04 сентября 2012
О лаборатории специальных исследований
Часть 34
К вопросу оценки ПЭМИН цифровых сигналов (продолжение)
Мы должны измерять напряжение. Обязательным условием измерения этой физической величины является требование, чтобы входное сопротивление средства измерения не менее, чем в 10 раз превышало выходное сопротивление источника сигнала. Это не моё утверждение, это общая физика и … Методика. Такое требование там записано «чёрным по белому». Зададимся себе вопросом, а каково максимальное выходное сопротивление нашего потенциального «источника сигналов»?
Отбросим сразу варианты с подключённой линией. В этом случае, как правило, эти значения достаточно низки (50, 100, 150, 600, 1500 Ом). Некритичный для нас вариант, тут всё простенько…А вот в режиме «ХХ», или на обесточенной линии, или «по разбитым парам»? Очень часто это сотни и тысячи кОм (если не Мом!). Вы полагаете случайно был выбран тогда, «на заре времён», именно Unipan, у которого есть предусилитель с входным 10 Мом? Поверьте – нет, не случайно... И сегодня в требованиях к средствам измерения у «других регуляторов» напрямую записано – не ниже 10 Мом. И на практике всегда проверяли, когда качество работы контролировали.
Вот из объективных данных выкристаллизовался и второй параметр средства измерения – входное сопротивление. Я ещё добавлю, это уже чистая эмпирика, входная ёмкость не более 10-15 пФ. С кабелем – не более 100 пФ. Собственно, несложно посчитать и самому, формула в любом справочнике, ёмкостное сопротивление конденсатора (модуль) с такой ёмкостью на частоте порядка 10 кГц (получите около 160 кОм, уже мало!). Но меньшую ёмкость обеспечить сложно, да и ёмкостная компонента выходного сопротивления источника, обычно, того же порядка. Так что более-менее…
Двигаемся дальше.
Полагаю, не требует многословных обоснований, что средство измерения должно быть селективным? Причём с достаточно хорошей и варьируемой селективностью. Что, собственно, определяет эти параметры?
А вот что.
В одной из предыдущих публикаций уже приводилась иллюстрация реального спектра сигналов в этой частотной области ( часть 21, http://daily.sec.ru/publication.cfm?pid=34015)
В линиях и «на портах» это выглядит абсолютно так же. И указанные там условия–критерии абсолютно те же. Вывод – аналогичный. Полоса пропускания средства измерения должна иметь возможность регулирования, по крайней мере, от 1 до 15-20 Гц. Не помешает, если будут возможности «подрезать» с помощью встроенного ФВЧ рабочий диапазон «снизу», начать его герц с 300 (а не с 80-100) и с помощью ФНЧ – «сверху», килогерц до 3-5 (а не 10-12, как без него). Практически бывает очень полезно. Причём чем круче будут скаты АЧХ всех фильтров – тем лучше. Практика разработки таких решений показала, что реализовать активные аналоговые фильтры с порядком выше восьмого не получается (точнее – стоимость решения слишком высока). А цифровые методы применимы ограниченно. Ведь всё это, крайне желательно, сделать ДО АЦП! Тогда и только тогда удаётся резко снизить динамический диапазон сигналов до размера «входных ворот» типового АЦП. И при этом обеспечить входной диапазон не меньше 130-140 дБ (160 – это «голубая мечта»…).
Проиллюстрировать изложенное удобно графически. На рисунке 34.1 приведён условный спектр помех, включая «сетевые».
Именно такую «картину» мы видим на экране приличного анализатора спектра с полосой пропускания (постоянной!) не более 3-10 Гц. Чем шире будет полоса пропускания, тем больше будут «замазываться», сглаживаться пики и подтягиваться выше провалы.
Рисунок 34.1 Общий спектр помех в тракте при типовых измерениях
Чтобы измерять некие сигналы (строго МЕЖДУ гармониками сетевой частоты) общая АЧХ тракта измерения должна иметь вид, приближающийся к приведённому на рисунке 34.2.
Рисунок 34.2 АЧХ тракта измерения
Поскольку в полосах подавления измерять нельзя, то они должны быть как можно «уже» (мы добились не более 1 Гц). Это возможно только при автоподстройке частоты фильтров, их высоких порядках и программном учёте искажений Ку в зонах, помеченных серой заливкой. Остальные частоты (более высокие гармоники) сети подавлять не имеет смысла – они вполне укладываются в динамический диапазон порядка 125-130 дБ.
Красная штрих-пунктирная линия показывает, как был выполнен ФВЧ на входе в одном из протестированных нами изделий. Его влияние простиралось до, примерно, 700 Гц и никак не было скомпенсировано. То есть прибор на частотах ниже 700 Гц (при измерениях в электросети) откровенно врал…
И последнее в именно этом разделе, посвящённом формированию требуемой АЧХ тракта измерения. МОЖНО обойтись и без этого. По «старинке», Unipan-ом, вручную. Как и любым другим, «незаточенным» анализатором. Так же вручную отстраиваясь от сетевых помех. Можно, только Вам работать будет много сложнее, я-то все этапы прошёл сам, крутя ручки всего, чем только меряли АЭП за 30 с лишним лет. Можно обойтись стандартным анализатором (в какой-то мере). Вот я, лично, считаю, что не нужно усложнять себе жизнь! На это и без вас найдётся «желающих»… Есть возможность работать хорошо «заточенным» под задачу средством – им и надо работать. При этом сознание освобождается от кучи ненужной работы и можно полностью сосредоточится на достижении результата. Но выбирать – каждому самому…
С требованиями по селективности и динамике закончили.
Итак, следующее – уровень собственных шумов тракта измерения.
Понятно, что он должен быть ниже самого слабого из измеряемых сигналов. Но это общая фраза, требующая ряда необходимых уточнений.
Давайте договоримся сразу, во избежание дальнейших недоразумений. Будем оперировать двумя объективными физическими величинами:
- Спектральная плотность шумов, приведённая «ко входу», в значениях нВ/vГц
- Величина СКЗ (среднеквадратическое значение) шумов, приведённое «ко входу» в некой установленной полосе пропускания, нВ.
Причём будем принимать как аксиому, что одна из этих величин легко пересчитывается в другую через «корень из полосы пропускания».
Так вот, не требует доказательств (надеюсь!), что если мы измеряем некий «монохроматический» сигнал (а именно этого от нас требует действующий НМД), то его значение от полосы пропускания не зависит. Зато уровень помех – точно зависит и именно пропорционально корню квадратному из полосы пропускания. Уже полоса – меньше помех… Но сужать полосу до самого нижнего предела – становится сложнее найти сигнал, не «потерять» его. Вот тут можно спорить, у каждого свои критерии. Но я берусь утверждать, что оптимальная полоса пропускания для поиска 10-12 Гц, для измерения 1-3 Гц.
Исходя из этого, прикинем, выше мы определили, что тракт обязан измерять уверенно первые десятки нВ. Ну, для примера, возьмём точно «с потолка» - начиная с 50 нВ. Вот так мне хочется
Итак, отстранившись от всех внешних помех, я утверждаю (и имею к этому основания!), что оператор увидит на «картинке» спектра сигнал в 50 нВ (например, включая/выключая акустическое воздействие) только если уровень «шумодорожки» не превышает 35 нВ (то есть как раз не спектральная плотность, а именно измеренный их уровень!). Это будет (с учётом полосы, например, в 10 Гц) соответствовать спектральной плотности шумов не выше 11нВ/vГц. Это максимум (по значениям шумов). Лучше бы не выше 5 нВ/vГц.
И вот тут-то самое сложное «место». Вот такой уровень приведённых «ко входу» шумов (собственных) средство измерения должно иметь не при короткозамкнутых входах!!!! А при нагрузке на «нешумящий» резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению прибора (такой ещё найти надо)! Помните, желательно не менее 10 Мом (но меньше 2 Мом – уже несерьёзно вообще)…
И именно тут всё только начинается. Пусть меня простят (или не простят ;) ) коллеги – производители средств измерения, но при таком испытании НИ ОДНО средство измерения, появившееся на рынке для целей контроля АЭП и тестировавшееся у меня, не то чтобы единиц – десятков нВ/Гц не обеспечивает.
Кому интересен «шум» при «КЗ», если в реальной работе «нагрузка» будет в сотни кОм и мегомы с пропорционально «подросшим» шумом? Действительно, исторически, что в нашей стране и в мировой практике было принято определять уровень собственных шумов именно при короткозамкнутом входе. Но пользователю прибора (комплекса, системы) от этого не легче, ему мерять надо, а не вход замыкать…
Следующий параметр, точнее – функция, относится не столько к метрологии, сколько именно к исполнению требований методики. Это способность прибора выполнять измерения в линиях промышленной электросети под напряжением. Свойство совсем не тривиальное! Здесь «сетевая помеха» не 0,1 и не 1 В, а 210-230В. Таким образом, рабочий динамический диапазон существенно меняется и сдвигается «вверх». К счастью десятки нВ «ловить» не нужно, требования норм таковы, что в этом случае чувствительность тракта должна быть не хуже, например, сотен мкВ. Зато подавление частоты электросети и её гармоник требуется не менее, чем на 120 дБ (весьма неслабо!). И, при этом, крайне желательно, минимально подавлять все остальные частоты. Кроме того необходимо помнить и об электробезопасности, здоровье (а то и жизнь) оператора на первом месте. Отметим, что задача чуть упрощается тем, что линии электропитания с точки зрения речевого диапазона частот линии низкоомные. Поэтому входное сопротивление сетевого пробника не обязательно должно быть сверхвысоким. Пары сотен кОм вполне хватает, и то, только для предотвращения излишнего тока утечки промышленной частоты.
Продолжение следует
