Применение многопортового векторного анализатора цепей в формате PXI для быстрого и точного анализа электрических цепей
Сегодня, решая задачи измерения, инженеры вынуждены искать компромисс между потребностью выполнять многопортовый анализ цепей с растущим числом измеряемых параметров и стремлением минимизировать общее время тестирования в крупносерийном производстве. К счастью, современные измерительные приборы, такие как многопортовый векторный анализатор цепей в формате PXI, предлагают удобные способы выполнения точных многопортовых измерений при одновременном повышении производительности.
Основные метрологические проблемы
Обычные средства многопортового анализа цепей основаны на применении анализатора с внешним матричным коммутатором. В таком многопортовом решении сигналы 2‑или 4‑портового анализатора распределяются через ВЧ-ключи внешнего матричного коммутатора. Необходимые измерительные тракты определяются последовательно путем выбора портов через коммутатор. В зависимости от требуемого уровня производительности с этой целью могут применяться полупроводниковые или электромеханические коммутаторы.
И хотя решение на базе коммутаторов позволяет без особых затрат увеличить число портов векторного анализатора цепей, оно имеет и целый ряд недостатков. Во‑первых, для измерения всех S‑параметров многопортового устройства в таком решении используются последовательные измерения. На это может уйти много времени, поскольку для определения всех S‑параметров приходится выполнять множество свипирований по частоте, что существенно замедляет скорость производственного тестирования. Но еще более серьезная проблема заключается в том, что матричный коммутатор ухудшает характеристики контрольно-измерительной системы (такие как динамический диапазон, шум и температурная стабильность) по сравнению с автономным векторным анализатором цепей. Подобное ухудшение особенно заметно на частотах выше 10 ГГц, и, поскольку число многопортовых компонентов продолжает неуклонно расти, многие инженеры ищут эффективные альтернативные решения
Описание лучшего решения
Благодаря развитию технологии векторных анализаторов цепей и появлению модульных измерительных приборов в формате PXI, инженеры получили альтернативное решение для быстрого и точного многопортового анализа электрических цепей. Это решение характеризуется повышенной производительностью и более гибкими измерительными конфигурациями по сравнению с традиционным подходом на базе коммутаторов. В этом решении используется анализатор, построенный на платформе PXI, который можно сконфигурировать для многопортовых измерений и который не требует внешней коммутации.
Платформа PXI позволяет создать векторный анализатор цепей, обладающий высокой гибкостью, масштабируемостью и возможностью быстрой настройки на работу с устройствами с разным числом портов (2, 4, 6 и до 32). Кроме того, применение платформы PXI помогает инженерам экономить место и время, одновременно обеспечивая высокий уровень характеристик и скорости, что необходимо для выполнения быстрых и точных измерений.
Пример структурной схемы векторного анализатора цепей, который можно сконфигурировать для многопортовых измерений, показан на рис. 1а. Представленный здесь прибор в формате PXIe является полным 2‑портовым векторным анализатором цепей, который устанавливается в слот PXI. Из таких приборов можно сконфигурировать многопортовый анализатор, установив в одно шасси PXI несколько модулей. Для синхронизации гетеродинов, задающих генераторов и сигналов запуска модули соединяются между собой специальными кабелями. Если считать, что каждый испытательный порт анализатора имеет независимые образцовый и измерительный приемники для многопортовых измерений, то S‑параметры всех исследуемых трактов можно измерять одновременно.
Для получения многопортового прибора можно объединять до 16 модулей M937xA, что позволяет работать с 32‑портовыми устройствами с полной коррекцией на частотах до 26,5 ГГц.
Применение подобного многопортового измерительного решения дает инженерам целый ряд преимуществ. Например, получение данных не последовательно, а одновременно несколькими приемниками повышает скорость измерений и, как следствие, пропускную способность. Стоимость тестирования тоже снижается, поскольку с помощью одного шасси PXI можно работать параллельно с несколькими устройствами. А поскольку в этой конфигурации сигнал между исследуемым устройством и измерительными приемниками не ослабляется, многопортовые измерения получаются точными и стабильными. На самом деле благодаря отсутствию затухания, связанного с применением внешних коммутаторов, это решение обладает даже лучшими характеристиками, чем автономный векторный анализатор цепей.
Одной из характеристик, улучшение которой особенно заметно, является динамический диапазон. Многопортовый анализатор реализует значительно более широкий динамический диапазон на верхних частотах по сравнению со своим собратом на базе коммутаторов. Это значит, что, применяя многопортовую измерительную систему, можно использовать более широкую полосу промежуточной частоты при том же уровне шумов. Так, если динамический диапазон увеличивается на 20 дБ, то можно выбрать полосу ПЧ в 100 раз шире, что в 100 раз повышает скорость измерений при том же уровне шумов, позволяя получить те же результаты.
Многократное повышение производительности за счет параллельной работы с несколькими устройствами
Другое ключевое преимущество векторного анализатора цепей на базе PXI — создание нескольких конфигураций в одном шасси. Это позволяет с помощью одной испытательной станции одновременно тестировать несколько устройств. Работа нескольких конфигураций анализаторов в формате PXI в параллельном режиме предоставляет возможность одновременно свипировать разные исследуемые тракты многопортовых компонентов (к примеру, низкочастотный и высокочастотный). В отличие от последовательных измерений с помощью решения на базе коммутаторов векторный анализатор цепей на базе PXI тестирует несколько одинаковых или разных устройств одновременно (рис. 2). В частности, тестируемые устройства с 2, 4 и более портами можно одновременно испытывать с помощью модулей PXI, действующих под управлением одного контроллера PXI. Параллельная работа с разными устройствами или разными исследуемыми трактами одного многопортового компонента выполняется с оптимальными настройками воздействующих сигналов (частоты, уровня мощности, полосы ПЧ, числа точек и т. п.), что повышает общую пропускную способность в условиях производства.
Параллельный режим позволяет одновременно тестировать несколько одинаковых (рис. 2а) или разных (рис. 2б) устройств. В зависимости от требований тестируемого устройства, конфигурации векторных анализаторов цепей можно настроить как 2‑портовые и более.
При одновременном свипировании одного многопортового тестируемого устройства пропускная способность удваивается, а стоимость производственного тестирования и капитальные затраты снижаются. Кроме того, разработчики получают большую гибкость по сравнению с традиционными решениями.
Сравнение нового со старым
Можно долго перечислять преимущества многопортового решения формата PXI по сравнению с традиционным решением на базе коммутаторов, однако лучше привести примеры. Допустим, для выполнения прямого и обратного свипирования по двум измерительным портам используется 2‑портовый векторный анализатор цепей с матричным коммутатором и полной 2‑портовой калибровкой. Если используется 4‑портовый анализатор с матричным коммутатором, то многопортовая коррекция ошибок применяется путем выполнения серии из четырех последовательных свипирований на каждом измерительном порту. Однако многопортовый анализатор регистрирует данные несколькими приемниками — по одному на каждый измерительный порт. В результате измерения могут выполняться значительно быстрее с существенно меньшим числом свипирований.
Можно взглянуть на это и с другой стороны. Для измерения всех S‑параметров 8‑портового устройства с помощью 2‑ или 4‑портового анализатора с внешним коммутатором понадобится 56 и 24 свипирований соответственно. С помощью многопортового (8‑портового) анализатора то же измерение осуществляется всего за восемь свипирований. С ростом числа портов тестируемого устройства разница становится еще заметней. Например, для получения всех S‑параметров 24‑портового устройства понадобится 552 свипирования 2‑портового анализатора, 264 свипирования при использовании 4‑портового анализатора и всего 24 свипирования, если воспользоваться многопортовым (24‑портовым) анализатором (рис. 3).
Теперь давайте рассмотрим температурную стабильность. Если в контрольно-измерительной системе с матричным коммутатором применяются полупроводниковые коммутаторы, то система становится чувствительной к изменению температуры. Для коррекции температурной погрешности коммутаторов нужно выполнять калибровку по частоте. На многопортовые векторные анализаторы цепей это не распространяется. Они не используют внешних коммутаторов, и поэтому потребность в периодической калибровке испытательных портов сокращается, а в некоторых случаях исключается. В результате общее время измерения значительно сокращается.
Заключение
С ростом числа портов компонентов все более острой становится потребность в быстром и точном многопортовом анализе цепей. К счастью, многопортовое решение на базе платформы PXI обладает характеристиками, скоростью и возможностью параллельного измерения, необходимыми современным инженерам для быстрого и достоверного тестирования многопортовых компонентов. Такие качества необходимы для повышения пропускной способности измерений в условиях крупносерийного производства.