10 января 2012
О лаборатории специальных исследований
Часть четвёртая
Итак, измерения электрических сигналов. В тематике ТЗИ этим приходится заниматься, выявляя технические каналы утечки информации (ТКУИ) за счёт акустоэлектрических преобразований (АЭП НЧ и ВЧ), за счёт различного рода наводок и за счёт ВЧ-навязывания. Во всех случаях рассматривается (измеряется) электрический сигнал в проводящей среде (проводной линии или иной проводящей среде, например, в трубе системы отопления).
Во всех перечисленных вариантах должно быть измерено либо напряжение переменного тока, либо сила тока (второй вариант менее востребован, но, тем не менее - применяется).
Что необходимо положить в основу рассуждений?
Обратимся вновь к гос. реестру средств измерений. Для измерения перечисленных выше физических величин применяются средства измерения под наименованием «ВОЛЬТМЕТР» и «АМПЕРМЕТР». Как более частная характеристика – селективные. То есть избирательные по частоте измеряемого сигнала. Диапазон частот измеряемых сигналов от десятков Гц до единиц ГГц (в соответствии с действующими в проблематике НМД). Одним прибором такой диапазон не измерить… Теоретически можно было бы, но не нужно. Тем более, что по отношению к разным сигналам в разных диапазонах частот, важны разные параметры и свойства средства измерения.
Начнём «снизу», с речевого диапазона. В советское время основным средством измерения в этом диапазоне частот был «селективный вольтметр», по старому обозначению типа В6-хх. Иногда применялся «селективный усилитель» - У2-хх (по сути – то же самое). Сейчас, чаще всего, применяется общее название «анализатор спектра». Причём, как и в тематике АВАК, большую часть парка средств измерений составляют приборы цифрового типа. То есть измеряемый сигнал либо напрямую, либо после предварительного калиброванного усиления, оцифровывается и, далее, вся его обработка ведётся исключительно вычислителем (процессором). Приборы с аналоговым построением измерительного тракта ещё есть в эксплуатации (в том числе отечественные В6-хх, польские Unipan и т.д.). О предварительном усилении очень слабых сигналов скажем ниже.
Вообще, как не хотелось бы прослыть ретроградом, но аналоговые селективные вольтметры в ряде случаев и сейчас имеют ряд преимуществ по сравнению с цифровыми анализаторами. В тонкости применения мы сейчас вдаваться не будем, это отдельная тема. Отметим лишь, что аналоговые приборы, в большинстве своём, имеют более низкий уровень собственных шумов одновременно с неплохим динамическим диапазоном. Кроме того, чисто ручное управление, несмотря на свою архаичность, имеет и свои преимущества.
Цифровые анализаторы спектра, практически без исключений, являющиеся устройствами последовательного анализа, очень наглядно показывают визуализацию спектра сигналов. Качество очень ценное, особенно учитывая возможность свободного масштабирования «картинки» по частоте. Кроме того, весьма удобным свойством цифровых систем является постоянная по рабочему диапазону полоса пропускания (у аналоговых «селективников» она часто зависит от частоты настройки, чем выше частота – тем шире полоса пропускания). Это особенно важно при оценке (измерении) шумов и широкополосных сигналов.
Однако это, практически, все преимущества «цифровиков». И недостатков хватает тоже… Самый основной – это невысокие параметры по собственным шумам. При измерении слабых сигналов (а в большинстве случаев это так и есть) недостаток серьёзный. Кроме того, как и в любом последовательном анализаторе, есть жёсткое соотношение между полосой пропускания, скоростью сканирования и ошибкой измерения (и по амплитуде сигнала и по его частоте). Невозможно работать узкой полосою – быстро. Оператор обязан постоянно помнить об этом. Можно полагаться на автоматику, в большинстве моделей анализаторов есть такой режим, автоматически устанавливающий время сканирования в зависимости от полосы пропускания (RBW) и диапазона сканирования (Span). Но, почему-то так получается, что это всегда слишком медленно :-)
Некоторым особняком проходят средства измерения, основанные на корреляционных методах выделения сигналов из смеси сигнал/помеха. Когда-то единственным (аналоговым) представителем такого класса был фазочувствительный нановольтметр «Unipan тип 232B». Сейчас линейка таких приборов более развита. С их помощью возможно «вытягивать» сигналы (особенно строго детерминированные, «синусоидальные») с отношениями сигнал/помеха много меньше единицы. И в этом смысле их применение весьма эффективно. Правда и схема измерения оказывается сложнее, поскольку нужно обеспечить наличие опорного сигнала и при этом гарантировать отсутствие паразитного просачивания его «на вход» тракта измерения. Автор много лет эксплуатировал старенький Unipan 232В и искренне считает его лучшим прибором прошедших десятилетий.
Сегодня такие средства измерения (их общее определение – техника «Lock In») предлагает фирма FEMTO (и не только она). Кроме того, реальное применение могут найти широкополосные малошумящие усилители (для предварительного усиления сигналов), такие как, например, Model 5184
Ultra Low-Noise Voltage Preamplifier ( Signal Recovery, USA) и многие другие. Разумеется, необходимо проверять, наличествуют ли эти модели в госреестре. Отечественные производители в этом секторе рынка не представлены.
Приходится особо отметить, что анализаторы спектра общего применения приборы универсальные в самом худшем смысле этого слова. То есть разработчики впихнули в них множество функций, которые Вам никогда не понадобятся, но за которые Вам, неизбежно при таком выборе, придётся платить. И немало, увы… Классические представители средств измерения этого класса (НЧ анализаторы спектра), например R&S UPV; UP-350; UPP; отечественные анализаторы серии СК4-хх. Именно НЧ анализаторы предлагают не так много разработчиков. А универсальные, от Гц до ГГц в низкочастотной области очень часто имеют значительный уровень собственных шумов и малопригодны именно в этом диапазоне. Необходимо упомянуть и ряд разработок последних лет типа приставок к компьютеру. Таковы приборы отечественного производства ZЕTLab, «Октава-Электрондизайн» (хотя это больше шумомеры), селективный микровольтметр «Смарт» (фирма «5 форт») и т.д.
Ну а теперь о том, что же придётся измерять. При работе «по линиям» в речевой области величины сигналов, которые нужно измерять, определяются «снизу» нормами на допустимые значения, а «сверху» - уровнями помех. Не требует доказательств, что измерять (иметь возможность измерить) нужно уровни, которые меньше самой малой нормы. Иначе сделать обоснованный вывод невозможно. Не называя (естественно!) конкретных цифр отметим, что это первые десятки нВ, то есть 2-3·10-9В. А уровни помех в произвольных линиях (зачастую неэкранированных), в частности от сети промышленного электропитания, составляет до единиц вольт. Итого требуемый динамический диапазон средства измерения должен бы составлять не менее 140 дБ. Величина огромная! И, как правило – нереализуемая. Но вот 120-130 дБ уже находится в пределах разумного и на эту величину стоит ориентироваться. Разрешение по частоте селективного средства измерения должно быть не хуже (минимальная эквивалентная полоса пропускания) 1 Гц. Иначе отстраиваться от тех же сетевых помех будет весьма сложно. Соответственно и спектральная плотность собственных шумов тракта измерения не должна превышать 2-3 нВ/vГц. И не в режиме короткозамкнутого входа, а при нагрузке не менее 1-2 МОм.
Теперь о входном сопротивлении прибора (пробника). Когда придётся измерять сигналы во всяких линиях, которые штатно нагружены на обоих концах, как правило, этот параметр не очень важен. Но как только необходимо выполнить исследование на линии в режиме «ХХ», то есть, фактически, на отключённой линии, да ещё и оставшейся на одном из концов подключённой к порту некого технического средства, причём это средство выключено (обесточено)… Картина меняется принципиально! Внутреннее сопротивление такого «источника сигнала» часто превышает несколько МОм. И входное сопротивление Вашего прибора (пробника) начинает играть основную роль.
Писаных требований на эти параметры до сих пор нет (вскоре ожидаются). Однако практика требует входного сопротивления не ниже 10 МОм. И входной ёмкости не более 10?15 пФ (включая ёмкость измерительного кабеля). Требования крайне жёсткие и весьма небольшое число вольтметров и анализаторов широкого применения им удовлетворяют. Особенно если рассматривать комбинацию из вышеперечисленных требований.
И, наконец, очень специфическое и крайне важное требование.
Как правило, при проведении СИ на ТКУИ НЧ АЭП или ВЧН исследуемое тех. средство подвергается весьма значительному звуковому давлению тестового сигнала. А поскольку часто и подключаться к линиям, отходящим от его портов приходится тут же, рядом, то и весь измерительный комплекс находится под тем же воздействием. При этом вполне естественно, что если в самом измерительном тракте за счёт тех же самых физических явлений (на профессиональном сленге – «микрофонный эффект») возникнут некие «сигналы», то отличить их от тех, которые возникают в исследуемом ТС - невозможно. Поэтому крайне важное требование – полное отсутствие во всех составляющих тракта измерения «микрофонных эффектов». Отсутствие – это означает, что вызванные этими эффектами паразитные сигналы не превышают половины (-6 дБ) от минимально измеряемого сигнала при воздействии звукового давления не ниже 100 дБ. Сразу обратим внимание, что ни одна фирма-производитель в мире таких требований к своим изделиям не предъявляет. За исключением очень немногих отечественных производителей, которые разрабатывают специализированные средства измерения, «под проблему». Всё остальное – Ваш выбор и только Ваш «страх и риск». А надо отметить, что при таком звуковом давлении отрезок любого кабеля «генерит» сигнал, зачастую на порядок превышающий требуемый уровень.
Все перечисленные требования возникают и при выборе первичного преобразователя для измерения тока в линии. В подавляющем числе случаев включиться в линию, то есть «в разрыв», невозможно. Поэтому наибольшее применение получили различные модели «токовых трансформаторов», токоизмерителей. При этом измерять нужно наноамперы на фоне помех в амперы. Поэтому все требования по собственных шумам, динамическому диапазону и отсутствию «микрофонного эффекта» относятся и к этим устройствам.
В общем и целом выбрать сам анализатор и первичные преобразователи (пробники, токоизмерители) можно исходя их вышеизложенного. Осталось рассмотреть некоторые вспомогательные средства, без которых не обойтись. В частности – уже многократно упомянутый канал тест-сигнала.
В отличии от аналогичного оборудования в области АВАК для областей АЭП и/или ВЧН/ВЧО (об этом чуть позже) необходима возможность создания тонального тестового акустического сигнала с непрерывной (квазинепрерывной) перестройкой во всём рабочем (речевом) диапазоне частот. Требования по выходной мощности (создаваемому звуковому давлению на расстоянии 1 м) аналогичные. Но вот важнейшее дополнительное требование – все составляющие (генератор, усилитель мощности, колонка, кабели) не должны создавать паразитных электрических и/или магнитных полей. «Не создавать», это значит, что величины напряжённости этих полей (полей рассеяния) не должны превышать первого десятка мкВ/м и сотых долей мкА/м.
Заметим, что типовые усилители мощности, присутствующие на рынке (за крайне редким исключением), и типовые колонки создают такие поля с уровнями на 3-5 порядков выше приведённых. Для выполнения работ в области СИ ТЗИ пригодны только специально разработанные усилители (чуть ли не единственное исключение - усилитель Architectural Acoustics IPS 150) и, тем более – колонки. В противном случае наводки от усилителя и колонки всегда на порядки превышают сигналы АЭП и измерить (выделить) последние невозможно.
Ну и как и в акустике, понадобятся штативы, множество разъёмов и переходников, различные коаксиальные нагрузки на 50, 600 Ом и другие величины, аттенюаторы на 3,6, 10, 20, 40 дБ, обычные широкополосные вольтметры (серии В3-хх и их аналоги), генератор НЧ (например, Г3-112/1), осциллограф, лучше двухканальный, источники питания, множество иных радиомелочей. Однако обо всём сказать невозможно :-)
Обратимся ещё к одному аспекту. Ранее уже отмечалось, что шумомер – это нормальный вольтметр, шкала которого оцифрована (откалибрована) в единицах звукового давления (абсолютных или относительных). Кроме того, это вольтметр селективный, так как его обязательной принадлежностью является набор октавных (а, часто, и третьоктавных) фильтров. В некоторых моделях встроен и узкополосный анализ. Можно ли этим изделием измерять напряжение переменного тока?
«Де-факто» можно. Если предварительно перекалибровать его шкалу на значения в «вольтах» при помощи некого «эталонного» источника. Или сравнить с другим, поверенным вольтметром, желательно более высокого класса.
А вот «де – юре», официально, опираться на измерения, выполненные таким образом, нельзя.
Поскольку точность (погрешность) Вашего эталона метрологически (как правило) ничем не подтверждена, процедура перекалибровки выполнена не в условиях БИП (КИП, КИЛ и др., то есть не в службе, имеющей соответствующую лицензию), то, формально, эта процедура силы не имеет.
Тем более, 102 ФЗ вообще «не признаёт» процедуру калибровки (только поверку) в области ТЗИ. Поэтому «для себя» это вполне возможно, когда есть такая необходимость, а вот «для протокола» - исключено.
Примерно так же нужно рассматривать исходные данные для выбора средств измерения в ВЧ области.
Будем называть ВЧ областью частоты от «конца» речевых до… того, что установлено в нормативной документации. То есть до первых сотен МГц.
Соответственно для измерений напряжения (силы тока) переменного тока в этом диапазоне частот, в настоящее время, применяются почти исключительно анализаторы спектра. С рабочим диапазоном от 9 (10) кГц до многих ГГц. Просто с меньшими диапазонами их не производят. К тому же эти же приборы применяются и при измерениях полей.
Есть ещё один класс средств измерений, который именуется ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ПРИЁМНИКОМ. Как правило – заметно более дорогой, чем анализатор. Хотя измеряет то же самое. В чём же разница?
А разница в том, что для измерения (селективного измерения) напряжения малых сигналов предназначен именно приёмник (измерительный). Его главная функция - измерить с максимальной точностью. А визуализация спектра (панорамность) – это вспомогательная функция.
А анализатор предназначен, в первую очередь, для визуализации спектра сигналов, его задача показать частотное распределение сигналов и их амплитуд. Измерение их значений для анализатора функция второго плана. Главное – как можно быстрее построить спектр.
Именно поэтому приёмники и сейчас строятся по классической супергетеродинной схеме с двойным/тройным преобразованием, зачастую с перестраиваемыми предусилителями перед первым смесителем. Они не имеют высоких скоростей сканирования. Зато имеют прекрасные метрологические параметры, крайне низкие собственные шумы, большой набор полос пропускания, полный набор различных типов детекторов, возможность измерять параметры модуляции и т.д. и т.п. И … стоимость…
Анализаторы, как правило, строятся по совсем иной схеме. С одним преобразованием и последующей оцифровкой сигнала. Все дальнейшие процедуры выполняются сигнальным процессором в цифровом виде. Именно за счёт этого достигается высокая скорость работы.
Правда, успехи как в области математики, так и в области цифровой схемотехники заметно повысили параметры типовых анализаторов в последнее время. И разница между ними и приёмниками уменьшилась, но в некоторых случаях (при измерениях сигналов «на грани возможного») она остаётся существенной.
Измерительные приёмники сегодня выпускают немногие фирмы. Это развитая линейка моделей фирмы Rohde&Schwarz® (прежде всего ESPI и ESU), Willtek (8100 GPR) и некоторые другие.
Зато анализаторов пруд пруди :) Даже сложно привести все фирмы, их десятки, от НР (точнее IT, Agilent Technologies) до Anritsu, Advantest, Tektronix, LP Technologies, Yokogawa, Aeroflex и т.д. Есть и отечественные модели, хотя их возможности невысоки по сравнению с зарубежными.
Важно только, чтобы выбранная Вами модель присутствовала в госреестре средств измерений. Разумеется, чем выше чувствительность прибора (и ниже собственные шумы), тем лучше. Но и цена будет расти…
Параметры входа у всех приборов одинаковые - 50 Ом, так что не ошибётесь. Набор полос пропускания во многом совпадает, обычно меньше 300 Гц применять не приходится. Полосу шире 3 МГц – весьма редко. Дополнительно стоит посмотреть, можно ли выбранную Вами модель применить в составе одной из имеющихся на рынке специализированных измерительных систем (комплексов).
Измерять сигналы приходится начиная от единиц мкВ. В редких случаях – от долей мкВ. Из этого и надо исходить. Только примите во внимание, что в паспортных данных чаще всего уровень собственных шумов измерительного тракта задаётся довольно хитро. Например, в полосе 10 или 100 Гц. Но Вам-то работать в полосе (самое распространённое значение) порядка 9-10 кГц. Следовательно «рабочий» уровень шума у Вас будет куда выше, так что не забудьте посчитать предварительно! Посмотрите и фазовые шумы, если они недостаточно низки, то проку от такого прибора будет немного.
Если Вам необходимо измерять и параметры модуляции сигналов в линиях (а это необходимо при СИ ВЧ АЭП), то нелишними функциями в приборе окажутся и эти возможности. Правда, их встретить можно, с большей вероятностью, у приёмников или анализаторов высокого класса.
О весе, удобстве элементов управления, размере экрана, автономном электропитании и т.д. я не говорю, это не самое важное, хотя… Очень советую пообщаться с теми, у кого уже есть опыт работы. Информация лишней не бывает.
Очень важен вопрос с первичными преобразователями. Для измерения напряжения это пробники, для измерения тока – всё те же токоизмерители (с соответствующими диапазонами рабочих частот). Ряд производителей поставляют достаточно широкую гамму таких изделий. Определитесь, в каких именно линиях Вам придётся измерять (не забудьте про линии электропитания!!!). С каким сопротивлением, как именно к ним удобнее подключаться? Отсюда и выбор пробников, а устройство это далеко не самое дешёвое. Причём многие модели специализированы для конкретных анализаторов (управляемые и программируемые). Дать более подробные рекомендации сложно, много зависит от конкретного случая. Одно стоит заметить, приобретать пробник вместе с анализатором много дешевле, чем покупать его потом, отдельно (естественно, если пробник входит в линейку изделий одной фирмы).
Возможно, понадобятся и «эквиваленты сети», тоже не самое простое устройство.
При выборе токоизмерителя подумайте и о максимальном диаметре линии (кабеля) на который его придётся устанавливать. Токоизмерителей с диаметром внутреннего отверстия 18-30 мм пруд пруди. А 65 мм – считанные единицы моделей. Тем не менее, продукция Agilent Technologies, Schaffner, ETS-Lindgren, R&S, A N System и других должна устроить любого потребителя. Набор отечественных разработок намного скромнее и параметры их слабее (кроме моделей ТИ2-1,ТИ2-2 и ТИ2-3 назвать почти нечего).
Итак, надеюсь читателю более-менее понятно (во всяком случае больше, чем до прочтения) из чего именно исходить при выборе средств измерения для решения конкретных задач.
Отдельно отметим, что и в области измерения напряжения сигналов (и других их параметров) на рынке сегодня присутствует ряд специализированных измерительных систем (комплексов). Все они базируются на тех же измерительных приёмниках и/или анализаторах скомплексированных с набором первичных преобразователей (пробники, токоизмерители, антенны и т.д.). Их управляющее ПО заметно облегчает и автоматизирует процессы измерений, заодно автоматизируя фиксацию результатов и их расчёт (в соответствии с утверждённой методикой). Мозгов инженера автоматика не заменяет, но заметно высвобождает время «для подумать». Кроме того, ориентация на специализированные комплексы освобождает от хлопот по подбору приборов, их сочетанию, выбору преобразователей, кабелей, разъёмов, штативов и т.д.
Линейка таких изделий достаточно представлена на рынке, основными из них являются «Навигатор» (всех модификаций, фирма «НЭЛК»), «Сигурд» и «Талис» (так же в многих модификациях, фирма «МАСКОМ»), «Легенда» (фирма «Гамма») и др. Рассмотрению их достоинств и недостатков будет посвящено место в следующей публикации.
В следующем разделе будем рассматривать вопросы выбора средств измерения для задач измерения напряжённости полей.
Продолжение следует
