6.1.5. Измерения нелинейных искажений

Измерители напряжений переменных токов в электрических цепях сопровождается искажениями форм сигналов и их спектрального состава. Искажения, выражающиеся в изменении соотношений амплитуд напряжений на разных частотах называют линейными. Они обусловливают наличием в цепи частотно зависимых полных сопротивлений, содержащих реактивные компоненты емкости и индуктивности. Свойство цепи вносить линейные искажения обычно описывается амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристиками цепи.

Другие искажения, которые называют нелинейными, связаны с появлением новых гармонических компонентов спектра - гармоник напряжения. Нелинейные искажения вызываются наличием в цепи элементов, полное сопротивление которых зависит от амплитуды токов и напряжений, например, активное сопротивление p-n перехода, катушка индуктивности с сердечником, у которой магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля, конденсатор с диэлектриком, у которого диэлектрическая постоянная зависит от напряжения.

Искажения необходимо измерять по нескольким причинам. Во-первых, нелинейные искажения ухудшают качество передачи полезного сигнала, например, искажают тембр речи, качество звучания музыки, то есть портят конечный продукт. Во-вторых, нелинейные искажения, сопровождающиеся появлением новых гармонических компонентов, вносят дополнительные помехи, шумы в полезный сигнал. И, наконец, переход части энергии в нежелательные гармоники снижает КПД устройств.

Имеются две задачи при измерении искажений. Первая - это определение свойств электрической цепи в смысле способности ее вносить искажения, то есть линейность цепи. Вторая задача - это определить в какой мере желаемое “чистое” синусоидальное напряжение искажено наличием гармоник. Для решения обеих задач измеряют относительную безразмерную величину, которую называют коэффициентом гармоник , определяемую по одной из следующих формул:

(6.19)

где - амплитуда i-той гармоники или по формуле

(6.20)

При решении первой задачи на вход испытуемого устройства подают синусоидальное напряжение предельно близкое к неискаженному, то есть у которого амплитуды гармоник , … близки к нулю. Затем измеряют на выходе испытуемой цепи. Полученное значение характеризует свойство цепи, ее отличие от линейной.

Рис. 6.8. Структурная схема измерителя коэффициента гармоник.

1 - входное устройство; 2 - усилитель широкополосный; 3 - усилитель с режекторным фильтром 4; 5 - делитель напряжения; 6 - усилитель; 7 - детектор СКЗ напряжения; 8 - вольтметр постоянного тока; 9 - частотометр; 10 - блок управления.

Для решения второй задачи измеряют непосредственно на выходе испытуемого экземпляра методом прямого измерения при помощи измерителя коэффициента гармоник.

Измерения в НЧ диапазоне проводят приборами, которые измеряют в соответствии с его формульным определением. Структура измерителя представлена на рис. 6.8.

6.1.6. Измерения мгновенных значений переменного напряжения.

Предположим, имеется переменное напряжение , представляющее функцию времени, ограниченный участок которой на интервале , изображен на рис. 6.9. Задача состоит в том, чтобы измерить напряжение в каждый момент времени, то есть получить результат, запомнить его и представить в виде, удобном для дальнейшей обработки. Для решения такой задачи, когда измерения напряжения во времени происходят быстро, то есть характерные времена, в течение которых они изменяются, соизмеримы с временами , характерных для радиотехнических и акустических устройств, для цифровых устройств вычислительной техники, для быстропротекающих процессов при взрывах применяют приборы, которые называют осциллографами.

Рис.6.9. Функция времени переменного напряжения.

Осциллограф - это измерительный прибор, реализующий метод совместных измерений времени и напряженности, который записывает график изменяющегося во времени напряжения в прямоугольных координатах время - мгновенное значение напряжения. Изображение функции представляется на экране в виде, удобном для наблюдения. Сформированная система координат дает возможность каждой точке графика приписать численное значение напряжения и времени от начала наблюдения функции до окончания - . Очевидно, для получения такого графика необходимо иметь два преобразователя, один из которых преобразует интервал времени в напряжение и далее в линейное перемещение луча по одной координате, а другой преобразует измеряемое напряжение в перемещение по другой координате. Таким преобразователем служит электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) в аналоговых осциллографах и матричные экраны в совокупности с аналогово-цифровыми преобразователями мгновенных значений напряжений.

Для преобразования текущего приращения времени в перемещение электрического луча по координате “время” применяют линейно измеряющиеся напряжения, которые вырабатываются внутри прибора при помощи специальных генераторов развертки. Чаще всего используют линейную развертку, то есть напряжение, изменяющееся по закону - пилообразный импульс рис …. Очевидно, если значение , а перемещение луча , то . Запуск генератора развертки производят несколько раньше, чем момент появления измеряемого напряжения. Для этого измеряемое напряжение пропускают через линию задержки, в то время как развертку запускают немедленно по приходу измеряемого напряжения.

Рис. 6.10. Напряжение на генераторе развертки.

Осциллограф может превратиться в удобный измерительный прибор, если в его состав включить меры напряжения и интервала времени, а также устройства для регулирования коэффициентов преобразования. В качестве мер переменного напряжения и времени используются генераторы синусоидального или импульсного напряжения с известной амплитудой, частотой, периодом или длительностью импульсов. При помощи этих мер производят операцию калибровки осциллографа.

Структурную схему осциллографа можно представить в виде рис. 6.11.

Рис. 6.11. Структурная схема осциллографа.

Вх. У – входное устройство; Ус(у) – усилитель канала вертикальное направление); Ус(х) – усилитель горизонтального канала; Kv – преобразователь канала «вертикального» отклонения; Kt - преобразователь канала «горизонтальное» отклонения; УВ – устройство визуализации (экран ЭЛТ); ГР – генератор развертки регулируемой длительности; ГК – калибратор калибровочного напряжения.

Назначение основных узлов: Вх. У - это делитель напряжения - масштабный преобразователь для приведения входных напряжений к наиболее удобному для дальнейших операций диапазону значений; Ус(х), Ус(у) – многокаскадные усилители с регулируемыми коэффициентами усиления для установления нужных значений коэффициента преобразований осциллографа: ГР – генератор пилообразного напряжения с регулируемым временем развертки; Kv, Kt, УВ – электронно-лучевая трубка, выполняющая роль преобразователей двух величин в координаты изображения: на устройстве визуализации.

В качестве устройства сравнения для аналогового осциллографа с ЭЛТ всегда выступает оператор, который проводит калибровку, устанавливает требуемые значения , для получения , а самое главное определяет показания и определяет результат измерения напряжения в соответствии с уравнением

(6.20)

Отметим, что измеряются совместно две величины - время и напряжение. Для каждой из них действует уравнение ( ), то есть

. (6.21)

Погрешность измерения значений входной функции равна

, (6.22)

где Δх, Δу - погрешности измерений напряжений по каналам Х и Y.

Погрешности обусловлены следующими составляющими:

- погрешностью номинальных значений напряжений и интервалов времени функции ;

- конечной разрешающей способностью ЭЛТ из-за конечной толщины луча (пятна) на экране;

- случайными погрешностями – “дрожанием изображения”;

- зависимость , от значений , , то есть нелинейностью ЭЛТ как преобразователя напряжений по каналу X и Y.