Содержание

Совершенствование измерений нелинейных гармонических искажений

Общие замечания

На заре развития техники ламповых усилителей, классические измерения нелинейных гармонических искажений проводились путем подачи на вход гармонического колебания на частоте 1 кГц, подавления основного тона 1 кГц на выходе усилителя, и измерения амплитуду оставшегося, так называемого «остаточного» сигнала (то есть высших гармоник). Для ламповых усилителей того времени эти измерения были вполне достаточными. Позднее, особенно по мере внедрения транзисторных усилителей, эти измерения справедливо критиковались, так как они не учитывают весовой вклад отдельных гармоник в общую картину нелинейного продукта, их субъективное воздействие и ряд других факторов.

Весовая оценка гармоник

В различное время выдвигались разные предложения для весовой оценки уровней отдельных гармоник, чтобы корректно суммировать мощности гармоник и дать единую картину измерения субъективных искажений. Такая оценка учитывает тот факт, что человеческое ухо по разному реагирует на разные гармоники, возникающие в следствие нелинейных искажений усиливаемого сигнала.

В 1950 году Шортер (Shorter) предложил, чтобы весовая оценка уровня гармоник производилась путем их домножения на коэффициент n²/4 (где «n» равно номеру гармоники), то есть в относительных единицах:

Поскольку, частотный интервал от n до 2n равен одной октаве, таким образом, градиент дБ/октава будет равен:

Таким образом, вместо того, чтобы измерять амплитуды отдельных гармоник и вычислять СКГ, можно применить простейший измеритель нелинейных искажений, по критерию повышения уровня отклика на 12 дБ/октава. Чтобы эти измерения были сопоставимы с измерениями, выполненными стандартным измерительным прибором, измеряющим вторую гармонику при подаче на вход гармонического колебания с частотой 1 кГц, будет необходим фильтр с коэффициентом передачи 0 дБ на 2 кГц. Отметим, что указанные требования к полосе пропускания фильтра и его коэффициенту передачи критичны, и означают, что весовые измерения искажений являются верными только для обозначенной основной частоты 1 кГц.

Тем не менее, у метода весовой оценки гармоник с коэффициентом n² /4 есть заметный недостаток. В рассмотренном выше примере измерения на частоте 1 кГц с фильтром, обеспечивающим коэффициент передачи на частоте 2 кГц, будет возникать значительная ошибка в уровнях высших гармоник, в следствие неравномерности АЧХ фильтра. Поскольку целью весовой оценки гармоник является согласование результатов измерения с субъективным восприятием искажений, то чаще всего для проведения подобных измерений требуется существенное усложнение фильтров, поскольку все гармоники на частотах вплоть до 20 кГц и более попадают в диапазон слышимости человеческого уха.

Хотя рекомендация Шортера успешно ранжирует измеренные искажения в зависимости от их субъективного восприятия, этот тест требует определенных корректив. В первую очередь это касается упомянутого выше фильтра гармоник, АЧХ которого должна как раз учитывать субъективную чувствительность уха к различным гармоникам.

Питер Скиров (Peter Skirrow) из компании Lindos Electronics приводит доводы, что нелинейные искажения должны измеряться на основной частоте 1 кГц, с использованием взвешивающий фильтр типа CCIR468-2, так как частотная характеристика этого фильтра была определена по субъективному восприятию гармоник на различных частотах. В общих чертах, CCIR468-2 создает подъем АЧХ по закону 6 дБ/октава, имеет коэффициент передачи ОдБ на 1 кГц, и пик 12 дБ на 6,3 кГц, после которого достаточно резко падает. АЧХ такого фильтра приведена на рис. 4.2.

Особенности детектирования гармоник

Итак, исходный гармонический сигнал при прохождении через усилитель, вносящий нелинейные искажения, обогащается высшими гармониками. Значит, если из выходного сигнала испытуемого усилителя удалить (отфильтровать) основной тон (то есть первую гармонику), на выходе фильтра останется только продукт нелинейных искажений — высшие гармоники исходного гармонического колебания. Как измерить амплитуду этого остатка? Это не такой легкий вопрос, как кажется изначально, но если измерение произвести корректно, то на его основе будет легко оценить нелинейные искажения усилителя. Возможно, нужно измерить размах этого остаточного напряжения (V_{пик-пик}). Однако, не все так просто! Обратимся к рис. 4.3, где приведены временные диаграммы двух полигармонических процессов, включающих все нечетные гармоники с первой по седьмую.

Рис. 4.2 Частотная характеристика взвешивающего фильтра CCIR468-2

Рис. 4.3 Влияние фазы на форму сигнала

Однако, частота основного тона (первая гармоника) второго процесса (нижний график), сдвинута по фазе на 90° относительно основного тона первого процесса (верхний график). Как нетрудно заметить из приведенных графиков, у этих двух процессов, имеющих одинаковый коэффициент гармоник, существенно различные амплитуда и размах (V_{пик-пик}). Для корректного детектирования высших гармоник, на практике применяется среднеквадратический метод вычисления мощности процесса с последующим вычислением его действующего напряжения. Таким образом, традиционные измерения искажений выполняются измерительным прибором с дорогостоящим детектором истинного среднеквадратичного значения, и в результатах измерения это обстоятельство отражается упоминанием СКГ в % действующего значения.

Измерение нелинейных искажений с упоминавшимся ранее взвешивающим фильтром типа CCIR468-2 обычно предполагает, что детектор должен обязательно регистрировать пиковые значения. Такой детектор будет хорошо отслеживать амплитуды шумовых всплесков. Искажение типа «ступенька» порождает короткие всплески (выбросы) в усиливаемом сигнале, которые практически не сказываются на величине действующего напряжения сигнала, но являются крайне раздражающими для субъективного восприятия. По этой причине измеритель пиковых значений CCIR468-2 был бы идеальным для обнаружения этих всплесков. Однако, CCIR468-2 не является достаточно идеальным, так как он требует упоминаемой выше коррекции коэффициента усиления, поэтому CCIR/ARM рекомендует снизить коэффициент усиления CCIR468-2 на 6 Дб, чтобы обеспечить 0 Дб усиления на частоте 2 кГц, что позволяет использовать его для весовой оценки искажений на частоте основного тона 1 кГц. Большая часть современных поверочных комплектов позволяют использование различных детекторов и взвешивающих фильтров, но выбор «CCIR/ARM» обеспечивает корректное проведение субъективно взвешенных измерений нелинейных искажений лишь на частоте основного тона1 кГц.

Учет шумовой составляющей при измерении нелинейных искажений

Хотя вышеописанный метод измерения искажений CCIR/ARM дешев и эффективен, но и он обладает недостатками. Качественно разработанный усилитель создает очень мало искажений. У таких высококачественных усилителей уровень гармоник, возникающих вследствие нелинейных искажений зачастую соизмерим с уровнем собственных шумов усилителя, совокупно генерируемых всеми его электронными компонентами. Когда выполняется измерение СКГ, используя измерительный прибор, детектирующий пиковое или средневзвешенное значение размаха остаточного сигнала высших гармоник, всегда есть опасение, что измерение будет неверным, так как оно не учитывает уровня шумов, соизмеримых с нелинейным продуктом.

Существует достаточно простой способ проверки, насколько измеряемый остаточный сигнал гармоник (выходной сигнал, в котором подавлен основной тон) свободен от шумов — посмотреть измеряемый остаточный сигнал гармоник на осциллографе. Если в наблюдаемом сигнале высших гармоник четко прослеживается периодическая последовательность, то собственными шумами можно в первом приближении пренебречь, и считать измеренный СКГ достаточно достоверным. Если же в наблюдаемом на экране осциллографа остаточном сигнале периодически повторяющуюся последовательность отследить трудно, то можно считать, что шумовая составляющая преобладает, и измерения СКГ будут заведомо ошибочными. Таким образом, все практические измерения нелинейных искажений, выполненные измерительным прибором, на самом деле измеряют СКГ + Ш (суммарный коэффициент гармоник + шум), и всегда нужно удостовериться, что интенсивность шумов недостаточно большая, чтобы им можно было пренебречь. Только в этом случае измерения будут корректными.

Большинство шумов имеют равномерное интенсивность на всех частотах, тогда как гармоники, возникающие вследствие нелинейных искажений возникают на вполне конкретных частотах. Измерительный прибор, детектирующий остаточный сигнал, — это широкополосное устройство, что означает, что он чувствителен ко всем частотам звукового диапазона. Таким образом, хотя интенсивность шума на конкретной частоте может быть довольно низкой, и, возможно, значительно меньше, чем амплитуда ближайших гармоник, при средневзвешенной оценке мощность шумов может легко подавить мощность гармоник. В то же время, знать СКГ необходимо, поскольку человеческое восприятие звука таково, что комбинация ухо/мозг очень четко реагирует именно на гармоники воспринимаемых звуков, выделяя их из широкополосного шума.

Информация

Метрологические приборы и поверочные установки и комплекты

Самая свежая прошивка для Samsung Galaxy S

СБП Скачать бесплатно программы

Электровелосипед

GSM сигнализация из сотового телефона

Продолжение