Статьи

Home › News

Измерители нелинейных искажений

24.08.2018

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%.

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.

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