Как обеспечить работу наладонных спектроанализаторов TinySA basic и TinySA Ultra на частотах ниже 100 кГц? Способны ли они дополнить возможности компа со звуковой картой? Который из них лучше подходит для таких применений? Ответы на эти вопросы я надеялся получить в ходе работы, изложенной далее. Некоторые результаты оказались неожиданными.
Никого ни к чему не призываю, никаких гарантий не даю. Вся ответственность за последствия своих действий лежит на читателе.Крайне не рекомендуется проводить опыты с единственным имеющимся экземпляром такого прибора. Лучше иметь их два. Как поступил и автор – приобрёл прошлым летом пару TinySA basic с дисплеем 2,8 дюйма. Через полгода к ним добавилась Ультра с дисплеем 4 дюйма (далее – девайсы). Над одним бесчеловечно издевался, а другой служил нетронутым образцом. Только когда убедился в заметной полезности и отсутствии вредных последствий от доработок, часть из них применил и во втором, контрольном экземпляре.
Доработки следующие:
1.Добавление керамического конденсатора 22мкФ по питанию сразу после выключателя;
2.Добавление четырёх керамических конденсаторов 10мкФ параллельно имеющимся по питанию процессора;
Рис.1, 4.
3.Добавление двух керамических конденсаторов 22(10)мкФ параллельно имеющимся по входу и выходу аттенюатора PE4302 в цепи низкочастотного (LOW – от 350 МГц и ниже) входа.
Рис.2, 3.
К настоящему моменту 2-й пункт выполнен на всех девайсах, и базовых, и ультре. Пункт 1 для ультры оказался не актуален, т.к. там на общем питании уже есть несколько блокирующих кондёров, разделённых хитровымудренными фигурами-полигонами из металлизации. Полагая, что узрел микрополосковую магию во плоти, решил не вмешиваться в то, чего не понимаю, и оставил как есть.
С пунктом 3 сложнее, он выполнен только на базовых моделях (22 мкФ на первом и 10 мкФ на втором. В испытаниях участвовал именно второй экземпляр, так что и 10 мкФ оказалось достаточно.). В Ультре этому мешает следующее:
- Высокочастотность до 6 ГГц и выше, тогда как свойства имеющихся конденсаторов 22 мкФ вызывают вопросы уже на частотах от 400 МГц и выше (проверял на LiteVNA);
- Наличие в схеме коммутатора между аттенюатором и входным гнездом;
- Банальное отсутствие места – экран входных цепей здесь низкопрофильный в отличие от базовой версии.
Какой у автора интерес в этом деле?
Частоты до 10 кГц можно спокойно наблюдать на НР3580А, чья полоса от 5 Гц до 50 кГц. Т.е. до 5-й гармоники на нём видно. Но уже 20 кГц только со второй гармоникой – 3-я и последующие вылетают за пределы диапазона. С компом ещё хуже – полоса 22 кГц со всеми вытекающими. Потому требуется, чтобы доработанные девайсы подхватывали хотя бы с 10 кГц и до 200 кГц(основная гармоника).
Амплитуда сигнала у Г3-118 и самоделок может быть 10 В скз (28,2 В п-п). Напрямую такой сигнал подавать на девайсы НЕЛЬЗЯ от слова совсем. Причины:
- Наличие на входе защиты от статики в виде диода между входной клеммой и землёй;
- Входное сопротивление 50 Ом – генераторы просто не потянут такую нагрузку;
- Ограничение входного уровня +6 dBm от производителя.
Если нельзя в лоб, пойдём в обход. Как решили похожую проблему создатели Г3-118? Сделали режекторный фильтр и анализировали продукты искажений после подавления основной частоты. Кто нам может помешать поступить так же?
Сначала был опробован режектор из комплекта Г3-118 – в принципе что-то видно, но полной уверенности нет. Всё же нагрузка 50 Ом. Тогда был задействован когда-то сделанный повторитель с батарейным питанием. Получилось!
Но у этого режектора 2 недостатка – фиксированный набор частот режекции и низкая нагрузочная способность. Пришлось опять делать самоделку (счастливые владельцы измерителей/анализаторов искажений типа
С6-11/
СК6-13/VP7722A могут не заморачиваться – у них автоматический режектор уже есть в этих приборах, надо только подключиться к выходу гармоник максимум через повторитель).
Нам же автоматика не нужна, настроить можно и вручную. За основу был взят режектор от С6-11 (работал с ним на заре туманной молодости) с ухудшением параметров. По чисто прагматическим соображениям. Там резисторы сплошь 0,1 % допуска, конденсаторы диковинных номиналов с 0,5% допуском – любителю такие не достать. А если кондёры плюс минус лапоть, то смысл тратиться на прецизионные резисторы? Никакого. Потому резисторы 1% СМД. Младшие в декадах из 4-х последовательно-параллельных, более старшие из паралльно 2-х, 4-х и 8-ми того же номинала (дабы ограничить типономиналы, всё равно каждый номинал минимум по 500 шт. отпускают).
Базовых номиналов 4 по числу резистивных декад: 1к, 10к, 100к, 1М.
Исходно в приборе 2 одинаковых фильтра последовательно, но макетирование показало, что при ручной настройке вполне достаточно и одного. Усилители-повторители сначала были собраны на рассыпухе по оригинальной схеме, но результат не впечатлил – шумно и горячо. В итоге были задействованы высоколинейные ОУ LME49860, второе плечо моста и резисторы местной ОС оставлены оригинальные. Общую ОС пришлось отключить, т.к. усилители в неинвертирующем включении. На входе поставлен делитель из резисторов 1к и 300 Ом с делением в 4,3 раза для ограничения амплитуды – на большом сигнале даже такие ОУ испытывают трудности со скоростью нарастания. А так получился неискажённый сигнал до 1 МГц без завалов, т.е.до 5-й гармоники на максимальной частоте 200 кГц должны проходить без проблем. После некоторых заморочек при отладке всё заработало, правда, пока без корпуса и с упрощённой системой управления. Отсутствие корпуса (экрана) пока не мешает, т.к. фон 50 Гц девайсы не способны отобразить даже в страшном сне, поскольку наилучшее разрешение по частоте (RBW) составляет 3 кГц у базовой версии и 200 Гц у ультры.
При проверках использовались 2 источника – функциональный генератор НР3314А (предполагается некоторое наличие гармоник) и Г3-118 (доработанный по циклу о VAC; предполагается минимум гармоник). Помимо этого функциональный генератор в режиме свипирования использовался для выравнивания АЧХ при калибровке девайсов. Подтверждение линейности 3314 в этом режиме было получено зимой на серьёзном промышленном спектроанализаторе с исправной самокалибровкой. Обратите внимание на масштаб по вертикали – 1 dB/дел.
Рис.5.
Вот чего удалось достичь по равномерности АЧХ девайсов базовой модели. На рис. 6 экземпляр №1, с доработками по п.1 и 3:
Рис.6.
Не забываем обращать внимание на масштаб по вертикали, тот же 1 dB/дел. на всех скриншотах про АЧХ. При последующей работе по анализу гармоник масштаб по вертикали оставлен стандартным, 10 dB/дел.
На рис.7 в тех же условиях экземпляр №2, контрольный, на тот момент без доработок.
Рис.7.
На выбросы можно внимания не обращать, девайс находится в режиме удержания максимума без усреднения и сглаживания. Общение с разработчиком на эту тему ситуацию не исправило (тем не менее искренне благодарен ему за интересное общение, быструю реакцию и желание помочь) – сложилось мнение, что это какие-то внутренние проблемы использованных чипов. В реальной работе это не мешает, что и покажет дальнейшее изложение. Именно после сравнения этих двух скриншотов и были применены все доработки на этом, контрольном экземпляре. Доработка по п.2 была предпринята в целях борьбы с выбросами. Тем не менее, обращаем внимание на явный спад АЧХ ниже 20 кГц. А вот картина этого же девайса после доработок:
Рис.8.
Как видим, АЧХ выровнялась.
При пониженном уровне проблема выбросов в значительной мере снижается:
Рис.9.
А при прежнем уровне хорошо справляется встроенная функция удаления спуров/ложных выбросов (предположительно, именно за счёт двукратного снятия отсчёта):
Рис.10.
Но мы отвлеклись от основной темы.
Возвращаемся к режектору. При анализе последующих скриншотов держим в уме наличие входного делителя, что приводит к ослаблению и основной частоты, и гармоник примерно на 12 dB. Т.е. не так уж важно, насколько подавится основная гармоника, пока она не вредит работе девайса, а к измеренным уровням гармоник надо будет добавить упомянутые 12 dB. Исходный уровень сигнала для Г3-118 был приведен выше, он соответствует +30 dBm. У 3314 размах 10 В п-п, в отсутствие нагрузки 50 Ом он становится 20 В п-п. Что в 1,4 раза (на 3 dB) меньше, или +27 dBm.
Итак, пойдём от высшей частоты к низшей. Сначала частота 209 кГц с 3314, т.е. с заметными гармониками (рис.11) и с 118-го, т.е. уровень гармоник должен быть ниже (рис.12) на Ультре, как более продвинутом девайсе (здесь мы больше проверяем линейность ОУ в режекторе):
Рис.11.
Рис.12.
Во втором случае для различения гармоник на уровне шумов, пришлось дополнительно включить повтор 8, т.е. каждая точка замеряется 8 раз и в отображение идёт усреднённый результат. Это дополнительно к штатному усреднению 4, которое автоматически включается при включении режима измерения гармоник. В данном случае применён так называемый многополосный (
multiband) режим, когда измерение ведётся в узкой окрестности требуемой основной частоты и её гармоник. Это позволяет быстрее выполнять развёртку с высоким разрешением. Частотные полосы разделены на экране синими вертикалями.
На рис.11 получили уровень 2-й гармоники -58 dBm (-70,1+12,1=-58). Добавляем 12, получаем -46 dBm. Относительно исходного уровня получаем –(46+27)=-73 dB. Это для 3314.
На рис.12 получили уровень 2-й гармоники -86,7 dBm (-76,5-10,2=-86,7). Добавляем 12, получаем -74,7 dBm. Относительно исходного уровня получаем –(74,7+30)=-104,7 dB. Это для Г3-118.
Вполне правдоподобно, не находите? При прямых замерах 118-го на промышленном спектроанализаторе не удалось различить гармоник на шумовой полке (-67 dBm при дополнительном делителе -22 dB) даже при усреднении 50. Теперь стало понятно, почему.
По линейности ОУ (да и по их шумам, скорее всего) вопросов не осталось.
Теперь почти то же самое на базовой модели, просто для сравнения с ультрой. Частота 200 кГц с 3314 (рис.13) и с 118-го (рис.14):
Рис.13.
Рис.14.
Считаем по рис.13: -65,5+7,9=-57,6 dBm. Дальше можно не считать, т.к. ультра от этого же источника показала -58 dBm для второй гармоники близкой, но всё же ДРУГОЙ частоты. Другая частота означает перестройку режектора. Т.е. имеем повторяемость результатов на разных версиях девайсов. В спеках девайсов указана точность +-2 dBm, АЧХ вы видели. Интересно.
По рисунку 14 и сказать нечего – ну, не шмогла… На то и модель БАЗОВАЯ.
Переходим к частоте 108 кГц для ультры (рис.15, 16) и 100 кГц для базовой (рис.17, 18):
Рис.15.
Рис.16.
Рис.17.
Рис.18.
Пока без сюрпризов, Ультра впереди. Но это и не звуковой диапазон.
Переходим к частотам ниже оговоренных в спеках.
50 кГц с 3314(рис.19) и 118-го(рис.20) на базовом девайсе:
Рис.19.
Рис.20.
22,1 кГц с 3314(рис.21) и 118-го(рис.22) на Ультре:
Рис.21.
Рис.22.
Всё, начиная с этой частоты гармоники 118-го опустились ниже шумовой полки даже у Ультры. Далее оставляем только 3314, чтобы было, чего мерять.
Спуры ниже 40 кГц у ультры насторожили. Боремся – включаем подавление спуров (рис.23) или многополосный режим (рис.24), 20кГц с 3314:
Рис.23.
Рис.24.
На базовом девайсе таких проблем (спуров) не видно:
Рис.25.
Обращаем внимание, что на этих частотах шумовая полка у базового девайса (рис.25) с RBW 3 кГц на 10 dB НИЖЕ, чем у Ультры с RBW 1 кГц (рис.23), и даже при RBW 200 Гц (рис.24) некоторое преимущество над Ультрой сохраняется. О-ля-ля, какая неожиданность!
Сравним на частоте 10 кГц Ультру (рис.26) с базовым (рис.27):
Рис.26.
Рис.27.
Примерно на равных, и это при двукратной разнице в цене и 15-кратной в RBW!
Финальная частота, 5 кГц с 3314 на Ультре (рис.28) и базовом (рис.29):
Рис.28.
Рис.29.
И опять базовый вариант Ультру обошёл. Поразительно!
На всякий случай приведу последние 3 частоты на 3580, причём 5 кГц взяты сразу после наладонников, ничего не меняя в измерительной установке. Просто кабель переткнут. Поэтому можно сравнивать все гармоники, включая основную.
На 10 и 20 кГц режектор приходилось перестраивать, поэтому на уровень основной гармоники можно не обращать внимания, подавление чуть отличается.
Сначала полный фейс, чтобы видно было настройки:
Рис.30.
А далее скриншоты, 5 кГц (рис.31), 10 кГц (рис.32) и 20 кГц (рис.33):
Рис.31.
Рис.32.
Рис.33.
Возьмём 3-и гармоники на частотах 5 и 10 кГц – 3580 их отобразил как -61 и -60 dBm соответственно. Ультра их отобразила как -59,3 и -59,6 dBm соответственно. На базовом наблюдаем ровно по -63 dBm в обоих случаях.
На 20 кГц сравниваем 2-е гармоники. На 3580 это -68 dBm; на Ультре примерно -69 dBm (рис.24, без маркера); базовый показал -70,2 dBm. Достаточная это сходимость результатов, или нет – каждый пусть рассудит сам, исходя из своих потребностей. Мне прецизионные тракты не калибровать, потому вполне устраивает.
Маленькое дополнение из личных наблюдений – у Ультры есть опция включения LNA (МШУ) в тракт вместо входного аттенюатора. При измерениях искажений на звуковых (и примерно до 1 МГц) частотах включать его не рекомендуется, т.к. с ним гармоники вылезают как грибы после летнего дождя…
Какие же выводы сделаны для себя по результатам?
1.На частотах выше 100 кГц Ультра однозначно лучше базового варианта. Собственно, ничего нового.
2.На частотах примерно от 30 кГц и ниже базовый девайс С ДОРАБОТКАМИ выглядит предпочтительнее Ультры, во всяком случае по уровню шумов и скорости работы.
3.Для комфортной работы лучше иметь оба варианта девайсов, и продвинутая модель совсем не задвинула базовый вариант на дальнюю полку. Никаких сожалений о тратах на базовый вариант теперь нет.