Измерение коэффициента нелинейных искажений. Анализаторы гармоник и спектра

Измеритель нелинейных искажений

Тракты передачи или усиления сигналов могут вносить линейные и нелинейные искажения. В линейной системе с постоянными параметрами возникают только линейные искажения, обусловленные ее амплитудно-частотными (АЧХ) и фазочастотными (ФЧХ) характеристиками (ФЧХ). Выходное колебание содержит только спектральные составляющие, которые являются во входном колебании, хотя формы входного и выходного колебания могут быть различны. Однако соотношение между амплитудными или любыми другими значениями входного колебания и форма выходного колебания не зависят от амплитуды входного колебания.

Нелинейность системы с постоянными параметрами проявляется в том, что на ее выходе возникают спектральные составляющие новых частот, которых нет в спектре входного колебания. При изменении амплитуды входного колебания и постоянной ее форме форма выходного колебания изменяется.

Причиной возникновения нелинейных искажений в радиоэлектронных цепях является нелинейность вольт-амперных характеристик диодов, транзисторов, микросхем, а также нелинейные зависимости в магнитных или пьезоэлектрических элементах.

Нелинейные искажения периодических сигналов, близких к синусоидальным, характеризуется коэффициентом гармоник

.

Для определения коэффициента нелинейных искажений используются приборы со следующей структурной схемой.

ВУ – входное устройство; УНЧ – усилитель низкочастотный; УНЧ (исследуемое устройство); ЗФ – заграждающий перестраиваемый фильтр

Рисунок 5.1 – Структурная схема прибора для измерения коэффициента нелинейных искажений

.

В положении 1 переключателя S1 измеряется среднеквадратичное напряжение всех гармоник, поступающих на вольтметр.

В положении 2 переключателя S1 измеряется среднеквадратичное напряжение всех гармоник, кроме первой, которую задерживает заграждающий фильтр.

По показанию вольтметра в положении переключателя 1 и 2 мы определяем коэффициент К₂. Соотношение между К₁ и К₂ имеет следующий вид:

.

При малом значении коэффициента К < 10 % коэффициенты К₁ и К₂ мало отличаются друг от друга (отличие менее 1 %), и измеритель нелинейных искажений измеряет непосредственно К₂. При значении коэффициента К > 10 % проводят корректировку по формуле.

По данной схеме построен измеритель С6 – 8. Он измеряет коэффициент нелинейных искажений от 0,03 % до 30 %, в частном диапазоне от 20 Гц
до 20 кГц.

Анализаторы спектра

Анализ формы электрических сигналов, т. е. зависимости на­пряжения или тока от времени, широко используется для получения информации о качестве различных устройств. Однако зависимость от времени в ряде случаев не обладает достаточно высокой чувствительностью к изменениям сигнала. Значительно более чувствительной является форма спектра сигнала. Представление сигнала в частотной области как суммы гармонических составляющих с различными неизменными во времени частотами, ам­плитудами и начальными фазами необходимо также для рассмотрения вопросов электромагнитной совместимости, т. е. обеспечения работы многих радиоэлектронных средств в ограниченном диапазоне частот.

Метод фильтрации состоит в выделении спектральных состав­ляющих сигнала с помощью узкополосного фильтра. Метод реализуется способами параллельного (одновременного) и последовательного анализа. Параллельный анализ осуществляется с помощью ряда узкополосных фильтров, каждый из которых выделяет одну составляющую спектра. Последовательный анализ состоит в выделении отдельных составляющих либо с помощью одного узкополосного перестраиваемого фильтра, либо путем такого преобразования частоты исследуемого сигнала, при котором в полосу фильтра поочередно попадали бы спектральные составляющие сигнала с различными частотами.

Параллельный анализ спектра. Для одновременного выделения спектральных составляющих сигнала с полосой ∆f необходимо пфильтров с полосой ∆f_Ф =∆f /п. Полоса пропускания и форма АЧХ фильтра определяют статическую разрешающую способность спектроанализатора, т. е. способность раздельного измерения составляющих спектра с близкими частотами при большом времени анализа. При идеальной прямоугольной частотной характеристике фильтра разрешающая способность ∆f_Р = ∆f_Ф. На практике можно говорить лишь о приближении к идеальной прямо­угольной форме. Поэтому ∆f_Р = q·∆f_Ф, где q>l. Принимается q =2 и ∆f_Р = 2·∆f_Ф.

Если время анализа мало, избирательные свойства фильтров характеризуются динамической частотной характеристикой и динамической разрешающей способностью. Время установления напряжения на выходе фильтра от 0,1 до 0,9 установившегося значения τ_у приближенно может быть оценено, как
τ_у ≈1/∆f_Ф. Если пренебречь временем индикации и амплитуды колебания по сравне­нию со временем установления, то полное время параллельного анализа составит Т_а ≈ τ_{у min} ≈ 1/∆f_Ф , где τ_{у min} - минимальное время установления среди фильтров анализатора, а скорость параллельного анализа v =∆f/Т_а = n· . Скорость анализа резко снижается при сужении полосы фильтра.

Структурная схема спектроанализатора параллельного типа проста.

Выходные напряжения, снимаемые с каждого фильтра, подаются на свой детектор. Напряжения с нагрузок детекторов коммутируются и подаются на вертикально отклоняющие пластины осциллографа. На Х-пластины подают напряжение развертки. На экране будет изображение спектра.

Ф – узкополосные фильтры; К – коммутатор

Рисунок 5.2 - Структурная схема анализатора параллельногодействия

Достоинства анализатора параллельного действия: малое время анализа и возможность анализировать спектры одиночных импульсов. Однако из-за сложности системы фильтров они не полу­чили широкого распространения.

Последовательный анализ спектра. Спектроанализаторы после­довательного типа наиболее широко используются на практике. Структурная схема спектроанализатора изображена на рисунке 5.3

Он представляет собой супергетеродинный приемник, гетеродин которого G1 перестраивается в диапазоне частот от f_{r min} до f_{r max}.

При перестройке гетеродина все составляющие спектра последовательно будут попадать в полосу пропускания усилителя ПЧ (А1). Таким образом, с выхода усилителя будут сниматься радиоимпульсы с частотой заполнения, равной ПЧ, и с амплитудой, пропорциональной спектральной составляющей сигнала. После детектирования (U1) и усиления (А2) видеоимпульсы подаются на У-пластины ЭЛТ VL1. На Х-пластины подается напряжение развертки, которое является модулирующим напряжением при частотной модуляции гетеродина. При таких условиях напряжение раз­вертки могло бы быть и нелинейным; однако для достижения минимальных искажений спектрограмм, обусловленных переходными процессами в контурах при перестройке частоты, стремятся обеспечить линейность.

На экране ЭЛТ составляющие спектра будут представляться как выбросы, имеющие конечную ширину, определяемую формой АЧХ усилителя промежуточной частоты.

Рисунок 5.3 – Структурная схема спектроанализатора последовательного действия

Разрешающая способность при последовательном анализе такая же, как при параллельном ∆f_Р = 2·∆f_ПЧ, поскольку фор­ма АЧХ отличается от прямоугольной. Время анализа зависит от ширины исследуемой области частот и избирательности анализирующего фильтра.

Для обеспечения разрешающей способности в несколько единиц герц последовательный анализ не применяется. Частотный диапазон НЧ-анализаторов последовательного типа ограничивается частотой 5... 10 Гц. На низких и очень низких частотах успешно применяется цифро­вой анализ спектров на основе быстрого преобразования Фурье.

При быстрой перестройке частоты гетеродина спектроанализатор будет работать в динамическом режиме, при котором сказываются переходные процессы в электрических цепях. Динамиче­ские характеристики определяются статическими характеристиками, а также скоростью перестройки анализатора
v = ∆f /Т_а. С уменьшением времени анализа частотные характеристики контуров деформируются. Максимумы характеристик смещаются от резонанса. Это приводит к расширению полосы пропускания, а следовательно, к ухудшению разрешающей способности спектроанализатора. Таким образом, время анализа меньше Т_{а min} можно получить только за счет ухудшения разрешающей способности.

Процесс образования изображения спектра на экране ЭЛТ показан на рисунке 5.4. По горизонтальной оси графика отложены ча­стоты исследуемого сигнала f_с, гетеродина f_г, промежуточная частота f_пч. Исследуемый спектр будем характеризовать граничны­ми f_{c min} и f_{c max} частотами. На графике показано изменение частоты гетеродина f_г, которое пропорционально напряжению развертки u(t) ЭЛТ. Обе зависимости линейны во времени. При этих условиях линейно во времени будет и изменение координаты X(t) положения пятна на экране ЭЛТ.

Рисунок 5.4 – Процесс образования изображения спектра на экране ЭЛТ

Исследуемый сигнал, поступая на вход смесителя, преобразуется по частоте. На выходе смесителя образуются радиоимпульсы длительностью τ_и с частотой заполнения f_г – f_с. При изменении частоты гетеродина будет изменяться и частота заполнения радиоимпульсов. На рисунке 5.4 показаны спектры, соответствующие этим импульсам, поступающим в моменты времени t₁ ... t₉. Фильтр ПЧ из этих спектров вырезает узкий участок, соответствующий полосе пропускания усилителя ПЧ —Δf_ПЧ. На спектрах 1 ... 9 показаны эти участки. Необходимо понимать, что эти участки не являются спектральными составляющими — они значительно шире их. Импульсы на выходе УПЧ образуют последовательность с периодом следования Т_с. Амплитуда импульсов на выходе УПЧ будет пропорциональна среднему значению огибающей спектра в полосе УПЧ. После детектирования последовательность видеоимпульсов u_Д{t) подается на Y-пластины ЭЛТ. Очевидно, выбросы на экране будут равны

Y=KiK(f)G(f_г - f_с),

где G(f_г - f_с) - спектральная плотность импульсов разностной частоты;

f_г- частота гетеродина, являющаяся функцией времени;

K(f) - АЧХ фильтра ПЧ;

Ki - постоянная величина, зависящая от коэффициентов передачи пре-

образователя, детектора, последетекторного усилителя, чувствительности ЭЛТ.

Изображение спектра на экране ЭЛТ будет в ви­де вертикальных светлых выбросов, огибающая которых и представляет собой искомую зависимость. Светящиеся выбросы на экране ЭЛТ будут располагаться в одних и тех же местах, если период развертки кратен периоду следования импульсов Т_с. Если детектор квадратичный, то получим огибающую спектра мощности. Повышение частоты следования импульсов при прочих равных условиях увеличивает число светящихся полос, но не изменяет их высоты, так как высота пропорциональна среднему значению мощ­ности участка спектра, заключенного в полосе Δf_ПЧ фильтра ПЧ.

Предполагаем, что в полосу пропускания УПЧ попадает лишь сигнал с частотой, меньшей частоты гетеродина на величину f_c. Но в полосу пропускания может попасть также зеркальная частота, превышающая частоту сигнала на 2f _ПЧ . Поэтому эффективная ширина исследуемого спектра, в пределах которой заключена подавляющая часть спектра, должна быть менее 2f _ПЧ. Для сигна­лов с широкими спектрами следует выбирать высокую ПЧ.

Чувствительность анализаторов характеризуют теми же параметрами, что и чувствительность приемников. В паспорте обычно указывают чувствительность к монохроматическим сигналам. При исследовании импульсов чувствительность оказывается меньше и зависит от длительности импульса.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: