Аналоговые измерительные устройства

          Под нелинейными искажениями  (НИ) понимается любое изменение сигнала,  вызывающее  искажения передаваемого сообщения  и обусловленное  нелинейностью  тракта. Количественная оценка НИ может быть произведена различными методами: гармоническими, комбинационными, статистическими.       Наибольшее применение получили измерители нелинейных искажений предназначенные для измере­ния степени искажения формы кривой, т. е. отличия формы сигнала  от гармонической. Количественно искажения оценивают двумя коэффициентами: коэффициентом гармоник k_Г и коэффициентом нелинейных искажений k_НИ.

          На практике коэффициент гармоник рассчитывается по формуле

                                          ,                                  (8.13 )

где U_i – амплитуда  i-й гармоники.

          Значение К_Г может изменяться от 0 до 1.

          Коэффициент нелинейных искажений рассчитывается по формуле

                                   ,                                             (8.14)

где U₁ – амплитуда первой гармоники.

          Значение К_НИ может изменяться от 0 до ∞.

          Как  правило,  измерители нелинейных искажений определяют коэффициент  гармоник, а коэффициент нелинейных искажений рассчитывают по формуле

                                                                                       (8.15)

          При малых К_НИ можно считать,  что  К_НИ ≈ К_Г  (в диапазоне К_НИ ≤ 0,1 значения К_Г  и  К_НИ отличаются менее чем на 1%.

          Существующие методы измерения разделяются на спектральный и интегральный.

          Спектральный метод реализуется с помощью избирательного устройства, в качестве которого могут быть использованы селективные вольтметры или анализаторы спектра. При этом достаточно измерять относительный (по отношению к U₁)  уровень  высших гармоник. Метод достаточно точен для К_Г = 0,01 – 1, но трудоемок. Этот метод целесообразно применять, когда необходимо определить роль каждой гармоники в отдельности.

          Наиболее распространенной модификацией метода является метод подавления основной частоты. Он заключается в раздельном измерении среднеквадратического значения сигнала и среднеквадратического значения высших гармоник (без первой) этого же сигнала.  

          Структурная  схема измерителя нелинейных искажений, реализующего интегральный метод,  показана на рис. 8.12.

Рис. 8.12.

          Входное устройство ВУ состоит из аттенюатора и предваритель­ного усилителя. Исследуемое напряжение  U_ВХ с входного устройства подается либо на выходное устройство ВыхУ, состоящее из аттенюато­ра и согласующего усилителя, либо на избирательный усилитель ИУ. После выходного устройства сигнал подается на вольтметр В.

          В первом положении переключателя SA показания вольтметра пропорциональны U_ВХ:

                                    .                                (8.16)        

          Во втором - избирательный усилитель, на­строенный на частоту первой гармоники, подавляет ее и показания про­порциональны напряжению высших гармоник:                                                

                                                                          (8.17)

          Коэффициент нелинейных  искажений

                              (8.18)

          Значение α₁ устанавливают аттенюатором входного устройства всегда на определенную отметку шкалы (изменяется K₁). Шкалу вольтметра можно градуировать в единицах измеряемого значе­ния. Изменением К₂ (аттенюатор выходного устройства) можно изменять пределы измерения прибора.

          Избирательный усилитель должен быть перестраиваемым в пределах диапазона частот ИНИ по первой гармонике. В качестве вольтметра необходимо использовать приборы, измеряющие действующее значение тока.

          Основными источниками погрешности измерения коэффициента гармоник являются:  погрешность   вольтметра,  неточность  настройки избирательного усилителя.

          В современных измерителях нелинейных искажений измерение производится автоматически. Одна из возможных структурных схем подобного ИНИ показана на рис. 8.13.

Рис. 8.13.

          Исследуемый сигнал через входное устройство ВУ подается в узел автоматической регулировки усиления АРУ. На его выходе поддерживается постоянное значение напряжения при изменениях исследуемого сигнала.

          С выхода АРУ напряжение поступает в режекторный усилитель  РУ, в котором осуществляется автоматическое подавление первой гармоники предварительно усиленного входного сигнала. Узел автоматической подстройки частоты АПЧ управляет частотой режекции РУ таким образом, чтобы напряжение на его выходе стало минимальным. Напряжение высших гармоник поступает на вход усилителя У. Усиленное напряжение высших гармоник измеряется вольтметром среднеквадратического значения, состоя­щего из преобразователя Пр и отсчетного устройства ОУ, проградуированного в процентах К_НИ.

          Кроме рассмотренного способа К_НИ можно измерять с по­мощью анализатора спектра. В этом случае измеряют действую­щие значения всех гармоник и затем рассчитывают коэффициент нелинейных искажений.

          К основным характеристикам измерителей нелинейных искаже­ний относятся: предел измерения К_ни; диапазон частот входного сигнала; ослабление основной частоты; погрешность измерения К_ни; остаточное искажение, обусловленное нелинейными искаже­ниями и шумами прибора.

          Примером ИНИ является анализатор С6-11, который имеет следующие данные: диапазон частот... 20 Гц...200 кГц;   погрешность измерения... ±0,05 кГц   в диапазоне частот 20 Гц...20 кГц, + 0,1 кГц в   диапазоне 20 кГц...200 кГц;   остаточное   искажение - 0,05% в диапазоне частот 20 Гц...200 Гц, 0,02% в диапазоне 200 Гц...20 кГц, 0,1% в диапазоне 20 кГц...200 кГц.