Pomiar szumów Wstęp Jednym z większych wyzwań w praktyce amatorskiej jest pomiar szumów układów radiowych. W czasopismach i Internecie opublikowano szereg opisów amatorskich mierników szumów, jednak praktycznie wszystkie z nich posiadają istotne wady. Skłoniło mnie to do opracowania własnego układu, w którym usunięto by wady z innych konstrukcji. Aby zrozumieć jakie niedoskonałości posiadały budowane wcześniej konstrukcje niezbędne jest przywołanie, w pewnym zakresie, teorii. Najczęściej stosowaną w technice radiowej metodą pomiaru szumów jest metoda polegająca na podanie na wejście mierzonego układu sygnału z kluczowanego wzorcowego źródła szumów i mierzenie odpowiedzi badanego układu na jego wyjściu, tzw. metoda współczynnika Y. Y jest w tym wypadku stosunkiem sygnału na wyjściu mierzonego układu (np. wzmacniacza, transwertera) pomiędzy stanami gdy źródło szumowe jest załączone "gorące" i wyłączone "zimne". Źródła szumów Znany jest powszechnie fakt, że na elemencie biernym jakim jest opornik powstaje napięcie proporcjonalne do temperatury. Wzorcowe źródło szumów generuje dwie wartości szumów, jedną w stanie włączonym odpowiadające opornikowi gorącemu, drugą wartość odpowiadającą opornikowi zimnemu a konkretnie temperaturze pokojowej. Jako źródło szumów stosuje się najczęściej diodę Zenera, lub złącze tranzystora pracujące jako dioda Zenera. Podstawowym parametrem charakteryzującym źródło szumowe jest wartość ENR. Wartość ENR można obliczyć z następującego wzoru: gdzie: Thot -wartość szumów odpowiadająca temperaturze "gorącej" Tcold -wartość szumów odpowiadająca temperaturze "zimnej" -temperatura pomiaru Temperatura w stopniach Kelvina Z przytoczonego powyżej wzoru wynika, że wartość ENR zależy od temperatury pomiaru, i tu pojawia się pierwszy problem, temperatura zimna jest w praktycznych układach temperaturą pomiaru, jednak wszystkie głowice fabryczne wzorcowane są dla temperatury zimnej równej 16,8 stopni C, bardzo rzadko pracujemy w takiej temperaturze. Faktyczna temperatura głowicy wpływa więc na wynik pomiaru. Różnica temperatura względem temperatury wzorcowania o 10 stopni powoduje błąd pomiaru równy 0,15dB. Dla powtarzalności i porównywalności pomiarów niezbędne jest uwzględnienie tego czynnika, choć nie jest to naważniejszy składnik w bilansie błędu pomiarów. Dobór wartości ENR do pomiaru Ważnym problem a powszechnie pomijanym przez osoby mierzące jest wybór wartości ENR głowicy w zależności od współczynnika szumów układu mierzonego. W przypadku wzmacniacza o niskim poziomie szumów, powinniśmy wybrać mały ENR, wynika to z faktu, że w przypadku dużego ENR otrzymujemy duże różnice w mierzonym sygnale i prawdopodobieństwo odchylenia detektora od liniowości jest znacznie większe niż dla małych wartości ENR (mniejsze ale dobrze mierzalne przyrosty sygnału badanego), dodatkową zaletą tego rozwiązania jest poprawa dopasowania między tłumikiem a źródłem szumowym dzięki większej wartości tłumienia tłumika. W przypadku wzmacniacza o dużym współczynniku szumów i niskim ENR różnica między pomiarami jest mała i trudna do dokładnego zmierzenia, w przypadku dużej wartości ENR mogą pojawiać się odchylenia od liniowości detektora. Wartość ENR głowicy powinna wynosić
Wnioski: Zawsze wybierajmy odpowiednio wartość ENR zależnie od szumów mieerzonego układu, zwykle będzie to wartość 6 dB Rozwiązania konstrukcyjne 1 Układy analogowe Wszystkie układy amatorskich analogowych mierników szumów posługiwały się podanym poniżej wzorem do obliczania szumów: NF = log ENR - log Y [dB] było to rozwiązanie proste do zbudowania w technice analogowej wystarczył detektor logarytmiczny, układ pamiętający, wzmacniacz odejmujący i parę uładów cyfrowych (multiwibrator, klucze). Układ tego typu jako pierwszy opublikował Luis Cupido CT1DMK, jednak najbardziej znana jest jego modyfikacja wykonana przez Harke Smitsa PA0HRK. Układ działa w miarę dobrze dla dużych wartości ENR głowicy szumowej, w przypadku małych wartości ENR głowicy błędy pomiarowe są jednak bardzo duże. Stosowanie dużych watości ENR jak wcześniej pokazano powinno być stosowane jednak tylko dla układów o dużym współczynniku szumów. Błąd ten można usunąć stosując właściwe równanie do obliczania współczynnika szumów o postaci NF = log[ENR/(Y-1)] [dB] Pokazane zostanie to na przykładach: ENR głowicy równy 15dB
To samo na wykresie 
To samo na wykresie  ENR głowicy równy 5 dB
 Wnisoki Opisany typ układu nie tylko, że wnosi błąd systemeatyczny (jednak możliwy do skorygowania rachunkowo) to nie umożliwia sensownej pracy na małych wartościach ENR. Układy tego typu nie powinny być obecnie stosowane. Umożliwiają one strojenie układu na minimum szumów. 2 Układy cyfrowe Drugą grupę układów tworzą układy wykorzystujące mikroprocesor do wykonywania obliczeń, umożliwiają one posługiwanie się wzorem nieuproszczonym, taki układ publikowany był np w VHF Communication, jednak posiadał on dwie istotne wady: 1 tylko dwie wartości ENR zapisane w tablicy, każda inna wartość ENR wymagała wykonania nowej tablicy, powtórnej kompilacji programu i wgrania go do procesora 2 wada, posiadały ją również analogowe mierniki szumów, wynikała z nieuwzględnienia istnienia zjawiska propagacji szumów, układ mikroprocesorowy (analogowy) mierzył szumy całego toru razem z szumami głowicy pomiarowej (F12). Przyjrzyjmy się jakie to błędy wprowadza, najpierw wzór: F12 = F1+(F2-1)/G1 gdzie: F12 -szumy całkowite mierzonego toru F1 -szumy badanego układu F2 -szumy "układu pomiarowego" G1 -wzmocnienie badanego stopnia Zainteresowani F1 wyliczą sobie sami. Wpływ nie uwzględnienia wyników pomiarów szumów głowicy pomiarowej i wzmocnienia wzmacniacza mierzonego pokazano poniżej. F2 przyjętą za równe 3,98dB co jest wartością zmierzoną dla trzech szeregowo połączonych układów ERA3 ale również wartością typową dla nowoczesnych analizatorów szumów. Przykład
W każdym wypadku układ pomiarowy pokazuje nam szumy 1,14dB, szumy układu mierzonego jednak zmieniają się w zależności od wzmocnienia stopnia mierzonego w zakresie 0,46 -1,13 dB a więc uproszczone obliczenia wprowadzają znaczny błąd pomiarowy. Błąd pomiaru jest różnicą pomiędzy wartością F12 a F1. Wnioski Błąd pomiaru jest tym mniejszy im mniejsze są szumy F2 (głowicy pomiarowej) i większe wzmocnienie stopnia mierzonego. Przy małych wartościach wzmocnienia stopnia badanego (G1) i dużych szumach głowicy pomiarowej (F2) układ pomiarowy wprowadza znaczne błędy . Wartość wzmocnienia stopnia mierzonego i szumów głowicy pomiarowej powinna być więc uwzględniona podczas wykonywania pomiarów. Dobry miernik szumów powinien potrafić: 1 zmierzyć szumy głowicy pomiarowej 2 zmierzyć szumy wypadkowe głowicy pomiarowej i badanego wzmacniacza 3 obliczyć szumy wzmacniacza mierzonego 4 posiadać możliwość ustawienia dowolnej sensownej wartości ENR 5 powinien posługiwać się wzorem nieuproszczonym do wykonywania obliczeń Taki układ został opracowany, praktycznie wykonany w dwóch egzemplarzach i zostanie opisany. Co by się przydało by ukłąd mierzył szumy z największą dokładnością: -dodać analizator skalarny do zbadania dopasowania i obliczenia jego wpływu na szumy -ale to chyba już ciut za dużo ;-) Zawartość tej strony możesz kopiować nie wprowadzając zmian (za wyjątkiem tłumaczenia), musisz podać jednak jej oryginalny adres. |