3.4 Измерители нелинейных искажений

Нелинейные искажения (НИ) возникают в системах содержащих нелинейные эле­менты – электронные лампы, транзисторы, катушки индуктивности с ферро­магнитными сердечниками. Необходимость измерения нелинейных искажений связана с исследованием параметров усилителей и генераторов синусоидаль­ных колебаний.

Нелинейные искажения устройства характеризуется гармоническими или комбинационными составляющими, а такие случайными (статистическими) со­ставляющими, появляющимися в спектре выходного сигнала. В соответствии с этим различают три основных метода измерений НИ: гармонический; комбинационных частот; статистический.

Гармонический метод. Данный метод применяется для ана­лиза нелинейных искажений в области НЧ (20 Гц - 200 кГц).

Нелинейные искажения характеризуются коэффициентом гармоник

,

где U₁,U₂,..., U_N – действующие значения соответствующих гармоник; N – число гармоник, которое должно быть не менее 5-10.

Коэффициент нелинейных искажений определяется выражением

.

Коэффициент гармоник может быть выражен через коэффициент нелинейных искажений:

.

Рис. 3.15

Структурная схема измерения НИ гармоническим методом имеет вид, показанный на рис. 3.15. Основными элементами структурной схемы являются входное устройство (ВУ), усилитель (У), режекторный фильтр (РФ) и квадратичный вольтметр (КВ).

Принцип измерения НИ заключается в следующем. В первую очередь измеряется действующее значение сигнала. Эта операция называется «калибровкой» и заключается в регулировке коэффициента усиления усилителя до тех пор, пока показание вольтметра не станет равным заданному значению (обычно 1 или 10 В). После этого переходят к измерению действующего значения высших характеристиче­ских составляющих. Напряжение основной частоты подавляется режекторным фильтром.

Метод комбинационных частот. В верхнем диапазоне частот исследуемо­го устройства нелинейность определяется по составляющим комбинационных частот. Коэффициент нелинейности К_Н определяется отношением действующего значения напряжения разности комбинаций частот U_f1-f2 к напряже­нию гармонических сигналов с частотами f₁ и f₂ одинакового уровня U:

.

В некоторых случаях комбинационные составляющие изменяют при подаче на вход исследуемой системы сигнала, спектр которого содержит три частоты. В данном случае производится оценка кубических искажений по продуктам нелинейности первого рода. Здесь измерительный сигнал представляет сумму трех гармонических сигналов с рав­ными амплитудами и близкими частотами: f₁, f₂, f₃. Продукты нелинейно­сти первого рода содержат три составляющие с частотами, близкими к исход­ным: f₁+f₂-f₃, f₁-f₂+f₃, f₂+f₃-f₁. Коэффициент кубических нелиней­ных искажений определяется выражением

,

где U_ни – среднеквадратичное значение напряжения одной составляющей с комбинационной частотой; U_∑ – суммарное выходное напряжение.

Структурные схемы устройств измерения нелинейных искажений по методу комбинационных частот приведены на рис 3.16, 3.17.

Рис 3.16

Рис 3.17

Статистический метод. В этом методе в качестве измерительного сигна­ла применяется белый шум. Такой сигнал можно рассматривать как предель­ный случай многочастотного сигнала, и в этом отношении он в наибольшей сте­пени приближается к реальным сигналам, передаваемым в системах связи. Структурная схема измерений и спектры сигналов в различных ее точках изображены на рис. 3.18.

Рис. 3.18

Для испытания исследуемого объекта в спектре входного шумового сигнала с помощью режекторного фильтра (РФ) вырезается относительно узкое «окно», т. е. формируется участок спектра с нулевыми (или близкими к нулю) составляющими. Такой шумовой сигнал пода­ется в качестве измерительного сигнала на вход исследуемого объекта.

В спектре выходного сигнала (точка 3 на схеме) «окно» оказывается заполненным шумом. Чем выше уровень спектральных составляющих в этом окне тем больше нелинейных искажений вносит исследуемый объект. Составляющие спектра, находящиеся внутри «окна» выделяются с помощью полосового фильтра (ПФ). Напряжение (на выходе полосового фильтра) измеряется квадратичным вольт­метром. Значение коэффициента нелинейных искажений определяется как от­ношение:

,

где – суммарное напряжение выходного сигнала.

Составляющими погрешности данного метода являются погрешность измерения шумо­вого напряжения квадратичным вольтметром и отклонение частотных характе­ристик затухания фильтров от идеальных.

В заключении рассмотрим технические характеристики автоматического измерителя нелинейных искажений С6-7 [27]. Принцип действия данного прибора основан на использовании гармонического метода измерения нелинейных искажений. Диапазон частот основной гармоники исследуемого сигнала составляет 20 Гц – 200 кГц. Прибор обеспечивает измерение коэффициента гармоник в автоматическом режиме на шкалах с конечными значениями: 0,1; 0,3; 1; 3; 10; 30% в диапазоне частот от 200 Гц до 20 кГц и 0,3; 1; 3; 10; 30% в диапазоне частот от 20 до 200 Гц и от 20 до 200 кГц. Абсолютное значение основной погрешности прибора при измерении коэффициента гармоник в диапазоне частот от 20 до 200 Гц не превышает значения ±(0,1 Кгк+0,1 %), где Кгк – конечное значение шкалы в процентах.

4. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Дискретизация сигнала, теорема Котельникова, аналого-цифровое преобразование, погрешность дискретизации, цифровая обработка сигнала, цифровые измерители сдвига фаз, цифровые вольтметры, виртуальные измерительные приборы