Мы запустили новую версию сайта. Старая версия сайта доступна здесь.
ru en
Автор: Андрей В. Горевой, к.т.н., ведущий инженер ДИИС, АО «НПФ «Микран» andrew.gorevoy@micran.ru


В линейке измерительных продуктов СВЧ производства АО «НПФ «Микран» существует класс портативных приборов Portable Lab Devices®. Характерными особенностями приборов являются компактность, питание и управление от шины USB, а также умеренные или высокие функциональные возможности и электрические характеристики. Сегодня весь класс представлен измерителями мощности PLS (Portable Lab Sensor) до 6/26,5/50 ГГц и генераторами сигналов СВЧ PLG (Portable Lab Generator) до 6/12/20 ГГц). В статье мы опишем возможности и особенности генераторов сигналов.


Часть вторая. Структура генератора PLG. Особенности конструкции и принципы управления.


В первой части статьи были кратко описаны внешний вид, электрические и функциональные характеристики и программное обеспечение для генераторов сигналов PLG06/12/20.

Из-за ограниченности энергоресурса, генератор имеет некоторые функциональные особенности, не всегда позволяющие в полной мере конкурировать с полноразмерными настольными аналогами, не испытывающими ограничений по питанию и габаритам. Эти особенности не касаются основного режима непрерывной генерации и проявляются во вспомогательных режимах типа модуляций, генерирования несинусоидальных низкочастотных сигналов и др.


Особенности конструкции PLG

Все три модели генераторов сигналов PLG06/12/20 выполнены в общем стиле – черный окрашенный фрезерованный корпус с защитными полимерными чехлами или кольцами синего или черного цвета. Вся электрическая часть генератора размещается на одной печатной плате, устанавливаемой в корпус. На одном торце корпуса выведен выходной разъем СВЧ, на противоположном – разъемы питания / управления, опорного генератора, цифровой синхронизации, выхода внутреннего низкочастотного генератора и кнопка сброса внутреннего микроконтроллера. На больших гранях корпуса размещаются шильдики с минимально необходимой информацией о приборе: списком основных характеристик и функций, описанием разъемов.

Выходной разъем генераторов PLG06 производства Huber-Suhner – 23_SMA-50-0-53/199_N из нержавеющей стали или 23_N-50-0-30/133_N из меди, покрытой так называемой белой бронзой (Sucoplate® plating – copper-tin-zinc). Оба типа имеют ресурс более 500 циклов сочленений. Разъемы крепятся к корпусу генератора четырьмя винтами через фланец на корпусе разъема. Такой способ крепления позволяет выдерживать повышенные механические нагрузки (вплоть до подвешивания генератора массой 300 грамм за сам разъем). Однако из-за внутренней конфигурации корпуса и печатной платы внутри создаются существенные неоднородности, ограничивающие диапазон частот разъема  с заявленных 11…18 до 6+ ГГц.

Модели PLG12/20 используют в своей конструкции коаксиально-микрополосковые переходы ПКМ1-32-13Р-0,3П (для PLG12/20-12F) или ПКМ1-18-11Р-0,3П для (PLG12-11F) собственного производства, крепящиеся винтами к печатной плате. Щели между корпусом генератора и перехода уплотняются электропроводящим жгутом. Ресурс ПКМ1-32-13Р-0,3П составляет не менее 3000 циклов с возможностью полевой замены коаксиального перехода, но механическая прочность системы ниже, чем в PLG06. Не рекомендуется нагружать переход "на излом".




Рисунок 2 – Задний торец генератора PLG



На заднем торце генератора размещены четыре коаксиально-микрополосковых перехода типа MCX 252151 Amphenol или аналогичные других производителей с корпусом из меди с золотым покрытием и ресурсом не менее 500 циклов сочленения. Выбор типа вспомогательных разъемов вместо типовых SMA или BNC обусловлен ограниченностью пространства на заднем торце. Для перехода на типовые BNC в комплекте поставки предусмотрены четыре кабельных сборки BNC-MCX длиной 80 см каждая.

Кроме четырех коаксиальных разъемов на заднем торце размещается USB-разъем типа mini-B 51387-0578 Molex или аналог других производителей с корпусом из меди с оловянным покрытием. Для подключения к ПК в комплекте предусмотрен кабель с винтами со стороны mini-B. Для избегания износа сочленяемых частей кабеля и генератора рекомендуется перед началом использования соединить и зафиксировать их винтами и разъединять только при крайней необходимости.

 Допускается использование другого USB-кабеля, но к его выбору следует подходить с осторожностью. Большой потребляемый ток генератора может создать значительное падение напряжения на кабеле. Оставшегося напряжения может оказаться недостаточно для корректной работы импульсных стабилизаторов напряжения. Косвенным показателем неправильно подобранного кабеля может быть нестабильная работа генератора или низкая мощность сигнала на выходе.

Под разъемом USB на задней торец выведена кнопка сброса микроконтроллера для полной перезагрузки управляющего микроконтроллера внутри генератора.

Полимерный чехол или кольца несут не только декоративную, но и защитную функцию, предотвращая истирание и вмятины граней и кромок генератора, а также защищая пломбы от повреждения и вскрытия. Материал чехла допускает растяжение не менее чем на 40 % без потери формы. На плате генератора установлен слот для micro-SD накопителя, который хранит установочный пакет ПО и дополнительную информацию. При выходе из строя его можно заменить без вскрытия прибора. Доступ к накопителю осуществляется через окно в боковой грани, закрытое чехлом в PLG06/12 или незакрытое в PLG20. Для удаления накопителя достаточно отключить генератор, снять чехол пинцетом / стержнем, нажать и отпустить торец накопителя и достать его из слота.

Для связи с ПК и управления используется микроконтроллер со встроенной "физикой" USB full-speed, работающей на скорости до 12 Мбит/с (1,5 Мбайт/с). Фактическая скорость связи со встроенным накопителем намного меньше и составляет всего 100-200 кбайт/с. Основное назначение накопителя состоит в хранении небольших файлов установки для однократного или редкого обращения. По этой же причине генератор бессмысленно использовать в качестве традиционной "флэшки".

В зависимости от модели генераторы потребляют от 1,5 до 4,5 Вт. PLG06/12 используют энергоресурс шины USB 2.0 и нагреваются естественным образом до приемлемой температуры около 40 °С. Площади поверхности генераторов достаточно для удаления выделяемого тепла естественной конвекцией корпуса. В отличие от PLG06/12, PLG20 потребляет почти в два раза больше мощности, а значит, испытывает пропорционально больший перегрев относительно окружающей среды. Для его охлаждения используется центробежный вентилятор, расположенный в нижней части корпуса. Забор воздуха осуществляется через задний торец, а выброс – через передний. По этой причине в конструкции генератора использованы защитные кольца вместо цельного чехла. Используемый вентилятор UB5U3-700 Sunon начинает работать сразу после подачи питания на генератор и в процессе работы издает небольшой шум. Влияния на качество выходного сигнала генератора не выявлено. При выходе его из строя он подлежит замене, которую может выполнить сам пользователь при наличии паяльного оборудования. Для этого достаточно снять защитные кольца и шильдик на оборотной стороне генератора, выкрутить два винта с резьбой М1,2, удерживающих вентилятор,  отпаять питающие провода от платы и установить новый вентилятор в обратной последовательности. В процессе работы не рекомендуется закрывать передний и задние торцы генератора, ограничивая поток воздуха через корпус.


Внутренняя структура PLG

На рисунке 3 приведена обобщенная структурная схема генератора PLG. В зависимости от модели она может незначительно меняться. Например, выходная ФАПЧ, ГУН и делитель частоты в PLG06/12 выполнены в виде одной интегральной схемы, а в PLG20 – в виде отдельных ИС. В PLG06 регулировка мощности осуществляется комбинированно через саму микросхему ФАПЧ с ГУН и набор электронных аттенюаторов, в PLG12 – через микросхему ФАПЧ с ГУН и управляемый усилитель с ЦАП, а в PLG20 – только через усилитель с ЦАП. Амплитудная модуляция в PLG06/12 осуществляется через плавный аттенюатор, а в PLG20 – средствами программируемого выходного делителя частоты. Импульсная модуляция в PLG06 – плавными аттенюаторами, а в PLG12/20 – ключами.




Рисунок 3 – Структурная схема генератора PLG




Основной канал

Как видно из схемы, в основе генератора лежит синтез частот с ФАПЧ с дробным коэффициентом деления и переменной опорной частотой. Уровень фазовых шумов таких систем характерен для приборов общего применения и уступает два-три порядка генераторам "high-end" класса. Термокомпенсированный опорный генератор 10 МГц стабилизирует через ФАПЧ генератор на ПАВ, который используется для синтеза опорных частот (около 900 МГц) выходной петли ФАПЧ. Небольшое изменение опорной частоты с субгерцовым шагом перестройки позволяет обеспечить герцовую перестройку выходного сигнала системы и существенное подавления помех дробности и так называемый integer boundary spurs. Верхняя октава выходного диапазона совпадает с диапазоном работы ГУН выходной ФАПЧ, чтобы исключить или минимизировать субгармоники. Затем частота ГУН делится вниз с переменным коэффициентом до минимальной частоты 25 МГц.

Внутренний опорный генератор может отключаться, и вместо него используется внешний опорный сигнал с частотой 10...100 МГц с шагом 10 МГц. Для этого совместно с управлением внутренним генератором перепрограммируется порт опорного источника с выхода внутреннего ОГ на вход внешнего.

Выходной канал генератора состоит из последовательного соединения плавных и ступенчатых электронных аттенюаторов, высокоскоростных переключателей, регулируемых или фиксированных усилителей и переключаемых монолитных или дискретных ФНЧ. Автоматической регулировки мощности нет. Управление мощностью осуществляется через электронные аттенюаторы или через регулируемые усилители.


Модуляции

Сигнал амплитудной модуляции подается на плавные аттенюаторы или вход управления уровнем сигнала программируемого делителя частоты ГУН (в зависимости от модели генератора). Сигнал импульсной модуляции подается на СВЧ-переключатели. Угловая модуляция выходного сигнала реализуется через фазовую модуляцию опорного сигнала выходной ФАПЧ на плавном фазовращателе.

Средняя мощность сигнала при включенной АМ примерно на 3…8 дБ ниже установленной в главном окне ПО. Дело в том, что при АМ с глубиной почти 100% пиковая мощность сигнала на 6 дБ превосходит среднюю, а используемые усилители не способны обеспечить такой запас по мощности во всех режимах. Чтобы не искажать форму радиосигнала на максимальных мощностях и глубинах модуляции и обеспечить регулировку глубины модуляции в заявленных пределах, включение АМ снижает мощность на указанную величину. Отображаемое значение мощности на главном окне приобретает характер пиковой мощности при установленной глубине равной 100%.

Для обеспечения угловой модуляции между опорным синтезатором и выходной ФАПЧ установлен плавный фазовращатель. Таким образом, выходная ФАПЧ и делитель частоты ГУН пропорционально масштабируют угловую модуляцию опорного сигнала, включая ее предельные характеристики. Например, диапазон индекса фазовой модуляции на частоте 20 ГГц составит 0,04...20 рад, на частоте 1 ГГц – 0,002...1 рад, а на частоте 25 МГц – всего 0,00005...0,025 рад. Таким образом, при перестройке частоты необходимо каждый раз корректировать амплитуду модулирующего сигнала для поддержания постоянства индекса. Однако при перестройке во всем диапазоне частот генератора сделать это невозможно.

Реализация ЧМ осуществляется линейным искажением модулирующего сигнала на активном ФНЧ с частотой среза 100 Гц. Отсюда следует ограничение по минимальной частоте ЧМ 100 Гц. Такой способ самый экономичный и позволяет сохранять шумовые характеристики выходного сигнала в режиме ЧМ в отличие от решения, где модулирующий сигнал подается в канал управления ГУН выходной ФАПЧ и используется коррекция ее полосы пропускания. Диапазон регулировки девиации ЧМ в кГц численно равен 1/10 индекса ФМ на заданной частоте.

Для модуляции и генерирования низкочастотного сигнала используется единый канал, объединяющий встроенную микросхему низкочастотного генератора, порт модуляции и низкочастотного генератора "MOD IN/LF OUT" и канал амплитудной и угловой модуляции. В режиме внутренней модуляции внешний порт отключается от внутренних цепей, а выход низкочастотного генератора подается на амплитудный или угловой модулятор в зависимости от настройки модуляции. В режиме внешней модуляции внешний порт подключается к внутренним цепям канала, а НЧГ наоборот, отключается. В режиме НЧГ внешний порт подключается к НЧГ, а каналы модуляции отключаются. Таким образом, совместная работа НЧГ и модуляции или внешней и внутренней модуляции исключена. При включении одного из указанных режимов остальные будут автоматически отключены. Допускается совместная генерация непрерывных СВЧ- и НЧ-сигналов без существенного ухудшения спектра первого. Форма модулирующего сигнала определяется его источником. Для получения модуляции с требуемыми параметрами при внешнем источнике необходимо подстраивать амплитуду его сигнала.

Амплитудная модуляция импульсным сигналом, генерируемым НЧГ, обеспечивает скромные (по сравнению с полноценной ИМ через СВЧ-переключатели) времена нарастания и спада радиоимпульса и подавление в паузе. Это связано с тем, что АМ реализуется компонентами, обеспечивающими глубину АМ не более 30 дБ, а сам канал модуляции имеет полосу в несколько мегагерц. Для получения качественной ИМ рекомендуется использовать специальный режим, который может работать совместно с одним из трех других типов модуляции. В этом случае модулирующий сигнал в виде импульсной последовательности с короткими фронтами подается на СВЧ переключатели с порта синхронизации и ИМ "TRIG IN/PULM".


Низкочастотный генератор

Для генерирования низкочастотных сигналов стандартных форм используется микросхема, комбинирующая ядро прямого цифрового синтезатора частоты с разрядностью 24 бит, память на 4096 отсчетов, генератор ПСП и генератор постоянного напряжения. Формирование отсчетов напряжения на выходе НЧГ реализуется 12-разрядным ЦАП с буферным усилителем на ОУ. Регулировка амплитуды выходного сигнала 0,006...3 В с шагом 6 мВ осуществляется цифровым способом. Микросхема тактируется сигналом отдельного генератора с частотой 25 МГц. Сигналы НЧГ и основного канала не связаны друг с другом и имеют разную точность установки и стабильность частоты.

Ядро прямого цифрового синтезатора частоты обеспечивает генерацию синусоидального сигнала с частотой до 1 МГц с шагом 1,49 Гц. Таким образом, минимальная систематическая абсолютная погрешность установки частоты синусоидального сигнала НЧГ составляет почти 0,75 Гц.

Генерирование ПСП реализуется встроенными аппаратными средствами микросхемы НЧГ. Форма спектра напряжения – вида sin(x)/x с минимумом на частоте 25 МГц.

Генерирование остальных форм сигнала (пила, треугольник, импульсы) осуществляется через встроенную память микросхемы с изменяемым количеством отсчетов с 50 до 4000 и тактовой частотой из ряда 25/(1, 2, 4, 8, 15) МГц. Самая высокая частота повторения сигнала получается при минимальной выборке 50 отсчетов и максимальной тактовой частоте 25 МГц – 500 кГц. Удлинение выборки до 4000 тысяч отсчетов на той же частоте дает снижение до 6,25 кГц с неравномерным шагом по частоте, но с равномерным шагом по периоду 40 нс. Дальнейшее снижение частоты повторения реализуется делением тактовой в 2, 4, 8 и 15 раз и изменением длины воспроизводимой выборки от 2000 до 4000 отсчетов. Шаг перестройки периода увеличивается до 80, 160, 320, 600 нс соответственно. Минимальная частота повторения будет при максимальной выборке 4000 отсчетов с частотой воспроизведения отсчетов 25/15 МГц, или – 416,(6) Гц. Реализация полноценной равномерной перестройки частоты повторения пилообразной, треугольной и импульсной форм сигнала требует значительных вычислительных мощностей, а значит, повышенного энергоресурса генератора. В условиях, когда он практически полностью "занят" синтезаторной частью, было принято решение реализовать внутренний НЧГ наиболее экономичным способом. Для избавления пользователя от необходимости высчитывать актуальную установленную частоту на выходе НЧГ генератор сам проводит ее расчет и возвращает программному обеспечению. Оно, в свою очередь, выводит актуальное значение в поле частоты модулирующего сигнала или НЧГ. Странное на первый взгляд поведение ПО в виде принудительной коррекции введенного значения частоты является нормальным.

По той же причине ограниченности энергоресурса в выходном каскаде НЧГ применен маломощный высокоскоростной ОУ с небольшой нагрузочной способностью. Поэтому нагрузка НЧГ всегда должна быть высокоомной (не менее 1 кОм).


Управление

Поддержка работы ОС реального времени, прием и обработка команд через интерфейс USB, расчет коэффициентов и таблиц, конфигурирование микросхем, хранение калибровочных параметров, поддержка работы накопителя – все это выполняет микроконтроллер ARM Cortex-M3.

Конфигурирование микросхем ФАПЧ, ЦАП, делителей частоты и др. производится через общий SPI со скоростью около 15 МБит/с. Данные для отправки формируются расчетом или выборкой из таблиц. Коэффициенты деления выходной ФАПЧ рассчитываются достаточно сложным рекурсивным алгоритмом, оптимизированным под минимизацию помех дробности и integer boundary spurs микросхем ФАПЧ.

Управление мощностью (ее перестройка и выравнивание по диапазону) реализуется через калибровочные таблицы с несколькими тысячами элементов с интерполяцией промежуточных значений по частоте. Причем, калибровка мощности проводится для каждого генератора – как по частоте, так и по уровню. Из-за использования ступенчатой или плавно-ступенчатой регулировки ослабления и усиления в выходном тракте, дискретность перестройки по мощности всех генераторов ограничена на уровне 1 дБ.

В режиме непрерывной генерации микроконтроллер последовательно рассчитывает коэффициенты деления ФАПЧ и/или НЧГ, код ослабления аттенюаторов, конфигурацию переключателей модуляции, НЧГ, ФНЧ и др. Затем производится программирование всех элементов системы. Прием и обработка команды в этом режиме занимает длительное время – порядка единиц миллисекунд. Для отслеживания состояния занятости контроллера и контроля работоспособности предусмотрен выход сигнала готовности "READY". Когда происходит расчет и конфигурирование микросхем, на выходе готовности присутствует напряжение низкого уровня. Как только микроконтроллер закончил программирование микросхем и проверил наличие захвата ФАПЧ (за исключением опорной ФАПЧ), на выходе готовности появляется напряжение высокого уровня. Состояние выхода готовности дублируется двухцветным светодиодом на заднем торце.

Во всех режимах захват опорной ФАПЧ не влияет на состояние выхода готовности и не считается критическим, так как его срыв может обуславливаться некорректным внешним опорным сигналом, приводящим к небольшой систематической частотной ошибке на выходе. Определение его состояния может выполняться визуально через двухцветный светодиод на заднем торце генератора непосредственно связанный с линией индикации захвата опорной ФАПЧ или программным запросом списка ошибок генератора.

В режиме сканирования микроконтроллер формирует таблицы коэффициентов и конфигураций всех элементов "синтезаторной" части прибора. Учитывая ограниченность ОЗУ и большой объем данных и исполняемой "прошивки", количество точек сканирования ограничено до 501. Независимо от настройки синхронизации (таймер, внешний сигнал или шина) при наступлении события микроконтроллер практически сразу программирует систему на новую точку. На эту процедуру затрачивается минимальное время порядка 40 мкс и вносится задержка перед контролем захвата ФАПЧ и индикацией готовности на перестройку частоты и мощности от 10…20 до 100…150 мкс в зависимости от модели генератора. В этом режиме реализуется минимальное время перестройки системы. Поведение выхода готовности может изменяться в зависимости от настройки синхронизации. Если установлено, что одному событию триггера соответствует один переход на следующую точку, то выход готовности ведет себя аналогично режиму непрерывной генерации. Если одно событие триггера запускает полный цикл сканирования, то на выходе готовности формируется импульс длительностью в этот цикл.

Учитывая использование ОС реального времени приоритет обработки событий триггера при сканировании хоть и максимально высокий, но все же ниже приоритета обработки служебных запросов от ПК. Это приводит к неконтролируемым и случайным задержкам в сканировании. Кроме того, изменение других настроек генератора (например, НЧГ) может испытывать трудности или существенные задержки из-за почти полной занятости контроллера режимом сканирования. Особенно заметно это бывает с внешним синхросигналом с минимальным периодом повторения. Как показывает практика, причиной задержек является использование в генераторе одноядерного процессора и наличие работающего накопителя в генераторе, к которому постоянно обращается ПК. Для исключения подобных ситуаций в генераторах реализована специальная команда отключения накопителя, требующая обновления конфигурации системы ПК. Программное обеспечение управления генераторов реализует отправку этой команды сразу после подключения к прибору. При использовании ПО собственной разработки рекомендуется обратиться к описанию системы команд. Подробнее об этом – в следующей части.

Для сканирования с внешним синхросигналом используется порт "TRIG IN/PULM" импульсы, на входе которого могут инвертироваться (для привязки к разным фронтам входного импульса) и передаваться на вход микроконтроллера или в канал ИМ СВЧ. Таким образом, совместная работа модуляции и сканирования невозможна.

В следующей части будут описаны принципы работы с генератором посредством системы команд SCPI, а также последовательности действий для программирования основных режимов работы.