Stepan

В предыдущих сообщениях мы уже говорили о мощности и энергии (часть 1 – энергия) (часть 2 – мощность). Весьма просто использовать источник питания постоянного тока для регулировки напряжения или тока. Регулировка постоянного напряжения (CV) и постоянного тока (CC) – это стандартные функции большинства источников питания постоянного тока, используемых при тестировании. Тем не менее – что, если требуется необычное применение с приложением фиксированного объема энергии к тестируемому устройству (ТУ)? Например, при добавлении фиксированного объема энергии к калориметру или химическому процессу или при проверке должно (или не должно) происходить срабатывание плавкого предохранителя, автоматического выключателя, воспламенителя или детонатора?

Если сопротивление устройства остается постоянным, приложить фиксированный объем энергии к ТУ достаточно просто. При приложении постоянного напряжения или тока мощность в ТУ остается постоянной. Тогда энергия рассчитывается по формуле:

E = (V2/R)*t = (I2*R)*t

Где E — это энергия в Ватт-секундах или Джоулях, V — напряжение в Вольтах, R — сопротивление в Омах, I — ток в Амперах и t — время в секундах. Все, что вам необходимо сделать – это приложить постоянное напряжение или ток в течение предварительно определенного периода времени и тогда на ТУ подается фиксированный объем энергии.

Тем не менее, часто многие ТУ не поддерживали постоянную нагрузку. Они могут иметь динамически изменяющуюся нагрузку по своей сути, или их сопротивление значительно возрастает при нагреве. Как вы регулируете фиксированный объем энергии в ТУ в этих условиях? Одной возможностью является использование одного из нескольких специализированных источников питания, имеющихся на рынке, которые могут регулировать выход для поддержания постоянной мощности. По мере того как нагрузка ТУ понижается или повышается, источник питания регулирует свой выход соответствующим образом для поддержания постоянной выходной мощности, подаваемой на ТУ. Затем снова, прикладывая постоянную мощность в течение предварительно определенного периода времени, вы будете подавать на ТУ фиксированный объем энергии.

Тем не менее, для ТУ, которые не поддерживают постоянную нагрузку, часто нежелательно или даже недопустимо прикладывать источник постоянной мощности. Возможно, вы можете приложить только фиксированный ток или напряжение к ТУ. Что можно сделать в этом случае? Время больше не может оставаться фиксированным значением при попытке регулирования фиксированного объема энергии. Решение становится несколько сложнее, что показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Регулировка фиксированного объема энергии, подаваемого на ТУ

Применение решения, указанного на рисунке 1, на практике может быть достаточно трудным. Электрический счетчик должен генерировать сигнал пуска при достижении требуемого уровня срабатывания по Ватт-часам (или Ватт-секундам). Это становится еще сложнее, если требуемое время отклика должно составлять доли секунд для данной процедуры. Наиболее вероятно, что это может стать частью аппаратного обеспечения, выполненного по требованию заказчика.
Что интересно, данная процедура может быть программно настроена внутри наших источников питания производительной системы питания серии N6900A и N7900A (APS). Данное изделие имеет счетчики Ампер-часов и Ватт-часов, встроенные в системы измерения. Вы не только можете измерять данные параметры, но также имеется программируемый способ воздействовать на них различными способами. В APS можно программировать и загружать логические выражения. Далее система обрабатывает эту логику на аппаратном уровне. Создание и загрузка выражения пути прохождения сигнала в блок APS упрощается за счет использования программного обеспечения N7906A Power Assistance, которое показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Графическая разработка и загрузка настроек предельных значений энергии в блок Keysight APS

На рисунке 2 компаратор порога срабатывания установлен на генерацию сигнала пуска на уровне 0,0047 Ватт-часов. Данный сигнал пуска затем передается в выходную переходную систему для того, чтобы выход перешел на новый выходной уровень. Я ввел 0 В в качестве уровня сработавшего выхода. Таким образом, когда показание электрического счетчика достигло точки срабатывания, выход переходит на ноль, отключая подачу мощности и энергии на DUT.

Набор команд SCPI для данного логического выражения также генерируется из данной служебной программы при нажатии кнопки «SCPI to clipboard» (Перенести SCPI в буфер обмена). Это избавляет от необходимости создания кода вручную, если вы встраиваете выражение в собственную программу. Для данного выражения создается код:

:SENSe:THReshold1:FUNCtion WHOur
:SENSe:THReshold1:WHOur 0.0047
:SENSe:THReshold1:OPERation GT
:SYSTem:SIGNal:DEFine EXPRession1,"Thr1"
:TRIGger:TRANsient:SOURce EXPRession1

Для проверки использовалась резистивная нагрузка 1,18 Ом для вывода 84,75 Вт при настройке выходного напряжения 10 В. Выход отключался и снижал напряжение до 0 В примерно на 200-й миллисекунде, как ожидалось. Это показано на осциллограмме на рисунке 3.

Рисунок 3. Выход APS для нагрузки 84,75 Вт и предельного значения энергии, установленного на 0,0047 Вт*ч

Мощность нагрузки затем была дублирована за счет повышения выходного напряжения до 14,142 В. Выход APS отключался и снижал напряжение до 0 В за половину временного периода, подавая такой же объем энергии, как ожидалось. Это показано на осциллограмме на рисунке 4.

Рисунок 4. Выход APS для нагрузки 169,5 Вт и предельного значения энергии, установленного на 0,0047 Вт*ч

При использовании резистора легко увидеть, что заданный объем энергии подается на нагрузку. Тем не менее, способность производительных источников питания действовать на основе измерений энергии в режиме реального времени делает очень удобным подачу фиксированного объема энергии вне зависимости от динамической природы нагрузки во времени.

Где должен стоять первый смеситель при выполнении высокочастотных измерений?

Схема подключения внешнего смесителя к анализатору сигналов серии PXA.

Внешний смеситель обладает целым рядом преимуществ:

• Гибкая и с малыми потерями подача сигнала от источника на анализатор. Основной преобразующий частоту элемент можно расположить в непосредственной близости от источника сигнала, имеющего, как правило, волноводный разъём. Анализатор можно установить в любом удобном месте, не беспокоясь о потерях сигнала, возникающих при передаче высоких частот на большие расстояния.

• Частотный диапазон. Внешние смесители пассивного и активного типа выпускаются для частот от 10 ГГц до терагерцового диапазона.

• Цена. Анализ сигнала может выполняться лишь в ограниченной области СВЧ или КВЧ диапазона, и диапазонные внешние смесители могут расширить диапазон анализатора ВЧ сигналов на эти частоты.

• Характеристики. Повышение чувствительности измерения и снижение фазового шума за счёт меньших потерь на соединение и за счёт применения высокочастотных и высокостабильных выходов гетеродина анализатора сигналов.

Некоторые недавние усовершенствования упростили работу с внешними смесителями и улучшили их характеристики. В таких интеллектуальных смесителях имеется интерфейс USBдля соединения с анализатором сигналов, что обеспечивает автоматическую настройку и калибровку мощности. Кроме USB нужно подключить только комбинированный разъём выхода гетеродина/входа ПЧ, как показано ниже.

Схема подключения внешнего интеллектуального смесителя.

Новые смесители просты в обращении и поддерживают автоматическую загрузку коэффициентов потерь преобразования для коррекции амплитуды. Тем не менее они уступают по удобству и частотному диапазону одноприборным решениям со встроенным смесителем, непосредственно охватывающим СВЧ и КВЧ диапазоны. И поскольку внешние смесители не имеют фильтра предварительной селекции, приходится использовать различные функции идентификации сигнала для выделения и подавления сигналов, генерируемых модой (гармоникой гетеродина или модой смесителя), отличной от той, на которую откалиброван дисплей (подробней я расскажу об этом в следующей статье).

В настоящее время опция внешнего смесителя поддерживается в анализаторах сигналов Keysight UXA, PXA, MXA и EXA.

Как получить точность, за которую вы заплатили

Возможно, вы уже сталкивались с такой ситуацией, работая с одним из наших анализаторов сигналов. Прибор на некоторое время приостанавливает выполняемую операцию – на несколько секунд, может на минуту или даже больше – и как будто начинает жить своей жизнью. Начинают щёлкать реле, а на экране появляется сообщение о том, что выполняется настройка каких-то компонентов, о существовании которых вы даже не подозревали. Что происходит? Это важно? Может как-то можно избежать этого неудобства?

Ответ прост: анализатор решил, что пришло время измериться, провериться и настроиться, чтобы гарантировать вам обещанную точность.

Звучит вполне убедительно. В конце концов, вы купили прецизионный измерительный прибор (спасибо!), чтобы получить достоверные результаты и выполнить свою работу: применить ВЧ/СВЧ технологию для решения тех или иных, очень важных задач. И меньше всего вам нужны недостоверные измерения.

Но это ещё не всё. Ваше время тоже стоит недёшево, поэтому нужно понимать важность этих операций и знать, можно ли помешать им прерывать вашу работу.

И ещё один простой ответ: иногда автоматические операции важны, но не критичны (как правило). Во избежание неудобств можно проделать несколько простых вещей, но сначала неплохо бы разобраться в некоторых терминах:

• Калибровка

– это тесты, регулировки и проверки, которые прибор проходит раз в один–три года. Как правило, прибор отсылают в специализированную лабораторию, где выполняется его калибровка с помощью другого контрольно-измерительного оборудования.

• Настройка

– это периодические проверки и настройки по месту эксплуатации, которые анализатор выполняет сам без помощи другого оборудования и без участия пользователя. Калибровка и настройка гарантируют, что анализатор соответствует заявленным характеристикам.

• Поправка

– это математические операции, которые анализатор применяет к результатам измерения для компенсации известных погрешностей. Эти погрешности выявляются во время калибровки и настройки.

Увы, эта терминология не универсальна. Например, если подать команду «*Cal?», то анализатор сообщит вам, что он недавно (и соответствующим образом) настроен, но ничего не скажет о периодической калибровке. И всё же эти термины могут пригодиться для выполнения достоверных измерений и исключения неудобств.

Для начала можно воспользоваться стандартным автоматическим режимом. Разработчики прибора сами решают, какая цепь нуждается в настройке, как часто и в каком температурном диапазоне. К сожалению, это может прерывать работу и создавать проблемы, мешая наблюдению сигналов или явлений, которые вы пытаетесь понять. Это особенно неприятно, если вы подготовились к измерениям и обнаружили, что анализатор перешёл в режим философских размышлений.

Отключение автоматической настройки гарантирует, что прибор всегда будет готов к измерениям и будет уведомлять вас о необходимости настройки. Теперь вы сами решаете, когда выполнять настройки, хотя это может создать риск нарушения регулировки в момент выполнения критически важных измерений.

Вы можете сами определить график настройки и сказать прибору, чтобы он напоминал о нем ежедневно или еженедельно. Если прибор работает в условиях стабильной температуры, то такой подход сравнительно безопасен. Тем не менее, учитывая ваши интересы, анализатор выведет следующее сообщение:

В стандартном режиме настройка выполняется по истечении некоторого времени и при изменении температуры, причём мой опыт показывает, что изменению температуры предаётся большее значение. Однажды я взял анализатор, который пролежал всю ночь в машине на холоде, и после включения обнаружил, что в первые полчаса температура нарастала так быстро, то настройка выполнялась почти непрерывно.

Если вы хотите оптимизировать настройку в соответствии со своими условиями, просто воспользуйтесь встроенной справочной системой анализатора сигналов серии X. Можно даже войти в интернет, загрузить файл справки для анализатора спектра и открыть его в компьютере.