Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников

При контроле технического состояния электронных устройств важное место занимает измерение частотных характеристик различных их узлов, а именно АЧХ.

В электронике широко используют линейные четырехполюсники, АЧХ которых определяется зависимостью модуля коэффициента передачи от частоты сигнала.

Рис. 5.16. Схема четырехполюсника

Коэффициент передачи k в цепях с сосредоточенными постоянными представляет собой отношение комплексных амплитуд выходного и входного гармонических напряжений одной частоты при условии отсутствия отражения на входе, как показано на схеме четырехполюсника (рис. 5.16):

Если U2< U, то происходит ослабление сигнала при прохождении его через четырехполюсник (в этом случае — пассивный), а коэффициент передачи k < 1.

Если U2 > U, то сигнал усиливается, четырехполюсник является активным, a k > 1.

Значения коэффициента передачи четырехполюсника и частоты сигнала, на которой проводится его измерение, образуют точку в системе соответствующих координат, а совокупность таких же точек образуют АЧХ в рассматриваемом частотном диапазоне.

Измерения параметров АЧХ четырехполюсника выполняются одним из двух методов:

  • • снятием зависимости модуля коэффициента передачи от частоты по точкам с последующим интерполированием кривой АЧХ;
  • • получением панорамного изображения АЧХ с использованием генератора качающейся частоты и индикатора.

На практике при исследовании четырехполюсников определяют чаще всего АЧХ (рис. 5.17), которая отражает его свойства в исследуемой полосе частот — полосе пропускания, в которой модуль коэффициента передачи не должен быть меньше 0,7 kmax. Полоса пропускания линейного четырехполюсника ограничивается нижней /н и верхней /в частотой, поэтому его ширина составляет АЧХ четырехполюсника

Рис. 5.17. АЧХ четырехполюсника

Метод снятия АЧХ по точкам реализуется с помощью диапазонного генератора синусоидального сигнала и вольтметра (рис. 5.18). Изменяя частоту гармонических колебаний в исследуемой полосе частот, измеряют вольтметром напряжение на выходе проверяемого четырехполюсника при постоянстве значения входного напряжения.

Модуль коэффициента передачи рассчитывается по формуле (5.28). По результатам измерений графически строят АЧХ. Рассмотренный метод имеет ряд недостатков:

Структурная схема соединения приборов при снятии АЧХ четырехполюсника по точкам

Рис. 5.18. Структурная схема соединения приборов при снятии АЧХ четырехполюсника по точкам

  • • трудоемкость измерения, связанная со снятием АЧХ по точкам, количество которых прямо пропорционально требуемой точности измерения;
  • • влияние длительных измерений на характер кривой АЧХ, изменения температуры окружающей среды и питающего напряжения, которые искажают достоверную кривую (рис. 5.19, я);
  • • возможность пропуска резких изменений кривой в промежутках между точками (рис. 5.19, б) из-за дискретности воспроизведения АЧХ.
Достоверная кривая АЧХ четырехполюсника (а) и кривая, снятая по точкам (б)

Рис. 5.19. Достоверная кривая АЧХ четырехполюсника (а) и кривая, снятая по точкам (б)

Метод получения панорамного изображения лежит в основе работы специальных панорамных приборов — характериографов (XI по ка- талоговой классификации). Этот метод лишен недостатков, присущих методу снятия АЧХ по точкам, но имеет меньшую точность измерения из-за короткого времени измерения в каждой точке кривой АЧХ.

Структурная схема простейшего измерителя АЧХ (рис. 5.20) состоит из генератора качающейся частоты (ГКЧ), частота которого плавно изменяется по определенному закону в рассматриваемой полосе частот, и индикатора, воспроизводящего кривую АЧХ. В качестве индикатора обычно используется осциллограф.

Структурная схема простейшего измерителя АЧХ

Рис. 5.20. Структурная схема простейшего измерителя АЧХ

Сигнал с ГКЧ подается на вход исследуемого четырехполюсника. Поскольку модуль коэффициента передачи четырехполюсника зависит от частоты сигнала на входе, то на его выходе сигнал изменяется по амплитуде. Огибающая этого сигнала, выделяемая детектором, который входит в состав индикатора, управляет отклонением луча индикатора по вертикали, изображая кривую АЧХ. Одновременно блок модулирующего напряжения синхронизирует работу ГКЧ и индикатора и управляет частотой ГКЧ и отклонением луча индикатора по горизонтали.

В рассмотренном измерителе АЧХ горизонтальное отклонение луча на экране индикатора соответствует частоте на входе исследуемого четырехполюсника, а вертикальное — значению модуля коэффициента передачи на этой частоте. В результате на экране автоматически воспроизводится кривая АЧХ исследуемого объекта.

Форма модулирующего напряжения в этом случае может быть любой, но чаще применяется пилообразное напряжение, обеспечивающее одинаковую яркость всех участков АЧХ. Важно, чтобы закон изменения частоты совпадал с законом отклонения луча индикатора по горизонтали — только при этом условии создается линейный частотный масштаб.

Для обеспечения отсчета частоты формируется система частотных меток, которые получают в результате детектирования сигнала, прошедшего через резонансный частотомер, либо смешиванием сигналов ГКЧ и встроенного кварцевого генератора.

Измерение модуля коэффициента передачи основано на методе замещения. Для этого перед началом измерения прибор калибруется сигналом, подаваемым с ГКЧ непосредственно на индикатор, а имеющийся на выходе ГКЧ аттенюатор устанавливается в положение максимального ослабления, условно принимаемого за нуль. После подключения четырехполюсника восстанавливают показания индикатора, которые соответствовали его положению при калибровке, изменяя ослабление аттенюатора ГКЧ, определяют ослабление или усиление четырехполюсника. При заранее калиброванной шкале осциллографического индикатора также можно провести измерение АЧХ, не отключая четырехполюсник.

Для повышения качества измерений и расширения функциональных возможностей прибора в структурную схему панорамного измерителя АЧХ вводятся дополнительные узлы (рис. 5.21).

Центральным узлом измерителя АЧХ является ГКЧ, который в зависимости от предъявляемых к нему требований выполняется в двух

Структурная схема панорамного измерителя АЧХ

Рис. 5.21. Структурная схема панорамного измерителя АЧХ

вариантах. Для получения большой выходной мощности и малых нелинейных искажений колебания вырабатываются непосредственно задающим автогенератором качающейся частоты. Для обеспечения широкого диапазона частот без разделения его на поддиапазоны используется принцип смешивания сигналов фиксированной и перестраиваемой частоты.

В целях обеспечения постоянства значения выходного сигнала во всем диапазоне качания частоты предназначен блок автоматического регулирования амплитуды. Одновременно часть сигнала с ГКЧ поступает на блок частотных меток, который вырабатывает целый спектр калибровочных меток в границах рабочего диапазона ГКЧ. При совпадении частоты ГКЧ с любой из калибровочных частот образуются сигналы, подаваемые в индикатор. Эти сигналы наблюдаются на экране в виде амплитудных меток.

Для получения калиброванного изменения напряжения на выходе ГКЧ предназначен аттенюатор.

В измерителе АЧХ может использоваться детекторная головка одного или двух видов:

  • • высокоомные — для измерения сигнала с минимальным влиянием на четырехполюсник;
  • • согласованные детекторные — для измерения на выходе согласованных трактов. Эти головки содержат детектор и нагрузочное сопротивление;
  • • проходные детекторные — для измерения сигнала на выходе измерителя АЧХ или в согласованных трактах без нарушения их однородности.

При исследовании АЧХ высокоселективных устройств возникает потребность наблюдения одновременно на экране измерителя больших перепадов уровня сигнала. В таких случаях между детекторной головкой и индикатором включаются широкополосные логарифмические усилители.

В качестве индикатора чаще всего используется дисплей. В зависимости от скорости качания частоты ГКЧ выбирают дисплеи с нормальным или длительным послесвечением, с электромагнитным или с электростатическим управлением луча.

На уменьшение погрешности измерения АЧХ и увеличение разрешающей способности прибора оказывают влияние размеры рабочей части дисплея. Для получения двух или более кривых АЧХ используют многоканальный индикатор, что заметно расширяет функциональные возможности таких приборов, как характериографы. В отечественной каталоговой классификации они обозначаются XI.

В зависимости от ширины полосы качания характериографы подразделяются на узкополосные, широкополосные и комбинированные.

Узкополосные характериографы обеспечивают полосу качания, составляющую доли и единицы процента центральной частоты; широкополосные имеют полосу качания, составляющую полный диапазон частот прибора; комбинированные объединяют в себе функции узкополосных и широкополосных.

Характериографы классифицируются еще по нескольким параметрам:

  • • по допустимым значениям основных частотных и амплитудных параметров — на классы точности;
  • • числу одновременно исследуемых АЧХ — одно- и многоканальные;
  • • динамическому диапазону воспроизведения АЧХ — с линейным и логарифмическим масштабом по амплитуде.

Использование в составе характериографов встроенного микропроцессора (рис. 5.22) позволяет повысить уровень их автоматизации. Такие приборы способны выполнять следующие функции:

  • • замена жесткой логики на программную, в результате чего прибор со встроенным микропроцессором при прочих равных условиях имеет меньшие габаритные размеры и более высокую надежность;
  • • обеспечение диалога оператора с прибором и представление измерительной информации в более удобном цифровом виде;
  • • обеспечение контроля правильности действия оператора и самоконтроля прибора, что повышает производительность и снижает ошибки в работе оператора;
  • • организация интерфейса, что позволяет применять измеритель в составе больших автоматизированных измерительных систем;
  • • уменьшение погрешности измерений за счет учета при вычислении результата измерения факторов, влияющих на точностные характеристики измерителя АЧХ.
Структурная схема характериографа со встроенным микропроцессором

Рис. 5.22. Структурная схема характериографа со встроенным микропроцессором

Микропроцессор выполняет функции управления характериографом и обработки измерительной информации и решает следующие задачи управления:

  • • установка поддиапозонов частот и перестройка частоты в полосе качания;
  • • запуск частотомера;
  • • установка коэффициента передачи управляемого усилителя;
  • • установка поддиапозона детектора;
  • • индикация результатов измерения и функционирования измерителя.

На основе поступающей в микропроцессор информации об уровне выходного сигнала с аттенюатора, о частоте выходного сигнала с частотомера и уровне измеряемого сигнала с детектора производится расчет параметров АЧХ исследуемого четырехполюсника. Одновременно обеспечивается линеаризация частотного масштаба и осуществляется коррекция неравномерности собственно АЧХ, что снижает погрешность измерения. При работе на малых уровнях сигнала для уменьшения влияния шумов и помех предусмотрен режим многократной выборки и усреднения результатов измерения.

Прибор управляется через устройство сопряжения с помощью клавиатуры на передней панели прибора по двенадцатиразрядной информационной шине, трехразрядной шине управления и трехразрядной адресной шине.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >