Раздел 6. измерение амплитудно-частотных характеристик

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

Многопо́люсник — электрическая цепь, содержащая несколько точек (полюсов, портов) для соединения с другими цепями. Частными случаями многополюсника являются двухполюсник (например, согласованная нагрузка), четырёхполюсник (например, аттенюатор), шестиполюсник (например, циркулятор или смеситель), восьмиполюсник (например, направленный ответвитель) и др.

Четырёхпо́люсник — электрическая цепь, разновидность многополюсника, имеющая четыре точки подключения. Как правило, две точки являются входом, две другие — выходом.

Рис.6.1. Схема четырехполюсника

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

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. 6.1):

(6.1)

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, а 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. 6.2), которая отражает его свойства в исследуемой полосе частот — полосе пропускания, в которой модуль коэффициента передачи не должен быть меньше 0,7k_max.

Рис. 6.2. АЧХ четырехполюсника

Полоса пропускания линейного четырехполюсника ограничивается нижней f_н и верхней f_в частотой, поэтому его ширина составляет:

(6.2)

Метод снятия АЧХ по точкам реализуется с помощью диапазонного генератора синусоидального сигнала и вольтметра (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Структурная схема соединения приборов при снятии АЧХ четырехполюсника по точкам

Изменяя частоту гармонических колебаний в исследуемой полосе частот, измеряют вольтметром напряжение на выходе проверяемого четырехполюсника при постоянстве значения входного напряжения.

По результатам измерений графически строят АЧХ.

Рис. 6.4. Достоверная кривая АЧХ четырехполюсника (а) и кривая, снятая по точкам (б)

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. 6.4, а);

- возможность пропуска резких изменений кривой в промежутках между точками (рис. 6.4, б) из-за дискретности воспроизведения АЧХ.

Метод получения панорамного изображения лежит в основе работы специальных панорамных приборов — характериографов. 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. 6.5) 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. 6.5. 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.

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. 6.6).

Рис. 6.6. Структурная схема панорамного измерителя АЧХ

Центральным узлом измерителя АЧХ является ГКЧ, который в зависимости от предъявляемых к нему требований выполняется в двух вариантах. Для получения большой выходной мощности и малых нелинейных искажений колебания вырабатываются непосредственно задающим автогенератором качающейся частоты.

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.

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. 6.7) позволяет повысить уровень их автоматизации

Рис. 6.7. 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.