Software & Systems

На рубеже нового тысячелетия произошла настоящая революция в области коммуникаций. Глобальные компьютерные сети опутали не только сушу, но и океанское дно планеты. Средства мобильной связи уже превратились в неотъемлемые атрибуты повседневной жизни жителей экономически развитых стран. Набирает обороты стандарт Bluetooth. Важной составляющей процесса разработки подобных систем связи является создание надежного источника, несущего электрический сигнал, который должен обеспечивать заданное качество при ограниченном объеме ресурсов. Частотомеры семейства CNT-8x шведской компании «Pendulum Instruments» давно стали стандартными средствами измерения, анализа и калибровки электрических сигналов. Дополнительные программные средства, такие как TimeViewTM, превращают частотомеры этой серии в мощные средства выявления и анализа различных модуляций, снижающих качество электрических сигналов.

Частотомеры CNT-8x. Приборы подобной серии называются частотомерами достаточно условно, так как частота – это далеко не единственная характеристика сигнала, которую можно измерять с их помощью [1]. Характеристик и возможностей самих частотомеров много, поэтому мы ограничимся рассмотрением лишь наиболее важных характеристик и только тех возможностей, информация о которых является существенной для описания взаимодействия прибора с программным обеспечением на ЭВМ.

Частотомеры CNT-8x работают с электрическими сигналами с характеристиками, находящимися в широком диапазоне. Частота сигнала может достигать 8 ГГц при напряжении до 50 В [2]. Обеспечиваемая точность измерения также высока. При измерении временных характеристик результат может выдаваться с точностью до 1 пс. Разрешение функций измерения напряжения равно 12,5 мВ. Прибор имеет внутреннюю память, использование которой позволяет выполнять до 40 тысяч измерений в секунду. Четыре входа прибора могут использоваться для измерения характеристик сигналов. Всего существует двадцать различных функций. Большая их часть работает только с одним сигналом, остальные функции выполняют измерения сигналов на двух каналах. Функции, работающие с одним входом, измеряют частотно-временные характеристики сигналов, а также различные параметры напряжения. Для двух сигналов определяются такие характеристики, как отношение частот, фазовый сдвиг и т.п.

Настройки измерительных экспериментов. Кроме базовых настроек, таких как измерительная функция, комбинация входов и продолжительность измерения, существует внушительное число дополнительных параметров экспериментов. Мы ограничимся рассмотрением только наиболее важных из них.

Для двух основных входов А и В, существует возможность определить, что является событием с точки зрения измерительного процесса. Анализируемый сигнал представляет собой некоторую кривую изменения уровня напряжения во времени. Событием считается преодоление определенного уровня напряжения (уровня переключения) при определенном типе перепада напряжения (положительном или отрицательном). Число событий за время измерительной сессии используется, например, для оценки частоты и периода сигнала. Взаимное расположение во времени событий для двух сигналов определяет величину фазового сдвига. В большинстве случаев определение подходящего уровня переключения можно доверить частотомеру (автоматический режим). Для входа А существует возможность использования 100 КГц фильтра нижних частот. Для входа В также существует уникальная опция – возможность перенаправления сигнала с входа А на вход В (соединение расположено перед фильтром нижних частот).

Начало измерительной сессии может быть синхронизировано с внешним событием. Один из двух каналов может быть использован для приема синхронизирующего сигнала, по положительному или отрицательному фронту которого (в зависимости от настроек) осуществляется старт измерений. После того как произошло синхронизирующее событие, начало измерительной сессии может быть задержано на заданное время или определенное число событий на входе В. Время задержки может быть задано в диапазоне от 100 нс до 1.67 с с разрешением в 100 нс. В случае с подсчетом числа событий на входе В учитываются только отрицательные перепады в количестве от 2 до 16777215. Измеряемый сигнал также может служить синхронизирующим. Для этого следует использовать возможность перенаправления сигнала со входа А на вход В.

Для измерений характеристик сигналов важным является устранение влияния различных шумов, искажений сигнала в точке соединения и т.п. Один из способов – использование упомянутого выше фильтра нижних частот. Другой – начальная задержка (hold off). Частотомеры CNT-8x позволяют задать мертвую зону в начале измерения, на протяжении которой события на входе игнорируются. Величина задержки также может быть задана временем или числом событий на входе В. Для эффективного использования начальной задержки в качестве фильтра нижних частот продолжительность мертвой зоны должна быть равна примерно 75 % от периода сигнала. Выбор величины задержки является достаточно сложной задачей, для решения которой необходимо иметь предположения о действительной частоте измеряемого сигнала. Так, если начальная задержка слишком велика, результаты измерений будут отличаться высокой стабильностью. Однако измеряемая частота сигнала будет в несколько раз меньше реальной. Поэтому в особо сложных случаях следует использовать осциллограф для приблизительного определения базовых характеристик сигнала. Организация фильтра нижних частот – не единственное применение начальной задержки. Начальная задержка не может быть меньше 50 нс, шаг изменения величины задержки равен 10 нс.

Частотомеры CNT-8x могут выполнять статистическую обработку результатов измерений. В режиме статистики пользователю выдаются не результаты одиночных измерений, а результаты вычисления одной из четырех статистических функций: одного из значений (среднего, минимального, максимального) и среднеквадратического отклонения. Размер выборки – натуральное число от 1 до 65535.

Удаленное управление частотомерами. В ряде случаев было бы удобным иметь возможность удаленного управления частотомерами CNT-8x, например, через ЭВМ. Существуют два стандарта, позволяющих организовать эффективное взаимодействие различных цифровых приборов: SCPI [3] и GPIB [4]. SCPI (standard commands for programmable instruments – стандартные команды для программируемых инструментов) – это стандартизированный набор команд для удаленного управления программируемым тестовым и измерительным оборудованием. Для каждого функционального модуля инструмента SCPI задает набор специфических команд. Переход от программирования различных приборов к программированию всевозможных функциональных модулей создает видимость простоты переноса программного обеспечения между различными ин- струментами, имеющими общее назначение. Встроенное в частотомеры CNT-8x программное обеспечение содержит модули поддержки SCPI. Они определяют синтаксис и семантику команд, использование которых обеспечивает взаимодействие с прибором.

GPIB (general purpose interface bus, интерфейсная шина общего назначения) – шина для удаленного управления тестовым и измерительным оборудованием. Этот стандарт был впервые предложен в конце 60-х годов прошлого века специально для создания надежного способа соединения приборов и ЭВМ. Шина позволяет одновременно подключать до 15 приборов (устройств) к одной ЭВМ (контроллеру). Скорость передачи данных 1 Мб в секунду, чего вполне достаточно для 99 % современных приложений. Управление доступом к шине осуществляется ЭВМ, которая определяет, кто будет передавать данные (говорить), а кто будет их принимать (слушать). На сегодняшний день GPIB является стандартом де-факто в мире систем для тестирования и измерений. Почти все приборы стоимостью в 1 К$ и выше оснащены GPIB-интерфейсом. Частотомеры CNT-8x не являются исключением, их архитек- тура предусматривает наличие GPIB-интерфейса. К числу недостатков GPIB можно отнести сложность для понимания архитектуры библиотек для прикладных программистов и достаточно высокую стоимость GPIB-карт для ЭВМ. Однако, несмотря на все недостатки, следует признать, что более чем 30-летний срок службы этого стандарта – показатель его высокого качества, точного соответствия потребностям разработчиков измерительных и тестовых систем.

Поддержка SCPI и GPIB дает возможность удаленного управления частотомерами CNT-8x. Рассмотрим пакет TimeView, специально предназначенный для работы с CNT-8x. TimeView использует возможности частотомеров, недоступные с панелей управления прибором, реализованные в пакете алгоритмы позволяют производить детальный анализ характеристик электрических сигналов.

Все ключевые возможности пакета TimeView [5] можно условно разбить на несколько групп: удаленное управление прибором, организация измерительных сессий, представление результатов измерений, возможность анализа результатов, сохранение и восстановление информации об измерительной сессии. Все рассмотренные в предыдущем разделе настройки измерительных экспериментов и многие другие можно выполнять через ЭВМ. Использование привычных каждому пользователю диалоговых окон позволяет быстрее и удобнее подготовить частотомер к измерениям. Как и большинство других измерительных приборов, CNT-8x в каждый момент времени показывает только одно числовое значение, характеризующее анализируемый сигнал в данный момент. Использование TimeView позволяет выполнять измерительные сессии, результатом которых является ряд размером до нескольких тысяч точек, что дает возможность зафиксировать изменение характеристик сигнала во времени. Результаты измерительных сессий представляются в удобном для восприятия виде – в форме графиков и таблиц. Реализованные в TimeView алгоритмы позволяют анализировать результаты и находить более наглядные способы их представления.

Пакет TimeView поддерживает три типа измерительных сессий: автономные (free-running), итерационные (repetitive) и определения формы сигнала во времени (waveform).

Автономные измерительные сессии. Автономность следует понимать в том смысле, что частотомер CNT-8x заряжается для выполнения измерений и выполняет их самостоятельно без дополнительного управления со стороны ЭВМ. Результаты измерений накапливаются во внутренней памяти прибора (до 7019 точек) и считываются ЭВМ по окончании измерительной сессии. Автономные измерительные сессии могут быть одноблочными и многоблочными.

В случае одноблочной измерительной сессии все отдельные измерения, число которых задается пользователем, выполняются подряд, одним блоком с максимально возможной скоростью. Если существует внешний синхронизирующий сигнал, то по его событию выполняется весь блок измерений. Этот режим измерений используется для выявления краткосрочной неустойчивости сигнала, например дрожания частоты (frequency jitter).

В случае многоблочного режима, измерительная сессия разбивается на несколько блоков. Разделение запуска отдельных блоков может быть реализовано при помощи явной временной задержки, задающей продолжительность интервала времени между запуском двух соседних блоков, и/или внешнего синхронизирующего сигнала. В отсутствие искусственного разделения запуска измерительных блоков во времени многоблочный режим мало отличается от одноблочного. Если используются оба типа задержки, измерительный блок запускается по приходу первого сигнала внешней синхронизации, после того как истекла временная задержка.

Общее число измерений, выполняемых в многоблочном режиме CNT-8x, равно произведению числа блоков и размера одного блока. При использовании режима статистики статистическая функция вычисляется для каждого блока, размер которого принимается равным величине статистической выборки. Таким образом, результатом полной измерительной сессии является n значений, где n – число блоков.

Временная задержка измерительных блоков может находиться в диапазоне от 100 мс до 500 с. Многоблочный режим с временной задержкой, как правило, используется для измерения продолжительных вариаций характеристик сигнала, например, для определения влияния прогрева системы в начале функционирования или обнаружения дрейфа частоты продолжительностью в несколько суток. Очевидно, что временная задержка должна быть больше, чем время выполнения одного блока измерений, в противном случае результат может существенно отличаться от желаемого.

При использовании временной задержки график с результатами измерений рисуется в режиме реального времени [6] поблочно. Если задержка превышает 1 с, пользователю также предоставляется возможность автоматического поблочного сохранения результатов измерений в файле. Автоматическое сохранение информации о ходе продолжительной измерительной сессии позволяет уменьшить ущерб от ее прерывания вследствие зависания операционной системы Windows от компании Microsoft или веерного отключения электроснабжения.

В случае многоблочного режима по каждому событию внешней синхронизации запускается только один измерительный блок. Многоблочный режим с внешней синхронизацией может быть использован, например, для изучения нескольких сдвигов частоты в пределах одной измерительной сессии (по одному внешнему событию на каждый сдвиг).

Итерационные измерительные сессии. При итерационном режиме наблюдение за изменением параметров сигнала осуществляется посредством повторяющихся одиночных измерений. Начало каждого измерения задерживается относительно сигнала внешней синхронизации. Пакет TimeView итерационно увеличивает задержку от измерения к измерению.

Настоящий режим измерения предназначен для изучения сигналов с периодическими вариациями. Необходимым условием для измерения является наличие внешнего синхронизирующего сигнала с периодом, равным периоду искомых вариаций. Однако в ряде случаев синхронизирующими событиями могут служить особые точки (пики напряжения) самого измеряемого сигнала. Примером такой организации эксперимента послужит измерение выходной частоты осциллятора, управляемого напряжением.

Диапазон изменения задержки и шаг ее увеличения определяется пользователем TimeView. Минимальный шаг равен 100 нс. Таким образом, итерационные измерительные сессии могут работать с сигналами, имеющими частоту вариаций измеряемого параметра до 10 МГц.

Рассмотрим, что собой представляют итерационные измерительные сессии (рис. 1). Пусть имеется сигнал переменной частоты. Частота сигнала может принимать одно из трех значений. Каждое значение частоты возникает с периодом Т (полный период вариаций). Для измерения всех трех частот за одну измерительную сессию берется сигнал внешней синхронизации, генерирующий события (e1, e2, e3) с тем же периодом. В ходе измерительной сессии задержка начала измерения относительно сигнала внешней синхронизации последовательно увеличивается (D1, D2, D3), так чтобы каждое отдельное измерение выполнялось во время, когда сигнал имеет новую частоту.

Определение формы сигнала во времени. В режиме определения формы сигнала комплекс частотомер CNT-8x и пакет TimeView работает как обычный осциллограф и строит график зависимости амплитуды сигнала от времени. Только повторяющиеся сигналы на входе А могут обрабатываться в этом режиме.

В основе режима определения формы сигнала лежит интервальная функция частотомера, возвращающая величину временного интервала между событиями на двух входных каналах. Напомним, что событием считается переход определенного уровня напряжения в определенном направлении (положительный или отрицательный перепад). Интервальная функция во многом схожа с функцией определения фазового сдвига. Ключевое отличие заключается в том, что интервальная функция возвращает значение в единицах времени (абсолютных единицах), а не в градусах (относительных единицах), как в случае измерения фазового сдвига.

В начале измерительной сессии сигнал на входе А перенаправляется на вход В. Интервальная функция будет работать с одним и тем же сигналом, но на двух разных входах. Далее определяются максимальное и минимальное значения амплитуды сигнала (на рисунке 2 это уровни напряжения vmax и vmin соответственно). Диапазон напряжения сигнала разбивается на определенное пользователем число уровней (в автоматическом режиме получается около 50 уровней). На рисунке 2 мы имеем 5 уровней, от v1 до v5. Затем для канала А определяется следующее событие: положительный переход среднего уровня напряжения (v3 для сигнала на рисунке 2). Это опорное событие. Оно не изменяется на протяжении всей измерительной сессии. Относительно него будут фиксироваться все остальные точки на кривой сигнала. Далее в двойном цикле перебираются все возможные события для канала В, то есть все возможные комбинации уровня напряжения и типа перехода. Для каждого события на входе В измеряется интервальная функция. Возвращаемое ею значение – смещение момента пересечения текущего уровня напряжения относительно опорной точки. Все получаемые значения отображаются на графике. Тип перехода также запоминается. Все точки рисуются в зависимости от перехода, на рисунке 2 точки положительного перехода изображены в виде белых кружков, отрицательного – черных.

Заметим, что указанный алгоритм не может построить форму сигнала на промежутке времени большем, чем один период сигнала. Действительно, допустим, что уровень напряжения v2 пересекается в моменты времени t2,1 и t2,2. Однако интервальная функция каждый раз будет возвращать наименьшее значение – t2,1. Решить эту проблему позволяет начальная задержка. После каждого определения интервальной функции возвращаемое ею значение, увеличенное на некоторый (определяемый пользователем) шаг, устанавливается в качестве начальной задержки для следующего измерения на том же уровне напряжения с тем же типом перепада. Таким образом, повторное измерение дает следующую точку, в нашем примере – t2,2. Шаг увеличения начальной задержки следует выбирать в зависимости от степени зашумленности сигнала. Маленький шаг в сочетании с сильно зашумленным сигналом приведет к долгой измерительной сессии с большим числом точек.

Определение формы возможно и для сигналов с периодическими вариациями, например для сигнала, изображенного на рисунке 1. Как и в случае с итерационными измерениями, для определения формы такого сигнала необходим сигнал внешней синхронизации с периодом, равным периоду искомых вариаций. Тогда опорное событие определяется для синхронизирующего сигнала, измеряемый сигнал участвует в измерениях только в качестве второго аргумента интервальной функции.

Обработка результатов измерений. Достаточно часто голые результаты измерительных секций представляют незначительный интерес, так как наиболее важные закономерности, лежащие в основе последовательности одиночных измерений, неочевидны по причине большого объема информации или же высокой зашумленности. Пакет TimeView реализует три метода обработки результатов измерений: статистика, быстрое преобразование Фурье (БПФ) и сглаживание.

Статистическая обработка включает построение гистограммы распределения результатов измерительной сессии и расчет основных статистических параметров, таких как среднее, наименьшее и наибольшее значение, среднеквадратическое отклонение. Статистический анализ, как и все остальные методы, может быть применен как ко всем результатам, так и к их части. Интервал результатов, нуждающихся в обработке, задается двумя курсорами на графике с результатами измерений. В случае циклических изменений в полученных данных необходимо установить курсоры таким образом, чтобы между ними находилось целое число периодов вариации, и выполнить обработку только данных между курсорами.

БПФ заключается в разложении сигнала (в нашем случае – последовательности результатов измерений) на частотные составляющие (синусоиды). Полученный ряд изображается в виде графика в логарифмическом масштабе. БПФ используется для определения периодических изменений в сигнале как намеренных, так и нежелательных. Анализ результатов БПФ позволяет определить и частоту модуляций, и отклонение несущей частоты. БПФ возможно только для ряда, размер которого равен степени двойки. Если число результатов измерительной сессии не равно степени двойки, пакет TimeView отображает имеющуюся последовательность на ряд степени двойки. Однако это вносит искажения в результаты анализа, чего следует избегать.

Процедура сглаживания ряда значений заключается в усреднении, замене отдельного значения на среднее этого значения и соседних. Использование сглаживания позволяет устранить шум и дрожание в результатах измерения и тем самым открывает скрытые тенденции изменения характеристик сигнала. Выбирая число значений, по которым выполняется усреднение, нужно сохранять его как можно меньшим, так как при большом числе значений может быть потеряна существенная информация о сигнале.

Частотомеры семейства CNT-8x шведской компании Pendulum Instruments могут использоваться для измерения двадцати различных параметров сигналов. Использование пакета TimeView существенно увеличивает ценность частотомеров для целей анализа и стабильных, и модулированных сигналов. Управляемые с ЭВМ измерительные сессии выполняются с высокой скоростью. Результаты измерений представляются в графической форме и в форме таблицы значений. Встроенные в TimeView средства обработки результатов измерения позволяют быстро обнаружить как намеренные, так и нежелательные изменения характеристик сигналов.

Тип частотомера и GPIB-интерфейса определяется автоматически при запуске TimeView. Пакет поддерживает GPIB-карты от трех ведущих производителей: National Instruments, Agilent Technologies и Keithley Instruments.

Список литературы

1.   Timer/Counter/Analyzers. PM6680B, PM6681, PM6681R, PM6685 & PM6685R. Programming Manual. Fluke Corporation, 2000.

2.   CNT-80 & CNT81/81R. Timer/Counter/Calibrators. Pendulum Instruments AB, 2001. http://www.pendulum.se.

3.   The SCPI Consortium. www.scpiconsortium.org.

4.   What is HPIB, GPIB, IEEE488, IEC60625? http://www.ines.de.

5.   CNT-80, CNT-81 and CNT-81R. High Performance Timer/Counter/Analyzer. Users Manual. Pendulum Instruments AB, 2001.