4.3.3 Вимірювання електричних сигналів

В тематиці ТЗІ вимірюванням електричних сигналів займаються, виявляючи технічні канали витоку інформації (ТКВІ) за рахунок акустоелектричних перетворень (АЕП НЧ і ВЧ), за рахунок різного роду наведень і за рахунок ВЧ - нав’язування. В усіх випадках вимірюється електричний сигнал в провідному середовищі (дротяній лінії або, наприклад, у трубі системи опалювання). В усіх варіантах повинна бути зміряна або напруга змінного струму, або сила струму.

Для вимірювання цих фізичних величин застосовуються засоби вимірювання під найменуванням селективні «вольтметр» і «амперметр». Тобто вибіркові за частотою вимірюваного сигналу. Діапазон частот вимірюваних сигналів від десятків Гц до одиниць ГГц. Одним приладом такий діапазон не зміряти. Для різних сигналів в різних діапазонах частот, важливі різні параметри і властивості засобу вимірювання.

У мовному діапазоні основним засобом вимірювання був «селективний вольтметр», зараз, найчастіше, застосовується загальна назва «аналізатор спектру». Велику частину засобів вимірювань складають прилади цифрового типу. Вимірюваний сигнал або напряму, або після попереднього каліброваного посилення, оцифровується і, далі, вся його обробка ведеться виключно процесором.

Аналогові селективні вольтметри у ряді випадків мають ряд переваг у порівнянні з цифровими аналізаторами. Аналогові прилади, в більшості своїй, мають нижчий рівень власних шумів одночасно з великим динамічним діапазоном. Крім того, чисте ручне управління, не дивлячись на свою архаїчність, має і свої переваги.

Цифрові аналізатори спектру дуже наочно показують візуалізацію спектру сигналів. Якість дуже цінна, особливо враховуючи можливість вільного масштабування «картинки» за частотою. Крім того, вельми зручною властивістю цифрових систем є постійна за робочим діапазоном смуга пропускання, що особливо важливо при вимірюванні шумів і широкосмугових сигналів. У аналогових «селектівников» вона часто залежить від частоти настройки, чим вища частота – тим ширша смуга пропускання.

Є засоби вимірювання, засновані на кореляційних методах виділення сигналів з суміші сигнал/шум. Аналоговим представником такого класу був фазочутливий нановольтметр «Unipan типу 232B». З їх допомогою можливо «витягати» сигнали (особливо строго детерміновані, «синусоїдальні») з відношенням сигнал/шум багато менше одиниці. Схема вимірювання виявляється складнішою, оскільки потрібно забезпечити наявність опорного сигналу і при цьому гарантувати відсутність паразитного витоку його «на вхід» тракту вимірювання..

При вимірюваннях в мовній області величини сигналів, які потрібно вимірювати, визначаються «знизу» нормами на допустимі значення, а «зверху» – рівнями шумів. Вимірювати потрібно рівні, які менше найменшої норми. Це перші десятки нВ, тобто 2-3·10^-9В. А рівні шумів у часто неекранованих лініях, зокрема від мережі промислового електроживлення, складає до одиниць вольт. Необхідний динамічний діапазон засобу вимірювання повинен би складати не менше 140 дБ. Величина величезна і, як правило – нереалізована. Але 120-130 дБ вже знаходиться в межах розумного. Точність по частоті селективного засобу вимірювання повинен бути не гірше (мінімальна еквівалентна смуга пропускання) 1 Гц. Інакше відбудовуватися від тих же мережних перешкод буде вельми складно. Відповідно і спектральна густина власних шумів тракту вимірювання не повинна перевищувати 2-3 нВ/√Гц при навантаженні не менше 1-2 МОм.

Вимоги до вхідного опору приладу (пробника). Коли вимірюються сигнали у лініях, які штатно навантажені на обох кінцях, як правило, цей параметр не дуже важливий. Але як тільки необхідно виконати дослідження на лінії в режимі «холостого ходу», тобто, фактично, на відключеній лінії, та ще й що залишилася на одному з кінців підключеної до порту якогось технічного засобу, внутрішній опір «джерела сигналу» часто перевищує декілька МОм. Практика вимагає вхідного опору не нижче 10 Мом і вхідної емності не більше 10 - 15 пФ (включаючи емність вимірювального кабелю).

Як правило, при проведенні вимірювань акустоелектричних перетворень або високочастотних наведень досліджуваний технічний засіб піддається вельми значному звуковому тиску тестового сигналу. І весь вимірювальний комплекс знаходиться під тією ж дією. Тому украй важлива вимога – повна відсутність у всіх складових тракту вимірювання «мікрофонних ефектів». Відсутність – це означає, що викликані цими ефектами паразитні сигнали не перевищують половини (– 6 дБ) від мінімально вимірюваного сигналу при дії звукового тиску не нижче 100 дБ. А треба відзначити, що при такому звуковому тиску відрізок будь-якого кабелю «генерує» сигнал, часто на порядок перевищуючий необхідний рівень.

Вимірювання струму в лінії. В переважному числі випадків включитися в лінію, тобто «в розрив», неможливо. Тому найбільше застосування мають різні моделі «струмових трансформаторів», струмовимірювачів. При цьому вимірювати потрібно наноампери на фоні завад в ампери. Тому всі вимоги до власних шумів, динамічному діапазону і відсутності «мікрофонного ефекту» відносяться і до цих пристроїв.

Канал тест-сигналу.

Для акустоелектричних перетворень та/або високочастотної накачки/відбиття необхідна можливість створення тонального тестового акустичного сигналу з безперервною перебудовою в усьому мовному діапазоні частот. Вимоги по вихідній потужності (створюваному звуковому тиску на відстані 1 м) аналогічні. Але найважливіша додаткова вимога – всі складові (генератор, підсилювач потужності, колонка, кабелі) не повинні створювати паразитних електричних та/або магнітних полів. Не «створювати», це значить, що величини напруженості цих полів (полів розсіяння) не повинні перевищувати першого десятка мкВ/м і сотих часток мкА/м.

Типові підсилювачі потужності і типові колонки створюють такі поля з рівнями на 3-5 порядків вище наведених. Для виконання робіт в області вимірювань ТЗІ придатні лише спеціально розроблені підсилювачі і, тим більше – колонки. Інакше наведення від підсилювача і колонки завжди на порядки перевищують сигнали акустоелектричних перетворень і виділити останні неможливо.