8.2 Забезпечення єдності вимірювань нелінійних спотворень

8.2.1 Загальні відомості про спотворення сигналів. Нелінійні спотворення

Тракти передачі, посилення, формування і обробки електричних сигналів можуть вносити лінійні, флуктуаційні (шумові) та нелінійні спотворення.

В лінійних системах з постійними параметрами виникають тільки лінійні спотворення (амплітудні, частотні, фазові), обумовлені його амплітудно-частотними і фазочастотними характеристиками. Вихідне коливання містить при цьому тільки ті спектральні складові, які є у вхідному коливанні, хоча форма вхідного й вихідного коливання можуть відрізнятися. Однак співвідношення між амплітудними або іншими значеннями вхідних і вихідних коливань і форма ви­хідного коливання не залежать від амплітуди вхідного коливання.

Нелінійність системи з постійними параметрами проявляється в тому, що на її виході виникають спектральні складові нових частот, яких немає в спектрі вхідного коливання. Спотворення такого роду є нелінійними. При зміні амплі­туди вхідного коливання і постійній його формі форма вихідного коливання змінюється.

Окремо скажемо про шумові завади або спотворення, які виникають як в лінійних, так і нелінійних системах і призводять до амплітудних, частотних та фазових флуктуацій, які накладаються на інформативний сигнал і також вносять спотворення (шумового характеру). Боротьба з шумовими завадами і їх вимірювання − окрема тема, яка в рамках даного посібника не розглядається.

Існує багато параметрів для нормування нелінійних спотворень, які залежать від природи нелінійності, причин її виникнення, методів та засобів її вимірювання. Так, при використанні різних методів вимірюють такі види спотворень (рис. 8.1):

- гармонійні, що виникають при подачі на нелінійний елемент (НЕ) гармонійного коливання;

- комбінаційні − при подачі на НЕ двох - і тричастотного випробувального сигналу;

- модуляційні (перехресні) − при модуляції корисного сигналу сигналом перешкоди;

- SINAD − при вимірюванні суми продуктів нелінійності та шумів;

- перехідні перешкоди − при вимірюванні продуктів переходу з каналу в канал в багатоканальних системах через наявність нелінійності;

- загасання нелінійності − гармонічні спотворення в логарифмічній формі.

гармонічні

комбінаційні

перехресні (модуляційні)

SINAD

перехідні завади

загасання нелінійності

амплітудні

частотні

фазові

амплітудні

частотні

фазові

Лінійні

Нелінійні

Флуктуаційні

(шумові)

Рис. 8.1. Види спотворень

В окремих спеціалізованих приладах, зокрема зв’язкових, використовують й інші методи і параметри для визначення нелінійності.

Нелінійні елементи, в залежності від їх інерційних властивостей, поділяють на:

- НЕ з резистивною нелінійністю (інерційністю яких в діапазоні робочих частот можна нехтувати);

- НЕ комплексного характеру (частотно-залежні).

Важливою умовою забезпечення єдності вимірювання параметрів нелінійних спотворень є можливість перерахування різних показників нелінійності в єдиний параметр.

Дослідження показали, що найбільш універсальним параметром для оцінки нелінійних спотворень є коефіцієнт гармонік (КГ), тобто відношення квадратичної суми вищих гармонік сигналу на виході НЕ до першої при гармонічному вхідному сигналі (рис. 8.2):

НЕ

Рис. 8.2. Метод оцінки нелінійності за коефіцієнтом гармонік

. (8.1)

КГ вихідного сигналу вимірюється відповідним приладом – вимірювачем КГ (підгрупа С6).

Іноді нормують і вимірюють КГ у вигляді відношення СКЗ напруги вищих гармонік і СКЗ повної напруги :

. (8.2)

Зв'язок між імає вигляд

(8.3)

Якщо <10 %, значенняівідрізняються незначно (менш ніж на 1 %).

Можна показати, що існують формули для перерахування різних показників нелінійності в КГ і сформульовані вимоги їх тотожності.

Таким чином, необхідними умовами для забезпечення єдності вимірювань нелінійних спотворень є

• вибір єдиного параметра для оцінки нелінійних спотворень – коефіцієнта гармонік;

• можливість перерахування інших параметрів в коефіцієнт гармонік;

• забезпечення простежуваності результату вимірювання КГ до еталона одиниці КГ або іншої фізичної величини, пов’язаної з КГ відомим співвідношенням.

У ряді країн, у тому числі в Україні, були створені первинні еталони одиниці КГ. Розглянемо такий еталон докладніше.