ИЗМЕРИТЕЛЬ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ АНАЛОГОВЫХ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЕЙ СИГНАЛОВ
APPARATUS FOR MEASURING DISTORTIONS OF ANALOGUE SIGNAL MULTIPLIERS

Предлагаемое изобретение относится к области электронных измерений, к средствам измерения широкого применения. Объект измерения - аналоговые перемножители сигналов, которые повсеместно используются в качестве смесителей, квадратичных и синхронных линейных детекторов, балансных модуляторов, частотных и фазовых детекторов. Известны и многие другие их применения: в делителе напряжения, автоматическом регуляторе уровня, уплотнителе каналов, компрессоре, экспандере (М.У.Банк. Аналоговые интегральные схемы в радиоаппаратуре. - М.: Радио и связь, 1981). Аналоговые перемножители сигналов в виде отдельных интегральных схем выпускаются промышленностью, их параметры непрерывно улучшаются (Реклама фирмы Analog Device). Имеются утверждения, что по распространенности среди аналоговых устройств аналоговые перемножители сигналов на втором месте после операционных усилителей. Задача измерения нелинейных искажений аналоговых перемножителей сигналов является актуальной.
Применительно к каждому отдельному виду устройств разработаны методы измерения вносимых ими нелинейных искажений (А.В.Зенькович. Методы измерения нелинейных искажений, вносимых частотными детекторами. Полупроводниковая электроника в технике связи. Сборник статей под редакцией И.Ф.Николаевского. Выпуск 25. М.: Радио и связь, 1985, с.11-33). Известные методы позволяют получить разрешающую способность измерения менее 0,1%, однако они реализуются достаточно сложно.
Прототипом предлагаемого устройства является известное устройство, описанное в статье (Ю.Д.Болмусов. Метод измерения коэффициента гармоник огибающей в преобразователях частоты измерителей амплитудной модуляции. Измерительная техника, 1988, №4, с.40-42).
Известное устройство служит для измерения коэффициента гармоник смесителя, входящего в состав измерителя коэффициента амплитудной модуляции - прибора подгруппы С2. Структурная схема этого устройства, приведенная в статье, показана на фиг.1
На ней 1.4 - смеситель, 1.5 - гетеродин, 1.6 - фильтр нижних частот, 1.7 - усилитель промежуточной частоты, 1.8 - амплитудный детектор.
Операция аналогового перемножения осуществляется в смесителе 1.4, он выполняет роль аналогового перемножителя сигналов.
Процедура измерения состоит в измерении с помощью измерителя коэффициента амплитудной модуляции и низкочастотного анализатора спектра парциальных коэффициентов амплитудной модуляции основной составляющей перекрестной модуляции и ее второй гармоники. По ним рассчитываются парциальные коэффициенты гармоник огибающей, вносимые смесителем, и затем результирующий коэффициент гармоник. Достигнута высокая разрешающая способность измерения.
Главным наиболее существенным недостатком известного устройства является крайне ограниченная возможность его использования. Оно позволяет измерить только нелинейные искажения смесителя, входящего в качестве одного из узлов в состав измерителя коэффициента амплитудной модуляции. Такие измерения представляют интерес только для разработчиков измерителей коэффициента амплитудной модуляции.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2.
1
1
1
1
2
3
2
2
2
3
3
3
На измеряемый аналоговый перемножитель сигналов 4 одновременно подаются выходные напряжения трех генераторов: генератора 1 U с гармонической модуляцией U=E(1+m sinΩt)sinωt, генератора 2 U и генератора 3 U без модуляции, U=Esinωt, U=Еsinωt.
В рабочей полосе частот аналоговый перемножитель сигналов в достаточном для практики приближении обычно можно считать безынерционным. Его характеристику, т.е. характеристику безынерционной нелинейной цепи, в общем случае можно представить степенным полиномом с ограниченным ввиду малости искажений числом членов
вых
1
вх
2
вх
3
вх
4
вх
5
вх
6
вх
2
3
4
5
6
U=αU+αU +αU +αU +αU +αU .
2
3
2
3
2
3
В операцию перемножения напряжений U и U, т.е. в составляющие с частотами ω-ω и ω+ω выходного напряжения перемножителя, дают вклад только члены с четными степенями, члены с нечетными степенями можно опустить, т.е. записать
вx
1
2
3
За счет нелинейности второго порядка операция перемножения сигналов осуществляется идеально. За счет нелинейностей более высоких четных порядков - четвертого и шестого вносятся искажения, относительное влияние которых определяется величинами  и  В рассматриваемом случае входное напряжение перемножителя U=U+U+U.
2
3
2
3
2
3
2
2
3
2
2
3
2
3
2
3
2
2
3
Для определения нелинейных искажений перемножителя используются спектральные составляющие его выходного напряжения с частотами ω-ω, ω-ω-Ω, ω-ω-3Ω. Нелинейность второго порядка характеристики (1) дает 2αUU=2αEEsinωtsinωt, т.е. составляющую с частотой ω-ω и амплитудой αEE.
2
3
2
3
Нелинейность четвертого порядка дает  т.е. составляющие с частотой ω-ω и амплитудами соответственно ,  и . Кроме того, на выходе будет составляющая с частотой ω-ω-Ω и амплитудой .
Нелинейность шестого порядка дает
2
3
Все эти выражения определяют шесть составляющих выходного напряжения перемножителя с частотой ω-ω и соответственно амплитудами ,
, , , , .
2
3
2
3
Три последних выражения определяют составляющие с частотой ω-ω-3 Ω и соответственно амплитудами , , . Кроме того, последнее выражение определяет составляющую с частотой ω-ω-3Ω и амплитудой .
0
Ω
3Ω
2
3
2
3
2
3
Представление аналогового перемножителя сигналов в рабочей полосе частот безынерционным позволяет считать все составляющие его выходного напряжения, имеющие одинаковые частоты, синфазными. Поэтому их векторное сложение сводится к суммированию амплитуд. С учетом всех членов характеристики (1) амплитуды E, E и Есоставляющих выходного напряжения аналогового перемножителя сигналов с частотами соответственно ω-ω, ω-ω-Ω, ω-ω-3Ω принимают следующий вид
1
2
3
3Ω
6
Ω
0
4
2
Параметры входных напряжений Е, Е, Е и m устанавливаются при измерении, т.е. они известны. Измерение амплитуды E анализатором спектра позволяет рассчитать α, последующие измерения E и Е позволяют определить α и α.
2
4
6
Если аналоговый перемножитель сигналов имеет нелинейные искажения единицы процентов и менее, то при определении α, т.е. его коэффициента передачи, влияние α и тем более α можно не учитывать, т.е. с приемлемой погрешностью считать .
В случае необходимости можно учесть и измерить нелинейности более высоких четных порядков.
Ω
3Ω
1
1
Из выражений для Е и Е следует, что для повышения чувствительности измерения коэффициент амплитудной модуляции m испытательного напряжения U целесообразно устанавливать максимальным. Для определения требований к уровню нелинейных искажений амплитудной модуляции напряжение U на входе аналогового перемножителя сигналов представляется в виде
1
1
2
3
1
U=E(1+msinΩt+msin2Ωt+msin3Ωt)sinωt,
2
3
2
3
1
2
3
2
3
где m, m, m - соответственно парциальные коэффициенты амплитудной модуляции гармоник. Поскольку составляющая выходного напряжения аналогового перемножителя сигналов с частотой ω-ω-2Ω при измерениях не используется, вторая гармоника частоты модуляции прямо не влияет. Однако наличие в U второй и третьей гармоник амплитудной модуляции за счет их взаимодействия приводит к тому, что за счет нелинейности четвертого порядка составляющие с частотой ω-ω-Ω и ω-ω-3Ω имеют следующие амплитуды:
2
3
2
3
Даже при заведомо завышенных значениях m и m, например m=m=0,1, дополнительное влияние второй гармоники пренебрежимо мало.
2
3
6
Обусловленная нелинейностью четвертого порядка составляющая с частотой ω-ω-3Ω (3) приводит к относительной погрешности δ определения α по амплитуде этой составляющей (2), где
3
Нелинейные эффекты, нелинейные искажения, обусловленные нелинейностями разных порядков, складываются по мощности. При отношении мощностей менее 0,316, с погрешностью менее 10% (более слабый эффект), меньшие искажения можно не учитывать. С учетом этого  т.е. при δ=0,1, m≈1,  m≤15%.
Выполнение этого требования не вызывает трудностей.
Ω
3Ω
0
-7
-6
-6
Разрешающая способность измерения - минимальный измеряемый предлагаемым устройством уровень (среднеквадратическое значение) спектральных составляющих U и U определяется результирующим уровнем шума устройства, т.е. трех генераторов и анализатора спектра. Определяющим является уровень шума анализатора спектра. По сравнению с ним уровень шума современных генераторов, таких как Г4-201/1, Е4438С фирмы Agilent Technology (США), мал, и его практически можно не учитывать. Анализатор спектра СК4-56 на частотах 1-60 кГц в полосе 10 Гц имеет абсолютный уровень шума менее 50 нВ, при U=80 мВ относительный уровень шума менее 7·10. Анализаторы спектра Е4440 А фирмы Agilent Technology и 4396 В фирмы Hewlett Packard на частотах 1-1700 МГц в полосе 10 Гц при отстройке более 10 кГц имеют относительный уровень шума соответственно 5·10 и 7·10. Имеется возможность снижения уровня шума при переходе к полосам 3 Гц и 1 Гц, что связано только с увеличением времени измерения.
1
2
0
Ω
3Ω
2
3
2
3
2
3
Была проведена экспериментальная проверка предлагаемого измерителя, выполненного по схеме, приведенной на фиг.2. В нем использовались современные синтезированные генераторы: генератор 1 типа Г4-201/1 на частоте f=282 МГц с амплитудной модуляцией с коэффициентом m=80% и частотой модуляции 10 кГц, генератор 2 типа Е4438С с частотой f=249,5 МГц. Анализатором спектра типа 4396В при полосе 10 Гц и усреднении результатов 16 измерений измерялись уровни выходных спектральных составляющих U, U и U с частотами соответственно f-f=500 кГц, f-f-F=490 кГц и f-f-3F=470 кГц. Объект измерений - аналоговый перемножитель сигналов микросхема AD831 фирмы Analog Device (США). По данным фирмы AD831 работает на частотах до 500 МГц, имеет малую нелинейность и рекомендуется к использованию в качестве высококачественного смесителя, смесителя с подавлением зеркального канала приема, преобразователя постоянных напряжений в видеоимпульсы, квадратурного модулятора и демодулятора.
Измерения проводились в двух режимах при различных уровнях испытательных входных напряжений:
1
2
3
1) U=150 мВ, U=100 мВ, U=200 мВ,
1
2
3
2) U=30 мВ, U=26 мВ, U=200 мВ.
Результаты измерений и результаты расчета коэффициентов α характеристики (1) микросхемы AD831 по приведенным выше формулам (2) сведены в таблицу.
Режим измерения
Частота составляющей спектра, кГц
Относительный уровень составляющей
Абсолютный уровень составляющей, В
Коэффициент характеристики
дБ мкВ
%
1
500
100
100
0,1
α<sub>2</sub>=3,546
490
33
4.5·10<sup>-2</sup>
4,47·10<sup>-5</sup>
α<sub>4</sub>=-0,054
470
19,5
7,5·10<sup>-3</sup>
9,44·10<sup>-6</sup>
α<sub>6</sub>=0,116
2
500
93,2
100
4,56·10<sup>-2</sup>
α<sub>2</sub>=6,162
490
-7
1·10<sup>-3</sup>
4,47·10<sup>-6</sup>
α<sub>4</sub>=-9,716
470
0
2,2·10<sup>-2</sup>
10<sup>-6</sup>
α<sub>6</sub>=26,9
1
2
-3
В режиме 2 составляющая с частотой f-f-F=490 кГц имеет относительный уровень 10%, что подтверждает высокую разрешающую способность измерения.
Существенными принципиальными преимуществами предлагаемого измерителя нелинейных искажений аналоговых перемножителей сигналов по сравнению с известным устройством являются следующие.
Область применения измерителя расширена на все случаи использования аналоговых перемножителей сигналов в качестве устройств различного назначения. Определение параметров нелинейной характеристики перемножителя позволяет однозначно и сравнительно просто перейти к использованию любого другого критерия нелинейности. Более того, предлагаемое устройство позволяет измерять нелинейные искажения не только в аналоговых перемножителях сигналов, но и в других не называемых так устройствах, в которых фактически выполняется операция аналогового перемножения сигналов, например, однодиодных, балансных и кольцевых диодных смесителях, диодных балансных модуляторах.
Измеритель реализуется сравнительно просто, в нем используются выпускаемые в нашей стране и за рубежом широко распространенные приборы - генераторы и анализатор спектра. Никаких специальных узлов и устройств при этом не требуется. Тем самым обеспечивается высокая технико-экономическая эффективность измерений.
Широкий диапазон частот измерителя обеспечивается тем, что существующие генераторы и анализаторы спектра работают на всех частотах от самых низких, включая сверхвысокие.
Измеритель характеризуется повышенной по сравнению с известными методами и средствами примерно на порядок разрешающей способностью измерения.
Указанные преимущества позволяют сделать вывод о несомненной полезности предлагаемого измерителя.