике связи специального назначения для силовых структур. Для этого применяются встроенные измерители и специальные настроечные таблицы.
Измерение электрической длины линии передачи энергии
Электрическая длина радиочастотного кабеля отличается от физической в результате укорочения длины волны в нём. Оно происходит из-за использования в конструкции кабеля диэлектрика, диэлектрическая проницаемость которого отличается от единицы. Укорочение рассчитывается по сравнению с величиной длины волны для свободного пространства. Знание этого параметра необходимо для изготовления различных элементов на отрезках линий передач. К ним относятся реактивные шунты, симметрирующие устройства, элементы грозозащиты антенн и т. д.
На представленном графике по вертикали откладывается величина фазы в градусах, а по горизонтали — длина волны. В верхней части дисплея индицируются результаты теста: значения частот, фаз и расстояние между точками размещения красного и зелёного курсоров в метрах.
Качественная оценка спектра
В KC901Q функция анализа спектра предназначена только для ознакомительного использования. Максимальный уровень мощности на входном порте изделия составляет +20 дБм, а предельное постоянное напряжение 15В.
Обнаружение положения источников радиопомех
При использовании этой функции требуется применение дополнительного оборудования (узконаправленной измерительной антенны, поворотной опоры с угломерным устройством для её размещения и др.).
Независимо от видов испытаний, для получения достоверных результатов необходимо соблюдать следующие правила:
- производить подготовку средств измерений к работе в соответствии с рекомендациями производителей;
- контролировать вносимые соединительными кабелями потери и немедленно заменять или ремонтировать непригодные;
- с помощью увеличительного стекла или микроскопа проверять состояние поверхностей радиочастотных соединителей на предмет отсутствия видимых дефектов, мелкой металлической пыли, появляющейся в результате износа коннекторов, и регулярно её удалять;
- контролировать уровень шума анализатора с неподключённым входом (например, для KC901Q на частоте 450 МГц он должен составлять не менее минус 90 дБ);
- не перегружать входную цепь измерителя мощным сигналом, чтобы избежать получения искажённых тестов или повреждения устройства.
KC901Q подходит для обнаружения только постоянно действующих источников излучения. Для диагностики непериодических импульсных излучений необходимо использовать спектрометры реального времени, например, RSA5065.
Рассматриваемый класс измерителей включает в себя многофункциональные устройства, которые востребованы инженерами и техниками различных специализаций. Среди них инженеры-исследователи, разработчики, регулировщики, монтажники и ремонтники различной радиоэлектронной аппаратуры, а также специалисты в области антенно-фидерных систем.
Современные аппараты для исследования цепей представляет собой программно-управляемые точные измерительные приборы. Чтобы купить анализатор с требуемыми характеристиками и не ошибиться в выборе, нужно проанализировать метрологические возможности устройств, доступных для приобретения, и условия их эксплуатации.
Важно соблюсти соответствие этих сведений специфике решаемых задач. Упростить поиск и подбор профессионального инженерного оборудования можно, используя навигационные ресурсы сайта магазина Суперайс.
Там же в режиме реального времени можно получить консультацию менеджера по продуктам или технического специалиста.
Существуют другие измерители, в которых возможность тестирования цепей поддерживается как опция. К ним относятся некоторые анализаторы радиочастотного спектра. Но профессионалы знают, что многофункциональность большинства средств измерений обычно достигается в ущерб другим их качествам, например, точностным свойствам или стабильности. Поэтому иногда специализированные измерители оказываются более актуальными, чем те, которые поддерживают множество второстепенных функций.
