ИНДИКАТОР НАЛИЧИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ В РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ
INDICATOR OF PRESENCE OF NONLINEAR DISTORTIONS IN RADIO ELECTRONIC SYSTEMS

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для визуального обнаружения наличия и оценки величины нелинейных искажений сигнала, вносимых усилителями сигналов звуковой частоты, например, предварительными усилителями и усилителями мощности. Кроме того, изобретение может быть использовано для быстрой оценки качества и контроля формы синусоидального напряжения устройств силовой электроники.
Практически любая электронная схема содержит нелинейные элементы, которые могут вносить искажения в обрабатываемый сигнал. Очевидно, что нелинейные искажения являются нежелательными и при конструировании аппаратуры их стремятся исключить или минимизировать.
Известны методы обнаружения и измерения нелинейных искажений основаны на изменениях формы сигнала и, следовательно, его спектрального состава. Измерение амплитуд гармоник, возникающих за счет нелинейных искажений, лежит в основе большинства методов измерения нелинейных искажений. Для количественной меры имеющихся нелинейных искажений вводят коэффициент нелинейных искажений, представляющий собой отношение эффективного значения амплитуд всех гармоник к эффективному значению амплитудному значению напряжения основной гармоники:
, (1)
где  - соответственно эффективные напряжения первой, второй, третьей и т.д. гармоник.
При этом практически всегда для реализации описанного метода используется опорный генератор синусоидального напряжения (генерирующий в идеале чистый синусоидальный сигнал) выходной сигнал которого подается на вход исследуемого объекта, а выходное напряжение объекта подается на устройство обработки и регистрации, которое в зависимости от конкретного технического решения обеспечивает применение формулы (1). Чем больше коэффициент гармоник, тем сильнее искажение сигнала. Следовательно, для оценки наличия нелинейных искажений, которые вносит электронный каскад в проходящий сигнал, сигнал разлагают в спектр, измеряют амплитуды гармоник и подсчитать коэффициент гармоник. (Измерения в электронике. Справочник /В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М.Коневских и др. ; Под.Ред В.А.Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987, – 512 c. Раздел двенадцатый. Измерение искажения формы сигналов.)
В настоящее время благодаря развитию цифровых технологий и микропроцессорной техники приборы для нахождения коэффициента нелинейных искажений автоматически находят амплитуды гармоник сигнала и рассчитывают коэффициент нелинейных искажений. Примером такого прибора может служить измеритель коэффициента гармоник СК6-220 (Руководство по эксплуатации ТПКЛ.411167.011РЭ. «Завод электронной техники» (ООО «ЗЭТ» 2016). Измеритель предназначен для измерений коэффициента гармоник радиотехнических сигналов, амплитуды и частоты первой гармоники, уровней амплитуды и фазы высших гармоник относительно первой гармоники. Измеритель позволяет также определять уровни и частоты интергармоник и субгармоник сигнала. (Под интергармониками понимаются составляющие сигнала, не кратные основной частоте, которые превышают уровень шумов. Субгармоника – частный случай интергармоники, когда ее частота меньше основной частоты.)
Отображение реализуемых функций, параметров измерений и измеряемых величин, других переменных, а также результатов измерений производится на дисплее прибора. Управление осуществляется с помощью клавиатуры.
СК6-220 многофункциональный точный прибор, который неудобно использовать для экспресс контроля объекта на наличие нелинейных искажений. Например, когда необходимо быстро сравнить два (или несколько объектов) имеющих малое, но различающееся, значение коэффициента искажений. Представление результатов измерений в форме таблиц значений и графиков спектров не обладает достаточной наглядностью для принятия быстрых решений. Кроме того, СК6-220 достаточно дорогой прибор и не может быть использован просто в качестве индикатора наличия нелинейных искажений.
Для использования в качестве индикатора при измерении нелинейных искажений больше подходят устройства (SU № 1218339A1, М. Кл. G01R23/20, опубл. 15.03.1986 года) и его усовершенствование (RU № 2 384 850C1, G01R23/20, опубл. 20.03.2010). В нем величину нелинейных искажений регистрирует измеритель эффективных значений, а при отсутствии между выходом и входом измерителя объекта измерений он генерирует сигнал как звуковой генератор. Его недостатком является то, что при анализе нелинейных искажений он является индикатором только наличия объекта измерений, а не самих нелинейных искажений.
Желаемая наглядность может быть получена, если результаты контроля представлять в виде фигур, подобных фигурам Лиссажу, на дисплее осциллографа. Известны устройства, реализующие эту функцию, например «Векторный индикатор нелинейных искажений» (И. Акулиничев, «Радио», №6 , 1977 С. 42-44). Рассматриваемое устройство содержит опорный генератор синусоидального напряжения, испытываемое устройство и блок обработки сигнала содержащий усилители, калибраторы, систему коммутации и на выходе двулучевой осциллограф, работающий в режиме построения X-Y диаграмм. На ось X подается нормированный сигнал генератора синусоидального напряжения, а на ось Y подается также нормированный сигнал с выхода испытываемого устройства. В результате на экране возникает фигура Лиссажу для нелинейных напряжений, которая используется как индикатор наличия (или отсутствия) нелинейных искажений. Основным недостатком рассматриваемого анализа является недостаточная чувствительность для малых искажений, создаваемых испытываемым устройством, так как по мере увеличения номера гармоники ее амплитуда уменьшается и может не отразиться на экране.
Наиболее близким аналогом является «Устройство для измерения гармонических искажений электрического сигнала и его производных» (RU № 2 456 624С1, М. Кл. G01R23/20 опубл. 09.11.2010 г.). Устройство содержит входную и выходную клеммы для подключения объекта измерения, генератор гармонических колебаний, объект измерения, блок выравнивания уровней сигнала, регулируемый измерительный усилитель, выходной сигнал которого подается на два блока дифференцирования сигнала, соединенных последовательно, выход которых соединен с включенными параллельно измерительным блоком и входом однолучевого осциллографа, работающего в режиме X(t). Кроме этого в устройстве содержатся блоки, позволяющие осуществлять калибровку уровней для различных режимов работы. К таким блокам, например, можно отнести первый и второй выключатели, закорачивающие блоки дифференцирования и др.
Недостатком устройства является невозможность осуществления экспресс индикации наличия нелинейных искажений и отсутствие наглядности процесса индикации. К причинам, препятствующим достижению этого технического результата относится то, что устройство настраивается только вручную с помощью соответствующих органов управления. Это затягивает время контроля и не дает возможности экспресс диагностики. При этом о результатах настройки можно судить только по показаниям индикатора уровня, а не визуально.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства позволяющего осуществить экспресс диагностику нелинейных искажений, что сократит время обнаружения искажений, с визуальным представлением результата в форме характеристических диаграмм.
Сущность изобретения заключается в том, что индикатор наличия нелинейных искажений в радиоэлектронных системах, содержащий осциллограф, опорный генератор синусоидального напряжения, соединенный с клеммой входа объекта контроля, клемма выхода которого соединена с блоком регистрации и обработки, содержащим два включенных последовательно дифференцирующих устройства, при этом в блок обработки и регистрации введены два нормирующих усилителя таким образом, что вход первого нормирующего усилителя соединен с выходом первого дифференцирующего устройства и входом второго дифференцирующего устройства, а вход второго нормирующего усилителя соединен с выходом второго устройства дифференцирования, при этом, выходы введенных нормирующих усилителей соединены соответственно со входами X и Y осциллографа, работающего в режиме X-Y диаграмм.
Технический результат, состоящий в экспресс индикации наличия нелинейных искажений синусоидального напряжения, подаваемого на вход устройства обработки и индикации, обеспечивается тем, что в блок обработки и регистрации введены два нормирующих усилителя, входы которых соединены соответственно с выходами имеющихся дифференцирующих устройств, а их выходы с входами X и Y двулучевого осциллографа работающего в режиме X-Y диаграмм.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на
фиг. 1 – приведена блок-схема предлагаемого устройства для индикации нелинейных искажений создаваемых объектом исследования;
фиг. 2 – результаты теоретического доказательства высокой чувствительности индикатора нелинейных искажений в объекте исследования;
фиг. 3 – приведена блок-схема предлагаемого устройства для индикации нелинейных искажений в генераторе синусоидального напряжения;
фиг. 4 – результаты натурного эксперимента макета индикатора нелинейных искажений доказывающего высокую эффективность при контроле нелинейных искажений в генераторе синусоидального напряжения.
Устройство содержит опорный генератор синусоидального напряжения 1 и блок регистрации и обработки 2 , подсоединенные соответственно к клеммам 3 и 4, к которым подключен объект контроля 5, при этом блок регистрации и обработки 2 содержит два дифференцирующих устройства 6 и 7, вход дифференцирующего устройства  6 соединен с клеммой 4, а его выход соединен со входом второго дифференцирующего устройства 7 и входом первого нормирующего усилителя 8, выходы второго дифференцирующего устройства 7 соединен со входом второго нормирующего усилителя 9, при этом выходы нормирующих усилителей 8 и 9 соединены соответственно со входами 10 и 11 двулучевого осциллографа 12, работающего в режиме X-Y диаграмм.
Устройство работает следующим образом. Форма опорного синусоидального сигнала проходя через объект контроля искажается, приобретая в спектре гармоники, частота которых выше основной. Дифференцирующие блоки повышают значимость появившихся в результате искажений гармоник, а нормирующие усилители, обладающие невысоким коэффициентом усиления и отсутствием нелинейных искажений, обеспечивают равенство амплитуд сигналов после дифференцирования (небольшая коррекции). Выходное напряжение нормирующих усилителей приводит к отклонению лучей вдоль соответствующих осей. В результате на экране возникает  X-Y диаграмма, форма которой несет информацию о наличии нелинейных искажений. Так как сигнал для оси Х и оси Y получаются из одного сигнала, то диаграмма на экране очень стабильна.
Технология применения предлагаемого устройства состоит в следующем. На генераторе синусоидального напряжения устанавливается необходимая частота и амплитуда. К клеммам 3 и 4 (фиг.1) подключается объект исследования 5. Подбираются режимы нормирующих усилителей 8 и 9 так, чтобы полученная X-Y диаграмма занимала примерно половину площади экрана осциллографа. Результат исследования сразу наблюдается на экране осциллографа. Если коэффициент нелинейных искажений менее 0,5%, то на экране наблюдается фигура близкая к эллипсу. По мере увеличения процента нелинейных искажений фигура деформируется, что легко устанавливается непосредственным наблюдением. На основании наблюдений делаются выводы о наличии или отсутствии нелинейных искажений.
Если требуется другое значение частоты генератора или амплитуда выходного напряжения, то эти изменения вносятся органами управления генератора. В остальном, процесс применения остается неизменным. Поэтому провести контроль исследуемого устройства для различных условий работы с помощью предлагаемого устройства осуществляется быстро и легко.
Для доказательства эффективности индикатора нелинейных искажений использована программа MathCad. Модельный сигнал содержал набор из N гармоник сигнала напряжения  и имел вид:
. (2)
где  - номер гармоники,  - частота основной гармоники,  - амплитуда  -ой гармоники.
Соответствующие производные  и  находились с помощью средств MathCad.
Коэффициент нелинейных искажений находился стандартным образом (см. формулу (1))
(3)
Для определенности и облегчения эксперимента выбран сигнал, состоящий из семи гармоник. Амплитуды гармоник задавались произвольно с целью выявления чувствительности предлагаемого изобретения. Результаты исследований сведены в таблицу, представленную на фиг.2 и доказывают эффективность предлагаемого индикатора.
Так как спектральный состав сигнала может быть самым разным, то форма диаграммы на экране для может иметь форму искаженного эллипса. При одном и том же значении  (значение суммы в числителе(1)), диаграмма может иметь различную форму существенно отличающуюся от эллипса. Причина этого состоит в том, что разные значения амплитуд гармоник могут быть одинаковы по сумме и коэффициент нелинейных искажений будет одинаков, но диаграммы X-Y будут различаться (даже весьма сильно). Это можно рассматривать как сверх суммарное достоинство индикатора, позволяющего сразу делать определенные выводы относительно наличия нелинейных искажений.
Блок обработки и регистрации предлагаемого индикатора нелинейных искажений может самостоятельно использоваться для контроля искажений опорного генератора и любого другого генератора синусоидальных сигналов. Проверка этого проведена в натурном эксперименте, в котором дифференцирующие блоки собраны на электронных компонентах по стандартной схеме, приведенной в любом учебнике по схемотехнике и преобразованию сигналов. В качестве измерительного прибора использован цифровой USB осциллограф АКИП 41-07, имеющий в своем составе генератор сигналов. Цель исследований: сравнить по наличию нелинейных искажений сигналы синусоидального напряжения одинаковой частоты (440 Гц) и амплитуды создаваемые цифровым генератором АКИП 41-07 и распространенным электронным генератором Г6-27.
Ход исследований: к настроенной электронной схеме индикатора нелинейных искажений по очереди подключались к клеммам 3 и 4 (фиг. 1) сигналы от упомянутых выше источников. Средства измерений АКИП 41-07 давали возможность определять коэффициент нелинейных искажений сигнала.
Результаты исследований приведены на фиг.4. Как видно при внешне неразличимых в линейных масштабах по осям, спектров сравниваемых сигналов, индикатор нелинейных искажений четко выявляет их различие. Этот эксперимент доказывает работоспособность предлагаемого устройства и достижимый положительный эффект.
Предлагаемое устройство обладает еще одним достоинством: его можно полностью (в том числе АЦП и осциллограф) реализовать в цифровой форме программно. Поэтому предлагаемое устройство может быть малогабаритным и выполнено в форме мультимера. Так как необходимая информация о наличии нелинейных искажений формируется из одного сигнала (выходной сигнал объекта), то практическая реализация может иметь всего два щупа (один подключается ко входу объекта, а другой – к выходу). Это дает возможность тестировать на предмет наличия нелинейных искажений отдельные узлы устройства.
Н
Большее значение коэффициента нелинейных искажений приводит к существенной деформации диаграммы. Следовательно, предлагаемый индикатор нелинейных искажений обладает достаточно высокой чувствительностью. Конкретная форма X-Y диаграммы  для К> 1% зависит от реального спектрального состава сигнала, но всегда четко отличается от эллипса.