ZASNOVA IN IZVEDBA UNIVERZALNEGA VISOKOFREKVENČNEGA MERILNEGA INSTRUMENTA"Blatnik, Aljaž (Avtor) Vidmar, Matjaž (Mentor) Spektralni analizatorsledilni izvorvektorski analizator vezjifazni šumfotovoltaični virHEMT.Izvedba kakovostnega spektralnega analizatorja s sledilnim izvorom, ki kot rezultat meritve podaja natančen oris razmer na njegovem vhodu, ostaja nespremenjena že zadnjih 50 let. Napredki pri izdelavi polprevodnikov in integriranih vezji omogočajo kompaktnejšo vgradnjo, kompleksnejšo obdelavo in nižjo ceno končne naprave. Najnovejša tehnologija sicer odpira pot povsem digitalni obdelavi visokofrekvenčnega signala, a najprestižnejši instrumenti uglednih proizvajalcev še vedno posegajo po precej dražji in razvojno kompleksnejši analogni različici, idejno enaki tisti izpred pol stoletja. Rezultatu povsem analogne obdelave signala lahko z gotovostjo zaupamo, saj do napak pride kvečjemu zaradi naše nepravilne uporabe (prevelika vhodna moč signala, neustrezno napajanje analognega vezja). Obdelavo opravlja kopica namenskih vezji, ki merjeni signal ustrezno preoblikuje in obdela. Še najbolj se zatakne pri izdelavi zelo ozkih frekvenčnih sit za doseganje boljše selektivnosti, saj so ta precej lažje izvedljiva v digitalni domeni, kar premami tudi resnejše proizvajalce. Žal so digitalne izvedbe pogosto izvor zahrbtnih napak, ki proizvedejo neverodostojen rezultat meritve, te pa je zelo težko odkriti, še težje popraviti, saj je programska oprema instrumentov zaščitena z vrsto šifrirnih mehanizmov. Večina sodobnih spektralnih analizatorjev s sledilnim izvorom glavnini inženirjev še vedno ni dosegljiva, težko si jo privoščijo že najimenitnejše raziskovalne inštitucije. Proizvajalci so k nižanju cen merilnih naprav pristopili z zamenjavo najdražjih namenskih delov za cenejše široko-potrošne gradnike, predvsem pa s preskokom v digitalno domeno zelo zgodaj v analogni verigi obdelave, ter izvedbo vseh pasovno nastavljivih sit v namenskih DSP rutinah. Sicer znatna pocenitev inštrumenta prinese svoje omejitve. Analogno-digitalni pretvornik je omejen z dinamičnim območjem, njegova frekvenca vzorčenja pa določa najširše sito, ki narekuje najvišjo hitrost frekvenčnega preleta. Meritev prenosne funkcije sit z visoko kvaliteto ali opazovanje hitrih signalov avionike je s takšnimi napravami skoraj nemogoče opravilo. To delo predstavlja inovativen pristop k načrtovanju in izgradnji spektralnega analizatorja s sledilnim izvorom za območje med 100 kHz in 4 GHz, s povsem analogno obdelavo signala, brez uporabe dragih namenskih gradnikov in s postopki izdelave, ki so lahko ponovljivi v domači delavnici. Zaradi načina zasnove je končna cena izdelka precej nižja od profesionalnih inačic, ključni gradniki, ki jih z neprimernim rokovanjem lahko uničimo, pa so enostavno zamenljivi. Spektralni analizator deluje kot sprejemnik z večkratnim mešanjem vhodnega signala na različne medfrekvence, pri čemer lokalni oscilator prvega mešalnika opravlja frekvenčni prelet, vsi ostali oscilatorji pa se nahajajo na konstantnih frekvencah. Disertacija predstavlja način izvedbe širokopasovnega frekvenčnega preleta med 4,3 GHz in 8,3 GHz z uporabo več ozkopasovnih oscilatorjev in preklapljanjem med njimi. S tem zagotavlja kakovosten signal prvega lokalnega oscilatorja z nizkim faznim šumom brez neželenih produktov delovanja ulomkove fazno sklenjene zanke. Moteč upad izhodne moči z višanjem frekvence odpravi z inovativno uporabo fotovolatičnega modula za ustvarjanje prednapetosti vrat namenskega nizko-šumnega ojačevalnika s pozitivnim naklonom ojačanja. Vsa medfrekvenčna sita tega dela so izvedena analogno. Votlinsko sito na prvi medfrekvenci 4,3 GHz iz široko-dostopnih aluminijastih profilov, LC sita na nižjih frekvencah pa s spreminjanjem kvalitete resonančnega vezja in s tem elektronsko izbiro pasovne širine med 3 MHz in 30 kHz. Še ožje sito je načrtovano z uporabo piezoelektričnih resonatorjev za 10 MHz, kar omogoča izvedbo najožjega področja vse do 1 kHz. Sledilni izvor poleg želenega izhodnega visokofrekvenčnega signala vključuje tudi podvojeno strukturo mešalnikov in lokalnih oscilatorjev, ki zagotavljajo referenčni signal faznemu detektorju, s tem pa razširitev nabora različnih meritev končne naprave. Tudi ta obdelava je izvedena povsem analogno, kar omogoča neodvisno spreminjanje frekvenc vseh lokalnih oscilatorjev in ohranjanje podatkov umerjanja v primeru izgube napajanja. S koraki analogne obdelave signala je mogoče neodvisno upravljati preko preprostih znakovnih ukazov, ki jih razume programska oprema mikrokrmilnika. Opis vseh sestavnih blokov je natančno razčlenjen, z navedbo zahtev in omejitev načrtovanja. Prikazane so podrobne električne sheme vseh vezji in ključne meritve parametrov, ki krojijo končne zmogljivosti instrumenta. Poseben poudarek je namenjen faznemu šumu prvega lokalnega oscilatorja, ki omejuje uporabnost najožjih pasovnih sit v medfrekvenčni obdelavi signala. Ustvarjanje frekvenčnega preleta je izvedeno z zaporedno vezavo dveh fazno sklenjenih zank s pripadajočimi nizko-šumnimi ozkopasovnimi oscilatorji, pri čemer v ulomkovem načinu deluje prvi oscilator verige, njegov izhod pa je uporabljen za takt celoštevilskega načina faznega detektorja drugega oscilatorja. Z izbiro integriranega vezja STuW81300 je na njegovem mestu na voljo 128 ozkopasovnih oscilatorjev, med katerimi preklaplja ustrezna programska koda izbranega mikrokrmilnika. Vzrok popačenja merjenega signala bo v največji meri odvisen od izbire prvega mešalnika analogne verige. Uporaba komercialno dostopnega gradnika na mestu mešalnika se zaradi nizke cene in enostavne vgradnje potrdi kot smiselna izbira. Ker gre za občutljiv gradnik, ki omejuje vhodno moč instrumenta, so podane natančne meritve presečne točke intermodulacijskega popačenja tretjega reda in točke zasičenja za celotno načrtovano frekvenčno področje. Nadalje je predstavljena nova izvedba pasovnoprepustnega sita z elektronsko izbiro njegove širine. Nadzorovanje kvalitete LC resonatorja, s tem pa širine prepustnega pasu, je izvedeno s PIN diodami, pri čimer je spreminjanje kapacitivnosti diode med preklopom zadosti majhno, da ne povzroči premika osrednje frekvence nihajnega kroga. Uglaševanje takšnega vezja je precej enostavnejše od izvedb v industrijskih inačicah, kar poenostavlja rokovanje s končnim instrumentom in ne zahteva dodatnega umerjanja med samim delovanjem naprave. Digitalno vzorčenje analognega signala po končni obdelavi vrši mikrokrmilnik STM32G441, ki hkrati izvaja zahtevane korake nastavljanja fazno sklenjenih zank vseh lokalnih oscilatorjev. Podatke o amplitudi in fazi merjenega signala v agregirani obliki posreduje uporabniškemu vmesniku, ki jih prikaže na interaktivnem zaslonu na dotik. Predstavljen instrument tako ostaja zvest zaupanja vredni analogni zasnovi, uporabi sodobnih nizkocenovnih gradnikov za proizvajanje signala lokalnih oscilatorjev in razširi nabor meritev s sledilnim izvorom z vpeljavo vektorskega načina merjenja.20232023-02-14 08:05:00Doktorsko delo/naloga144307VisID: 49345COBISS_ID: 141644803sl