Лекция 24. Структурные схемы измерителей амплитудно-частотных характеристик
Тема 12. Измерение амплитудно-частотных характеристик
Лекция 24. Структурные схемы измерителей амплитудно-частотных характеристик
Свойства цепей и устройств в существенной степени зависят от их частотных и переходных характеристик. Для цепей с сосредоточенными элементами важную роль играют амплитудно-частотная и фазочастотная (ФЧХ) характеристики.
Амплитудно-частотной характеристикой называют кривую зависимости амплитуды напряжения на выходе цепи от частоты при постоянной амплитуде напряжения на входе. Амплитудно-частотную характеристику избирательных цепей, в частности колебательных контуров, называют резонансными кривыми.
Фазочастотная характеристика представляет собой частотную зависимость разности фаз между напряжениями на выходе и входе исследуемой цепи. Производная от ФЧХ по угловой частоте является частотной характеристикой группового времени задержки.
При экспериментальном исследовании цепей обычно определяют их АЧХ. Это объясняется следующими причинами. Амплитудно-частотная характеристика наглядно отображает свойства цепи в исследуемом диапазоне частот. Ее можно получить сравнительно простыми техническими средствами на базе стандартной измерительной аппаратуры. Кроме того, у минимально-фазовых цепей существует однозначное соответствие между частотными характеристиками, поэтому ФЧХ можно вычислить по измеренной АЧХ.
Минимально-фазовыми цепями являются колебательные контуры, фильтры, усилители и другие радиосхемы, в которых отсутствуют перекрестные связи. К неминимально-фазовым цепям относятся мостовые и некоторые специальные схемы. Практически, при настройке минимально-фазовых цепей достаточно обеспечить заданную форму их АЧХ. При этом цепь имеет вполне определенные ФЧХ и характеристику группового времени задержки.
Приборы для исследования амплитудно-частотных характеристик радиосхем и радиоустройств называются измерителями АЧХ.
Структурная схема простейшего измерителя АЧХ приведена на (рис. 12.1 а). Генератор синусоидальных колебаний перестраивают в заданном диапазоне частот. Амплитудно-частотную характеристику или зависимость амплитуды напряжения на выходе исследуемой цепи от частоты при постоянной амплитуде напряжения на входе снимают по точкам при последовательной настройке генератора на частоты f1, f2, f3…, fn. По результатам измерений строят искомую кривую (рис. 12.1 б).
Способ снятия АЧХ (см. рис. 12.1) является трудоемким. Длительность процесса измерения АЧХ приводит к появлению ошибок, обусловленных нестабильностью частоты генератора и питающих напряжений. Кроме того, могут быть пропущены резкие изменения АЧХ в промежутках между точками измерений.
Недостатки этого способа особенно заметны при настройке цепей и устройств, когда после каждого изменения элементов схемы всю процедуру снятия АЧХ приходится повторять.
В настоящее время широко применяются панорамные автоматизированные измерители АЧХ, построенные на основе генератора с качающейся частотой и электронно-лучевого индикатора. Использование этих приборов существенно уменьшает время измерения параметров АЧХ и повышает качество настройки радиосхем.
По принципу действия и построению эти приборы близки к гетеродинным анализаторам спектра. Однако между измерителями АЧХ и анализаторами спектра имеются и существенные различия, связанные с тем, что анализатор спектра предназначен для измерения параметров сигналов, а измеритель АЧХ служит для исследования характеристик цепей и устройств.
Упрощенная структурная схема автоматизированного измерителя АЧХ приведена на (рис. 12.2). Основу прибора составляет генератор качающейся частоты (ГКЧ), который предназначен для выработки напряжения с постоянной амплитудой, модулированного по частоте. Закон изменения частоты определяется формой модулирующего напряжения, в качестве которого используют пилообразное напряжение развертки.
Таким образом, на вход исследуемой цепи подается напряжение с постоянной амплитудой и периодически меняющейся частотой. Закон изменения амплитуды напряжения на выходе цепи будет повторять форму АЧХ. Если это напряжение подать на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ, то на экране появится изображение АЧХ исследуемой цепи.
Напряжение на ЭЛТ можно подавать непосредственно с выхода исследуемого четырехполюсника или после детектора и усилителя (переключатель K на схеме (рис. 12.2 а находится в положениях 1 или 2). Соответствующие изображения на экране ЭЛТ приведены на (рис. 12.2 б), на котором показанная «нулевая линия» прочерчивается во время обратного хода луча. На это время ГКЧ запирается.
Первый вариант применяют в тех случаях, когда на выходе цепи напряжение имеет достаточно большую амплитуду, например при исследовании усилителей. При этом устраняются ошибки, обусловленные нелинейностью характеристики детектора и неравномерностью АЧХ низкочастотного усилителя прибора. Второй вариант используют при исследовании цепей и устройств с малым коэффициентом передачи.
Кроме узлов, представленных на (рис. 12.2), современный измеритель АЧХ имеет ряд дополнительных устройств, повышающих точность воспроизведения исследуемых АЧХ и улучшающих эксплуатационные характеристики прибора. Обобщенная структурная схема измерителя АЧХ представлена на (рис. 12.3).
Кратко охарактеризуем работу этих устройств. Из принципа действия измерителя АЧХ следует, что отклонение луча по горизонтали должно быть пропорционально частоте, т.е. имеет место линейная зависимость между мгновенными значениями напряжения развертки и частоты ГКЧ. Отклонения от этой зависимости приводят к неравномерности частотного масштаба на экране прибора и к искажениям формы исследуемых АЧХ. В связи с этим в измеритель АЧХ вводится схема линеаризации модуляционной характеристики ГКЧ.
Качание частоты обычно сопровождается изменением амплитуды напряжения ГКЧ, что также приводит к искажениям формы исследуемых АЧХ на экране. В связи с этим в приборе имеется устройство автоматической регулировки амплитуды (АРА), стабилизирующее напряжение на выходе ГКЧ. Для изменения напряжения, подаваемого на исследуемую цепь, на выходе ГКЧ включают переменный аттенюатор.
Частоты, соответствующие характерным точкам АЧХ, измеряют с помощью частотных меток. Как правило, метки формируют из нулевых биений напряжения ГКЧ с напряжением, спектр которого содержит набор постоянных калибровочных частот. Усиленное напряжение подается на вертикально отклоняющие пластины или модулятор ЭЛТ и образует частотную шкалу на экране прибора.
Измеритель АЧХ также комплектуется набором выносных и встроенных детекторных головок различного назначения.