Generator sygnału w oprogramowaniu APx500 - Część 1: Automatyzacja poziomu generowanego sygnału

Case study - Wzmacniacz mocy

Pomiar mocy znamionowej wzmacniacza jest typowym przykładem pomiaru wykorzystującego różne poziomy generowanego sygnału. Moc znamionowa określana jest na podstawie zmierzonego sygnału wyjściowego w relacji do generowanych zniekształceń THD+N. Normy pomiarowe wymagają, aby niektóre parametry wzmacniacza, takie jak wzmocnienie, odpowiedź częstotliwościowa lub SNR, były wykonywane właśnie przy poziomie nominalnego wysterowania wzmacniacza. Z tego powodu na początku, należy wyznaczyć poziom sygnału generatora, który będzie skutkował oczekiwanym sygnałem wyjściowym z urządzenia badanego, a następnie zarejestrować wszystkie parametry.

Wykres 1 przedstawia pomiar parametru THD+N małego wzmacniacza słuchawkowego zmierzonego dla zmiennego poziomu (1 mVrms do 1,6 Vrms) wejściowego sygnału sinusoidalnego 1 kHz. Krzywa przyjmuje tutaj typowy kształt - przy niższych wartościach (1mVrms - 100 mVrms) sygnał zdominowany jest przez szumy własne, przez co poziom zniekształceń spada wraz ze wzrostem sygnału wejściowego. Następnie krzywa przyjmuje względnie stałe wartości zniekształcenia, a po przekroczeniu poziomu 1,2 Vrms, wartość zniekształceń drastycznie się zwiększa, w związku z działaniem systemów ograniczających sygnału.

Aby określić znamionową moc należy podać na wzmacniacz sygnał wejściowy, który wywoła w sygnale wyjściowym wartość THD+N na poziomie 1%. Ustawienie podanej wartości może odbyć się ręcznie na podstawie analizy wykresu, takiego jak Wykres 1 lub za pomocą automatycznego generatora sygnału dostępnego w oprogramowaniu APx500.

Wykres 1 - Pomiar wartości THD+N wzmacniacza słuchawkowego dla zmiennego poziomu wejściowego sygnału sinusoidalnego 1 kHz.

Automatyczne ustawianie poziomu generatora (Auto-Set Gen Level)

Funkcją dostępną w oprogramowaniu APx500, służącą do regulacji poziomu generatora, jest “Auto-Set Gen Level”. Dostępna jest ona w pod-panelu References zakładki Signal Path Setup. Opcja ta dostępna jest zarówno w trybie Sequence mode, jak i Bench mode.  Funkcja ta pozwala na automatyczne ustawienie sygnału pobudzającego badane urządzenia, tak by zarejestrować z niego sygnał o określonym poziomie wyjściowym lub poziomie zniekształceń THD+N.

Rysunek 1 - Funkcja Auto-Set Gen Level

W górnej części okna możemy ustawić parametry dotyczące sygnału rejestrowanego z badanego urządzenia: 

• Regulate: wybór mierzonego parametru (RMS Level lub THD+N)
• To - określenie czy podana wartość ma być poziomem docelowym, maksymalnym, czy minimalnym
• Target Value: określenie wartości parametry
• On: Wybór kanału, generatora

Dolna część okna pozwala na kontrolowanie sekcji generatora, zazwyczaj generowanego z  poziomu wyjściowego. Tutaj określana jest górna i dolna granica, między którą generator będzie szukał odpowiedniego pobudzenia dla badanego sygnału. Ważne, by określony przez nas parametr sygnału wychodzącego z badanego urządzenia, był możliwy do uzyskania, w ustawionym przedziale.

Initial step pozwala określić liczbę kroków, które generator wykona między podaną wartością minimalną a maksymalną, w celu odszukania podanej wartości docelowej. Fabrycznie ustawiona wartość to 2, jednak jej zwiększenie pozwala na łagodniejsze skoki podczas określania ustalonych wartości.

W końcu, Frequency, określa częstotliwość generowanego sygnału pobudzającego.

Po ustawieniu wszystkich parametrów wystarczy rozpocząć automatyczną kalibrację za pomocą przycisku Start. System zacznie wyszukiwanie odpowiedniego poziomu sygnału pobudzającego. W celu uproszczenia tej procedury, wartość niepewności ustawiana jest tutaj automatycznie. O sukcesie lub nieudanej próbie dopasowania poziomu zostaniemy poinformowani komunikatem.

W przypadku poprawnego ustawienia oczekiwanej wartości:

1. Generator zostanie pozostawiony na sygnale, który pobudza badane urządzenie w taki sposób, że założone parametry sygnału wyjściowego są osiągnięte. Na Rysunku 2, przedstawiona została sytuacja, dla której wartością docelową sygnały generowanego przez badane urządzenie była wartość THD+N równa 1%. Takie zniekształcenie spowodowane jest przez pobudzenie badanego urządzenia sygnałem sinusoidalnym o częstotliwości 1 kHz i poziomie 1,256 Vrms.
2. Poziom odniesienia, którego jednostka w oprogramowaniu APx500 to dBGr, ustawiony jest automatycznie na wartość równą pobudzeniu. W przypadku Rysunku 2, 0 dBGr będą odpowiadały poziomowi 1,256 Vrms.

Rysunek 2 - Panel sekcji generatora po przeprowadzeniu automatycznej kalibracji

Jednostka dBGr jest bardzo użyteczną funkcją, pozwalającą na szybki dostęp do określonej wcześniej wartości wymaganej. Taka funkcjonalność potrzebna jest w momencie kiedy chcemy dokonać kilku pomiarów, np. odpowiedzi częstotliwościowej, wzmocnienia lub mocy znamionowej, przy zachowaniu konkretnego poziomu wyjściowego. Operowanie na jednostkach dBGr, pozwala nam również intuicyjnie zmieniać poziom wysterowania urządzenia, zmniejszając lub zwiększając jego wartość, co niezbędne jest chociażby w pomiarach zakresu dynamiki.

Jak wspomniałem wcześniej, aby proces automatycznej kalibracji generatora zakończył się pomyślnie, docelowa wartość musi znajdować się pomiędzy określonymi wartościami granicznymi. W przeciwnym razie otrzymamy informację o błędzie. Przykładowy komunikat został przedstawiony na Rysunku 3. Przedstawia on poziom wysterowania generatora oraz otrzymywane wartości zniekształceń THD+N, będących odpowiedzią na sygnał z generatora. Taka sytuacja będzie wymagała od nas zmiany zakresu granicznego i ponowne uruchomienie procedury.

Rysunek 3 - okno błędu funkcji Auto-Set Level Gain

Auto-Set Gen Level w pętli pomiarowej.

Niektóre scenariusze pomiarowe wymagać będą kilkukrotnego ustawienia docelowej wartości generatora w czasie trwania pomiarów. Z tego powodu funkcja Auto-Set Gen Level, jest również dostępna jako opcja część scenariusza pomiarowego, umożliwiając przeprowadzenie automatycznej kalibracji w dowolnej części procesu pomiarowego. Opcja ta dostępna jest w “Measurement Sequence Setting”, gdzie po odhaczeniu części References, ustawiona zostanie automatyzacja. Rysunek 4 przedstawia procedurę włączenia Auto-Set Gen Level w scenariuszu pomiarowym.

Rysunek 4 - Funkcja Auto-Set Gen Level w scenariuszu pomiarowym