Недорогой и доступный измеритель фазовых шумов кварцевых генераторов

Опубликовано 31.03.2014 Автор:

С.В. Богуславский, В.П. Литвинов, В.В. Струев

ООО «БМГ-Кварц», Московский государственный открытый университет

В наш век стремительного развития информационных технологий достаточно остро стоит вопрос передачи большого количества информации за короткое время. Это возможно при увеличении полосы пропускания приемопередающего тракта при одновременном повышении значения несущей частоты или повышением разрядности цифровых сигнальных процессоров, формирующих ту или иную информационную последовательность. И в том и в другом случае остро стоит вопрос о динамическом диапазоне системы. Сверху динамический диапазон ограничен реальной мощностью сигнала, составляющих сотни милливатт, снизу – собственными шумами устройства. При мощности сигнала Рс=100 мВт максимальное значение динамического диапазона, ограниченного снизу тепловыми шумами и отнесенного к одному герцу, составляет 194 дБ/Гц. Если полоса пропускания составляет F=100 МГц (1х10⁸ Гц), то отношение сигнал/шум такой системы будет равно или 5×10⁵ раз, что составляет примерно 19 двоичных разрядов, при максимальной частоте следования посылок = ΔF*2=200 МГц.

Из приведенных рассуждений напрашивается один вывод: необходимо улучшить соотношение сигнал/шум. Это соотношение зачастую зависит от собственных шумов генераторов, используемых в системах передачи/приема информации. Поэтому измерение собственных шумов источников сигнала (генераторов) составляет важную часть от испытания всей совокупности параметров генераторов.

В настоящее время за рубежом разработано большое число измерителей, позволяющих измерить шумовые характеристики генераторов в пределах -165…-180 дБ/Гц за счет применяемых корреляционных методов измерения. Однако цена таких измерителей составляет десятки и сотни тысяч долларов, что ограничивает их использование в ряде предприятий. А измерения собственных шумов целесообразно проводить как у производителя генераторов, так и у потребителя на входном контроле.

В ООО «БМГ-Кварц» был разработан и изготовлен относительно недорогой измеритель спектральной плотности фазовых шумов кварцевых генераторов, позволяющий проводить измерения уровней порядка -160 дБ/Гц на частотах выше 5 кГц.

Принцип работы состоит в измерении низкочастотной составляющей спектра сигнала, несущая которого подавляется до нуля для возможности усиления низкочастотных составляющих с большим коэффициентом . Это достигается применением 2-х однотипных генераторов, в которых предполагается равенство шумовых параметров, или применением одного из генераторов, шумы которого значительно лучше шумов испытуемого генератора. Структурная схема такого устройства приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема измерителя фазовых шумов.

Рассмотрим работу устройства:

Сигналы от двух одинаковых управляемых генераторов Г1 и Г2 подаются на входы смесителя (СМ), выполняющего одновременно функции фазового детектора. На выходе одного из генераторов включен аттенюатор АТТ, предотвращающий перегрузку смесителя. Измерительный прибор, включенный на выходе смесителя, индицирует предварительную настройку разности фаз генераторов, равную 90 градусов (нулевое показание прибора). Далее выходной сигнал смесителя разделяется на два. Один — через фильтр низкой частоты (ФНЧ) и ключ К подается на управляющий электрод одного из генераторов (Г2). Другой — на вход малошумящего усилителя низкой частоты, выход которого соединен со входом низкочастотного анализатора спектра (АС). В разомкнутом положении ключа К производится калибровка устройства. При этом напряжение разностной частоты, ослабленное аттенюатором на NАТТ дБ, принимается за 0 дБ. После замыкания ключа устанавливают захват петли ФАПЧ и с помощью органа подстройки R устанавливают сдвиг фаз между сигналами равным 90 градусов. Изменяя коэффициент усиления УНЧ, определяют уровень шумов NШ в полосе пропускания ΔF анализатора спектра. Результирующее значение спектральной плотности определяют по формуле:

где 3 дБ – величина, учитывающая идентичность генераторов;
6 дБ – поправка к пересчету на одну боковую полосу.

В компании ООО «БМГ-Кварц» был разработан и изготовлен измеритель фазовых шумов ИФФ-1, в соответствии с вышеприведенной блок-схемой.
Измеритель имеет следующие характеристики:

- диапазон рабочих частот 10…100МГц;
- величина входного сигнала 50…700 мВ;
- динамический диапазон в соответствии с табл.1:

Таблица 1

Частота	20Гц	100Гц	1кГц	10кГц	100кГц
Динамический диапазон	-125дБ	-145дБ	-150дБ	-155дБ	-160дБ

Структурная схема измерителя ИФФ-1 показана на рис. 2.

Рис. 2 Структурная схема измерителя ИФФ-1

Устройство состоит из блока измерителя (БИ), выносного устройства (ВУ), и анализатора спектра (АС). ВУ предназначено для подстройки частоты испытуемых генераторов и обеспечения синхронизации с помощью петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). БИ выполняет функции усиления входных высокочастотных сигналов до необходимого уровня работы смесителя, проведения калибровки и усиления низкочастотных шумовых сигналов.

АС предназначен для измерения напряжения калибровки, а также измерения спектральной плотности мощности фазовых шумов. В качестве анализатора спектра использовался программно – аппаратный комплекс состоящий из: компьютера с установленной системой WINDOWS XP, имеющего интерфейс USB 2.0, с установленной программой ZETLab, разработанной ГП ВНИИФТРИ ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы» и внешнего модуля АЦП-ЦАП 16/16 «SigmaUSB».

В качестве примера на рисунках 3, 4 и таблицах 2, 3 приведены результаты измерений фазовых шумов термостатированных опорных генераторов с частотами 10 МГц и 40 МГц.

Рис.3. Фазовые шумы генератора с частотой 10 МГц.

Таблица 2.

Отстройка, Гц	20	100	1000	10000
Измеренное значение, дБ/Гц	-132	-145	-152	-154

Рис.4. Фазовые шумы генератора с частотой 40 МГц.

Таблица 3

Отстройка, Гц	20	100	1000	10000
Измеренное значение, дБ/Гц	-125	-138	-145	-151

Для удобства измерения фазовых шумов в качестве эталонного был выбран из числа однотипных генератор с лучшими фазовыми шумами, что позволило упростить процесс измерений. Внешний вид измерителя показан на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вид измерителя фазовых ИФФ-1

Литература.

1. Стандарт МЭК. Генераторы кварцевые. Часть 1. Общие сведения, условия и методы проведения испытаний. Публикация 679-1. 1983 г.

_______________________________________________________________________________________

Скачать:

nomortogelku.xyz

Опубликовано в Статьи