38. Измерение Амплитудно-частотных характеристик цепей.

ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – это зависимость модуля ко- эффициента передачи от частоты. Для неискажающего сигнал тракта (его модель – четырёхполюсник) эта характеристика представляет собой горизонтальную пря- мую, что означает одинаковый коэффициент усиления для всех частотных состав- ляющих сигнала K() = const. По определению АЧХ можно записать:

Как следует из этой формулы, схема для снятия АЧХ должна быть представ- лена в следующем виде – рис. 144.

Рис. 144. Измерение АЧХ

Процесс измерения заключается в изменении частоты сигнала генератора си- нусоидального сигнала, измерении напряжения на входе и выходе, нахождении их отношения и построения по точкам зависимости. Затем точки соединяются и полу- чается график АЧХ:

Практическая реализация данного метода требует определенного навыка из- мерений. Например, если АЧХ имеет большие перепады (наличие режекторных или резонансных частот), надо быть внимательным при выборе входного сигнала. Может оказаться, что выбранный за исходный входной сигнал окажется слишком малым на частотах режекции и выходной сигнал не может быть измерен вольтмет- ром 2. Может случиться, что входной сигнал слишком велик и на частоте резонанса в исследуемом объекте возникнут нелинейные искажения, что приведет к «упло- щению» АЧХ в месте её подъема. Следует так же правильно выбрать шаг частот. Чем больше дискретность выбора, тем быстрее можно выполнить измерения, од- нако редкое расположение точек, на основе которых строится экспериментальная АЧХ на графике, тем больше вероятность потерять какие-либо детали характери- стики.

Дополнение:

В телекоммуникационных системах часто используются линей­ные четырехполюсники (линейные цепи), важной характеристикой которых является частотный коэффициент передачи (проще, коэф­фициент передачи). Коэффициент передачи цепи определяют как отношение комплексных амплитуд выходного Uвых(jω) = Uвых и вход­ного Uвх(jω) = Uвх гармонических напряжений одной частоты ω:

                                     (14.32)

Напомним, что модуль коэффициента   называют АЧХ, а аргумент φ(ω) - фазочастотной характеристикой (ФЧХ) че­тырехполюсника.

В области некоторой полосы частот отклик линейного четырек­полюсника на входное воздействие практически всегда начинает уменьшаться. В связи с этим используют понятие «полосы пропуска­ния» (рабочей полосы) - области частот, где модуль коэффициента передачи К(ω) становится не менее   своего максимального зна­чения. Полоса пропускания линейного четырехполюсника заключена в области от нижней ωн до верхней ωв частоты, и поэтому ее ширина составляет Δω0 =ωв – ωн. При практических расчетах используют не круговую частоту ω, а циклическую частоту f. При этом полоса про­пускания линейного четырехполюсника Δfo = fв - fн, где  fв - верхняя, а fн - нижняя граничные циклические частоты.

Приборы для исследования (точнее - снятия) АЧХ позволяют снимать кривую зависимости амплитуды напряжения на выходе цепи от частоты синусоидального напряжения на входе при постоянной его амплитуде. При исследовании ФЧХ определяют частотную зави­симость разности фаз между синусоидальными напряжениями на вы­ходе и входе исследуемого устройства.

Измерительные приборы для исследований АЧХ линейных це­пей и устройств называют измерителями АЧХ. Их широко использу­ют для настройки и контроля радиоаппаратуры, в частности усилите­лей и радиоприемников.

Структурная схема измерителя АЧХ линейных цепей приведена на рис. 14.12, а. Диапазонный генератор гармонических колебаний перестраивают в исследуемом диапазоне частот. Амплитудно­частотную характеристику удобно снимать с помощью цифрового вольтметра по точкам при последовательной настройке генератора на частоты f1 f2 f3 и т. д. По результатам измерений графически строят искомую АЧХ (рис. 14.12, б). Этот метод достаточно трудоемок. Кроме того, могут быть упущены изменения АЧХ в промежутках между точками измерений. Недостатки метода особенно заметны при настройке радиотехнических схем, когда после каждого изменения элементов схемы всю процедуру снятия АЧХ приходится повторять.

                                                                                                             б

Рисунок 14.12. К методу снятия АЧХ по точкам: а- структурная схема измерителя; б- графическое построение АЧХ

Широкое применение находят панорамные измерители АЧХ с электронно-лучевым или современным дисплеем, построенные на основе генератора качающейся частоты и цифровой схемы управле­ния и настройки. По принципу действия панорамные измерители близки к гетеродинным анализаторам спектра. Однако между этими приборами имеются и различия, связанные с тем, что анализаторы спектра служат для измерения параметров сигналов, а измерители АЧХ - для исследования характеристик цепей и устройств.

Рисунок 14.13. Структурная схема панорамного измерителя АЧХ

Структурная схема панорамного измерителя АЧХ приведена на рис. 14.13. Основой прибора является ГКЧ, создающий высокочастот­ное напряжение с периодически меняющейся частотой. Закон изме­нения частоты определяется формой модулирующего напряжения, в ка­честве которого используют пилообразное напряжение развертки. Огибающая напряжения на выходе цепи повторяет форму АЧХ. Если это напряжение подать на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ, то на экране появится изображение АЧХ.

Напряжение на индикатор можно подавать непосредственно с выхода исследуемой цепи - режим первый или после детектора и усилителя низкой частоты - режим второй (ключ на рис. 14.13 в по­ложениях 1 или 2 соответственно). Соответствующие изображения на экране дисплея приведены на рис. 14.14.

Рисунок 14.14.

Первый режим применяют тогда, когда напряжение на выходе линейной цепи имеет достаточно большую амплитуду. Этим устраняют ошибки, связанные с нелинейностью характеристики детектора и неравномерностью АЧХ усилителя низкой частоты. Второй режим используют при исследовании четырехполюсников с малым коэффициентом усиления.

Показанная на рис. 14.14 горизонтальная линия на экране ин­дикатора прочерчивается автоматически во время обратного хода луча. Генератор качающейся частоты на это время запирают напря­жением генератора развертки.

Применяемые измерители АЧХ линейных цепей кроме элемен­тов, показанных на рис.14.13, имеют ряд дополнительных устройств, повышающих точность воспроизведения исследуемых АЧХ на экране дисплея и улучшающих ряд других свойств прибора. Назначение этих устройств нетрудно пояснить на примере структурной схемы панорамного измерителя АЧХ (рис. 14.15).

Рисунок 14.15

Согласно принципу действия измерителя АЧХ, отклонение электронного луча на экране дисплея по горизонтали должно быть про­порционально частоте, т. е. в схеме необходимо обеспечить линейную зависимость между мгновенными значениями напряжения развертки и частоты ГКЧ. Отклонения указанных параметров от линейной зави­симости может привести к неравномерности частотного масштаба на экране панорамного измерителя и искажениям формы исследуемых АЧХ. Для устранения недостатка, в измеритель АЧХ вводится схема линеаризации модуляционной характеристики ГКЧ. Однако качание частоты может сопровождаться изменением амплитуды выходного напряжения, что приведет к искажениям формы исследуемых АЧХ на экране дисплея. Поэтому в данном измерительном приборе преду­смотрено устройство автоматической регулировки амплитуды (на рис. 14.15 не показано), стабилизирующее напряжение на выходе ГКЧ.

Чтобы изменить напряжение, подаваемое на исследуемую цепь, на выходе ГКЧ включен переменный калиброванный аттенюатор. Измерение частот в характерных точках исследуемых АЧХ производят с помощью генератора частотных меток. Как правило, метки форми­руют из нулевых биений, полученных смешением напряжения ГКЧ с напряжением, спектр которого содержит набор калибровочных частот. Усиленное напряжение меток подается на дисплей и образует час­тотную шкалу на экране измерительного прибора.