Методы оценки динамических характеристик четырехполюсников

Четырехполюсникомназывают электрическую цепь с четырьмя полюсами, разделенными на пару входных и пару выходных полюсов.

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):

(5.28)

Если U₂ < U₁ , то происходит ослабление сигнала при прохождении его через четырехполюсник (в этом случае — пассивный), а коэффици­ент передачи k < 1.

Если U₂ > U₁, 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 k_maх. Полоса пропускания линейного четырехполюсника ограничивается нижней f_н и верхнейf_в частотой, поэтому его ширина составляет

(5.29)

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.

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

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

· 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,а);

· возможность пропуска резких изменений кривой в промежутках меж­ду точками (рис. 5.19,6) из-за дискретности воспроизведения АЧХ.

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 (X1 по каталоговой 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.

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 чаше 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

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 характернографы. В отечественной каталоговой классификации они обозначаются X1.

В зависимости от ширины полосы качания характернографы 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.

Рис. 5.22. Структурная схема характериографа со встроенным микропроцессором

Микропроцессор выполняет функции управления характериографом и обработки измерительной информации и решает следующие за­дач и 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.

АРУ

– назначение;

– схемы;

– принцип действия.

АРУ- автоматическая регулировка усиления, предназначенная поддерживать уровень сигнала на должном уровне. Дело в том, что передающие станции располагаются от точки приема сигнала на различных расстояниях, и уровни сигналов, наведенных в антенне, оказываются очень слабыми или, наоборот, значительно превышают, что отражается на громкости воспроизведения. Конечно, этот недостаток можно устранить постоянным регулированием громкости приемника. Но тогда мы будем частью приемника, осуществляющие беспрерывную регулировку громкости. При этом изменять уровень сигнала мы будем только в оконечном каскаде УЗЧ, а сам коэффициент усиления в УПЧ останется на прежнем уровне. Это может привести, при значительном уровне входного сигнала, к огромным искажениям или даже к выходу из строя отдельных узлов радиоприемника. Поэтому, автоматическая регулировка усиления призвана поддерживать коэффициент усиления отдельного каскада на должном уровне. Принцип работы АРУ, заключается в снятие напряжения сигнала с выхода и подача его на вход усилителя УПЧ, где осуществляется коррекция коэффициента усиления, в зависимости от уровня сигнала. В простейших приемниках вводят АРУ только для ограничения большого уровня сигнала, приводящего к перегрузке каскадов, и как следствие, к большим искажениям. В этом случае для выделения напряжения АРУ используется отдельный детектор с задержкой, запертый внешним напряжением до тех пор, пока уровень сигнала на выходе не превысит порог срабатывания АРУ. Благодаря этому автоматическая регулировка усиления не оказывает влияние на сигналы с малым уровнем. В приемниках высокой сложности автоматическая регулировка значительно усложняется введением дополнительных каскадов. В частности применяется дополнительный усилитель постоянного напряжения, что приводит к большей эффективности АРУ.

Благодаря этому подавляются флуктуации выходного сигнала вверх или вниз от заданного уровня, вызванные кратковременными изменениями сигнала на входе. Усилитель обеспечивает такую реакцию на изменения входного сигнала, преобразуя выходное переменное напряжение в постоянный уровень каким-либо из известных способов. Обычно преобразование выполняется с помощью выпрямителя, но можно использовать пиковый детектор или другие устройства для получения постоянного напряжения, изменяющегося соответственно их

Рис. 5.4. Использование в УНУ преобразователя напряжения в ток.

Рис. 5.5. Применение микросхемы УНУ в звуковоспроизводящей аппаратуре.

Рис. 5.6. Блок-схема системы АРУ.

Рис. 5.7. Простая схема АРУ.

входному сигналу. Выходное напряжение интегратора изменяет коэффициент усиления УНУ до тех пор, пока выходное напряжение преобразователя переменного тока в постоянный не станет равным заданному уровню.

Время реакции усилителя с АРУ можно изменять, варьируя постоянную времени интегратора. Задержка АРУ должна быть достаточно большой, чтобы не вызывать ненужной реакции на случайные флуктуации сигнала и, следовательно, его искажения. Другими словами, время реакции должно бьггь достаточно большим, чтобы не вносить искажений на низшей частоте спектра входного сигнала. С другой стороны, время реакции не должно быть слишком длительным, поскольку при этом появляются чрезмерные задержки.

Простой пример схемы АРУ показан на рис. 5.7. Стабилитрон задает уровень выходного сигнала. Выпрямление выходного напряжения осуществляется диодом Конденсатор с резисторами действуют как интегратор сигнала ошибки. Остальная часть схемы представляет собой рассмотренный ранее УНУ с полевым транзистором.

34. Усилители промежуточной частоты:

– назначение и основные функции УПЧ;

– основные качественные показатели УПЧ;

– классификация УПЧ;

– стабильность характеристик УПЧ.

УПЧ предназначены для усиления входного сигнала (сигнала промежуточной частоты) до величины, обеспечивающий нормальную работу детектора и создания необходимой избирательности приёмника по соседнему каналу. Как и в других типах усилителей, частотные искажения сигналов, вносимые усилителем не должны превышать допустимых пределов. С этой точки зрения идеальным является каскад с прямоугольной АЧХ, что реально не представляется возможным. Применение в качестве нагрузки специальных полосовых фильтров позволяет приблизить АЧХ к прямоугольной форме. В зависимости от назначения приёмника полосовые усилители (УПЧ) могут иметь полосу пропускания от сотен Гц до десятков МГц с коэффициентом усиления (80-120)дб или 10 -10 .

Основными показателями при оценке УПЧ являются:

Ø Коэффициент усиления Ко, определяемый на средней частоте полосы пропускания.

Ø Избирательность. В УПЧ она может характеризоваться как значениями полосы пропускания и ослабления с/о при заданной расстройке Dfс, так и коэффициент прямоугольности резонансной кривой Кnd. Как правило, этот коэффициент определяется на уровне d=10.

Ø Коэффициент шума. Для УПЧ требования минимального коэффициента шума особенно важно в приемниках СВЧ диапазона с диодным смесителем, т.к. шумовые свойства УПЧ во многом определяют уровень шумов приемника и определяют чувствительность.

Ø Степень искажения сигнала.

Ø Устойчивость и надежность работы. Это не только отсутствие склонности к самовозбуждению, но и стабильность формы резонансной характеристики в процессе эксплуатации.

Ø Мощность, потребляемая от источника питания.

Ø Простота схемы и конструкции. УПЧ, у которых отношение полосы пропускания к промежуточной частоте меньше 0,1 принято считать узкополосным, в отличие от широкополосного, когда это отношение больше 0,1.

Практически находит применение большое разнообразие схем УПЧ, среди которых усилители с нагрузкой в виде связанных контуров. УПЧ с нагрузкой в виде фильтров сосредоточенной селекцией, которые применяются в приёмниках с относительно узкой полосой пропускания и малым числом каскадов. В качестве фильтра используется цепочка из нескольких одинаково настроенных контуров с равными параметрами связи между ними. Для повышения избирательности усилителей интерес представляют электромехенические фильтры сосредоточенной селекции, в которых вместо контуров используются системы связанных механических резонаторов. Упрощенная схема такого фильтра включает преобразователь электрических колебаний в механические, механические резонаторы и обратный преобразователь. Отличительной особенностью механических колебательных систем, является их высокая добротность. В зависимости от материала Q=2х10 до 10х10 , что позволяет создать фильтры с коэффициентом прямоугольности резонансной кривой близкой к 1 и относительной полосой пропускания порядка 0,1%.

Для получения полос пропускания в пределах сотен Гц применяются УПЧ с нагрузкой в виде кварцевых фильтров. Однако он может обеспечить избирательность по соседнему каналу. Резонансная характеристика такого фильтра в первом приближении соответствует характеристике одиночного контура высоким коэффициентом прямоугольности.

МР

Пр1

ПР2

U_пр U_пр

При необходимости получения достаточно большого усиления сигнала ПЧ используют широкополосные усилители, к которым относятся:

Ø Усилитель с парами симметрично расстроенных одноконтурных каскадов. В каждой паре каскадов один из контуров настраивается на частоту ниже промежуточной fпр, а другой на частоту выше промежуточной fпр. Резонансная кривая пары расстроенных контуров определяется произведением резонансных кривых с учётом их расстройки относительно средней частоты.

Ø Усилитель с одноконтурными каскадами, настроенными на три частоты. Три соединенных каскада настраиваются следующим образом.

Ø Один настроен на среднюю частоту полосы пропускания усилителя fпр, два других образуют симметрично расстроенную пару.

При сравнительной оценке различных схем УПЧ можно сделать следующий вывод:

простейшими УПЧ по конструкции и по обеспечению настройки являются резонансные усилители. Но эти схемы обладают весьма низкой избирательностью и малым предельным значением произведения коэффициента усиления на полосу пропускания.

С точки зрения избирательности предпочтительнее каскады с фильтром сосредоточенной селекции, но это в свою очередь связано с необходимостью существенного увеличения добротности контуров.

В случае, когда основной задачей усилителя является обеспечение высокого коэффициента усиления, а требования по избирательности сравнительно невелики, целесообразно применять схемы с расстроенными тройками и двойками каскадов.

Высокая избирательность при малом числе каскадов может быть обеспечена при использовании фильтров сосредоточенной селекции или системы двух связанных контуров.

Если к усилению предъявляются жесткие требования по линейности и стабильности фазовых характеристик целесообразно применять резонансный усилитель.

Аналогичный УВЧ с фиксированной настройкой. Для построения одноконтурных УПЧ широко применяются интегральные схемы.

9+6:9В

УПЧ с фильтром сосредоточенной селекции (ФСС) на LC элементах. Ряд контуров связан между собой индуктивной или ёмкостной связью. Связь со следующим каскадом может быть трансформаторной или автотрансформаторной. Степень связи с ФСС выбирается исходя из согласования Rвх следующего каскада.

ФСС на основе электромеханических фильтров преобразуются электрические колебания в механические и, наоборот, с помощью магнитострикционных электромеханических преобразователей. Преобразователь состоит из катушки индуктивности с магнитострикционным стержнем. При прохождении потока через катушку, при наличии постоянного магнитного поля, в стержне возникают продольные механические колебания, передаваемые в механические резонаторы (шайбы с упругими связями). Второй преобразователь,

аналогичный первому, преобразует механические колебания в электрические сигналы.

Разновидностью ФСС являются кварцевые фильтры и как их разновидность монолитные КФ (решетка из электродов попарно осажденных на поверхности кварцевой подложки). Эти пары действуют как резонаторы, а участки между ними – как элементы связи.

Фильтры на поверхностных акустических волнах, пьезокерамические фильтры. Последние аналогичные КФ решетки наносится на поверхность пьезокерамической подложки.