Как снять ачх усилителя

Как снять ачх усилителя

Прежде чем проверять динамики, колонки или наушники, убедитесь в том, что ваш усилитель (или стационарный, или встроенный в активные колонки, или звуковой карты компьютера) имеет достаточно хорошие технические характеристики (параметры). Т.е. насколько прямолинейна и широка его АЧХ, может ли он выдавать все частоты с одинаковым уровнем, без завала по низким частотам (чем часто грешат усилители низкого качества).

Заодно можно определить, развивает ли он заявленную изготовителем максимальную мощность (Pmax) и какое выходное сопротивление (Rвых) имеет.

Методика проверки амплитудно-частотной характеристики

Для измерения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в один из каналов (левый или правый) вместо колонки в качестве нагрузки усилителя проводниками подключите резистор любого типа, сопротивлением 5-10ом. Парал­лельно резистору подключите вольтметр пере­менного тока (цифровой в данном случае удобнее стрелочного), и, подав с компьютера сигнал генератора звуковых частот (объём архива 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости установите выходное напряжение, например 1вольт (1000 милли­вольт), далее, не меняя уровень сигнала, уменьшайте частоту генератора (в диапа­зоне 1000-100 герц кнопкой «-100», в диапазоне 100-20 герц кнопкой «-10») начиная от 1000гц. и до 20гц. включительно (при этом регуляторы тембра на усилителе должны стоять в среднем положении или отключены, т.е. его АЧХ должна быть прямолинейна (горизон­тальна).

Напряжение на выходе усилителя НЕ ДОЛЖНО меняться более чем на ±2 децибела (или в 1,25 раза), но чем меньше, тем лучше (в нашем случае, оно должно находиться в пределах между 0,8-1,25 вольт, или 800-1250 милли­вольт). Идеальный вариант — все частоты выдаются с одинаковым уровнем.

Ну а если завал напряжения по низким частотам составит 2 и более раз, что соответ­ствует 6 децибел и более (т.е. напряжение опустится до 0,5 вольт и менее), то ваши колонки никогда не смогут звучать во всей своей красе. К тому же, при нелинейной характеристике усилителя вы не сможете точно определить резонансную частоту динамиков. Пример такой нелинейной АЧХ показан на рисунке слева (см. синюю кривую).

Точно также проверяется и второй канал усилителя. В случае значительного спада сигнала на низких частотах желательно поменять усилитель на более качественный.

Измерение выходного сопротивления усилителя

От величины выходного сопротивления зависят коэффициент демпфирования и интер­модуляционные искажения, также оно напрямую влияет на общую добротность системы. Выходное сопротивление усилителя мощности должно находиться в пределах 1/10-1/1000 от сопротивления нагрузки и у современных усилителей имеет величину порядка 0,01-0,1 Ом.

Для его измерения в качестве нагрузки усилителя проводниками подключите резистор любого типа, сопротивлением 4 или 8ом соответствующей мощности. Параллельно выходу усилителя подключите вольтметр переменного тока (цифровой в данном случае удобнее стрелочного), и, подав с компьютера сигнал генератора звуковых частот (объём архива 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости установите выходное напряжение в пределах от 1 до 5 вольт.

Вначале нужно замерить выходное напряжение усилителя на холостом ходу (без нагрузки). Потом проделать то же самое, нагрузив его на резистор. Все величины, включая Rнагр, нужно измерять как можно точнее. Выходное сопротивление вычисляется по формуле
Rвых=[(Uхх/Uнагр)-1]×Rнагр или
Rвых=[(Uхх-Uнагр)/Uнагр]×Rнагр. пример: [(5-4,9)/4,9]×8=0,163ом.

Таким образом можно определить выходное сопротивление и на втором канале, и на любой частоте.

Измерение максимальной мощности

Некоторые пользователи хотят знать, какую мощность реально выдают их усилители в нагрузку, не доверяя характеристикам, заявленным производителями. Это можно сделать, но вам понадобятся:

1. мощный нагрузочный резистор
2. генератор звуковых частот
3. вольтметр переменного напряжения
4. осциллограф.

Самое сложное, это купить или самостоятельно изготовить мощный нагрузочный резистор и найти осциллограф. В крайнем случае, в качестве осциллографа можно использовать компьютер или ноутбук с программой «Виртуальный осциллограф» из архива (объём 0,3 Мб.). Подробное описание его работы и схема адаптера (делитель напряжения для согласования входа звуковой карты компьютера с источником исследуемого напряжения) имеются в справке программы. Резистор можно изготовить из спирали древнего утюга, электрической плитки или тепловентилятора.

В один из каналов (левый или правый) вместо колонки в качестве нагрузки усилителя проводниками подключите резистор любого типа, сопротивлением, соответствующим расчётному сопротивлению нагрузки вашего усилителя. Оно указывается в инструкции на аппаратуру и обычно составляет 8 или 4ом. Мощность резистора должна быть достаточной, чтобы он не сгорел во время работы, т.е. не меньше предполагаемой выходной мощности усилителя (если усилитель заявлен на 100 ватт на канал, мощность резистора должна быть 100 ватт и больше).

Параллельно резистору подключите вольтметр переменного тока (лучше стрелочный, он показывает действующее значение напряжения), а также осциллограф и, подав с компьютера сигнал генератора звуковых частот (объём архива 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости установите выходное напряжение, например 1 вольт (1000 милли­вольт). Наблюдайте форму сигнала на осциллографе, далее, не меняя частоту, увеличивайте амплитуду сигнала.

Синусоида будет увеличиваться по высоте, не искажая свою форму, но в какой-то момент произойдёт её клиппирование, она как бы упрётся в «потолок и пол», вместо закруглённой, её верхняя и/или нижняя части станут горизонтальными, как на рисунке справа, т.е. начнётся ограничение сигнала по амплитуде. Уменьшите амплитуду таким образом, чтобы сигнал был на грани клиппирования (ещё сохранял закругленную форму). Напряже­ние, показанное в этот момент на вольтметре, равно Umax. По формуле P=U²/R рассчитайте максимальную мощность усилителя.

Например, Umax=21v. R=4om. Pmax=21²/4=110ватт. Если R=8ом, то Рmax=55ватт.

Таким же способом можно проверить максимальную выходную мощность на нижней частоте АЧХ усилителя (20 герц.), или на нижней частоте частотного диапазона, указанного для ваших колонок, например 40, 45 или 50 герц. Ограничение синусоиды по амплитуде в идеале должно происходить строго симметрично, на обоих полуволнах сигнала.

Методика тестирования усилителей мощности и усилителей для наушников (вторая редакция)

Основной целью тестирования качества усилителей мощности является определение качества продукта по выработанным критериям — по абсолютной шкале и сравнению с конкурентами. Успех усилителя мощности, как удачного продукта, зависит от совокупности многих факторов. Из них можно выделить следующие, наиболее важные для пользователя: внешний вид, эргономика, функциональность и качество звучания. Стоимость изделия также является важным фактором при покупке, однако наиболее актуален показатель цена/качество для своей ценовой категории, в сравнении с ближайшими конкурентами.

Для сравнения усилителей друг с другом, а также более четкого представления о каждом изделии, целесообразно исследовать и проводить сравнение продуктов по всем основным признакам, определяющим интегральную оценку качества.

Наиболее полезно прямое сравнение с конкурирующими продуктами, при наличии референсного тракта в качестве абсолютного эталона.

Измерительное оборудование

В оборудование для объективных замеров должен входить звуковой интерфейс с параметрами, превосходящими параметры тестируемого усилителя.

Среди звуковых интерфейсов можно отметить E-MU 1616m со следующими особенностями:

• высокое качество преобразователей
  • Dr/Sn 118 дБ в собственном loop
  • THD 0,0008% в собственном loop

  Среди недостатков E-MU 1616m стоит отметить отсутствие ground-lift — полной развязкой по земле.

  В планах выложить отчет о погрешностях, вносимые звуковыми картами разных ценовых категорий.

  Измерения производятся специально разработанным программно-аппаратным комплексом RMAA. Дополнительно могут использоваться другие программы, для проведения дополнительных тестов, генерирования тестовых сигналов, редактирования и показа результата.

  Резистивная нагрузка комплектуется из резисторов. Нагрузочная способность резистивной батареи подбирается индивидуально и должна быть выше выходной мощности усилителя.

  

  При замере вольтметром снимается Uвх и рассчитывается выходная мощность. Полученный результат не является абсолютным. Это может быть вызвано отклонениями напряжения в сети — не все усилители имеют контроль и подстройку напряжения на входе. Для учета этой особенности уровень напряжения в сети указывается дополнительно.

  Трактовка объективных замеров

  Для большей точности, при анализе используются объективные параметры — основные существующие показатели, которые можно получить в результате измерений. Это неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), гармонические искажения в рабочей полосе частот, в зависимости от выходной мощности и нагрузки, скриншоты спектра на контрольных частотах.

  При тестировании устройства отчет может содержать результаты следующих тестов.

  Амплитудно-частотная характеристика

  АЧХ характеризует рабочий диапазон частот устройства и неравномерность передачи тембра. При наличии тембров или Lougness режима, показывается АЧХ в крайних положениях регуляторов тембра.

  Для большей точности, в полученной АЧХ вносится поправка погрешности АЧХ звукового интерфейса с помощью вычитания полученных результатов в RMAA (Подробности в описании работы с софтом).

  Возможно сравнение АЧХ, сделанные на разных нагрузках.

  

  Небольшой спад на краях частотного диапазона является нормой. Погрешность в области ВЧ при замере мультитоновым сигналом зависит от количества шумов и наводок полученных при записи тестового сигнала. Расхождения до 1 дБ в ряде случаев допустимо. Подробнее в разделе варианты корректно отображаемых результатов и ошибочных.

  Уровень гармонических искажений (THD)

  Уровень гармоник показывает слышимую составляющую гармонических искажений.

  Спектр гармонических искажений хорошо коррелирует со звучанием простых звуков, вроде клавишных, струнных и других инструментов воспроизводящие преимущественно однотонные сигналы с узким спектром частот для воспроизводимой ноты. В данном случае паразитные гармоники попадают в зону спектра, где они не заглушаются другим полезным сигналом. В тесте усилителя Behringer A500 очень показательна запись такого отрывка.

  При замерах обращается внимание на спектральное распределение и характер искажений. Психоакустически слышимость паразитных гармоник зависит от относительного уровня по отношению к тестовому сигналу, от порядка гармоники, от типа (четная/нечетная) а так же от того, на какой громкости прослушивается тестовый фрагмент.

  Максимальная измеряемая мощность фиксируется только в штатном режиме усилителя на допустимой нагрузке заявленной фирмой изготовителем и определением характера перехода в режим с искажениями. Усилитель может перейти в высокий уровень искажений как резко, так и плавно. Если усилитель в искажения уходит резко, то нет смысла привязываться к стандартным 1 и 10% искажений, либо суммарным КГИ, в зависимости от выходной мощности. Это к сожалению не всегда регистрируется большинством измерительных лабораторий.

  

  В примере показаны спектры усилителя при разной выходной мощности с незначительными различиями в процентном отношении гармонических искажений. Пользы замера при 1% и 10% в данном случае нет, т. к. произошел резкий переход в искажения всего на 0,3%.

  

  Вид синуса с искажениями 0,334% в данном случае.

  Для общей картины, спектры с искажениями на контрольных частотах приводятся при разном выходном уровне мощности. Это позволяет оценить зависимость величины и характера искажений от выходной мощности.

  При одинаковом спектральном распределении искажений для всех частот можно вывести зависимость КГИ от частоты, для определенной гармоники или общий КГИ+шум для оценки уровня искажений.

  

  

  В ряде случаев принципиальной разницы между выводом «только вторая гармоника» и «КГИ+шум» не будет, так как основной вклад вносит вторая, либо третья гармоника.

  

  График неискаженной мощности в зависимости от сопротивления показывает уровень искажений до резкого перехода в искажения при увеличении громкости (клиппинг), либо до уровня, при котором характер искажений остается постоянным.

  В подробном отчете значения при резком уходе спектра в клиппинг отмечаются как «Резкий переход в искажения — ДА», при изменении спектра искажений и плавным увеличении гармоник «Резкий переход в искажения — НЕТ».

  У ряда усилителей гармонические искажения зависят не только от выходной мощности, но и от общего коэффициента усиления (отношение уровней сигналов между входом и выходом, без привязки к схемотехнике устройства).

  

  При одной и той же выходной мощности, при разном уровне коэффициента усиления на выходе уровень гармонических искажений разный

  В данном тесте идет определение режима усилителя с наиболее качественным звучанием. На основе этих данных можно предположить, в каких условиях эксплуатация усилителя будет оптимальна.

  Интермодуляционные искажения (IMD)

  Интермодуляционные искажения при тонах 60 Гц и 7000 Гц

  

  Интермодуляционные искажения при тонах 19 кГц и 20 кГц

  

  Мультитон

  Мультитоновый сигнал состоит из 120 тонов, и является более приближенным к реальному звуковому сигналу. Аналогичный сигнал использует Audio Precision под названием FASTTEST.

  Уровень каждой из гармоник существенно ниже, чем в тесте THD, и не смотря на такое же амплитудное значение — средняя мощность мультитонового сигнала ниже.

  Если по THD можно представить звучание простых звуков, то мультитон показывает, какие искажения даст усилитель на более сложном музыкальном сигнале.

  Мультитон эмулирует «сложный» сигнал — спектр максимально приближен к реальному. В тестах приводится сравнение шумовой полки усилителя и спектром воспроизводимого сигнала. Вполне очевидно, что услышать искажения ниже собственных шумов усилителя крайне сложно. При этом видно, что уровень каждой гармоники находится примерно под -30

  40 дБ, что в свою очередь уменьшает и уровни паразитных гармоник. Но при этом сумма паразитных гармоник может превысить уровень шумов усилителя.

  На спектре можно увидеть подъем «шумовой полки». Хорошим результатом может считаться лишь незначительный подъем искажений над шумовой полкой усилителя.

  Мультитон — усилитель и тестирующее устройство

  

  Измерительное оборудование должно обеспечивать запас по уровню шума и искажений, это дополнительно может быть показано на спектре.

  Мультитон — усилитель и шумовой порог

  

  Отображение уровня шумовой полки условно и зависит от настроек спектроанализатора. В «цифрах» корректнее сравнивать RMS шума и RMS искажений, но на данный момент не найден корректный способ подсчета с вычетом полезного мультитонового сигнала.

  На данный момент приводится численное значение «Подъем искажений от шумовой полки / разница амплитуды между тестовым тоном и искажениями на контрольной частоте». Чем меньше значение «Подъем искажений от шумовой полки» — тем лучше.

  Дополнительно могут быть указаны параметры «Подъем искажений тестирующего устройства от шумовой полки тестируемого устройства» — в идеале значение должно быть отрицательным. Если значение положительно, то на такую величину увеличен параметр «Подъем искажений от шумовой полки» по вине тестирующего устройства, а не тестируемого усилителя.

  Следует понимать, что численные значения лишь помогают оценить масштаб картинки, и при построении спектра с другими параметрами окна будут другими.

  
  Вид референсного мультитонового сигнала для 16 бит
  

  
  

  Референсные характеристики для 16-ти битного сигнала
  Подъем искажений от шумовой полки / разница амплитуды между тестовым тоном и искажениями на 200 Гц, дБ
  Подъем искажений от шумовой полки / разница амплитуды между тестовым тоном и искажениями на 1000 Гц, дБ
  Подъем искажений от шумовой полки / разница амплитуды между тестовым тоном и искажениями на 10000 Гц, дБ	Не смотря на широкое распространение источников воспроизведения в «с качеством 24 битного сигнала» и высокими характеристиками сигнал/шум, далеко не все эти источники справляются с 16-ти битным сигналом при анализе искажений. По этому высококачественный усилитель в идеале должен дотягивать по параметрам хотя бы до 16 бит. TIMD Тест представляет собой комбинированный сигнал из низкочастотного тона 47 Гц и меандра с частотой 3 кГц, с ограниченной полосой в 20 кГц. Сигнал имитирует удар в барабан. Как и в других тестах, чем чище спектр, тем лучше. Шумовая полка Как правило параметр сигнал/шум не представляет особого интереса для усилителя. Дело в том, что шумовая полка формируется из двух составляющих, фоновых шумов не зависящих от входного сигнала воспроизводимого сигнала, и от входного сигнала, фактически повторяющего отношение сигнал/шум источника. В итоге максимальное отношение сигнал/шум получается как правило на максимальной мощности усилителя. Интерес представляет другой параметр, это характер шумов. Шум можно условно разделить на два типа «неслышимый» и на «слышимый раздражающий». Второй тип шума — это зудящий призвук, хорошо слышимый в паузах. Ярким примером являются с нежелательным характерным видом спектра являются M-Audio EX66. На виде волны в таких случаях можно увидеть излом, «заусенец» и т. п. артефакты. На спектрах как правило шумовая полка приводится для визуальной возможности отделения шумов от исследуемых искажений. Сравнивать шумовые полки, полученные в разное время нельзя, т. к. спектр шумов сильно зависит от внешнего оборудования, включая оборудование соседей. Пример наводок лампы дневного света в районе 40 кГц Взаимопроникновение каналов зеленый — шумовая полка, белый — взаимопроникновение каналов При большом взаимопроникновении каналов как правило ухудшается стереопанорама, четкость локализации источников. На основе психоакустики считается, что беспокоится не о чем, при взаимопроникновении каналов до 40 дБ. Однако усилитель не всегда единственное звено между звуковым интерфейсом и акустическими системами, и если цепочку добавить еще и микшер/пульт, то итоговое значение может стать выше допустимого. Связь объективных и субъективных отчетов, психоакустика и исследования зависимостей Сами по себе объективные отчеты дают немного информации о характере звучания. Еще сложнее сопоставлять объективные результаты, полученные в разных условиях. По этому важно проведение как субъективного, так и объективного теста. Со временем накапливается статистика, совершенствуются методики, и гораздо большее количество пользователей может по объективным данным дать адекватную оценку изделию. Что еще важнее — пользователь получает возможность проверить характеристики своего усилителя с усилителями такой же марки у других пользователей дистанционно. Ведь производители нередко меняют схемотехнику устройства без уведомления покупателей, прикрываясь пунктом с примерно такой формулировкой: «производитель имеет право вносить изменения с целью повышения качества изделия» и не уточняя, каких именно характеристик и насколько. Производитель вполне может улучшить один параметр и ухудшить другой. Сегодня посредством интернета можно легко и просто обмениваться информацией. Развитие тестового пакета RMAA жестко ударило по производителям звуковых карт, которые до этого мало следили за качеством продукции, надеясь, что пользователи не услышат каких-то проблем в звучании, или не смогут это подтвердить фактами. Сейчас компании, которые заботятся о своей репутации, с большим вниманием относятся к объективным тестам и более осторожны в расписывании характеристик своих устройств. Субъективные тесты, методика AES20, требования к экспертам и тестовое прослушивание Подход такой же, как и в описании методики тестирования акустических систем. Различия в деталях. При проведении субъективного теста, усилители скрываются визуально непроницаемым экраном, либо проводится ряд мер, по которым невозможно определить, какой именно усилитель в данный момент подключен к АС. На все усилители подается одинаковый сигнал с многоканального звукового интерфейса, либо идет переключение через роутер. Роутер может быть как на пассивных, так и активных элементах. Пассивные элементы (галетные переключатели или реле) предпочтительнее, так как меньше вносят искажений в сигнал. С выхода усилителей усиленный сигнал также попадает на роутер и после него на контрольные акустические системы. Целесообразно использовать контрольные акустические системы сопоставимой ценовой категории, либо той, на которую рассчитан усилитель (часть функциональных решений может сделать конкретную модель усилителя более дорогой). Дополнительно может проводится прослушивание на акустических системах более высокого класса. Особенности звучания каждой модели усилителя фиксируется в письменном отчете. Что такое АЧХ и ФЧХ Аббревиатура АЧХ расшифровывается как амплитудно-частотная характеристика. На английском этот термин звучит как «frequency response», что в дословном переводе означает «частотный отклик». Амплитудно-частотная характеристика цепи показывает зависимость уровня сигнала на выходе данного устройства от частоты передаваемого сигнала при постоянной амплитуде синусоидального сигнала на входе этого устройства. АЧХ может быть определена аналитически через формулы, либо экспериментально. Любое устройство предназначено для передачи (или усиления) электрических сигналов. АЧХ устройства определяется по зависимости коэффициента передачи (или коэффициента усиления) от частоты. Коэффициент передачи Что такое коэффициент передачи? Коэффициент передачи — это отношение напряжения на выходе цепи к напряжению на ее входе. Или формулой: Uвых — напряжение на выходе цепи Uвх — напряжение на входе цепи В усилительных устройствах коэффициент передачи больше единицы. Если устройство вносит ослабление передаваемого сигнала, то коэффициент передачи меньше единицы. Коэффициент передачи может быть выражен через децибелы: Строим АЧХ RC-цепи в программе Proteus Для того, чтобы досконально разобраться, что такое АЧХ, давайте рассмотрим рисунок ниже. Итак, имеем «черный ящик», на вход которого мы будем подавать синусоидальный сигнал, а на выходе черного ящика мы будем снимать сигнал. Должно соблюдаться условие: нужно менять частоту входного синусоидального сигнала, но его амплитуда должна быть постоянной. Что нам делать дальше? Надо измерить амплитуду сигнала на выходе после черного ящика при интересующих нас значениях частоты входного сигнала. То есть мы должны изменять частоту входного сигнала от 0 Герц (постоянный ток) и до какого-либо конечного значения, которое будет удовлетворять нашим целям, и смотреть, какая амплитуда сигнала будет на выходе при соответствующих значениях на входе. Давайте разберем все это дело на примере. Пусть в черном ящике у нас будет самая простая RC-цепь с уже известными номиналами радиоэлементов. Как я уже говорил, АЧХ может быть построено экспериментально, а также с помощью программ-симуляторов. На мой взгляд, самый простой и мощный симулятор для новичков — это Proteus. С него и начнем. Собираем данную схему в рабочем поле программы Proteus Для того, чтобы подать на вход схемы синусоидальный сигнал, мы кликаем на кнопочку «Генераторы», выбираем SINE, а потом соединяем его со входом нашей схемы. Для измерения выходного сигнала достаточно кликнуть на значок с буквой «V» и соединить выплывающий значок с выходом нашей схемы: Для эстетики, я уже поменял название входа и выхода на sin и out. Должно получиться как-то вот так: Ну вот, пол дела уже сделано. Теперь осталось добавить важный инструмент. Он называется «frequency response», как я уже говорил, в дословном переводе с английского — «частотный отклик». Для этого нажимаем кнопочку «Диаграмма» и в списке выбираем «frequency» На экране появится что-то типа этого: Кликаем ЛКМ два раза и открывается вот такое окошко, где в качестве входного сигнала мы выбираем наш генератор синуса (sin), который у нас сейчас задает частоту на входе. Здесь же выбираем диапазон частоты, который будем «загонять» на вход нашей цепи. В данном случае это диапазон от 1 Гц и до 1 МГц. При установке начальной частоты в 0 Герц Proteus выдает ошибку. Поэтому, ставьте начальную частоту близкую к нулю. Далее нажимаем ПКМ на самой табличке Frequency Response и видим вот такой выплывающий список, в котором нажимаем «Добавить трассы» Долго не думая, выбираем в первом же окошке наш выход out и в результате должно появится окошко с нашим выходом Нажимаем пробел и радуемся результату Итак, что интересного можно обнаружить, если взглянуть на нашу АЧХ? Как вы могли заметить, амплитуда на выходе цепи падает с увеличением частоты. Это означает, что наша RC-цепь является своеобразным частотным фильтром. Такой фильтр пропускает низкие частоты, в нашем случае до 100 Герц, а потом с ростом частоты начинает их «давить». И чем больше частота, тем больше он ослабляет амплитуду выходного сигнала. Поэтому, в данном случае, наша RC-цепь является самым простейшим фильтром низкой частоты (ФНЧ). Полоса пропускания В среде радиолюбителей и не только встречается также такой термин, как полоса пропускания. Полоса пропускания — это диапазон частот, в пределах которого АЧХ радиотехнической цепи или устройства достаточно равномерна, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Как же определить полосу пропускания? Это сделать довольно легко. Достаточно на графике АЧХ найти уровень в -3 дБ от максимального значения АЧХ и найти точку пересечения прямой с графиком. В нашем случае это можно сделать легче пареной репы. Достаточно развернуть нашу диаграмму на весь экран и с помощью встроенного маркера посмотреть частоту на уровне в -3 дБ в точке пересечения с нашим графиком АЧХ. Как мы видим, она равняется 159 Герц. Частота, которая получается на уровне в -3 дБ, называется частотой среза. Для RC-цепи ее можно найти по формуле: Для нашего случая расчетная частота получилась 159,2 Гц, что подтверждает и Proteus. Кто не желает связываться с децибелами, то можно провести линию на уровне 0,707 от максимальной амплитуды выходного сигнала и смотреть пересечение с графиком. В данном примере, для наглядности, я взял максимальную амплитуду за уровень в 100%. Как построить АЧХ на практике? Как построить АЧХ на практике, имея в своем арсенале генератор частоты и осциллограф? Итак, поехали. Собираем нашу цепь в реале: Ну а теперь цепляем ко входу схемы генератор частоты, а с помощью осциллографа следим за амплитудой выходного сигнала, а также будем следить за амплитудой входного сигнала, чтобы мы были точно уверены, что на вход RC-цепи подается синус с постоянной амплитудой. Для экспериментального изучения АЧХ нам потребуется собрать простенькую схемку: Наша задача состоит в том, чтобы менять частоту генератора и уже наблюдать, что покажет осциллограф на выходе цепи. Мы будем прогонять нашу цепь по частотам, начиная от самой малой. Как я уже сказал, желтый канал предназначен для визуального контроля, что мы честно проводим опыт. Постоянный ток, проходящий через эту цепь, на выходе будет давать амплитудное значение входного сигнала, поэтому первая точка будет иметь координаты (0;4), так как амплитуда нашего входного сигнала 4 Вольта. Следующее значение смотрим на осциллограмме: Частота 15 Герц, амплитуда на выходе 4 Вольта. Итак, вторая точка (15;4) Третья точка (72;3.6). Обратите внимание на амплитуду выходного красного сигнала. Она начинает проседать. Четвертая точка (109;3.2) Пятая точка (159;2.8) Шестая точка (201;2.4) Седьмая точка (273;2) Восьмая точка (361;1.6) Девятая точка (542;1.2) Десятая точка (900;0.8) Ну и последняя одиннадцатая точка (1907;0.4) В результате измерений у нас получилась табличка: Строим график по полученным значениям и получаем нашу экспериментальную АЧХ 😉 Получилось не так, как в технической литературе. Оно и понятно, так как по Х берут логарифмический масштаб, а не линейный, как у меня на графике. Как вы видите, амплитуда выходного сигнала будет и дальше понижаться с увеличением частоты. Для того, чтобы еще более точно построить нашу АЧХ, требуется взять как можно больше точек. Давайте вернемся к этой осциллограмме: Здесь на частоте среза амплитуда выходного сигнала получилась ровно 2,8 Вольт, которые как раз и находятся на уровне в 0,707. В нашем случае 100% это 4 Вольта. 4х0,707=2,82 Вольта. АЧХ полосового фильтра Существуют также схемы, АЧХ которых имеет вид холма или ямы. Давайте рассмотрим один из примеров. Мы будем рассматривать так называемый полосовой фильтр, АЧХ которого имеет вид холма. Собственно сама схема: Особенность таких фильтров, что они имеют две частоты среза. Определяются они также на уровне в -3дБ или на уровне в 0,707 от максимального значения коэффициента передачи, а еще точнее Ku max/√2. Так как в дБ смотреть график неудобно, поэтому я переведу его в линейный режим по оси Y, убирая маркер В результате перестроения получилась такая АЧХ: Максимальное значение на выходе составило 498 мВ при амплитуде входного сигнала в 10 Вольт. Мдя, неплохой «усилитель») Итак, находим значение частот на уровне в 0,707х498=352мВ. В результате получились две частоты среза — это частота в 786 Гц и в 320 КГц. Следовательно, полоса пропускания данного фильтра от 786Гц и до 320 КГц. На практике для получения АЧХ используются приборы, называемые характериографами для исследования АЧХ. Вот так выглядит один из образцов Советского Союза Фазо-частотная характеристика ФЧХ расшифровывается как фазо-частотная характеристика, phase response — фазовый отклик. Фазо-частотная характеристика — это зависимость сдвига по фазе между синусоидальными сигналами на входе и выходе устройства от частоты входного колебания. Разность фаз Думаю, вы не раз слышали такое выражение, как » у него произошел сдвиг по фазе». Это выражение не так давно пришло в наш лексикон и обозначает оно то, что человек слегка двинулся умом. То есть было все нормально, а потом раз! И все :-). И в электронике такое тоже часто бывает) Разницу между фазами сигналов в электронике называют разностью фаз. Вроде бы «загоняем» на вход какой-либо сигнал, а выходной сигнал ни с того ни с сего взял и сдвинулся по времени, относительно входного сигнала. Для того, чтобы определить разность фаз, должно выполняться условие: частоты сигналов должны быть равны. Пусть даже один сигнал будет с амплитудой в Киловольт, а другой в милливольт. Неважно! Лишь бы соблюдалось равенство частот. Если бы условие равенства не соблюдалось, то сдвиг фаз между сигналами все время бы изменялся. Для определения сдвига фаз используют двухканальный осциллограф. Разность фаз чаще всего обозначается буквой φ и на осциллограмме это выглядит примерно так: Строим ФЧХ RC-цепи в Proteus Для нашей исследуемой цепи Для того, чтобы отобразить ее в Proteus мы снова открываем функцию «frequency response» Все также выбираем наш генератор Не забываем проставлять испытуемый диапазон частот: Далее нажимаем ПКМ на самой табличке Frequency Response и видим вот такой выплывающий список, в котором нажимаем «Добавить трассы» Долго не думая, выбираем в первом же окошке наш выход out И теперь главное отличие: в колонке «Ось» ставим маркер на «Справа» Нажимаем пробел и вуаля! Можно его развернуть на весь экран При большом желании эти две характеристики можно объединить на одном графике Обратите внимание, что на частоте среза сдвиг фаз между входным и выходным сигналом составляет 45 градусов или в радианах п/4 (кликните для увеличения) В данном опыте при частоте более 100 КГц разность фаз достигает значения в 90 градусов (в радианах π/2) и уже не меняется. Строим ФЧХ на практике ФЧХ на практике можно измерить также, как и АЧХ, просто наблюдая разность фаз и записывая показания в табличку. В этом опыте мы просто убедимся, что на частоте среза у нас действительно разность фаз между входным и выходным сигналом будет 45 градусов или π/4 в радианах. Итак, у меня получилась вот такая осциллограмма на частоте среза в 159,2 Гц Нам надо узнать разность фаз между этими двумя сигналами Весь период — это 2п, значит половина периода — это π. На полупериод у нас приходится где-то 15,5 делений. Между двумя сигналами разность в 4 деления. Составляем пропорцию: Отсюда х=0,258п или можно сказать почти что 1/4п. Следовательно, разница фаз между двумя этими сигналами равняется п/4, что почти в точности совпало с расчетными значениями в Proteus. Если Вы лучше воспринимаете информацию через видео, то к Вашему вниманию: Резюме Амплитудно-частотная характеристика цепи показывает зависимость уровня сигнала на выходе данного устройства от частоты передаваемого сигнала при постоянной амплитуде синусоидального сигнала на входе этого устройства. Фазо-частотная характеристика — это зависимость сдвига по фазе между синусоидальными сигналами на входе и выходе устройства от частоты входного колебания. Коэффициент передачи — это отношение напряжения на выходе цепи к напряжению на ее входе. Если коэффициент передачи больше единицы, то электрическая цепь усиливает входной ссигнал, если же меньше единицы, то ослабляет. Полоса пропускания — это диапазон частот, в пределах которого АЧХ радиотехнической цепи или устройства достаточно равномерна, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Определяется по уровню 0,707 от максимального значения АЧХ. Построитель АЧХ — осциллограф или анализатор спектра? АЧХ — важная характеристика многих 4-полюсников и компонентов (фильтров, резонаторов, усилителей и др.). Она представляет зависимость модуля коэффициента передачи тестируемого устройства от частоты. В настоящее время интенсивное развитие получил новый класс приборов — векторные анализаторы цепей, которые позволяют снимать АЧХ в комплексной форме или в виде модуля коэффициента передачи и фазового сдвига от частоты. Однако это очень дорогие и редкие приборы. Рис. 1. Функциональная схема построителя АЧХ на базе ГКЧ и осциллографического индикатора Во многих случаях вполне достаточно применения скалярных построителей АЧХ, например, на основе генератора качающейся частоты (ГКЧ), детектора и осциллографического индикатора (рис. 1). Генератор качающейся частоты обеспечивает получение синусоидального тестирующего сигнала, частота которого пропорциональна уровню модулирующего напряжения или его логарифму. Модулирующий пилообразный сигнал подается также на вход горизонтального канала, а сигнал с выхода тестируемого устройства (4-полюсника) через детектор подается на вход вертикального канала индикаторного устройства (осциллографа). В результате тестируемое устройство последовательно испытывается синусоидальным сигналом с плавно меняющейся частотой, и на его экране строится график АЧХ тестируемого устройства. Еще недавно измерители АЧХ, работающие в широком диапазоне частот, были сложными, громоздкими, тяжелыми и дорогими приборами. Например, советские измерители АЧХ Х1-40, Х1-46, Х1-56 с диапазоном частот от 20 Гц до 1, 0,2 и 0,2 МГц соответственно имели вес 35, 42 и 44 кг, а измеритель Х1-43 с диапазоном частот от 0,5 МГц до 1,25 ГГц весил даже 47 кг [1]. Стабильность частоты их была низкой, порою очень низкой. Важным параметром измерителей АЧХ является динамический диапазон по уровню — разность между максимальным уровнем отсчета АЧХ и средним уровнем шумовой дорожки. При линейном масштабе по уровню (вертикали) у упомянутых приборов он лежит в пределах 14–24 дБ, то есть невелик, и только при логарифмическом масштабе достигает 40 дБ и выше. Получение высокого динамического диапазона при снятии АЧХ — одна из целей данной статьи. Переход на микроэлектронную элементную базу и применение прямого цифрового синтеза частот позволили создать новое поколение генераторов с высочайшей стабильностью частоты и перестройкой ее от тысячных долей герц до нескольких гигагерц (а порою и десятков гигагерц). Как правило, это малогабаритные приборы умеренного веса, имеющие много общего в интерфейсе пользователя и в основных установках (например, частоты и уровня). Снятие АЧХ осциллографом без применения детектора Одним из препятствий в получении точных АЧХ различных компонентов и большого динамического диапазона является применение детектора. К сожалению, полупроводниковые диоды, на основе которых строятся детекторы, имеют резко нелинейную вольт-амперную характеристику с порогом при уровне напряжения в доли вольта. В результате наблюдается зона нечувствительности детекторов в области малых напряжений и значительные искажения при среднем уровне сигналов — в единицы вольт. Это приводит к значительному снижению динамического диапазона построителей АЧХ. В ряде случаев, например на частотах выше десятков мегагерц, недостаточно и быстродействие диодов. Указанные недостатки принципиально устраняются удалением детектора и построением АЧХ в виде зависимости уровня осциллограммы синусоидального ВЧ-сигнала от его частоты. При этом осциллограф должен быть достаточно высокочастотным для непосредственного просмотра сигнала с выхода тестируемого устройства [4, 5]. На максимальной исследуемой частоте осциллографа спад его АЧХ обычно нормируется на уровне –3 дБ (или 0,7 от уровня на низких частотах). Такой спад АЧХ (иногда возможен и ее подъем) создает недопустимо большую погрешность. Чтобы она была незначительна (на уровне 0,5–1 дБ), верхняя граничная частота осциллографа должна в несколько раз превышать полосу частот тестируемого устройства. Она в первую очередь определяется максимальной частотой генератора качающейся частоты. Наметилась тенденция применения в качестве последнего высокостабильных цифровых генераторов с прямым частотным синтезом, в частности генераторов произвольных функций и форм сигналов [2, 3]. Их применение позволяет расширить число видов сигналов, используемых для тестирования. На рис. 2 показано окно настройки генератора произвольных функций AFG3101 фирмы Tektronix, используемого в режиме генератора качающейся частоты с перекрытием области частот от 1 кГц до 100 МГц (это максимальная частота для данного генератора). Задано качание синусоидального сигнала по линейному закону. Для этого используется линейно-нарастающий модулирующий сигнал с длительностью линейной части 10 мс и нулевым временем возврата. Рис. 2. Пример установок генератора AFG3101 для качания в полосе частот от 1 кГц до 100 МГц Старшие модели генераторов класса AFG3000 имеют максимальные частоты синусоидального сигнала до 240 МГц. Но многие цифровые генераторы синусоидальных сигналов с прямым частотным синтезом, например SM300 фирмы Rohde&Schwarz, имеют максимальную частоту до 3 ГГц и выше. Как правило, все они допускают режим качания частоты от минимального значения (нередко намного ниже 100 кГц) до максимального (3 ГГц и выше). Этим, а также высочайшей стабильностью частоты (порядка 10–6) они выгодно отличаются от применяемых ранее аналоговых ГКЧ на основе LC- гене-раторов с частотой, управляемой варикапом или подмагничиванием ферритового сердечника индуктора. Для просмотра полной полосы частот нужно подключить вход внешнего запуска осциллографа к выходу запуска генератора, то есть обеспечить запуск осциллографа в режиме ждущей развертки от генератора. Кроме того, следует обеспечить равенство длительностей пилы управляющего напряжения ГКЧ и развертки осциллографа. Для этого нужно установить коэффициент развертки равным 1 мс/дел., поскольку его масштабная сетка по горизонтали имеет 10 делений, и это дает длительность развертки, равную 10 мс. Получаемая осциллографом АЧХ система генератор — осциллограф представлена на рис. 3. Ручкой горизонтального смещения график АЧХ центрируется на экране. Рис. 3. АЧХ осциллографа DPO4101 в полосе частот от 1 кГц до 100 МГц при числе точек осциллограммы 10 млн Эта осциллограмма получена при согласованной работе генератора с выходным сопротивлением 50 Ом с осциллографом, у которого входное сопротивление также равно 50 Ом. В данном случае вид АЧХ почти идеален: есть только едва заметное ослабление сигнала на высоких частотах. Если переключить входное сопротивление осциллографа на 1 МОм (без удлинения соединительных проводов), то АЧХ лишь немного ухудшится, а уровень сигнала возрастет вдвое. Роль памяти осциллограмм Стоит сразу отметить специфический недостаток цифровых осциллографов — ограниченное объемом памяти осциллограмм число их точек, что обусловлено дискретизацией сигнала. Этот недостаток принципиально отсутствует у аналоговых осциллографов, но их выпуск в наше время резко сокращен (стоимость широкополосных аналоговых осциллографов намного превосходит стоимость цифровых осциллографов). Приведенные далее примеры даны с применением цифрового осциллографа Tektronix DPO4101 с максимальной частотой исследуемого сигнала 1 ГГц и памятью осциллограмм каждого канала до 10 Мбайт. Это лучший из осциллографов компании Tektronix с закрытой архитектурой [4, 5]. Поскольку у приборов используется кодирование каждой точки 1 байтом, то число точек осциллограмм практически равно объему используемой памяти. Выясним влияние памяти осциллограмм на отображение АЧХ. На рис. 3 показана АЧХ в идеализированным виде — при отсутствии тестируемого устройства. Точнее говоря, им является отрезок кабеля, соединяющего выход генератора с выбранным входом осциллографа. Сигнал воспроизводится как широкая полоса, ширина которой равна двойной амплитуде сигнала генератора. Яркость по лосы растет по мере роста частоты генератора. Разумеется, частоту нужно определять не по яркости, а по времени горизонтальной шкалы, пропорциональному частоте. На рис. 4 воспроизведен этот случай при памяти осциллограмм в 1 Мбайт. Воспроизведение полосы сигнала теперь явно неудовлетворительное и создает ложное впечатление о резком изменении частоты в центре экрана. Рис. 4. АЧХ осциллографа DPO4101 в полосе частот от 1 кГц до 100 МГц при числе точек осциллограммы, равном 1 млн Если уменьшить числа точек до 100 000 (рис. 5), то воспроизведение сигнала становится совершенно неудовлетворительным (при числе точек 10 000 ситуация еще хуже). Таким образом, данный метод применим далеко не со всеми цифровыми осциллографами: он требует применения приборов с большой емкостью памяти (и числом точек) осциллограмм. Рис. 5. АЧХ осциллографа DPO4101 в полосе частот от 1 кГц до 100 МГц при числе точек осциллограммы 100 000 Логарифмический масштаб по оси частот Рис. 6. АЧХ осциллографа DPO4101 в полосе частот от 1 кГц до 100 МГц при длине памяти 10 Мбит и логарифмическом масштабе по частоте Многие генераторы обеспечивают качание частоты по логарифмическому закону. На рис. 6 показано снятие АЧХ осциллографа для этого случая. Поскольку начальная часть АЧХ в данном случае растягивается, в левой части стал виден синусоидальный характер меняющегося по частоте сигнала. Небольшая неравномерность АЧХ хорошо видна в правой части осциллограммы. К сожалению, шкала времен у самого осциллографа остается линейной, что сильно затрудняет измерение частот на пиках и впадинах АЧХ прямо по масштабной сетке. Фактически тут нужна сменная масштабная сетка с логарифмическим масштабом (рис. 7). Рис. 7. АЧХ осциллографа DPO4101 с фильтром на 20 МГц в логарифмическом масштабе по частоте АЧХ осциллографа с фильтром нижних частот Теперь покажем, насколько сильно меняется АЧХ при наличии в усилителе осциллографа фильтра нижних частот с граничной частотой около 20 МГц: АЧХ четко фиксирует спад на этой частоте. При установленном логарифмическом частотном масштабе он выглядит довольно резким. Динамический диапазон при линейном масштабе составляет не меньше десятков раз. АЧХ осциллографических пробников Из приведенных примеров ясно, что этот метод применим до максимальной частоты генератора в 100 МГц у генератора AFG3101 (и до 240 МГц у старших моделей генераторов этого класса). Таким образом, он охватывает весьма широкий диапазон частот — от инфразвуковых, звуковых, длинных, средних и коротких волн до УКВ. Это позволяет исследовать не только узкополосные, но и широкополосные компоненты — например, осциллографические пробники для осциллографов умеренного быстродействия, видеоусилители и другие устройства. Рис. 8. АЧХ осциллографического пробника 1:100 На рис. 8 показана АЧХ компенсированного пробника серии HP с коэффициентом деления 100. Хорошо видно, что пробник передает все частоты, но имеет заметную волнистость АЧХ. Ее основной причиной является несогласование 50-омного выхода генератора с большим (10 МОм, параллельно с емкостью около 10 пФ) входным сопротивлением пробника. АЧХ дает отчетливое представление о степени частотных искажений пробника и объясняет наблюдаемые на коротких фронтах импульсов колебательные процессы. Рис. 9. АЧХ пробника к осциллографу Tektronix TDS2024B с переключателем в положении 1:1 Некоторые пробники при коэффициенте передачи 1:1 дают сильный спад АЧХ (рис. 9). Кстати, здесь показана техника применения курсоров для определения частоты, на которой спад АЧХ составляет –3 дБ или по уровню до 0,707 от максимального. Для многих такое поведение пробника кажется неожиданным. Оно связано со значительным увеличением входной емкости осциллографа на величину нескомпенсированной в данном случае емкости коаксиального кабеля с длиной около метра. Эта емкость может достигать 50–100 пФ и выше. При недостаточно коротких проводниках (например, земляного), имеющих заметную индуктивность (в десятки наногенри), это приводит к неравномерности АЧХ и колебаниям переходной характеристики пробника. Поэтому рекомендуется применять пробник без ослабления только при наблюдении низкочастотных сигналов (не выше десятка мегагерц). Построение АЧХ активного дифференциального пробника Одно из главных применений измерителей АЧХ — это построение АЧХ четырехполюсников, к которым относятся всевозможные усилители, резонансные цепи, фильтры и иные устройства. Некоторые из них конструируются с учетом согласования на входе и на выходе с сопротивлениями в 50 или 75 Ом. В этом случае построение АЧХ описанным методом не вызывает особых трудностей и просто требует соединений тестируемого прибора с генератором и осциллографом стандартными 50- или 75-омными коаксиальными кабелями. Однако очень многие устройства (особенно усилители ДВ, СВ и КВ диапазонов волн) имеют высокое входное сопротивление — от единиц кОм до 1 МОм и выше. В этом случае остро стоит задача построения согласующих устройств, например, эмиттерных повторителей на биполярных транзисторах или истоковых повторителей на полевых транзисторах. Сама по себе разработка таких согласующих устройств требует снятия их АЧХ в широком диапазоне частот. В последнее время в числе аксессуаров для осциллографов появились дифференциальные пробники, построенные на основе широкополосных интегральных операционных усилителей. Помимо функций преобразования импедансов, эти пробники обеспечивают получение осциллограмм напряжений между двумя произвольными точками. Большинство таких сверхширокополосных пробников очень дороги и рассчитаны на применение в низковольтных цепях. Однако есть и приятные исключения. Фирма Pintek, к примеру, выпускает серию высоковольтных дифференциальных пробников DP-25/50/100/150/200 в виде приставок к осциллографам. Цифра указывает верхнюю граничную частоту пробников (нижняя равна 0). К примеру, пробник DP-150pro (рис. 10) имеет верхнюю граничную частоту 150 МГц на пределах ослабления 30, 100, 300 и 1000 раз и 100 МГц на пределе ослабления 10 раз. Пробник позволяет исследовать сигналы с уровнем до 10 кВ, что значительно расширяет возможности осциллографов. Рис. 10. Внешний вид высоковольтного активного дифференциального пробника DP-150pro фирмы Pintek Следует отметить, что полосы частот выше 20–30 МГц такие пробники реализуют только при тщательной оптимизации цепей подключения. Прилагаемые к ним стандартные высоковольтные провода длиной около 60 см и наконечники для них использовать на частотах выше 20 МГц нельзя. Пробники имеют очень высокое входное сопротивление и малую входную емкость. Например, у пробника DP-150pro входное сопротивление при дифференциальном включении равно 100 МОм параллельно с емкостью 1 пФ, что позволяет слабо нагружать большинство тестируемых компонентов даже с высокоомным входом. Это ослабляет, но не устраняет полностью влияние подводящих сигналы проводов. Такие пробники можно использовать как согласующие устройства для снятия АЧХ 4-полюсников с высоким входным сопротивлением. Рис. 11. АЧХ дифференциального пробника DP-150pro с линейным масштабом по частоте На рис. 11 показана АЧХ пробника DP- 150pro в полосе частот до 100 МГц. Заметная волнистость АЧХ обусловлена длинными соединительными проводами и отсутствием согласования на выходе генератора. Такая АЧХ отражает реалии работы с пробником этого типа, описанные выше. Вид АЧХ сильно зависит от конструктивного оформления его подключения. АЧХ входной цепи осциллографа с резонансами Рис. 12. АЧХ резонансной RLCR-цепи в полосе частот до 1 МГц при входном сопротивлении осциллографа 50 Ом На рис. 12 представлена АЧХ резонансной цепи RLCR, которая образуется включением между выходом генератора и входом осциллографа (они по 50 Ом) индуктивности в 36 мкГн и емкости 2200 пФ. Цепь дает отчетливо видимый резонансный пик на частоте около 0,6 МГц. Добротность цепи мала, поскольку ее общее сопротивление в 110 Ом велико (10 Ом добавляет активное сопротивление индуктора). Однако если переключить входное сопротивление осциллографа на 1 МОм, то данный последовательный резонанс пропадает. Зато появляется новый параллельный резонанс на частоте около 3,4 МГц. На этот раз он обусловлен индуктивностью L, входной емкостью осциллографа и кабеля C0. Резонанс представлен довольно острым пиком, что свидетельствует о достаточно высокой добротности вызвавшего его контура. По частоте резонанса: можно определить входную емкость осциллографа, которая составляет около 57 пФ. Таким образом, исследование осциллографа по его АЧХ четко выявляет возможность существования двух резонансов входной цепи при наличии индуктивности L между выходом генератора и входом осциллографа и их проявление в различных условиях. Установки для снятия АЧХ в узкой полосе частот с помощью ГКЧ и анализатора спектра Казалось бы, естественно применять в роли измерителя АЧХ стандартные анализаторы спектра [6, 7]. Сейчас промышленность выпускает их, пожалуй, даже больше, чем осциллографов. Анализаторы спектра имеют простые установки нужного диапазона частот — путем задания начальной Start и конечной End частот анализа или средней Center частоты и полосы частот качания SPAN. Кроме того, в отличие от осциллографа, горизонтальная ось изображения на экране анализатора спектра отградуирована по частоте, а вертикальная — по логарифму уровня. Маркеры анализатора ориентированы на работу с частотами и с линейным или логарифмическим масштабом по уровню. Высокая чувствительность анализатора спектра, малый уровень шумов и наличие ряда высококачественных (нередко цифровых) детекторов обещают получение АЧХ в широком динамическом диапазоне по уровню. А наличие высококачественного детектора (часто цифрового) позволяет, в отличие построителя АЧХ на основе осциллографа без детектора, строить АЧХ в привычном «однополярном» виде. Однако анализаторы спектра не предназначены непосредственно для снятия АЧХ. Они служат для выделения множества гармоник из сложного сигнала и их представления на экране индикатора в виде острых пиков. Фактически анализаторы спектра являются узкополосными супергетеродинными радиоприемниками, оснащенными фильтрами для выделения гармоник. Полоса пропускания фильтров зачастую намного уже, чем полоса частот компонентов, АЧХ которых исследуется. Тем не менее при использовании специальных приемов измерений и настроек измерительных приборов анализаторы спектра могут успешно применяться для построения (совместно с ГКЧ) высококачественных графиков АЧХ. Вначале рассмотрим такое применение для тестирования сравнительно узкополосных устройств. Для примера создадим с помощью генератора AFG3101 сигнал, частота которого линейно меняется от 49 до 51 МГц за 10 мс. Для этого в окне генератора (рис. 2) достаточно заменить частоты Start и End на 49 и 51 МГц соответственно. Рис. 13. АЧХ RLCR-цепи при переключении входного сопротивления осциллографа на 1 МОм Теперь рассмотрим, как осуществить установки массового анализатора спектра АКТАКОМ АКС-1301 [7] для контроля АЧХ в этом узком диапазоне частот. Если просто подключить выход генератора к входу анализатора спектра, то на экране будет виден упорядоченный (при синхронной работе развертки генератора и анализатора) или случайный набор пиков спектра, показанный на рис. 14. Можно заметить, что пики находятся в заданной области частот генератора. Однако они дают отдельные, причем случайные, отсчеты АЧХ, а не сам полный ее график. Рис. 14. Типичный спектр сигнала с выхода ГКЧ при отсутствии синхронизации между ним и анализатором спектра Если отсчетов достаточно много и АЧХ фильтров пересекаются, то, используя пиковый детектор анализатора, можно получить почти непрерывную АЧХ в требуемой полосе частот, намного более широкой, чем полоса RBW выбранного фильтра. Этот полезный прием показан на рис. 15. Главное в данном случае — выбрать время анализа спектра Sweep значительно бóльшим, чем время качания частоты у ГКЧ. В нашем примере время анализа выбрано вручную равным 50 с, и на экране (рис. 15) отчетливо видна АЧХ системы генератор — анализатор с полочкой в области частот от 49 до 51 МГц. Пиковый детектор обычно применяется по умолчанию. Рис. 15. Окно анализатора спектра АКС-1301 с установками для просмотра АЧХ в диапазоне от 49 до 51 МГц Уменьшив полосы частот RBW и VBW анализатора и увеличив время анализа до 100 секунд, можно получить еще более качественную (гладкую) АЧХ системы генератор — анализатор, показанную на рис. 16. Рабочий участок АЧХ тут выглядит почти как идеальная горизонтальная прямая. Широкое горизонтальное плато на рис. 15 и рис. 16 — это и есть область частот, которую можно частично или полностью использовать при применении анализатора спектра в качестве построителя АЧХ. Можно убедиться в том, что границы плато меняются в соответствии с изменением границ качания частоты (рис. 13). Естественно, с помощью анализатора спектра можно выбрать более узкий рабочий диапазон частот в пределах этого участка. Рис. 16. Окно анализатора спектра АКС-1301 с установками для просмотра АЧХ в диапазоне от 49 до 51 МГц после оптимизации установок анализатора Чтобы определить динамический диапазон такого построителя АЧХ, нужно проделать еще один опыт — построить спектральную линию при отключенном генераторе. Это показано на рис. 17. Полученная внизу линия спектра — это шумовая дорожка анализатора, характеризующая минимальный уровень сигналов, которые способен различить анализатор. На основе рис. 15 и рис. 16, где показана линия дисплея, установленная в середину шумовой дорожки, можно сделать вывод, что динамический диапазон (разность высоты плато и линии дисплея) составляет не менее 55 дБ. Это очень хороший, хотя и не максимально возможный показатель. Рис. 17. Окно анализатора спектра АКС-1301 с установками рис. 14 при отсутствии сигнала (видна шумовая полоса и линия дисплея) Уменьшив полосы частот RBW и VBW до минимально возможных значений в 300 Гц, можно значительно уменьшить шум анализатора и получить АЧХ, представленную на рис. 18. Динамический диапазон системы генератор — анализатор в этом случае достигает значений более 70 дБ. Это очень высокий показатель для измерителей АЧХ. Для уменьшения времени построения АЧХ можно вручную уменьшить параметр Sweep (время перестройки частоты анализатора). Если это нарушает естественные установки анализатора, то на экране появляется сообщение Fastsweep (слишком быстрая развертка). Обычно это вполне допустимо. Рис. 18. Окно анализатора спектра АКС-1301 с установками для просмотра АЧХ в диапазоне от 49 до 51 МГц при минимизации полос фильтров Снятие АЧХ осциллографических пробников с помощью ГКЧ и анализатора спектра Аналогичным образом можно настроить анализатор спектра для просмотра АЧХ в широком диапазоне частот. На рис. 19 показана АЧХ системы генератор — анализатор в полосе частот от 1 кГц до 100 МГц. Как видно, и в данном случае в рабочей полосе частот АЧХ практически идет горизонтально, а динамический диапазон составляет около 60 дБ. Он меньше, чем при узкой полосе, и это вполне естественно: как известно, уровень шума увеличивается с ростом полосы отображаемых анализатором частот. Напоминаем, что это идеальный случай: 50-омный выход генератора подключен к 50-омному входу анализатора спектра через 50-омный коаксиальный кабель. Рис. 19. Окно анализатора спектра АКС-1301 с установками для просмотра АЧХ в диапазоне от 0 до 100 МГц При таких установках система генератор — анализатор позволяет осуществлять просмотр АЧХ многих реальных объектов. При этом высокая чувствительность анализатора спектра позволяет выявить различные факторы, влияющие на форму АЧХ и ее равномерность. Так, четко выявляется несогласование импедансов тестируемого устройства с выходом генератора и входом анализатора, неидеальность разъемов, повреждения и невысокое качество соединительных кабелей, внешние и внутренние помехи, просачивание сигнала генератора через паразитные емкости устройства (даже выключенного) и т. д. АЧХ, приближающиеся к идеальным (рис. 19, например), на практике получить очень трудно и для этого надо тщательно устранять все причины возникновения неравномерности АЧХ. В качестве примера рассмотрим АЧХ высоковольтного дифференциального пробника Pintek DP-150pro. Она показана на рис. 20 для установки делителя в положение ×10. Как и следовало ожидать, в области низких частот кривая АЧХ просела примерно на 20 дБ (это соответствует ослаблению делителя в 10 раз). Хотя АЧХ не идеальна, в полосе частот до 70 МГц ее неравномерность не превышает ±3 дБ и имеет два более глубоких спада, начинающихся с частот 70 и 95 МГц. При этом АЧХ подобна снятой на рис. 11 с применением генератора и осциллографа. Рис. 20. АЧХ дифференциального пробника Pintek DP-150pro, полученная с помощью анализатора спектра АКС-1301 и генератора AFG3101 (делитель ×10) Далее рассмотрим АЧХ пробника с установкой делителя в положение ×30 (рис. 21). Теперь в области низких частот АЧХ просела из-за уменьшения коэффициента передачи делителя. В целом неравномерность АЧХ уменьшилась, что соответствует описанию пробника. Рис. 21. АЧХ дифференциального пробника Pintek DP-150pro, полученная с помощью анализатора спектра АКС-1301 и генератора AFG3101 (делитель ×30) Однако при дальнейшем уменьшении коэффициента деления можно наблюдать четкое снижение уровня АЧХ только в области низких частот (примерно до 45 МГц). На более высоких частотах поведение АЧХ не меняется, и это является показателем того, что на таких частотах сигнал просто просачивается на выход делителя через паразитные емкости (рис. 22). Это подтверждается наблюдением АЧХ в положении делителя ×1000 и даже OFF (пробник отключен от источника питания). Рис. 22. АЧХ дифференциального пробника Pintek DP-150pro (делитель в положении ×1000) Снятие АЧХ с помощью анализатора спектра с трекинг-генератором Многие современные унифицированные анализаторы спектра имеют опцию встроенного цифрового трекинг-генератора, который вырабатывает почти синусоидальный сигнал, частота которого меняется в тех же пределах, что и частота перестройки анализатора спектра. Разумеется, современный измерительный цифровой генератор имеет больше возможностей, чем трекинг-генератор: независимую установку частот и их качания, отсутствие искажений на низких частотах, более чистый сигнал, широкий диапазон регулировки уровней и т. д. Тем не менее трекинг-генератор является мощным средством расширения возможностей анализатора спектра, превращающим его в построитель АЧХ. Нижняя граничная частота у трекинггенераторов различных анализаторов спектра лежит в пределах от десятков герц до десятков мегагерц. Например, у трекинг-генератора анализатора спектра АКС-1301 она равна 150 кГц при уровне сигнала от 0 до –50 дБ, а у новейших бюджетных китайских анализаторов спектра DSA 1020/1030 фирмы RIGOL она составляет 10 МГц при уровне сигнала от 0 до –20 дБ. Обычно анализатор спектра с трекинг- генератором имеет важную функцию — калибровку тракта трекинг-генератор — анализатор. При калибровке выход генератора подключается к входу анализатора отрезком коаксиального кабеля. После запуска калибровки обычно неравномерная АЧХ системы становится почти идеально равномерной и горизонтальной. Таким образом, происходит почти идеальная нейтрализация неравномерности АЧХ тракта трекинг-генератор — анализатор спектра. По завершении калибровки (а она повторяется при изменении основных настроек анализатора спектра по частоте и уровню) нужно отключить кабель выхода генератора и подключить его к тестируемому устройству. А выход последнего надо подключить к входу анализатора. На рис. 23 показан пример построения АЧХ СВЧ полосового фильтра с полосой частот примерно от 1,6 до 2,4 ГГц. Динамический диапазон при измерении АЧХ составляет около 40 дБ, что для такой широкой полосы очень неплохо. Рис. 23. Пример построения АЧХ коэффициента передачи СВЧ полосового фильтра Некоторые анализаторы спектра, например АКС-1301, способны измерять обратные потери 4-полюсников и коэффициенты отражения. Для точного измерения этих параметров анализаторы имеют опцию — мост для измерения обратных потерь. С этой опцией также проводится калибровка, а затем измерение этих параметров [7]. Как видно из приведенных примеров, применение трекинг-генератора особенно эффективно при исследовании СВЧ- компонентов и возможно в полной полосе частот анализатора спектра (до 3 ГГц у использованного прибора). При этом, в отличие от более низкочастотных измерений, время построения АЧХ при автоматической установке параметров прибора оказывается достаточно малым — 944 мс. Использование спектров импульсных сигналов Для построения АЧХ зачастую возможно использование спектров импульсных сигналов. Такие сигналы не требуют изменения частоты в ходе перестройки анализатора спектра и осуществляют не последовательное, а параллельное тестирование исследуемых устройств. На вход устройства подается не один синусоидальный сигнал с меняющейся частотой, а сразу множество сигналов (спектр) с постоянными частотами гармоник. Естественно, в первую очередь для этого логично применять сигналы, дающие равномерный спектр в определенном диапазоне частот. Уникальным является сигнал вида sin(t/τ)/(t/τ), теоретически обеспечивающий строгое постоянство уровня гармоник спектра до частоты fmax = 1/τ. Современные цифровые генераторы сигналов произвольной формы, как правило, способны создавать такой сигнал (рис. 24). Рис. 24. Установки генератора AFG3101 для получения сигнала вида sin(t/τ)/(t/τ) Рис. 25. Спектр сигнала sin (t/τ)/(t/τ) при частоте его повторения 1 МГц и амплитуде 1 В Оценим его спектр, создаваемый генератором AFG3101 (рис. 25). Сигнал при такой частоте дает 31 гармонику с уровнем 10,1 мВ каждая. В данном случае у анализатора установлено измерение уровня гармоник в единицах напряжения, а не мощности. Спектр сигнала практически идеально равномерен вплоть до частоты чуть выше 30 МГц. Такой спектр можно успешно использовать для тестирования во всем диапазоне длинных, средних и коротких волн. Рис. 26. Спектр трапецеидального импульса Схемы для создания такого сигнала мало известны и не распространены. Куда проще получить сигналы в виде почти прямоугольных импульсов с большой скважностью. В качестве примера на рис. 26 показан спектр трапецеидального импульса с длительностью полки 10 нс и фронтов 4 нс. Спектр построен для диапазона частот от 0 до 100 МГц. Если считать допустимым спад уровня гармоник до –3 дБ, то полоса частот почти равномерного спектра лежит в пределах до 40 МГц. Увеличив полосу частот RBW фильтра до 1 МГц, можно построить огибающую спектра. Этот случай показан на рис. 27. Рис. 27. Пример построения огибающей (АЧХ) спектра трапецеидального импульса в диапазоне частот до 100 МГц Пример построения огибающей спектра трапецеидального импульса в широкой полосе частот (до 500 МГц) показан на рис. 28. В данном случае отчетливо видны периодически повторяющиеся спады огибающей спектра, характерные для почти прямоугольных импульсов. Рис. 28. Пример построения огибающей (АЧХ) спектра трапецеидального импульса в диапазоне частот до 500 МГц Импульсные сигналы можно использовать для тестирования линейных устройств, например, фильтров из компонентов L, C и R, резонаторов и т. д. Однако их применение для тестирования устройств на активных компонентах не всегда разумно из-за возможности перегрузки таких устройств импульсами, амплитуда которых многократно превышает амплитуду создаваемых ими гармоник. Однако стоит отметить, что такое тестирование близко к реальным условиям работы многих устройств, когда на их входе действует множество сигналов одновременно. Использование спектра шума Еще одним методом испытания различных устройств является тестирование их сигналом в виде широкополосного шума. Установки генератора AFG3101 на получение такого шума показаны на рис. 29. Здесь приведен и вид шумового сигнала с разверткой во времени. Единственным параметром шума является его амплитуда. Рис. 29. Установки генератора AFG3101 для генерации шума Спектр такого шума сплошной, а не дискретный. Поэтому с помощью шума в принципе можно выявить тонкие особенности АЧХ, невидные при дискретном характере спектра. На рис. 30 показано построение огибающей спектра шумового сигнала от генератора AFG3101 в диапазоне частот от 0 до 500 МГц. При уровне спада огибающей –3 дБ реализуется частотный диапазон равномерного спектра примерно до 200 МГц. Это вдвое больше, чем максимальная частота данного генератора в режиме ГКЧ. Рис. 30. Огибающая спектра шумового сигнала На рис. 31 показана АЧХ высоковольтного дифференциального пробника DP-150pro, снятая с помощью шумового сигнала в полосе частот от 0 до 500 МГц. Рис. 31. АЧХ высоковольтного дифференциального пробника DP-150pro, снятая с помощью шумового сигнала в полосе частот от 0 до 500 МГц АЧХ на частоте около 100 МГц содержит подозрительный короткий пик. Для выяснения его природы была снята шумовая дорожка при уменьшении амплитуды сигнала до 0. Она показана на рис. 32. В диапазоне частот от 0 до 150 МГц отчетливо видны пики электромагнитных помех, причем особенно большой из них приходится на частоту около 100 МГц. Он вызван работой местной УКВ радиовещательной станции. Рис. 32. Спектр сигнала с выхода пробника при отсутствии входного сигнала Моделирование компонентов в MATLAB с построением их АЧХ На всех этапах проектирования компонентов важная роль принадлежит их математическому моделированию. Особенно это относится к начальному этапу проектирования, когда руки разработчика не дошли до создания макетных образов компонентов. Сравнение результатов моделирования с натурным испытанием компонентов, описанным выше, способно выявить немало тонкостей работы, учет которых позволяет повысить качество проектируемых изделий и обеспечить их должную функциональность. Применительно к радиочастотным цепям высокую наглядность математического моделирования дает пакет расширения RF Blockset матричной системы MATLAB с пакетом визуально-ориентированного блочного математического моделирования Simulink [8]. В этой системе можно отлаживать все описанные выше методы исследования радиочастотных компонентов. Ограничимся примером построения АЧХ двух полосовых фильтров (рис. 33) с применением для этого генератора шума Random Noice и анализаторов спектра на основе быстрого преобразования Фурье FFT. Рис. 33. Пример построения АЧХ двух полосовых фильтров в системе MATLAB+Simulink с применением генератора шума и анализаторов спектра на выходе фильтров Заключение Как показано выше, построение АЧХ различных тестируемых устройств возможно различными методами, некоторые из которых не получили широкого распространения из-за малой известности и кажущихся трудностей реализации. Однако появление современных цифровых приборов (генераторов сигналов, осциллографов и анализаторов спектра) позволяет по-новому взглянуть на реализацию таких специальных методов. В ряде случаев их реализация оказывается более простой и дешевой, чем обычное снятие АЧХ с помощью ГКЧ, детектора и осциллографа. При этом существенно расширяется диапазон частот тестирования и динамический диапазон по уровню. Наиболее перспективным выглядит построение АЧХ путем использования огибающей спектра, которую могут строить современные цифровые анализаторы спектра с применением как ГКЧ, так и импульсов с фиксированной частотой повторения и встроенных в анализаторы спектра трекинг-генераторов. Эти методы тестирования легко поддаются математическому моделированию с помощью систем компьютерной математики, например MATLAB+Simulink, и образуют комплекс средств для исследования и тестирования различных компонентов и устройств. Похожие публикации: Как перевести комплексное число в показательную форму Как скачать сбербанк онлайн отзывы Что делать если не работает клавиша на клавиатуре механике Что делать если я не понимаю программирование Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Имя * Email * Сайт Комментарий * Сохранить моё имя, email и адрес сайта в этом браузере для последующих моих комментариев.