Основные узлы и устройства измерителей амплитудно-частотных характеристик
Важнейшим узлом измерителя АЧХ является генератор качающейся частоты. Рабочий диапазон частот, максимальная и минимальная полоса качания частоты, точность воспроизведения исследуемых АЧХ на экране определяются схемой и параметрами ГКЧ. Генератор качающейся частоты строится на принципах, которые были рассмотрены в гл. 11, поэтому здесь ограничимся краткой характеристикой ГКЧ, применяемых в измерителях АЧХ (рис. 12.4).
В тех случаях, когда требуются небольшой коэффициент перестройки по частоте (менее 5) и малая полоса качания частоты, применяют ГКЧ, состоящий из частотного модулятора и одноконтурного автогенераторас перестраиваемой средней частотой (см. рис. 12.4 а).
При исследовании широкополосных цепей возникает необходимость автоматического изменения частоты в широкой полосе. В этом случае применяют ГКЧ гетеродинного типа.
Напряжения с выходов диапазонного генератора и автогенератора, настроенные на постоянную среднюю частоту, подаются на смеситель. С помощью ФНЧ на выходе смесителя выделяется колебание разностной частоты
fГКЧ(t) = fд ‒ fa,
где fд — частота диапазонного генератора; fa — частота автогенератора.
Полоса качания частоты равна полосе, в которой изменяется частота автогенератора. Частоты обычно значительно ниже средней частоты колебаний автогенератора, поэтому можно получить коэффициент перестройки по частоте до 104 при относительной полосе качания более единицы. Достоинством такой схемы является возможность получения большой мощности на выходе. К недостаткам этой схемы относятся возможность появления искажений формы выходного напряжения (вследствие попадания в полосу пропускания фильтра комбинационных колебаний высоких порядков) и сравнительно малая мощность на выходе.
Модулятор (генератор развертки) вырабатывает напряжение для управления частотой ГКЧ и горизонтальным отклонением луча. Форма модулирующего напряжения в измерителях АЧХ, в принципе, может быть любой. Необходимо лишь обеспечить постоянный частотный масштаб по оси x, т.е. линейную связь между мгновенными значениями частоты ГКЧ и величиной горизонтального отклонения луча.
Поскольку в измерителях АЧХ в качестве напряжения развертки используют модулирующее напряжение Uмод и отклонение луча по горизонтали, пропорциональное ему, то сформулированное условие можно записать следующим образом:
fГКЧ(t) = a + bUмод(t). (12.1)
где a и b — некоторые постоянные коэффициенты.
Соотношение (12.1) справедливо при любом законе изменения модулирующего напряжения. Практически применяются напряжения пилообразной, треугольной и синусоидальной форм. Период модулирующего напряжения делится на время прямого и обратного хода луча. В течение прямого хода луч прочерчивает на экране исследуемую АЧХ, а обратный ход используется для фиксации линии развертки, т.е. линии, соответствующей нулевому отклонению луча по вертикали. Это достигается путем запирания ГКЧ на время обратного хода луча специальными импульсами, вырабатываемыми в модуляторе.
В измерителях АЧХ с треугольным законом качания частоты генератор качающейся частоты не запирают, и луч прочерчивает исследуемую АЧХ как при прямом, так и при обратном ходе. Это позволяет контролировать динамические погрешности измерений (см. подраздел 12.4). Зависимость fГКЧ(Uмод) называют модуляционной характеристикой ГКЧ. Как следует из соотношения (12.1), эта зависимость должна быть линейной. Ее нелинейность приводит к искажению формы исследуемых АЧХ на экране прибора.
Рассмотрим основные способы линеаризации модуляционной характеристики ГКЧ.
1. В ряде случаев эту задачу решают путем введения в схему измерителя диодного функционального преобразователя. Диодный преобразователь включают между модулятором и нелинейным элементом в контуре автогенератора. С помощью этой схемы осуществляется такое изменение формы модулирующего напряжения, при котором обеспечивается нужный закон изменения частоты ГКЧ, т.е. линейность модуляционной характеристики. Этот способ весьма удобен, так как он обладает простотой схем диодных преобразователей, возможностью аппроксимировать с их помощью практически любую функцию с высокой степенью точности.
2. При пилообразном модулирующем напряжении линейность модуляционной характеристики обеспечивается при изменении частоты ГКЧ по линейному закону. В этом случае целесообразно использовать систему автоматической регулировки частоты, изображенную на (рис. 12.4 б). Напряжение на смеситель подается с выхода ГКЧ и с линии задержки. Время задержки не должно зависеть от частоты. При этом колебания на выходе линии задержки по отношению к колебаниям на входе будут сдвинуты на время tЗ. С помощью ФНЧ на выходе смесителя выделяется колебание разностной частоты
F(t) = fГКЧ(t) ‒ fГКЧ(t – tЗ).
Очевидно, что при линейной зависимости fГКЧ(t) разностное колебание будет иметь постоянную частоту, т.е.
F0(t) = fГКЧ(tЗ) ‒ fГКЧmin,
где fГКЧmin — значение минимальной частоты ГКЧ.
На эту частоту и настраивают частотный детектор. При отклонении закона изменения частоты ГКЧ от линейного на выходе частотного детектора появляется напряжение ошибки. Воздействуя на нелинейный элемент в схеме автогенератора, это напряжение линеаризирует модуляционную характеристику ГКЧ.
3. Способлинеаризации модуляционной характеристики, основанный на применении частотного детектора, поясняется структурной схемой (рис. 12.4 в). Колебания автогенератора с качающейся частотой подаются на частотный детектор, настроенный на среднюю частоту автогенератора. Напряжение с выхода частотного детектора используется для горизонтального отклонения луча. Как известно, величина этого напряжения линейно зависит от частоты колебания на входе частотного детектора.
Данный способ линеаризации модуляционной характеристики целесообразно применять при постоянной средней частоте автогенератора, т.е. когда он включен в схему ГКЧ гетеродинного типа (см. рис. 12.4 а). Практически этот способ используют лишь при малой полосе качания частоты из-за трудности создания частотного детектора с линейной характеристикой в широкой полосе частот.
Амплитудно-частотная характеристика должна сниматься при постоянной амплитуде напряжения на входе исследуемого устройства, т.е. при постоянной амплитуде напряжения ГКЧ. Нестабильность амплитуды напряжения ГКЧ в пределах полосы качания вызывает искажения формы исследуемой АЧХ на экране. Изменение этой величины при перестройке ГКЧ приводит к ошибкам при определении коэффициента передачи исследуемой цепи. В современных измерителях АЧХ принимают специальные меры для стабилизации амплитуды напряжения ГКЧ. В схему прибора вводится устройство АРА, изображенное на (рис. 12.4 г).
Напряжение ГКЧ поступает на детектор системы АРА. Напряжение на выходе детектора, пропорциональное амплитуде напряжения ГКЧ, сравнивается с постоянным опорным напряжением Uоп. Усиленное разностное напряжение (сигнал ошибки) подается на ГКЧ и стабилизирует амплитуду его колебаний.
В качестве детектора АРА на низких частотах используют высокоомную детекторную головку, на высоких частотах применяют головку проходного типа (описание детекторных головок приводится далее). Усилителем системы АРА, как правило, является усилитель постоянного тока с малым дрейфом выходного напряжения. Недостаток рассмотренного способа стабилизации амплитуды напряжения ГКЧ состоит в том, что изменение амплитуды колебаний, как правило, приводит к дополнительной модуляции частоты, что вызывает искажения формы АЧХ на экране.
Этого недостатка нет у другого способа стабилизации амплитуды напряжения ГКЧ. Между таким генератором и исследуемым устройством включают широкополосный усилитель с электрически изменяемым коэффициентом усиления. Напряжение с выхода системы АРА регулирует коэффициент усиления, стабилизируя, таким образом, напряжение на входе исследуемого устройства.
На высоких частотах для стабилизации амплитуды напряжения ГКЧ применяют широкополосные электрически управляемые аттенюаторы.
Измерители АЧХ комплектуются выносными и встроенными детекторными головками трех типов: высокоомными, согласованными оконечного типа и согласованными проходными. Принципиальные схемы детекторных головок приведены на (рис. 12.5).
Высокоомные детекторные головки предназначены для измерения напряжения с минимальным влиянием на исследуемую цепь. Они применяются на частотах до нескольких сотен мегагерц. Высокоомная детекторная головка должна иметь достаточно большое входное активное сопротивление, малую входную емкость и равномерную АЧХ в рабочей полосе частот.
Выравнивание частотной характеристики детекторной головки достигается путем включения последовательно с диодом небольшого активного сопротивления (на рис. 12.5, а эту роль выполняет резистор R1), ослабляющего влияние резонанса входной цепи.
Согласованные оконечные детекторные головки служат для измерения напряжения на выходе высокочастотных трактов, работающих в режиме бегущей волны. Эти головки должны иметь малый коэффициент стоячей волнынапряженияKс.в на входе и равномерную АЧХ в рабочем диапазоне частот. Малый коэффициент стоячей волны напряжения обеспечивают согласованием входа детекторной головки с высокочастотным трактом. Для этого сопротивление поглощающего резистора R1 (см. рис. 12.5 б) устанавливают равным волновому сопротивлению исследуемого тракта. Равномерность АЧХ детекторной головки достигается компактностью конструкции, в частности включением диода в непосредственной близости от резистора.
Согласованные проходные детекторные головки используют для контроля неравномерности амплитуды напряжения ГКЧ, а также при некоторых измерениях. Проходная детекторная головка представляет собой отрезок коаксиальной линии, к внутреннему проводнику которой подключен диод (см. рис. 12.5 в). Для компенсации емкости диода диаметр внешнего коаксиала в области расположения диода несколько увеличивают. Основным недостатком детекторной головки любого типа является нелинейность ее характеристики детектирования. Это связано с неидеальной формой вольт-амперной характеристики диода.
Кривую, изображающую характеристику детектирования, с достаточной для практики точностью можно разбить на два участка — начальный с квадратичной зависимостью тока детектора от амплитуды входного напряжения и линейный. Для детекторных головок с германиевыми полупроводниковыми диодами граничное значение амплитуды входного напряжения обычно составляет 0,2B. В измерителях АЧХ работают на линейном участке характеристики детектирования. Для этого амплитуда напряжения на выходе исследуемой цепи должна быть больше указанной величины,
На (рис. 12.5) R1 и R2 — резисторы; C1 и C2 — конденсаторы; Д2Е, Д605 — используемые диоды.
В индикаторное устройство измерителя АЧХ входят усилители вертикального и горизонтального каналов и ЭЛТ.
Выбор типа ЭЛТ определяется ее эксплуатационными свойствами, а именно: размерами экрана, чувствительностью, качеством фокусировки луча, рабочей полосой частот и т.д. В зависимости от частоты модулирующего напряжения используют ЭЛТ с нормальным или длительным послесвечением. В измерителях АЧХ применяют как осциллографические трубки с электростатическим отклонением луча, так и трубки телевизионного типа с магнитным отклонением луча. Последние имеют обычно прямоугольный экран значительно больших размеров, чем трубки с электростатическим отклонением, и лучшую фокусировку луча.
Недостатками магнитных ЭЛТ являются большие мощности, необходимые для отклонения луча и малая рабочая полоса частот, что обусловлено в основном большими индуктивностями отклоняющих катушек. Для выравнивания частотных характеристик индикатора применяют отрицательную обратную связь в оконечных каскадах усилителей вертикального и горизонтального каналов.
Контрольные вопросы
1Что такое амплитудно-частотная характеристика и фазочастотная характеристика?
2Что является «Минимально-фазовыми цепями» и «Неминимально-фазовыми цепями»?
3В чем состоит особенность структурной схемы измерителей АЧХ?
4Какова особенность схемы автоматизированного измерителя АЧХ?
5Какие дополнительные устройства имеет современный измеритель АЧХ?
6Какой узел является основным в схеме любого измерителя АЧХ?
7Какие есть основные способы линеаризации модуляционной характеристики ГКЧ?
8Какие существуют схемы детекторных головок?
9В чем заключается методика выбора ЭЛТ?