Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения, страница 38

На цифровых фильтрах можно создавать различные анализато­ры спектра сигналов, в частности, и последовательного, и парал­лельного методов анализа.

9.5. Измерение нелинейных искажений

Измерение ряда физических величин, отражающих парамет­ры и характеристики сигналов или электрических цепей, осуще­ствляют с помощью приборов, которые по построению аналогич­ны анализаторам спектра. К таким параметрам и характеристикам относят нелинейные искажения и связанные с ними измене­ния формы и спектра сигналов, которые возникают в цепях с не­линейной амплитудной характеристикой. При прохождении по нелинейным цепям полезные колебания теряют синусоидальную форму (искажаются) и в их спектре появляются высшие гармони­ки.

Возникающие при нелинейных искажениях гармоники можно исследовать и измерить с помощью анализаторов спек­тра. Известны несколько количественных показателей уровня нелинейных искажений. Наибольшее распространение получил такой показатель как коэффициент нелинейных искажений (ко­эффициент гармоник), представляющий собой отношение сред­него квадратического значения всех высших гармоник напряже­ния (или тока)

к среднему квадратическому значению его первой гармоники U₁:

Для измерения относительного значения напряжения гармо­ник можно использовать анализатор спектра, если его разре­шающая способность позволяет наблюдать раздельно спектраль­ные составляющие. Если детектор анализатора линейный, то в формулу (9.12) вместо напряжений U₁, U₂, ..., U_n можно подста­вить значения их амплитуд, измеренных на экране анализатора в единицах длины.

Существуют специальные приборы, измеряющие коэффи­циент нелинейных искажений, называемые измерителями не­линейных искажений. Упрощенная структурная схема аналого-цифрового измерителя нелинейных искажений представлена на рис. 9.11.

Рис. 9.11. Упрощенная структурная схема аналого-цифрового измерителя нелинейных искажений.

В основе измерительной методики таких приборов лежит метод подавления основной частоты исследуемого сигнала. Входное устройство служит для согласования измерительного прибора с источником исследуемого сигнала. Перед измерением переключатель Кл ставят в положение Калибровка. Затем с по­мощью усилителя уровень исследуемого напряжения повышают до такого фиксированного значения, при котором электронный цифровой вольтметр среднего квадратического значения будет проградуирован в значениях коэффициента нелинейных иска­жений. При этом измеряется среднее квадратическое значение напряжения всего исследуемого сигнала

Затем переключатель Кл прибора ставят в положение Изме­рение. Настраивая заграждающий фильтр, подавляют напряжение основной частоты (первой гармоники U1). Полное подавление гармоники U₁ будет при минимальном показании прибора. В этом случае цифровой вольтметр показывает среднее квадратическое значение суммы высших гармонических составляющих сигнала U_г (9.11). Сравнивая показания во втором и первом случаях, нахо­дят коэффициент гармоник

Практически при положении переключателя Кл Измерение измеряют коэффициент К_г1. При этом коэффициент гармоник К_г можно вычислить по формуле

При небольших нелинейных искажениях исследуемого сигнала (К_г < 0,1) коэффициенты К_г и К_г1 отличаются меньше чем на 1 %. Обычно измерители нелинейных искажений приме­няют для измерения коэффициента гармоник К_г в пределах 0,1 ...30 %. При этом диапазон рабочих частот может составлять полосу от 0,01 кГц до 25 МГц и более.

Контрольные вопросы

1. Для каких целей используют спектральный анализ электрических сигналов?

2. Какой физический смысл лежит в основе прямого и обратного преобразований Фурье?

3. Как аналитически записывают прямое и обратное преобразования Фурье?

4. На чем основан параллельный и последовательный анализ спек­тра исследуемых сигналов?

5. Как выглядит упрощенная структурная схема анализатора па­раллельного действия?

6. Какова связь между дискретным преобразованием Фурье и гар­моническими составляющими сигнала?

7. Как используют в цифровых анализаторах дискретное преобразо­вание Фурье?

8. В чем состоит суть быстрого преобразования Фурье?

9. Что называют разрешающей способностью анализатора спектра сигналов?

10. Как разрешающая способность связана с полосой пропускания фильтра анализатора?

11. Какова упрощенная структурная схема анализатора спектра по­следовательного типа?

12. Как связана скорость анализа с полосой пропускания анализатора спектра?

13. Чему равно время анализа в схемах последовательного типа?

14. На чем основан принцип построения гетеродинного анализатора спектра последовательного типа?

15. Назовите основные характеристики гетеродинного анализатора?

16. Какова структура нерекурсивного цифрового фильтра?

17. Как строят рекурсивные цифровые фильтры?

18. Как записывают математическое выражение для коэффициента гармоник?

19. Поясните алгоритм практического определения коэффициента гармоник.

Глава 10

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ

И ХАРАКТЕРИСТИК

__________РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ____________

10.1. Общие сведения

Радиотехнические цепи, физические размеры которых го­раздо меньше рабочей длины волны, называют цепями с сосре­доточенными параметрами. Свойства таких цепей практически не зависят от конфигурации выводов (электродов) активных и пассивных элементов и размеров соединительных проводов. Радиотехнические цепи, физические размеры которых соизме­римы с рабочей длиной волны колебаний, относятся к цепям с распределенными параметрами. Каждый элемент или соедини­тельный провод этой цепи обладает сопротивлением (активны­ми, т.е. невозвратимыми, потерями мощности), индуктивностью и емкостью. Подобные цепи называют длинными линиями или СВЧ-трактами.

Элементы радиотехнической цепи можно соединить в двух­полюсники и четырехполюсники. Двухполюсник (одиночный эле­мент или сложная электрическая цепь) имеет два вывода — по­люса; четырехполюсник — пару входных и пару выходных выводов — четыре полюса.

В электрических цепях с сосредоточенными параметрами широко применяют линейные компоненты общего назначения: резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы. При опреде­ленных допущениях эти элементы рассматривают как линейные пассивные двухполюсники, характеризуемые некими идеальны­ми параметрами — сопротивлением R (величина, обратная сопро­тивлению — проводимость 7), индуктивностью L, емкостью С.

Глава 10

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

10.1. Общие сведения

Радиотехнические цепи, физические размеры которых гораздо меньше рабочей длины волны, называют цепями с сосре­доточенными параметрами. Свойства таких цепей практически не зависят от конфигурации выводов (электродов) активных и пассивных элементов и размеров соединительных проводов. Радиотехнические цепи, физические размеры которых соизмеримы с рабочей длиной волны колебаний, относятся к цепям с распределенными параметрами. Каждый элемент или соедини­тельный провод этой цепи обладает сопротивлением (активны­ми, т.е. невозвратимыми, потерями мощности), индуктивностью и емкостью. Подобные цепи называют длинными линиями или СВЧ-трактами.

Элементы радиотехнической цепи можно соединить в двух­полюсники и четырехполюсники. Двухполюсник (одиночный эле­мент или сложная электрическая цепь) имеет два вывода — по­люса; четырехполюсник — пару входных и пару выходных выводов — четыре полюса.

В электрических цепях с сосредоточенными параметрами широко применяют линейные компоненты общего назначения: резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы. При определенных допущениях эти элементы рассматривают как линейные пассивные двухполюсники, характеризуемые некими идеальны­ми параметрами — сопротивлением R (величина, обратная сопро­тивлению — проводимость Y), индуктивностью L, емкостью С.

При измерениях не всегда удается определить значение того или иного параметра, соответствующее идеальному виду элемен­та. Несовершенство конструкции и характеристик применяемых материалов является причиной появления паразитных парамет­ров элементов. Так, наряду с главным параметром резистора — активным сопротивлением, он имеет и определенную индуктив­ность; катушка индуктивности, обладая индуктивностью, имеет паразитную емкость и активное сопротивление (сопротивление потерь) и т.д.

С учетом паразитных параметров резистор, конденсатор или катушку индуктивности можно соответственно характеризовать некоторым эффективным значением сопротивления, емкости, индуктивности, которые зависят от частоты протекающих по ним токов. Поэтому эффективные параметры компонентов необходи­мо измерять на рабочих частотах, если их влиянием на результат измерения нельзя пренебречь. Необходимо еще знать и ряд вто­ричных параметров этих элементов, например: добротность Q катушки индуктивности, тангенс угла потерь δ конденсатора, характеристическое сопротивление ρ контура, что позволяет бо­лее точно определять измеряемые параметры.

Параметрами длинных линий, по аналогии с цепями с сосре­доточенными постоянными, являются погонные активное сопро­тивление, индуктивность и емкость. Однако в отличие от цепей с сосредоточенными постоянными, эти параметры не имеют такого четкого физического смысла и поэтому их не измеряют. В то же время элементы СВЧ-трактов служат аналогами двух- и четырех­полюсников, из которых состоят цепи с сосредоточенными по­стоянными. Эта аналогия позволяет рассматривать параметры СВЧ-трактов как параметры двух- и четырехполюсников.

10.2. Измерение активных сопротивлений

Значения измеряемых активных сопротивлений лежат в пре­делах от 10^-8 до 10¹⁰ Ом. Измеряют активное сопротивление как на постоянном, так и на переменном токе. Активное сопротивле­ние на переменном токе целесообразно измерять в цепях, где есть потери при перемагничивании (цепи со стальными сердечника­ми: катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы). Изме­рение активного сопротивления проводят чаще.

Среди промышленных методов измерения активных сопро­тивлений на постоянном токе можно выделить следующие: осно­ванные на использовании амперметра или вольтметра, логометрические, мостовые.

Измерение методом амперметра и вольтметра

Измерение методом амперметра и вольтметра сводится к оп­ределению тока или напряжения в цепи с измеряемым двухпо­люсником и последующему расчету его параметров по закону Ома. Метод можно использовать для измерения активного и пол­ного сопротивления, индуктивности и емкости. На рис. 10.1 пока­зана структурная реализация этих методов при измерениях ак­тивного сопротивления. Измерение активных сопротивлений проводят на постоянном токе, при этом включать резистор R_x в измерительную цепь можно по двум схемам.

Рис. 10.1. Измерение активных сопротивлений методом: а — амперметра; б — вольтметра