8.3.2 Средства и способы измерения параметров четырехполюсных цепей

8.3.2.1 Основные параметры линейных четырехполюсников

Наиболее часто радиоэлектронные цепи приходится рассматривать как четырехполюсники (усилители, фильтры, аттенюаторы, регуляторы тембра и т. п.).

Для описания свойств любых линейных четырехполюсников используют основные параметры, перечисленные в табл. 8.3.

Наибольшую информацию о свойствах четырехполюсника по обработке им электрических сигналов, поступающих на его вxод, несет амплитудно − фазовая характеристика (комплексный коэффициент передачи) k(jω) = |k(ω)| e^jφ(ω). Ее и приходится чаще всего определять при разработке и производстве узлов радиоэлектронной аппаратуры.

Таблица 8.3 − Основные параметры четыреxполюсныx цепей и средства прямых измерений

Наименование параметра	Условное обозначение	Средства измерений	Примечание
Входное сопротивление	Zвх(jω)	Приборы группы Е−
Выходное сопротивление	Zвых(jω)	Г3− и В3−
АЧХ ФЧХ	|K(ω)| arg K(jω)	Х1− или Г3− и Ф2−	При обработке четырехполюсником гармонических и модулированных сигналов.
Переходная характеристика	h(t)	И1− и С1−(С7−)	При обработке импульсных сигналов.
Корреляционная функция	R(  )	X6−	При обработке случайных сигналов
Коэффициент нелинейных искажений	Kни	Г3− и С6− или СК6−
Коэффициент шума	Кш	Х5− или Г2− и М3−

Амплитудно − частотной характеристикой (АЧX) четыхполюсника называют зависимость |k(ω)| модуля его комплексного коэффициента передачи от частоты гармонического сигнала, поступающего на вxод четырехполюсника.

Значение модуля коэффициента передачи |k(ω)| при каждом значении частоты определяется как отношение напряжения (или мощности) сигнала на выходе четыреxполюсника к напряжению (или мощности) сигнала на его входе (рис.8.9), т.е.

(8.2)

при ω = var.

Рисунок 8.9 − К определению АЧX

При U₂ < U₁ происходит ослабление сигнала четыреxполюсником, который, в таком случае, как правило, является пассивным, а коэффициент передачи называют коэффициентом ослабления. При U₂ > U₁ происходит усиление сигнала и коэффициент передачи четырехполюсника называют коэффициентом усиления.

Значение модуля коэффициента передачи |k| и значение частоты сигнала ω, при которой он измерялся, образуют точку в системе координат "коэффициент передачи − частота", а совокупность такиx точек образуют кривую АЧX |k(ω)| в требуемом диапазоне частот (рис.8.10).

Рисунок 8.10 − Пример АЧX четыреxполюсника

Вместо кривой АЧX часто указывают лишь отдельные ее параметры: нижнюю fн и верхнюю fв границы полосы пропускания, ширину полосы пропускания Δf, неравномерность вершины АЧX h = |k|max − |k|min на заданном участке частотного диапазона f2 − f1, максимальное значение коэффициента передачи |k(ω) |max в полосе пропускания или значение |k(ω)| на средней частоте полосы пропускания и некоторые другие параметры.

Определить АЧХ четырехполюсника можно двумя способами:

1) построением кривой АЧХ по точкам через измерение напряжений (мощности) на входе и выходе четырехполюсника при различных значениях частоты входного гармонического сигнала;

2) получением панорамного изображения АЧХ на экране индикаторного устройства при помощи генератора качающейся частоты (ГКЧ).

Схема измерений для способа «генератора − вольтметра» представлена на рис.8.11. В этом способе предусматривается использование генератора гармонических сигналов и двух вольтметров, при помощи которых измеряют напряжение на входе и выходе четырехполюсника для различных фиксированных значений частоты сигнала с последующим вычислением модуля коэффициента передачи по (8.2).

Рисунок 8.11 − Схема измерений АЧХ способом "генератора − вольтметра"

Недостатками этого способа являются:

− чрезвычайная сложность получения требуемой АЧХ при наличии нескольких регулировок в четырехполюснике;

− низкая производительность измерений;

− возможен пропуск резких изменений АЧХ в промежутках между частотными точками. Однако, этому способу присуща более высокая точность измерений.

Влияние указанных недостатков можно ослабить путем автоматизации управления генератором и автоматизацией съема информации с вольтметров.

Панорамный способ получения АЧХ предусматривает использование панорамных измерителей АЧХ (приборов Х1−). Такой измеритель содержит генератор качающейся частоты (ГКЧ), частота которого в требуемой полосе частот изменяется непрерывно и автоматически, и индикатор, развертка которого по горизонтали соответствует закону изменения частоты генератора (рис.8.12).

При этом способе вся АЧХ наблюдается на экране индикатора, что устраняет недостатки первого способа, однако точность измерений параметров АЧХ при этом способе ниже по двум причинам.

Рисунок 8.12 − Панорамный способ получения АЧХ

Первая − погрешность измерений по экрану любой электронно−лучевой трубки выше погрешности вольтметра. Вторая − возникновение динамической погрешности, обусловленной коротким временем измерения коэффициента передачи в каждой точке АЧХ.

К основным техническим характеристикам панорамных ИАЧХ относят следующие:

−диапазон частот − диапазон, в пределах которого возможны измерения данным прибором;

−полоса качания f_нач − f_кон,− участок диапазона частот, в котором осуществляется перестройка частоты генератора и который наблюдается на экране ЭЛТ;

−время анализа − время, соответствующее периоду автоматической перестройки частоты ГКЧ;

−уровень выходного напряжения ГКЧ и пределы его регулирования.

К основным метрологическим характеристикам ИАЧХ относят:

−выходное сопротивление ГКЧ;

−погрешность измерений частотного положения АЧХ;

−погрешность измерений модуля коэффициента передачи;

−неравномерность собственной АЧХ измерителя в полосе качания.

Погрешности измерений параметров АЧХ зависят от неточности (неадекватности) получения изображения АЧХ на экране индикатора и свойств измерителя АЧХ. Причинами отличия наблюдаемой АЧХ от реальной АЧХ четырехполюсника (т.е. искажений АЧХ) на экране панорамного измерителя являются:

непостоянство уровня напряжения на входе исследуемого устройства (см. выражение 8.2) из−за несогласования (неравенства) волнового сопротивления линии передачи Z₀ и входного сопротивления исследуемого устройства Zвх (искажения от рассогласования);

динамические искажения, вызванные переходными процессами в исследуемом устройстве и связанные со скоростью перестройки частоты и временем реакции на эту перестройку исследуемого устройства;

перегрузка исследуемого устройства (чаще всего активного четырехполюсника) выходным сигналом ГКЧ;

неравномерность собственной АЧХ панорамного измерителя из−за неидеальности параметров отдельных его узлов − АРА, аттенюаторов, детекторной головки.

Искажения АЧХ из − за рассогласования в линии передачи сигнала от ГКЧ ко входу исследуемого устройства возникают на ВЧ и СВЧ вследствие того, что при работе генератора на нагрузку (исследуемое устройство), у которой Z_вх  Zо, с изменением частоты сигнала изменяется уровень напряжения на нагрузке, в то время как при работе генератора на согласованную нагрузку этот уровень остается постоянным.

Вместе с тем, как следует из (8.2), зависимость |k(ω)| будет совпадать с зависимостью выходного напряжения U₂(ω) четырехполюсника от частоты только в том случае, если напряжение сигнала на входе при изменении частоты остается постоянным U₁(ω) = const.

О качестве согласования входа исследуемого устройства с выходом ГКЧ можно судить путем контроля постоянства напряжения на входе исследуемого устройства при помощи высокоомной детекторной головки, подключенной параллельно входу четырехполюсника (рис.8.13). В том случае, если напряжение на входе исследуемого устройства изменяется в полосе качания, следует добиться, чтобы входное сопротивление устройства стало равным волновому сопротивлению линии передачи Zо, например, включением исследуемого устройства через согласующее устройство.

Рисунок 8.13 − Схема контроля качества согласования

Для способа «генератора – вольтметра» погрешность от рассогласования отсутствует, т.к. ко входу 4−хполюсника подключен вольтметр, который измеряет входное напряжение, которое может и изменяться с изменением частоты из−за рассогласования сопротивлений.

Динамические искажения АЧХ возникают в том случае, если частотно−модулированный сигнал ГКЧ изменяется по частоте настолько быстро, что время пребывания четырехполюсника под воздействием сигнала данной частоты меньше его постоянной времени. Простейший способ контроля отсутствия динамических искажений заключается в следующем:

если при уменьшении скорости перестройки частоты амплитуда огибающей АЧХ, положение максимума и ширина полосы пропускания АЧХ не изменяются, то полоса качания (время анализа) выбрана правильно;

если при изменении направления качания частоты от fн к fв на направление от fв к fн положение частотных меток на АЧХ не изменяется, то скорость перестройки частоты (время анализа) − нормальная.

Численно условие отсутствия динамических искажений выражается неравенством

Tа > (10…20 )( fв − fн )/ (f)2 ,

(8.3)

где Та − время анализа АЧХ; fв − fн − полоса качания ИАЧХ; f −полоса пропускания АЧХ исследуемого устройства.

Искажения от перегрузки исследуемого устройства выходным сигналом ГКЧ ИАЧХ возникают в том случае, когда уровень выходного сигнала измерителя превышает размер линейного участка амплитудной характеристики исследуемого устройства. В этом случае вершина кривой АЧХ на экране прибора становится более плоской по сравнению с реальной АЧХ. Проверить наличие таких искажений можно путем уменьшения уровня сигнала ГКЧ измерителя при помощи его аттенюатора. Если при уменьшении уровня сигнала форма АЧХ на экране измерителя не изменяется, то искажения за счет нелинейности амплитудной характеристики исследуемого устройства отсутствуют.

При условии, что искажения АЧХ от рассогласования, от перегрузки и от скорости перестройки частоты минимизированы, погрешности измерений параметров АЧХ определяются погрешностями собственно измерительного прибора, указанными в его техническом описании.

Измерение фазочастотных характеристик (ФЧХ) выполняют реже, чем измерение АЧХ, однако, при разработке многоканальных систем, радиолокационных и радионавигационных систем возникает задача определения ФЧХ отдельных узлов подобных систем.

Схема определения ФЧХ способом "генератора−фазометра" представлена на рис. 8.14.

Как и в случае определения АЧХ, методика определения ФЧХ сводится и измерению угла сдвига фаз выходного сигнала относительно входного гармонического сигнала четырёхполюсника при помощи фазометра при каждой частоте, устанавливаемой по отсчётному устройству генератора. После чего строится зависимость в координатах угол сдвига фаз − частота f.

Рисунок 8.14 – Схема определения фазочастотных характеристик

В случае отсутствия фазометра, позволяющего выполнять прямые измерения угла сдвига фаз, используют осциллографические способы косвенных измерений угла сдвига фаз (способ линейной развёртки при помощи двухлучевого осциллографа, способ эллипса, способ яркостных меток и т.п.), которые являются ещё менее производительными, чем способ "генератора−фазометра".

Для получения достоверной измерительной информации в схеме рис. 8.14 необходимо обеспечить равенство электрических длин линий передач, соединяющих входы фазометра с входом и выходом объекта измерений, а также согласование волновых сопротивлений этих линий передач с нагрузками, особенно в диапазоне высоких и сверхвысоких частот.

Если четырёхполюсник предназначен для обработки видеоимпульсных сигналов, то его свойства и их влияние на входной сигнал более удобно выражать не через АЧХ и ФЧХ, получаемые при помощи гармонического сигнала, а через переходную характеристику (ПХ) h(t), являющейся откликом на единичный скачок (рис. 8.15).

На практике вместо измерения переходной характеристики измеряют отдельные параметры переходной характеристики: время задержки выходного сигнала время нарастания переходной характеристики выброс на вершине переходной характеристики неравномерность вершины ПХ, время установления ПХ t_уст.

Рисунок 8.15 – Единичный скачок 1(t) и переходная характеристика h(t)

Схема измерений ПХ представлена на рис. 8.16.

Рисунок 8.16– Схема измерений переходной характеристики

Методика измерений ПХ заключается в том, что в начале получают на экране осциллографа сигнал, поступающий на вход исследуемого четырёхполюсника (при этом вход Y осциллографа подключается к тройниковому разветвителю), а затем – сигнал на выходе исследуемого устройства.

Для уменьшения погрешности измерений ПХ необходимо правильно выбрать средства измерений по метрологическим характеристикам и правильно собрать схему измерений. Правильный выбор источника единичного скачка заключается в том, что длительность фронта сигнала формируемого на выходе источника (Г5− или И1−) должна удовлетворять условию:

где − время нарастания ПХ исследуемого устройства. Кроме того, выброс на вершине выходного сигнала источника и её неравномерность должны быть минимальны.

Осциллограф следует выбирать по соотношению

где − время нарастания переходной характеристики каналаY осциллографа.

Однако, кроме правильного выбора источника единичного скачка, необходимо передать сигнал источника ко входу исследуемого устройства без искажений. Условием неискажённой передачи сигнала является условие согласования волнового сопротивления радиочастотного кабеля с входным сопротивлением нагрузки, которой, как видно из рис. 8.16, является исследуемое устройство с входным сопротивлением т.е. необходимо выполнить условие Если данное условие не выполняется, необходимо между тройниковым разветвителем и исследуемым устройством включить согласующее устройство.

Кроме того, поскольку осциллограф с входным кабелем также характеризуется входным сопротивлением, которое может при подключении ко входу четырёхполюсника и отключении от него нарушать условие согласования линии передачи сигнала, и, тем самым, искажать сигнал, то необходимо пользоваться выносным высокоомным пробником (щупом), подключаемым вместо кабеля ко входу Y осциллографа. Либо необходимо воспользоваться двухлучевым осциллографом, входы которого постоянно подключены ко входу и выходу исследуемого устройства с выполнением условия согласования линии передачи:

Как правило, линейные четырёхполюсники работают в некотором диапазоне входных сигналов, в котором обеспечивается линейность их амплитудной характеристики. В противном случае, при выходе за линейный участок амплитудной характеристики, возникают нелинейные искажения.

Под амплитудной характеристикой (АХ) понимают отношение при вариации значений входного сигнала, т.е. при (рис. 8.17)

Рисунок 8.17 – Амплитудная характеристика четырёхполюсника

Однако, при малых нелинейностях амплитудной характеристики отказываются от её измерения, а измеряют коэффициент нелинейных искажений, под которым понимают отношение действующего напряжения всех высших гармоник, входящих в спектр выходного сигнала, к действующему напряжению полного сигнала при строго гармонической форме сигнала на входе исследуемого устройства:

(8.4)

Схема измерений коэффициента нелинейных искажений представлена на рис. 8.18.

Рисунок 8.18 – Схема измерений коэффициента нелинейных искажений

Правильный выбор источника гармонического сигнала предполагает выполнение условия:

где − коэффициент гармоник измерительного генератора,

− ожидаемое значение коэффициента нелинейных искажений исследуемого устройства.

Правильный выбор измерителя нелинейных искажений предполагает выполнение условия:

где − минимально возвожное значение, которое может измерять прибор.

Поскольку измерение нелинейных искажений выполняют на низких частотах, вопросы согласования линий передач не играют существенный роли.

Одним из основных свойств приёмных устройств и чувствительных усилителей являются способность приёма и усиления слабых сигналов. К факторам, ограничивающим их чувствительность, относятся собственные шумы. Для количественной оценки уровня собственных шумов применяют два основных параметра: коэффициент шума и температура шума входа устройства.

Коэффициент шума любого линейного четырёхполюсника определяется соотношением:

при ,

(8.5)

где − полная мощность шума на выходе устройства на единицу полосы частот;

− мощность того же шума на выходе на единицу полосы частот, который подан на вход устройства.

Если то четырёхполюсник "не шумит" и (0 дБ). Но за счёт собственных шумов и поэтому

Для характеристики шумовых свойств малошумящих устройств вместо удобнее пользоваться понятием шумовой температуры входа устройства:

где

(8.6)

и измерять непосредственно этот параметр.

Измерение шумовых параметров четырёхполюсника сводится к измерению соотношения мощностей шумовых сигналов на выходе исследуемого устройства при определённым образом изменяемом уровне мощности шумового сигнала на его входе.

Способы измерений отличаются между собой способами выделения и определения отношения мощностей сигналов на выходе и способами создания изменения уровней мощности на входе приёмно−усилительных устройств.

Наиболее простым является способ двух отсчётов, заключающийся в поочерёдной подаче на вход исследуемого устройства шумовых сигналов с известными значениями температуры шума и ( ) и измерении уровня сигналов на его выходе (рис.8.19).

При поочерёдной подаче на вход исследуемого устройства шумовых сигналов от генераторов шума (ГШ) и , имеющих шумовую температуру и , фиксируют показания и измерителя мощности М3− и вычисляют шумовые параметры исследуемого устройства по выражениям

Рисунок 8.19 – Схема измерений коэффициента шума способом двух отсчётов

и

где − относительное изменение мощности сигнала на выходе линейного четырёхполюсника при двух различных значениях температуры шума на его входе (см. соотношение 8.6).

При измерениях по схеме рис. 8.19 может использоваться один генератор шума, если имеется возможность изменения его температуры шума.

Основными составляющими погрешности измерения шумовых параметров являются:

−собственные шумы измерителя мощности;

−нелинейность амплитудной характеристики исследуемого устройства;

−погрешность генераторов шума;

−погрешность индикации отношения мощностей выходных сигналов;

−рассогласование линий передачи между исследуемым устройством и измерителем мощности.

Для достижения более высокой точности измерений при данном способе целесообразно: обеспечивать постоянство выходного сопротивления ГШ при изменении его температуры (например, при включении и выключении газоразрядного ГШ); выбирать ГШ исходя из условий и работать на линейном участке амплитудных характеристик исследуемого устройства и измерителя мощности.

Более точные и производительные измерения обеспечивает модуляционный способ измерений, использующийся в большинстве серийно выпускаемых измерителях коэффициента шума (ИКШ) – приборах Х5−.

Задачи

1 Пеpечислите основные метрологические характеристики измерителей амплитудно−частотных характеристик. Поясните, как их учитывать при измерениях АЧХ.

2 Опишите способы обнаружения и устpанения искажений АЧХ: а) при pассогласовании входа исследуемого устройства с волновым сопротивлением радиочастотного кабеля и выходом ГКЧ измеpителя; б) динамических искажений; в) искажений от перегрузки.

3 Пpедложите и опишите упрощенную методику определения пеpеходной функции линейного четыpехполюсника, веpхняя гpаница полосы пpопускания котоpого не превышает 35 МГц. Выбирите конкретные средства измерений. Изобpазите схему измерений.

Вопросы для самоконтроля

1 Какие электрические цепи относят к линейным цепям?

2 Перечислите параметры, при помощи которых характеризуют свойства четырехполюсников.

3 Перечислите средства, используемые для измерений каждого из параметров четырехполюсника.

4 При решении каких задач исследуют амплитудно-частотную характеристику (АЧX) радиоэлектронного устройства? Приведите примеры.

5 Назовите способы определения АЧX. Укажите преимущества и недостатки каждого из способов.

6 Изобразите схему определения АЧX способом "генератора - вольтметра".

7 Перечислите причины, вследствие которых изображение АЧX на экране панорамного измерителя может отличаться от истинной АЧX.

8 Исходя из каких соображений на измерителе АЧX устанавливают девиацию частоты и время анализа?

9 Почему при определении АЧX при помощи приборов X1- напряжение сигнала на входе исследуемого узла должно быть постоянным?

10 Каким образом можно добиться постоянства напряжения на входе исследуемого узла?