Rafał Orodziński SQ4AVS

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, gdzie 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 odpowiadającą 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:

ENR = (Thot-Tcold)/290

  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 temperatury 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 najważniejszy 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 generatorem o 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

Mierzona wartość NF [dB]	Wartość ENR źródła [dB]
0-10	6
10-20	10
20-35	15

Wnioski:

Zawsze wybierajmy odpowiednio wartość ENR zależnie od szumów mierzonego 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 układów 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. Duże wartości ENR jak wcześniej pokazano powinny być stosowane 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

 

Y [dB]	Wzór prawidłowy [dB]	Wzór uproszczony [dB]	Różnica [dB]
15	0,14	0,00	0,14
14	1,18	1,00	0,18
13	2,22	2,00	0,22
12	3,28	3,00	0,28
11	4,36	4,00	0,36
10	5,46	5,00	0,46
7,5	8,35	7,50	0,85
5,0	11,65	10,00	1,65
2,5	16,09	12,50	3,59
1,0	20,87	14,00	6,87

ENR głowicy równy 10dB

 

Y [dB]	Wzór prawidłowy [dB]	Wzór uproszczony [dB]	Różnica [dB]
10	0,46	0,00	0,46
9	1,58	1,00	0,58
8	2,75	2,00	0,75
7	3,97	3,00	0,97
6	5,26	4,00	1,26
5	6,65	5,00	1,65
4	8,20	6,00	2,20
3	10,02	7,00	3,02
2	12,33	8,00	4,33
1	15,87	9,00	6,87

ENR głowicy równy 5dB

 

Y [dB]	Wzór prawidłowy [dB]	Wzór uproszczony [dB]	Różnica [dB]
6	0,26	-1,00	1,26
5	1,50	0,00	1,50
4	3,20	1,00	2,20
3	5,02	2,00	3,02
2	7,33	3,00	7,33
1	10,77	4,00	7,77

 

Widzimy, że sytuacja robi się coraz bardziej nieciekawa, im mniejszy ENR głowicy tym większy popełniamy błąd pomiaru

Wnioski :

Opisany typ układu nie tylko, że wnosi błąd systematyczny (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 Dubusie, jednak posiadał on dwie istotne wady:

- pierwsza wada, tylko dwie wartości ENR był zapisane w tablicy, każda inna wartość ENR wymagała wykonania nowej tablicy, powtórnej kompilacji programu i wgrania go do procesora

- druga 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 przyjęto za równe 3,98dB co jest wartością zmierzoną dla trzech szeregowo połączonych układów ERA3 ale również wartością typową dla nowoczesnych analizatorów szumów.

Przykład

F1 [dB]	G1 [dB]	Błąd pomiaru [dB]
0,46	9	0,68
0,88	13	0,26
1,01	16	0,13
1,09	20	0,05
1,13	30	0,01

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

Aby układ mierzył szumy z największą dokładnością warto by jeszcze dodać analizator skalarny do zbadania dopasowania i obliczenia jego wpływu na szumy -ale to chyba już ciut za dużo ;-)

Układ spełniający wyszczególnione warunki został opracowany i praktycznie wykonany w dwóch egzemplarzach. Poniżej opis układu.

Miernik szumów

Co robi miernik

- mierzy szumy głowicy pomiarowej
- mierzy szumy wypadkowe głowicy pomiarowej i badanego wzmacniacza oraz    oblicza szumy wzmacniacza mierzonego
- posiada możliwość ustawienia dowolnej sensownej wartości ENR (2- 20 dB)
- posługuje się wzorem nieuproszczonym do wykonywania obliczeń
- wykonuje automatyczną korekcję wyniku uwzględniając temperaturę otoczenia
- ma dwie ustawiane wartości ENR (ważne w przypadku transwerterów)
- zapamiętuje wartości ENR po wyłączeniu napięcia zasilania

Dwie wartości ENR potrzebne są tylko w przypadku układów transwerterów. Dzieje się tak gdyż po pierwsze potrzebujemy wyznaczyć współczynnik szumów głowicy pomiarowej (niech będzie np. 144MHz, używamy ENR IF) i szumy całego toru mierzonego (głowica + układ mierzony). W tym wypadku jednak używamy już wartości ENR równej częstotliwości wejściowej transwertera (ENR RF). Chętni dojdą dlaczego się tak dzieje po przeczytaniu wcześniejszego artykułu o pomiarze szumów. W przypadku pomiarów wzmacniaczy obie wartości ENR RF i ENR IF muszą być ustawione jako równe.

Każda opcja pomiarowa jest „na wierzchu” i nie trzeba wchodzić w wielopoziomowe menu (czego to bardzo, a bardzo nie lubię). W celu zapewnienia stabilności termicznej układu podczas pracy zaleca się włączyć układ 15 minut przed rozpoczęciem pracy. Największe zmiany występują w pierwszych minutach pracy. Czujnik temperatury LM35 powinien być umieszczony w generatorze szumów.

Pierwsze uruchomienie

Ustawiamy napięcie referencyjne przetwornika AC na 4,096V dla AD8307, napięciem tym korygujemy odchylenia przetwornika od nachylenia 25mV na dB. Pozwalamy przejść kalibracji (kalibracji nie wolno przerywać, kończy się ona gdy układ pokaże szumy i wzmocnienie stopnia), trwa to około 1min. Kalibracja trwa długo sam pomiar jest dużo, dużo szybszy, około 3s. Układ pokaże zerowe wartości ponieważ nie wpisaliśmy jeszcze wartości ENR. Ustawiamy klawiszami ENR RF i ENR RF odpowiednie wartości ENR. To robimy tylko przy pierwszym uruchomieniu urządzenia.

Normalna praca

Łączymy zaciski toru pomiarowego i głowicy szumowej, naciskamy kalibrację, musi przejść do końca. Włączamy mierzony układ pomiędzy tor pomiarowy i głowicę szumową, na wyświetlaczu widzimy wartości szumów układu mierzonego i jego wzmocnienie w dB. Po wyłączeniu zasilania układ pamięta ustawione wcześniej wartości ENR RF i ENR IF Po każdorazowej zmianie wartości ENR należy przeprowadzić kalibrację. W celu nie wpisywania wartości ENR IF przy pomiarze wzmacniaczy dodano specjalny klawisz zrównujący te wartości (ENR RF = ENR IF). Przyciski trzymamy aż do chwili potwierdzenia danej czynności (wejścia w daną opcję, nie musimy czekać do jej zakończenia). Jeśli zapomnimy jakie wartości ENR wcześniej ustawiliśmy widzimy je w menu INFO, dodatkową informacją jest pojawienie się po wartościach ENR temperatury w stopniach Kelvina. Częstotliwość na której jest wykonywany pomiar, zależy od filtru w.cz. pomiędzy pierwszym a drugim stopniem wzmocnienia ERA3, np. w przypadku pomiaru szumów i wzmocnienia transwertera 1,3 GHz z pośrednią 144MHz, używamy wartości ENR RF 1,3 GHz, wartości ENR IF 144MHz i filtru na pasmo 2m.

Schemat ideowy i montażowy

 

 

 

Element		Wartość		Uwagi
Kondensatory
C1		1µF		O8O5
C2, C3, C7, C8, C10, C13, C16, C20, C21, C23, C26, C27		100nF		O8O5
C4, C11, C17, C22		10µF
C5, C6		33pF		O8O5
C9, C12, C15, C19, C25		100µF
C14, C18, C24		1nF		O8O5
Rezystory
R1		10k		O8O5
R2, R3, R5		1K		O8O5
R4, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R15		4,7k		O8O5
R14, R18, R22		1k		O8O5
R16		22K		O8O5
R17		150		O8O5
R19		750		O8O5
R21		220		O8O5
Potencjometr wieloobrotowy pionowy
R13		4K7
R20		1k
Indukcyjności
L1, L2, L3		10µH		przewlekany
Kwarce
Q2		10MHz
Półprzewodniki
U1	ATMEGA8		zaprogramowany
U2	CNY17-1		przewlekany
U4	AD8574		smd
U5	LTC1860		lub MCP3201
U6	TL431C		przewlekany
U7	7805		przewlekany
Q3	LM285- 2,5V		przewlekany
Q1	LM35		przewlekany
U3	LCD 2X16 znaków
D1	LED RED
D2	LED GREEN
D3	Transil 5,6V		przewlekany
D4, D5, D6	1N4148		O8O5
S1 -S7	switch		przewlekany
Inne
F1	polyswitch 100mA

Schemat części w.cz.

W układzie zastosowano prostą sztuczkę do poprawy stabilności wzmacniacza. Sztuczka ta podejrzana jest z konwertera satelitarnego, rezystory włączone w szereg z kondensatorami działają jak tłumiki o małej wartości tłumienia i zapobiegają wzbudzeniom układu. Układ AD8307 pełni funkcję detektora logarytmicznego. W przypadku zastosowania w głowicy w.cz. układu AD8310 układ AD8574 jest zbędny.

W razie różnic pomiędzy schematem a pcb decyduje pcb (programowałem to nie mając schematu narysowanego, dołożyłem wszelkich starań by nie było błędów, ale mimo wszystko mogły się pojawić). Zmontowany według schematu montażowego układ napewno działa, wykonano 2 sztuki. W innym programie robiłem płytkę, w innym schemat. W zależności od dostępności można stosować LTC1860 lub MCP3201, wersje te różnią się wsadem do procesora. O różnicach proszę mnie informować.

 

Podziękowanie za cenne uwagi dla Michała SP2IQW i Stefana SP9QZO.

 

sq4avs@gmail.com