книги из ГПНТБ / Соркин И.М. Основы радиоизмерительной техники

ника, это отрицательное напряжение запирает лампу Л 2. После этого начинается разряд конденсатора Сi че­ рез лампу с/7]. При этом анодный ток разрядной лам­ пы Ли проходя по сопротивлению R\, задает на сетку этой лампы отрицательное смещение. Благодаря этому сопротивление лампы Л\ возрастает и разряд происхо­ дит медленно. Вследствие этого напряжение развертки, снимаемое с конденсатора Сх, имеет вид, показанный на рис. 6-9. Времени t\ заряда конденсатора соответствует

		обратный ход, а времени		т2
		разряда конденсатора—пря­
		мой ход.
		При разряде конденсато­
		ра С] напряжение на нем
		понижается и лампа Л 2 от­
	Рис. 6-9. Пилообразное	пирается.	Напряжение	на
		аноде лампы понижается,		и
	напряжение развертки.
		конденсатор' С2 начнет раз­
		ряжаться	через лампу Л 2 и

сопротивление /?4. Напряжение на сопротивлении Ri по­ дает на -сетку лампы Лъ отрицательное смещение. Это приводит к уменьшению ее анодного тока и возрастанию анодного напряжения, т. е. положительное смещение на -сетке лампы Л 2 возрастает. Это приведет к дальнейшему 'возрастанию анодного тока лампы Л 2, который начнет подзаряжать конденсато-р С\ и, таким образом, цикл начнется -снова.

Частота напряжения развертки определится длитель­ ностью разряда t2, которая зависит от постоянной време­ ни T = C\R, где R — сопротивление разрядной лампы. Регулировка частоты осуществляется ступенями — пере­ ключением конденсаторов С\ и плавно —■-изменением со­ противления разрядной лампы Л х путем регулировки напряжения, подаваемого на ее экранную сетку.

Синхронизация генератора развертки осуществляет­ ся подачей части напряжения исследуемого сигнала на защитную сетку лампы Лъ-

Блок-схема электронного осциллографа

Упрощенная блок-схема электронного осциллографа приведена на рис. 6-10. Основными элементами схемы являются электронно-лучевая трубка, генератор -раз-

170

вертки, усилители напряжений, подаваемых на верти­ кально отклоняющие и горизонтально отклоняющие пла­ стины трубки и блок питания.

Исследуемое напряжение подается на вход Y, отку­ да поступает через усилитель вертикального отклоне­ ния Y на вертикально отклоняющие пластины.

Пилообразное напряжение от генератора развертки поступает через усилитель горизонтального отклоне­ ния X на горизонтально отклоняющие пластины трубки.

Рис. 6-10. Блок-схема электронного осциллографа.

Синхронизация генератора развертки осуществляет­ ся или напряжением исследуемого сигнала, или напря­ жением сети, или внешнего сигнала. От генератора раз­ вертки на переднюю панель осциллографа выведены ручки переключателя частотных поддиапазонов и потен­ циометра для плавной регулировки частоты развертки.

Синхронная развертка синусоидальным напряжением осуществляется подачей его на вход X. Этот же вход используется при сравнении частот методом фигур Лиссажу.

Блок питания содержит два выпрямителя: высоко­ вольтный — для питания трубки и низковольтный — для питания усилителей и генератора развертки. От блока питания на переднюю панель осциллографа выведены

171

ручки потенциометров для смещения пятна по осям X и У, ручка от потенциометра, регулирующего отрица­ тельное смещение па управляющем электроде с грави­ ровкой «яркость», и ручка потенциометра для регули­

ровки положительного напряжения	на первом	аноде
с гравировкой «фокусировка».	блок-схемы	совре­
Помимо приведенных элементов,

менных осциллографов содержат еще ряд дополнитель­ ных устройств: блок ждущей развертки с линией за­ держки, калибратор амплитуды, генератор временных отметок и др.

6-2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИИ

При прохождении сигнала через тракты радиотехни­ ческих устройств форма сигнала искажается. Основны­ ми факторами, искажающими форму сигнала, являются реактивные элементы цепи (индуктивности и емкости схемы) и -нелинейные элементы (электронные лампы, междукаокадные трансформаторы с ферромагнитными сердечниками и др.). Искажения, вызываемые реактив­ ными элементами схемы, называются частотными, а ис­ кажения, вызываемые нелинейными элементами, — не­ линейными.

Нелинейные искажения характеризуются тем, что если на вход тракта с нелинейной амплитудной харак­ теристикой подать синусоидальное напряжение, то на выход-е тракта, помимо напряжения основной частоты, появляются ее гармоники. Таким образом, искажение формы сигнала при прохождении его через нелинейный тракт может быть оценено измерением с-пектра сигнала на выходе тракта.

Пусть имеем модуляционный тракт передатчика (или усилительный тракт приемника), которые в общем виде можно рассматривать как 'четырехполюсник с нелиней­

ной	амплитудной характеристикой
	U2—CL0-|- clJJ! -(- <xJJj -j- (iJJ\ -j- .. . j	(6-16)
где	Ui — входное напряжение;
	U2 — выходное напряжение.

При подаче на вход такого четырехполюсника сину­ соидального напряжения

U1 = A cos wt

172

на выходе, кроме основной частоты, появятся и ее гар­ моники

U2 = .До ~|“ Д1cos ш/ —|—Д2 cos 2о)/■—|—Д3 cos Зш/	. . . (6-17)
Если входное напряжение содержит составляющие
колебания 'разных частот, например
Uj = Л (cos со,/ -j- cos <ю2/),	(6 - 1 8 )

то из .подстановки (6-18) в (6-16) следует, что выходное напряжение, .кроме гармоник, будет содержать комби­ национные тона

с»к = m wl -±znw2,	(6 - 1 9 )
где т и п — целые числа.
Нелинейные искажения, возникающие	при подаче

на исследуемый четырехполюсник синусоидального на­ пряжения, обычно характеризуются коэффициентом не­ линейных искажений.

Коэффициентом нелинейных искажений называется отношение среднеквадратичного напряжения гармоник звуковой частоты продетектированного колебания к эф­ фективному напряжению основной частоты, выраженное в процентах,

k f =	V U\2 + ^3 +	■+ ип2 100°/о	( 6- 20)
	и,
где kf — коэффициент нелинейных искажений,
t/j — амплитуда		звукового напряжения основ­
	ной частоты продетектированного ко­
	лебания;	напряжений 2-й,	3-й ... п-й
U2, U3, . . ., Uп — амплитуды
	гармоник основной частоты.

При подаче на исследуемый четырехполюсник двух частот нелинейные искажения, связанные с появлением на выходе комбинационных тонов, могут быть охаракте­ ризованы коэффициентом комбинационных тонов. Коэф­ фициент комбинационных тонов равен отношению эффек­ тивного напряжения комбинационных тонов к эффектив­ ному напряжению основной частоты.

Для исследования нелинейных искажений, возникаю­ щих в трактах передающих и приемных устройств, наи­ большее практическое применение получили метод ана-

17 3

Лйза частотного спектра исследуемого сигнала и метод разделения напряжения основной 'частоты и суммарного напряжения гармоник. В соответствии с этим приборы, предназначенные для измерения амплитуд и частот гар­

моник спектра,	называются	анализаторами спектра,
а приборы для	измерения	коэффициента нелинейных

искажений, основанные на разделении .напряжения основной частоты и напряжения гармоник,— измери­ телями коэффициента нелинейных искажений.

При определении коэффициента нелинейных искаже­ ний с помощью анализатора спектра измеряются после­ довательно амплитуды напряжений основной частоты Hi и ее гармоник U2, U3 , ..., Un и по их значениям вычис­ ляется коэффициент нелинейных искажений по формуле

('6-20).

Измеритель коэффициента нелинейных искажений измеряет раздельно суммарное среднеквадратичное на­ пряжение гармоник и напряжение основной частоты и коэффициент нелинейных искажений определяется как отношение этих двух напряжений.

6-3. АНАЛИЗАТОРЫ СПЕКТРА

Анализаторы спектра представляют собой измери­ тельные устройства с высокой избирательностью, позво­ ляющей настраиваться на отдельные гармоники и ком­ бинационные тона исследуемого частотного спектра и измерять их амплитуду и частоту.

В зависимости от диапазона частот анализаторы спектра разделяются на высокочастотные и низкочастот­ ные. Высокочастотные анализаторы спектра используют­ ся при испытаниях радиопередающих и радиоприемных устройств, особенно в системах многоканальной связи. Измерение амплитуд и частот компонент спектра в вы­ сокочастотном тракте позволяет определить коэффици­ ент нелинейных искажений, а также дает представление о полосе частот, занимаемой каналом связи, и о поме­ хах, создаваемых соседним каналом. При этом наряду с количественной оценкой искажений имеется возмож­ ность судить о качественной картине и природе иска­ жений.

Высокочастотные анализаторы спектра используют­ ся также для измерения спектров модулированных ко­ лебаний, позволяя определить глубину модуляции как

174

при амплитудной, так и при частотной модуляции. Ко­ эффициент амплитудной модуляции определяется изме­ рением ам-плитуд боковых компонент спектра амплитуд- но-модулированного сигнала, а девиация частоты при частотной модуляции— измерением ширины спектра.

Низкочастотные анализаторы спектра применяются для исследования спектров сигналов в низкочастотных трактах. Так, например, исследование спектров речи в акустике привело к созданию теории разборчивости речи, позволившей существенно улучшить качество ра­ диовещания и сыгравшей большую роль в телефонии.

Помимо испытаний радиоаппаратуры, анализаторы спектра находят широкое применение при проведении научно-исследовательских работ, связанных с частот­ ным анализом спектров радиосигналов. Поскольку раз­ личные виды колебаний, как, например, акустические или механические, могут быть преобразованы в электриче­ ские, спектральный анализ электрических колебаний находит применение в ряде отраслей науки и техники.

Анализаторы спектра с ручной настройкой

Из различных методов анализа спектров в радиоизмерительной технике наибольшее применение получил метод последовательного анализа. Сущность этого ме­ тода состоит в том, что частота резонатора (простей­ шим видом которого является обычный колебательный контур), плавно перестраиваясь, совпадает поочередно с частотами гармонических составляющих анализируемо­ го спектра. При этом положение органа настройки по­ зволяет отсчитать частоту, а амплитуда гармоники от­ считывается по показанию подключенного к резонатору индикатора.

Поскольку исследуемые спектры обладают широким диапазоном частот и построить достаточно селективный резонатор с плавным изменением настройки в широком диапазоне практически не представляется возможным, то вместо этого осуществляют перемещение по частоте исследуемого спектра относительно фиксированной ре­ зонансной частоты анализатора. Это достигается преоб­ разованием спектра при помощи гетеродина.

Блок-схема анализатора спектра с преобразованием частоты приведена на рис. 6-М.

175

Основными элементами схемы являются делитель на­ пряжения, омеоитель с гетеродином, преобразующий частоту исследуемого сигнала в напряжение промежу­ точной частоты, избирательный усилитель и электрон­ ный вольтметр.

	Рис. 6-11. Блок-схема анализатора	спектра.
в	Принцип действия анализатора	спектра состоит
	том, что любая составляющая исследуемого спектра
с	частотой /с преобразуется в напряжение промежуточ­

ной частоты f0 посредством соответствующей настройки гетеродина на частоту /г= /с—[о- С выхода преобразо­ вателя напряжение промежуточной частоты /о поступает на избирательный усилитель. Избирательный усилитель настроен на частоту /о, обладает весьма узкой полосой пропускания, величина которой меньше частотного интервала между двумя соседними гармониками спект­ ра, и усиливает напряжение лишь частоты f0. Показание электронного вольтметра на выходе избирательного уси­ лителя будет соответствовать амплитуде исследуемой составляющей спектра, частота которой /с= /г+ /о опре­ делится по частотной шкале гетеродина, градуирован­ ной непосредственно в частотах входного сигнала.

Входной делитель дает возможность получить необ­ ходимое количество пределов измерения напряжения для перекрытия диапазона амплитуд спектральных со­ ставляющих. Кроме того, делитель предохраняет преоб­ разователь от перегрузки входным сингалом, что могло бы привести к появлению дополнительных нелинейных искажений, т. е. нарушению картины измеряемого спектра.

Преобразователь частоты выполняется обычно по схеме балансного кольцевого модулятора (рис. 6-12).

Необходимая избирательность усилителя промежу­ точной частоты достигается применением кварцевых

176

фильтров или выполнением усилителя по схеме с отри­ цательной обратной связью через Т-образный фильтр

(рис. 6-13).

Принцип действия такого усилителя состоит ;в том, что средняя частота /0 его полосы пропускания равна резонансной частоте Т-образного фильтра, соответствую­ щей нулю коэффициента передачи. При этом для часто­ ты fo коэффициент отрицательной обратной связи, рав-

Н избирательному	Усилитель
усилителю

ч ь

U

Ч L^iu—Т jeJН

—ш&ь—

Рис. 6-13. Блок-схема избирательного усили­ теля с отрицательной обратной связью.

	ный коэффиценту переда­
	чи,	будет	равен		нулю и
	усилитель		будет		давать
	максимальное			усиление.
Рис. 6-12. Схема балансного	Для	частот / <		/о- коэф­
кольцевого модулятора.	фициент		отрицательной
	обратной		связи	резко уве­

личивается и усиление соответственно уменьшится, чем и достигается узкая полоса пропускания усилителя.

Основными параметрами анализатора спектра явля­ ются разрешающая способность и скорость анализа. Разрешающая способность характеризуется наименьшим интервалом по частоте между двумя соседними спек­ тральными составляющими, при котором они различи­ мы анализатором.

Скорость анализа определяется временем, необходи­ мым для настройки на все измеряемые составляющие спектра.

Для анализатора спектра, работающего в статиче­ ском режиме, при котором перестройка гетеродина про­ изводится вручную, частоты измеряемых составляющих успевают полностью установиться и индикатор анализа-

12—2240

177

тора дает показания, соответствующие амплитудам -гар­ моник спектра. В этом случае разрешающая способ­ ность (называемая статической разрешающей способ­ ностью) будет определяться полосой пропускания ре­ зонатора. Очевидно, что чем уже резонансная кривая анализатора, тем меньше составляющих спектра будет попадать одновременно в полосу пропускания и тем, следовательно, его разрешающая способность будет лучше. Если принять, что для четкого разделения двух составляющих спектра необходимо, чтобы в полосу про­ пускания анализатора попадало одновременно не более одной составляющей, то статическая разрешающая спо­ собность количественно может быть определена шири­ ной полосы пропускания на уровне 0,7 от резонансного значения, т. е.

д/сТ= /7.

(6-21)

Время анализа при работе в статическом режиме опре­ деляется числом составляющих спектра и временем, за­ трачиваемым при ручной настройке на каждую состав­ ляющую.

Автоматические анализаторы спектра

Анализаторы спектра с ручной настройкой требуют значительного времени для настройки на каждую со­ ставляющую спектра. Кроме того, этот метод исследо­ вания спектра не дает возможности одновременного ви­ зуального наблюдения всех его составляющих, т. е. не дает представления о картине спектра в целом.

Поэтому наряду с анализаторами с ручной настрой­ кой в радиоизмерительной технике получили широкое применение автоматические анализаторы спектра, даю­ щие возможность визуального наблюдения исследуемо­ го спектра непосредственно на экране осциллографа при значительно меньшем времени анализа.

Блок-схема автоматического	анализатора спектра
с двойным преобразованием	частоты показана на

рис. 6-14. Настройка на каждую составляющую спектра осуществляется автоматической перестройкой частоты второго гетеродина путем модуляции его напряжением пилообразной формы. Напряжение с выхода избиратель­ ного усилителя выпрямляется и подается на вертикально

178

отклоняющие пластины осциллографа, а на горизонталь­ но отклоняющие пластины подается в качестве напряже­ ния развертки пилообразное напряжение, часть которого используется одновременно для модуляции гетеродина. При этом электронное пятно перемещается по горизон-

Д е л и ­ т ель на-*►]

пряжения

7-й пре-	Фильтр пр&
образобе,	ля частоты.

2 -й пре-	УзНйПО-	■*«1	Усили -	Д ет ен-
образоба-	лосный		т ель	тор
т ель	фильтр

I

7-й гет еродин	2-й гетеродин
- X -	- Я -
	Частот­	-	Генератор
	ный м о-		ш лообразн
	дцлятор		напряжения

Рис. 6-14. Блок-схема автоматического анализатора спектра.

тали «а экране трубки синхронно с модулирующим на­ пряжением. Таким образом, горизонтальное отклонение пятна пропорционально частоте гетеродина и определяет

частоту исследуемой		составляющей	спектра, а верти­
кальное отклонение пятна пропорций-			__
нально ее амплитуде.		В результате ис­
следуемый спектр частот оказывается
развернутым во времени и наблюдает­
ся в виде неподвижной спектрограммы
на экране трубки.		автоматическом
Время	анализа в
анализаторе спектра будет опреде­
ляться периодом напряжения разверт­
ки. Поэтому для неискаженного вос­
произведения картины		спектра период	Рис. 6-15. Прохож­
развертки должен быть выбран в со­			дение	спектра че­
			рез полосу пропу­
ответствии	с временем, необходимым		скания	анализа­
для установления частоты каждой со­				тора.
ставляющей спектра.

При подаче пилообразного модулирующего напря­ жения спектр равномерно перемещается относительно фиксированной частоты, соответствующей середине по­ лосы пропускания анализатора (рис. 6-15). При этом частотные интервалы, проходимые спектром, пропорцио12*

179