СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ ИСКАЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASUREMENT OF DYNAMIC INTERMODULATION DISTORTION OF ELECTRIC SIGNAL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Группа изобретении относится к области контрольно-измерительной техники и предназначена для выявления и оценки динамических итермодуляционных искажений, вносимых усилителями сигналов звуковой частоты, в частности усилителями на основе интегральных операционных усилителей и усилителями мощности.
Цель группы изобретений - уменьшение суммарной погрешности измерений, снижение трудоемкости измерительной процедуры и расчетов, а также расширение функциональных возможностей устройства.
S
q
S
В отношении способа измерения это достигается обеспечением синхронизации форм сигналов суперпозиции, подаваемых на вход объекта измерения, и переходом от косвенного измерения показателя искажений посредством анализа спектра сигнала на выходе объекта измерения к прямому определению величины амплитудной модуляции сигнала гармонической формы частотой f, сигналом прямоугольной формы частотой f с учетом поправочной величины, обусловленной присутствием в спектре амплитудно-модулированного сигнала составляющих сигнала прямоугольной формы, для чего вводятся условия кратности в нечетное число раз значений частот следования сигналов суперпозиции и совпадения начал их положительных и отрицательных полупериодов, а оцениваются и сравниваются интенсивности переменной и постоянной составляющих огибающей амплитудно-модулированного выходного сигнала с несущей частотой f, полученной после выделения амплитудно-модулированного сигнала, его детектирования и низкочастотной фильтрации, с учетом интенсивности постоянной составляющей поправочного выходного сигнала, полученного при подаче на вход объекта измерения только сигнала прямоугольной формы без изменения его пикового значения и прошедшего такую же обработку, что и амплитудно-модулированный сигнал для получения огибающей.
q
S
S
В отношении устройства для осуществления способа измерения это достигается введением таких возможностей, как возможность формирования сигнала прямоугольной формы частотой f непосредственно из сигнала гармонической формы частотой f, возможность получения либо огибающей амплитудно-модулированного сигнала с несущей частотой f, либо поправочного выходного сигнала, возможностей последующего измерения средневыпрямленного и среднего квадратического значений напряжений этих сигналов, а также возможности визуального контроля формы выходного сигнала объекта измерения, для чего в устройство введен блок формирования сигнала прямоугольной формы, содержащий последовательно соединенные усилитель-ограничитель, дифференциатор, выпрямитель, программируемый счетчик-преобразователь и регулируемый аттенюатор, входом блока формирования сигнала прямоугольной формы является вход усилителя-ограничителя, который соединен с выходом генератора сигнала гармонической формы, а выходом - выход регулируемого аттенюатора, который через третий выключатель подключен к входу первого фильтра нижних частот, а также введены подключенные к выходу объекта измерения осциллограф и измерительный блок, состоящий из последовательно соединенных регулируемого блока согласования, полосового фильтра, линейного детектора и второго фильтра нижних частот, к выходу которого подключены вольтметр средневыпрямленных значений сигнала и третий вольтметр средних квадратических значений сигнала.
Описание аналогов
Известен стандартизованный способ измерения интермодуляционных искажений n-го порядка (где n=2 или 3) [1, п. 4.6.3]. Определяемая величина:
1
2
2
1
2
1
2
при n=2: искажения, возникающие и усилителе при подаче на вход двух гармонических сигналов, частоты которых f и f равны предпочтительным средним частотам третьоктавных полос, а отношение амплитуд равно 4:1, определяемые как отношение арифметической суммы составляющих выходного сигнала на частотах f+f и f-f к составляющей на частоте f;
2
1
2
1
2
при n=3: значение искажений определяют как отношение арифметической суммы составляющих выходного сигнала на частотах f+2f и f-2f к составляющей па частоте f.
Устройство для осуществления известного способа содержит два генератора сигналов гармонической формы, подключаемые к разным входам суммирующего устройства с помощью двух переключателей, измеряемый усилитель и вольтметр, подключенные к выходу суммирующего устройства, а также эквивалент нагрузки, вольтметр и спектроанализатор, подключенные к выходу измеряемого усилителя [1, черт. 13].
Использование анализатора спектра в измерительной процедуре свидетельствует о ее косвенном характере.
Также известен способ оценки интермодуляционных искажений и устройство для его осуществления, отличающиеся от рассмотренных выше использованием прямой измерительной процедуры, для чего из выходного сигнала объекта измерения исключаются низкочастотные составляющие, далее сигнал выпрямляется и из него исключаются высокочастотные составляющие, а оцениваются переменная и постоянная составляющие полученного сигнала.
Устройство, с помощью которого осуществляется способ, содержит два генератора гармонических колебаний, подключенных к двум входам сумматора, к выходу которого подключается объект измерения, далее следуют фильтр верхних частот, детектор и фильтр нижних частот, к выходу которого подключен индикатор, с помощью которого определяется отношение переменной составляющей к постоянной составляющей сигнала, что и является мерой нелинейных искажений [2, с. 64, рис. 2.10].
Известные способы позволяют судить о величине нелинейных искажений выходного сигнала по величинам разностных и суммарных комбинационных составляющих, возникающих в результате взаимной модуляции двух гармонических сигналов и образующих спектр амплитудно-модулированного колебания, а главное, они позволяют оценить дифференциальный коэффициент передачи усилителя в широком диапазоне значений сигнала, определяемом размахом низкочастотного сигнала.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата, относится то, что способы и устройства для их осуществления, несмотря на различия в организации измерительной процедуры, не позволяют исследовать частотную зависимость амплитудной нелинейности объекта измерения. Они лишь показывают, какие продукты искажений появляются в спектре выходного сигнала в окрестности высокой частоты, если нелинейность проявляется на низкой частоте сигнала.
Описание прототипов
S
q
S
q
S
Наиболее близким решением такого же назначения по совокупности признаков в отношении п. 1 ф-лы является способ измерения динамических интермодуляционных искажений электрического сигнала, заключающийся в подаче на вход объекта измерения суперпозиции сигналов, один из которых представляет собой сигнал гармонической формы частотой f, а другой - сигнал прямоугольной формы частотой f, при частоте f много больше частоты f и отношении пиковых значений сигналов 1:4, в оценке и сравнении средней квадратической суммы интенсивностей интермодуляционных составляющих выходного сигнала объекта измерения, попадающих в звуковой диапазон ниже частоты f, и интенсивности опорного выходного сигнала, полученного при подаче на вход объекта измерения только сигнала гармонической формы с пиковым значением, равным пиковому значению суперпозиции сигналов [1, п. 4.6.4].
S
q
S
q
Значения частот продуктов интермодуляции mf+nf, где m и n - целые числа, приведены в [1, приложение 6] и получены как результат взаимодействия гармонического сигнала частотой f c первой по девятую гармоники прямоугольного сигнала частотой f, общим счетом девять составляющих.
Наиболее близким решением того же назначения по совокупности признаков в отношении п. 2 ф-лы является устройство для измерения динамических интермодуляционных искажений электрическою сигнала [1, черт. 14]. Устройство-прототип содержит сумматор, первый вход которого через первый выключатель соединен с генератором сигнала гармонической формы, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, выход сумматора соединен с входом объекта измерения и первым вольтметром средних квадратических значений сигнала, генератор сигнала прямоугольной формы, через второй выключатель соединенный с входом первого фильтра нижних частот, второй вольтметр средних квадратических значений сигнала, анализатор спектра и эквивалент нагрузки, подключенные к выходу объекта измерения.
S
q
Наличие в суперпозиции сигнала с прямоугольной формой волны, обладающего резкими положительными и отрицательными перепадами, а значит имеющего широкий спектр частот, позволяет исследовать частотную зависимость амплитудной нелинейности объекта измерения, так как вызывает появление продуктов интермодуляции в спектре искаженного сигнала в окрестности высокой частоты гармонического сигнала f, если амплитудная нелинейность (вплоть до ограничения уровня сигнала) входных каскадов объекта измерения проявляется на перепадах сигнала прямоугольной формы с низкой частотой f. Именно такого рода искажения, называемые динамическими интермодуляционными, свойственны усилителям с существенно нелинейным и инерционным каналом прямого усиления, охваченным цепью глубокой общей отрицательной обратной связи, на выявление и оценку которых направлены известные способ и устройство для его осуществления [1, п. 4.6.4, приложение 6 и черт. 14.].
Критика прототипов
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип п. 1 ф-лы, относится следующее.
Недостатки способу-прототипу присущи как на стадии формирования испытательного сигнала - сигнала суперпозиции, так и на стадии получения и обработки результатов измерений.
q
S
S
Сигналы суперпозиции не синхронизированы друг с другом, так как имеют некратное отношение частот следования: f=3150 Гц, f=l5 кГц. Это принципиальное условие способа-прототипа, обусловленное необходимостью максимального разнесения продуктов интермодуляции различных порядков в спектре выходного сигнала объекта измерения. При этом условии облегчается проведение косвенных измерений с помощью анализатора спектра или избирательного вольтметра, требующих определения интенсивностей всех продуктов искажений, попадающих в звуковой диапазон ниже частоты f. Некратность частот следования сигналов суперпозиции делает показания регистрирующего прибора функцией времени, так как глубина амплитудной модуляции выходного сигнала зависит от фазы гармонического сигнала суперпозиции в моменты суммирования с перепадами сигнала прямоугольной формы. При фазе, равной нулю или кратной 2π (в случаи суммирования с положительным перепадом) и кратной π (в случае суммирования с отрицательным перепадом), глубина модуляции будет максимальной. При повороте фазы - глубина модуляции будет минимальной, при промежуточных значениях фазы глубина модуляции будет принимать промежуточные значения.
Указанное свидетельствует о наличии методической погрешности, снизить влияние которой можно лишь многократным повторением эксперимента и использованием аспектов теории вероятностей применительно к обработке результатов и выполнению расчетов.
К тому же способ-прототип предполагает проведение косвенной процедуры измерений, для чего в устройстве-прототипе используется либо спектроанализатор, либо избирательный вольтметр. Согласно [1, приложение 6] измерению интенсивностей подлежат девять продуктов интермодуляции на указанных частотах. Далее проводятся расчет значения средней квадратической суммы интенсивностей, составляющих и расчет отношения этой суммы к интенсивности опорного выходного сигнала.
Для определения напряжения опорного выходного напряжения U0, по отношению к которому проводятся расчеты, на вход объекта измерения подается сигнал гармонической формы с максимальным значением, равным пиковому значению сигнала суперпозиции от двух генераторов, и измеряется значение сигнала на выходе объекта измерения.
За результат измерения принимается значение динамических интермодуляционных искажений, вычисляемое по формуле
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>9</mn></munderover><mrow><msubsup><mi>U</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mstyle></mrow></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi></mrow>
i
где U - напряжение i-й составляющей интермодуляции;
0
U - опорное выходное напряжение.
Способ-прототип требует многократной перестройки измерительного прибора, снятия многочисленных показаний на его шкале и выполнения трудоемких расчетов для определения количественной оценки искажений. Названные операции сопровождаются субъективными, аппаратурными и внешними погрешностями, вместе составляющими суммарную погрешность измерений значительной величины.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип п. 1 ф-лы, можно отнести высокую трудоемкость процедуры измерении и расчетов, а также наличие сопутствующих им погрешностей методического и аппаратурного характера.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип п. 2 ф-лы, можно отнести отсутствие возможностей уменьшения суммарной погрешности измерений и снижение трудоемкости измерительной процедуры и расчетов. Конкретно это относится, во-первых, к отсутствию возможности строгой синхронизации форм сигналов суперпозиции, поскольку используются два автономных генератора сигналов гармонической и прямоугольной форм, не имеющих средств синхронизации совместной работы. Во-вторых, к отсутствию возможности перехода к прямой процедуре измерений, требующей дополнительной обработки выходного сигнала объекта измерения.
Сущность группы изобретений
Задача, на решение которой направлено изобретение п. 1 ф-лы, заключается в уменьшении суммарной погрешности измерений и снижении трудоемкости измерительной процедуры и расчетов.
S
q
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения п. 1 ф-лы технического результата, который заключается в обеспечении синхронизации форм сигналов суперпозиции, подаваемых на вход объекта измерения, и переходом от косвенного измерения показателя искажений посредством анализа спектра сигнала на выходе объекта измерения к прямому определению величины амплитудной модуляции сигнала гармонической формы частотой f сигналом прямоугольной формы частотой f с учетом поправочной величины, обусловленной присутствием в спектре амплитудно-модулированного сигнала составляющих сигнала прямоугольной формы.
S
Указанный технический результат при осуществлении изобретения по п. 1 ф-лы достигается тем, что вводятся условия кратности в нечетное число раз значений частот следования сигналов суперпозиции и совпадения начал их положительных и отрицательных полупериодов, а оцениваются и сравниваются интенсивности переменной и постоянной составляющих огибающей амплитудно-модулированного выходного сигнала с несущей частотой f, полученной после выделения амплитудно-модулированного сигнала, его детектирования и низкочастотной фильтрации, с учетом интенсивности постоянной составляющей поправочного выходного сигнала, полученного при подаче на вход объекта измерения только сигнала прямоугольной формы без изменения его пикового значения и прошедшего такую же обработку, что и амплитудно-модулированный сигнал для получения огибающей.
Задача, на решение которой направлено изобретение п. 2 ф-лы, заключается в расширении функциональных возможностей устройства.
q
S
S
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения п. 2 ф-лы технического результата, который заключается во введении таких возможностей, как возможность формирования сигнала прямоугольной формы частотой f непосредственно из сигнала гармонической формы частотой f, возможность получения либо огибающей амплитудно-модулированного сигнала с несущей частотой f, либо поправочного выходного сигнала, возможностей последующего измерения среднего квадратического и средневыпрямленного значений этих сигналов, а также возможности визуального контроля формы выходного сигнала объекта измерения.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения по п. 2 ф-лы достигается тем, что в устройство введен блок формирования сигнала прямоугольной формы, содержащий последовательно соединенные усилитель-ограничитель, дифференциатор, выпрямитель, программируемый счетчик-преобразователь и регулируемый аттенюатор, входом блока является вход усилителя-ограничителя, который соединен с выходом генератора сигнала гармонической формы, а выходом - выход регулируемого аттенюатора, который через третий выключатель подключен к входу первого фильтра нижних частот, а также введены подключенные к выходу объекта измерения осциллограф и измерительный блок, состоящий из последовательно соединенных регулируемого блока согласования, полосового фильтра, линейного детектора и второго фильтра нижних частот, к выходу которого подключены вольтметр средневыпрямленных значений сигнала и третий вольтметр средних квадратических значений сигнала.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной группы изобретений, а определение из числа выявленных аналогов прототипов, как наиболее близких по совокупности признаков, позволило определить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленных способе и устройстве, изложенным в формуле группы изобретений.
Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует требованию «новизна» действующего законодательства.
Для проверки соответствия заявленной группы изобретений требованию изобретательского уровня, заявителем проведен дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с признаками, отличительными от прототипов, результаты которого показали, что заявленная группа изобретений не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленной группы изобретений преобразований на достижение технического результата.
Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует требованию «изобретательский уровень» действующего законодательства.
Перечень фигур чертежей
На фигуре представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения, где 1 - генератор сигнала гармонической формы; 2 - генератор сигнала прямоугольной формы; 3 - первый выключатель; 4 - второй выключатель; 5 - первый фильтр нижних частот; 6 - сумматор; 7 - первый вольтметр средних квадратических значений сигнала; 8 - объект измерения; 9 - второй вольтметр средних квадратических значений сигнала; 10 - спектроанализатор или избирательный вольтметр; 11 - эквивалент нагрузки; 12 - блок формирования сигнала прямоугольной формы; 13 - третий выключатель; 14 - усилитель-ограничитель; 15 - дифференциатор; 16 - выпрямитель; 17 - программируемый счетчик-преобразователь; 18 - регулируемый аттенюатор; 19 - осциллограф; 20 - измерительный блок; 21 - перестраиваемый блок согласования; 22 - полосовой фильтр; 23 - линейный детектор; 24 - второй фильтр нижних частот; 25 - третий вольтметр средних квадратических значений сигнала; 26 - вольтметр средневыпрямленных значений сигнала.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления группы изобретений
Сведения, подтверждающие возможность осуществления группы изобретений с получением указанных технических результатов, заключаются в следующем.
Заявляемый способ предусматривает подачу на вход объекта измерения суперпозиции двух сигналов, обязательно синхронизированных между собой: перепаду сигнала прямоугольной формы должно соответствовать начало полупериода сигнала гармонической формы. К тому же, положительному перепаду сигнала прямоугольной формы должно соответствовать начало положительного полупериода гармонического сигнала, отрицательному - начало отрицательного полупериода. Второе условие требует не только кратности в целое число раз частот следования сигналов суперпозиции, но и нечетности этой кратности.
S
q
q
S
Для осуществления этих условий в заявляемое устройство введен датчик синхронизированного сигнала, который непосредственно из сигнала гармонической формы частотой f вырабатывает синхронизированный с ним по фазе сигнал прямоугольной формы частотой f путем выполнения нескольких преобразований, к тому же датчик имеет возможность перестройки: возможность изменять значение частоты f с сохранением нечетности кратности в целое число раз по отношению к значению частоты f.
Введенный блок 12 формирования сигнала прямоугольной формы подключен к выходу генератора 1 сигнала гармонической формы, а через третий выключатель 13 своим выходом соединен с выходом первого фильтра 5 нижних частот. Блок 12 содержит последовательно соединенные усилитель-ограничитель 14, дифференциатор 15, выпрямитель 16, программмируемый счетчик-преобразователь 17 и регулируемый аттенюатор 18, причем входом блока 12 формирования сигналов прямоугольной формы является вход усилителя-ограничителя 14, а выходом блока 12 является выход регулируемого аттенюатора 18.
q
S
В блоке 12 формирования сигнала прямоугольной формы выполняются следующие преобразования: гармонический сигнал усиливается и ограничивается по амплитуде, дифференцируется для получения кратковременных импульсов, двухполупериодное выпрямление удваивает их частоту следования, преобразовывая в положительные импульсы запуска программируемого счетчика-преобразователя 17 для дальнейшего получения сигналов строго прямоугольной формы, с уменьшаемой в заданное нечетное число раз частотой следования f по отношению к частоте f сигнала гармонической формы.
Введенный блок 12 позволяет устранить такой недостаток способа-прототипа, как зависимость получаемых показаний спектроанализатора или избирательного вольтметра от фазы сигнала гармонической формы в момент суммирования его с перепадом сигнала прямоугольной формы, причем началу положительного полупериода сигнала прямоугольной формы соответствует начало положительного полупериода сигнала гармонической формы, а началу отрицательного полупериода сигнала прямоугольной формы соответствует начало отрицательного полупериода сигнала гармонической формы, чем снижается влияние методических погрешностей на результаты измерений.
Однако при использовании синхронизированных между собой сигналов суперпозиции кратность их частот усложняет процедуру измерений, так как продукты усиления и продукты нелинейных искажений будут располагаться близко по частоте друг к другу и с трудом выявляться с помощью частотно-избирательного прибора. Обойти эти трудности можно, изменив характер измерительной процедуры.
S
Заявляемый способ предлагает переход к прямой процедуре измерений, снижающей трудоемкость измерений и расчетов, так как требует проведения значительно меньшего число отсчетов показаний измерительных приборов, а расчеты показателя проводить по несложной формуле как отношение среднего квадратического значения переменной составляющей огибающей к ее постоянной составляющей с учетом поправки, обусловленной возможным присутствием составляющих сигнала прямоугольной формы в полосе частот амплитудно-модулированного сигнала с частотой несущей f.
Для перехода к прямой процедуре измерений обратимся к использованию принципа взаимной модуляции двух сигналов, в основе которого лежит идея использования в качестве испытательного сигнала суперпозиции двух сигналов с настолько далеко разнесенными спектрами, что после воздействия этих сигналов на объект измерения, обладающего амплитудной нелинейностью, из спектра его выходного сигнала можно выделить полосу частот амплитудно-модулированной первой гармоники высокочастотного сигнала, не перекрываемую гармониками низкочастотного сигнала. Тогда значение величины модуляции выделенного амплитудно-модулированного сигнала прямым образом будет отражать количественную оценку амплитудной нелинейности объекта измерения.
q
При использовании в качестве низкочастотного сигнала сигнал прямоугольной формы, а высокочастотного - сигнал гармонической формы предоставляется возможность исследовать частотную зависимость амплитудной нелинейности объекта измерения, содержащего существенно нелинейные входные каскады, в сочетании с цепями частотной коррекции в промежуточных каскадах, охваченные глубокой общей отрицательной обратной связью. При этом сохраняется достоинство способа-прототипа, позволяющего оценить дифференциальный коэффициент передачи объекта измерения в широком диапазоне значений входного сигнала, определяемом размахом низкочастотного сигнала частотой f.
Для оценки искажений с использованием принципа взаимной модуляции частоты следования сигналов суперпозиции должны существенно отличаться, так как сигнал прямоугольной формы имеет широкий спектр, который не должен перекрывать спектр результирующего амплитудно-модулированного сигнала. Если же это все-таки происходит, то это должно учитываться в виде поправки к значению результирующей постоянной составляющей сигнала, получаемого после выделения спектра амплитудно-модулируемого сигнала, его детектирования и низкочастотной фильтрации. Поправки к значению переменной составляющей этого сигнала не потребуются, поскольку высшие гармоники сигнала прямоугольной формы, попадающие в полосу пропускания полосового фильтра, образуют периодический, но не амплитудно-модулированный сигнал, а значит не содержащий переменную составляющую после его обработки в детекторе.
q
S
S
q
S
q
S
q
S
q
Частоты f и f выбираются следующим образом: частоты продуктов интермодуляции (f-nf), расположенные ниже частоты f, должны быть больше, чем высшая значимая составляющая сигнала прямоугольной формы частотой f, где n - число учитываемых продуктов интермодуляции в спектре амплитудно-модулированного сигнала. Если принять в расчет 15 составляющих сигнала прямоугольной формы и 15 продуктов взаимной модуляции, то частоты f и f должны отличаться не менее чем в 30 раз, а с учетом нечетности отношения частот - не менее чем в 31 раз. При этом следует придерживаться рекомендации стандарта [1], которая гласит, что для устранения влияния на результаты измерений неравномерности частотной характеристики объекта измерения, частота сигнала гармонической формы f должна быть от 0,5 до 1,5 октав ниже верхней граничной частоты эффективного диапазона частот объекта измерения, а частота сигнала прямоугольной формы f должна быть от 0,5 до 1,5 октав выше нижней граничной частоты эффективного диапазона частот объекта измерения.
S
q
Для высококачественной аппаратуры можно предложить использование частоты для сигнала гармонической формы f=14 кГц, что близко к способу-прототипу, а для сигнала прямоугольной формы принять f=400 Гц, что составит отношение частот, ровное 35 раз.
q
Первый фильтр 5 нижних частот не должен ограничивать полосу частот прямоугольного сигнала, в противном случае не будет достигаться высокая крутизна перепадов в форме его волны. В способе-прототипе рекомендуется частота среза фильтра порядка 100 кГц, что соответствует прохождению 249 составляющих прямоугольного сигнала частотой f=400 Гц, а значит отсутствию влияния фильтрации на форму волны сигнала.
S
Полосовой фильтр, выделяющий спектр амплитудно-модулированного сигнала, должен иметь среднюю частоту, равную частоте f, а ширину полосы пропускания - способную выделить удвоенное значение числа желаемых быть учтенными продуктов интермодуляции. В рассматриваемом случае она составит 12 кГц.
S
Измерительная процедура предлагаемого способа осуществляется с помощью блока 20 и включает в себя выделение с помощью полосового фильтра 22 из спектра выходного сигнала спектра амплитудно-модулированного сигнала с несущей частотой f, линейное детектирование (элемент 23) для получения спектра огибающей с минимальными частотными искажениями и выделение его в низкочастотной области (элемент 24). Непосредственно количественная оценка искажений производится посредством отсчетов показаний вольтметров среднего квадратического (элемент 25) и средневыпрямленного (элемент 26) значений сигнала, подключенных к выходу второго фильтра 24 нижних частот.
=ог
S
~ог
Значение постоянной составляющей U формы огибающей несет информацию о величине несущего колебания частотой f, а значение переменной составляющей L формы огибающей - о величине внесенных искажений в результате воздействия нелинейности объекта измерения на суперпозицию сигналов.
=попр
=сум
Основным источником погрешности при проведении прямого измерения коэффициента нелинейности являются составляющие сигнала прямоугольной формы, которые попадают в исследуемую область спектра и искажают результаты измерения величины искажений. Устранить эту погрешность можно посредством проведения измерения величины так называемого поправочного сигнала. Из суперпозиции входных сигналов следует исключить сигнал гармонической формы, оставив только сигнал прямоугольной формы без изменения его величины. Выходной сигнал объекта измерения подвергнуть тем же преобразованиям, что и выходной сигнал объекта измерения при подаче суперпозиции сигналов. Сигнал, образованный суммой высших составляющих сигнала прямоугольной формы, попавших в полосу пропускания полосового фильтра, представляет собой некий периодический сигнал с частотой следования, соответствующей частоте самой низкочастотной из попавших в полосу пропускания фильтра составляющих, но главное, он не является амплитудно-модулированным сигналом. Это означает, что эффективное значение переменной составляющей (среднее квадратическое значение) такого сигнала будет равно нулю. При этом значение постоянной составляющей этого сигнала (средневыпрямленное значение) U будет свидетельствовать о присутствии и интенсивности составляющих сигнала прямоугольной формы в полосе анализа огибающей амплитудно-модулированного сигнала. Именно это значение принимается за поправку к значению постоянной составляющей U при определении значения постоянной составляющей огибающей
=ог
=сум
=попр
U=U-U,
=сум
где U - значение постоянной составляющей на выходе второго фильтра 24 нижних частот измерительного блока 20, измеренное при подаче на вход суперпозиции сигналов.
Использование предложенной измерительной процедуры обработки выходного сигнала объекта измерения позволяет перейти к определению количественной меры искажений как отношения интенсивности переменной составляющей огибающей к интенсивности ее постоянной составляющей
.
<mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt></mrow>
~ог
=ог
S
Появление в числителе, формулы константы
обусловлено тем, что U равно среднему квадратическому значению напряжения переменной составляющей огибающей, а средневыпрямленное значение постоянной составляющей огибающей U соответствует амплитуде несущего колебания частотой f, а перейти к среднему квадратическому значению можно следующим образом
.
Таким образом, измерительная процедура сводится к трем отсчетам по шкале того или иного измерительного прибора и расчету коэффициента искажений по простой формуле, приведенной выше.
Изложенное свидетельствует о существенном снижении суммарной погрешности измерений, об упрощении измерительной процедуры и уменьшении трудоемкости расчетов для определения количественного показателя искажений.
Для обеспечения проведения прямой процедуры измерений в устройство введен измерительный блок 20, в состав которого входят последовательно соединенные регулируемый блок 21 согласования, полосовой фильтр 22, линейный детектор 23 и второй фильтр 24 нижних частот. Для оценки средневыпрямленного значения постоянной составляющей огибающей служит вольтметр 25 постоянного тока, а для оценки среднего квадратического значения переменной составляющей огибающей служит вольтметр 26 переменного тока, подключенные к выходу второго фильтра 24 нижних частот.
S
q
Объект 8 измерения устанавливается в стандартные условия. На его вход с выхода сумматора 6 от генератора 1 и блока 12 формирования сигнала прямоугольной формы подается суперпозиция сигналов гармонической и прямоугольной форм с частотами f и f соответственно, кратными друг другу в нечетное число раз. Напряжение генератора 1 и блока 12 увеличивают, не нарушая установленного соотношения пиковых значений сигналов, до тех пор, пока напряжение на выходе объекта 8 измерения не достигнет номинального значения или какого-либо другого желаемого значения. Затем измеряют с помощью вольтметров 25 и 26 среднее квадратическое и средневыпрямленное значения огибающей амплитудно-модулированного сигнала, появляющегося в спектре выходного сигнала объекта 8 измерения вследствие его частотно-зависимой амплитудной нелинейности. Затем с помощью вольтметра 26 производится измерение средневыпрямленного значения поправочного выходного напряжения, получаемого на выходе измерительного блока 20 при подаче на вход объекта 8 измерения только сигнала прямоугольной формы, для чего используется первый выключатель 3, отключающий генератор 1 сигнала гармонической формы. Далее проводится расчет по формуле, приведенной выше.
Введение осциллографа 19, подключенного к выходу объекта 8 измерения, позволяет наблюдать характер вносимых искажений, что обеспечивается использованием строго синхронизированных друг с другом сигналов суперпозиции, к тому же имеющих в нечетное число раз соотношение частот следования. Изменением развертки осциллографа по шкале абсцисс можно добиться детального рассмотрения влияния искажений на форму гармонического сигнала в области перепада (положительного или отрицательного) сигнала прямоугольной формы.
Перевод третьего выключателя 13 в положение «разомкнуто», а второго выключателя 4 в положение «замкнуто», позволит вернуть устройство к готовности проведения измерений согласно способу-прототипу.
Следует остановиться на некоторых практических аспектах реализации предлагаемого устройства. Прежде всего, это относится к точности амплитудного детектирования: при малых величинах исследуемого сигнала обычный выпрямитель вносит квадратичные искажения. Для уменьшения возникающих нелинейных искажений целесообразно применить существующие способы прецизионного вычисления модуля переменного сигнала, обеспечивающие при реализации линейность названного преобразования в достаточно широком динамическом диапазоне, хотя это и усложнит схему детектора. Также следует отметить необходимость соблюдения жестких требований к оптимизации форм частотных характеристик полосового фильтра 22 и обоих фильтров нижних частот (элементы 5 и 24) измерительного блока 20. В противном случае изменения формы прямоугольного сигнала, обусловленные возникшими линейными искажениями, могут привести к неустранимым изменениям формы исследуемого суммарного сигнала и повлиять на результаты измерений. При реализации фильтров предпочтение следует отдать пассивным фильтрам.
Предлагаемое устройство имеет расширенные функциональные возможности, позволяя осуществить как способ-прототип, так и предлагаемый способ измерения и при этом наблюдать форму выходного сигнала объекта измерения.
Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной группы изобретений следующих условий:
- способ и устройство, воплощающие заявленную группу изобретений при их осуществлении, предназначены для использования в области контрольно-измерительной техники и предназначены для выявления и оценки динамических интермодуляционных искажений, вносимых усилителями сигналов звуковой частоты, в частности усилителями на основе интегральных операционных усилителей и усилителями мощности.
- для заявленной группы изобретений в том виде, как она охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств;
- способ и устройство, воплощающие заявленную группу изобретений при их осуществлении, способны обеспечить достижение указанных технических результатов.
Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Литература
1. ГОСТ 23849-87. АППАРАТУРА РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ БЫТОВАЯ. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты. - М.: Изд. стандартов, 1990 г. (п. 4.6.3 и черт. 13 - аналоги; п. 4.6.4 и приложение 6 - прототип п. 1 ф-лы; черт. 14 - прототип п. 2 ф-лы).
2. Бабуркин В.Н., Гензель Г.С., Павлов Н.Н. Электроакустика и радиовещание. - М.: Связь, 1967. - 312 с. (с. 64, рис. 2.10).