Измерители нелинейных искажений

При прохождении электрического колебания по цепям, содержащим элементы с нелинейными вольт-амперными характеристиками, возникают нелинейные искажения, которые проявляются в изменении его формы. Сущность этих искажений заключается, как известно, в том, что в составе колебания появляются дополнительные составляющие гармонических и комбинационных частот. Оценка искажений сложного колебания, содержащего составляющие ряда основных частот, затруднительна из-за бесконечного разнообразия возможных вариаций. Поэтому обычно ограничиваются оценкой искажений лишь таких колебаний, которые должны иметь синусоидальную форму, как, например, в случае, когда их источником является генератор гармонических сигналов или усилитель, возбуждаемый входным сигналом одной частоты. При этом искажённое колебание, помимо составляющей основной частоты (первой гармоники) f, будет содержать составляющие с частотами 2f, 3f и т. д., амплитуды которых, как правило, быстро уменьшаются с возрастанием номера гармоники.

Отличие формы данного периодического напряжения от синусоидальной характеризуется коэффициентом гармоник

Кг = Uг/U1 = (U22 + U32 +...+ UN2)0,5 /U1 ,

равным отношению среднеквадратического напряжения Uг суммы всех гармоник сигнала, кроме первой, к среднеквадратическому напряжению U1 первой гармоники. Обычно значение Кг выражают в процентах.

При Кг > 5% нелинейные искажения можно обнаружить визуально, наблюдая форму исследуемого колебания на экране осциллографа. Меньшие искажения выявляются при подаче напряжения на вход осциллографа через дифференцирующую RC-цепочку, конденсатор которой имеет сопротивление 1/(2πfC) ≈ 10 R; в этом случае амплитуды 2, 3-й и т. д. гармоник на выходе цепочки возрастают соответственно в 2, 3 и т. д. раз при почти неизменной амплитуде первой гармоники.

Количественная оценка нелинейных искажений осуществляется с помощью специальных приборов. Они обычно измеряют не коэффициент гармоник Кг, а близкий к нему коэффициент знаменатель в формуле которого представляет собой среднеквадратическое значение полного напряжения U исследуемого сигнала. Эти коэффициенты связаны равенством:

Кг = Кг1/(1 -Кг1)0,5 , и при Кг ≤ 0,2 они различаются не более чем на 2%.

Функциональная схема измерителя нелинейных искажений

Рис. 1. Функциональная схема измерителя нелинейных искажений.

Измерение нелинейных искажений чаще всего осуществляется методом подавления основной частоты (рис. 1). Исследуемое напряжение, при необходимости ограничиваемое входным делителем и усиливаемое широкополосным усилителем, полоса пропускания которого должна охватывать, кроме основной частоты f, не менее 5-7 её первых гармоник, подводится к заградительному фильтру. Последний пропускает почти без ослабления все высшие гармоники, начиная со второй, и практически полностью подавляет первую гармонику. При установке переключателя В в положение «Калибровка» квадратичный вольтметр с большим входным сопротивлением измеряет на входе фильтра напряжение U исследуемого сигнала; последнее регуляторами делителя и усилителя приводится к определённому (опорному) уровню (например, 1 В), при котором стрелка вольтметра отклоняется на всю шкалу. Затем в положении переключателя «Измерение» с выхода фильтра к вольтметру подводится напряжение Uг, лишённое первой гармоники; отсчёт по шкале вольтметра даёт выраженное в процентах (а иногда дополнительно и в децибелах) значение коэффициента Kг1 = (Uг/U)*100%. Помимо предела измерений 1 В, вольтметр часто имеет несколько пределов измерений более высокой чувствительности, что обеспечивает измерение малых значений Кг1, когда Uг << U.

Вход вольтметра обычно имеет внешний вывод, что позволяет использовать вольтметр самостоятельно (в положении «Вольтметр» переключателя В), а также даёт возможность просматривать на осциллографе форму кривой подводимого к вольтметру напряжения U или Uг.

Схема заградительного LC фильтра

Рис. 2. Схема заградительного фильтра.

В качестве заградительных фильтров используются частотно-зависимые мосты переменного тока, настраиваемые на частоту того колебания, которое должно быть задержано. На рис. 2 приведена схема фильтра, выполненного на основе Т-образного моста. На выходе отсутствует напряжение частоты

f = 1/(π*(LC)0,5)

при условии, что сопротивление R1 = L/(2RC), где под С понимается полная ёмкость каждого из двух идентичных ёмкостных плеч. Фильтр настраивается (по минимуму показаний вольтметра V) регулировкой значений элементов С и R1. При полном подавлении колебаний основной частоты f гармоники ослабляются незначительно. С целью повышения входного сопротивления желательно иметь сопротивление резистора R малым; на низких частотах его роль может играть активное сопротивление дросселя Др, индуктивность которого достигает 10-20 Г.

Примерами измерителей нелинейных искажений могут служить приборы типа С6-1А (диапазон частот 20 Гц-20 кГц, пределы измерения коэффициента Кг 0,1 - 100% при погрешности измерения 5%) и С6-3 (соответственно 10 кГц-1 МГц, 1-50%, до 15%).

А.Меерсон

BACK MAIN PAGE

Рейтинг@Mail.ru