Как измерить амплитудно частотной характеристики



Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников

При контроле технического состояния электронных устройств важ­ное место занимает измерение частотных характеристик различных их узлов, а именно АЧХ.

В электронике широко используют линейные четырехполюсники, АЧХ которых определяется зависимостью модуля коэффициента пе­редачи от частоты сигнала.

Коэффициент передачи k в цепях с со­средоточенными постоянными представля­ет собой отношение комплексных ампли­туд выходного и входного гармонических напряжений одной частоты при условии отсутствия отражения на входе, как показано на схеме четырехполюсника (рис. 5.16):

(5.28)

Если U₂ U₁, то сигнал усиливается, четырехполюсник является активным, a k > 1.

Значения коэффициента передачи четырехполюсника и частоты сигнала, на которой проводится его измерение, образуют точку в си­стеме соответствующих координат, а совокупность таких же точек об­разуют АЧХ в рассматриваемом частотном диапазоне.

Измерения параметров АЧХ четырехполюсника выполняются од­ним из двух методов:

· снятием зависимости модуля коэффициента передачи от частоты по точкам с последующим интерполированием кривой АЧХ;

· получением панорамного изображения АЧХ с использованием ге­нератора качающейся частоты и индикатора.

На практике при исследовании четырехполюсников определяют чаще всего АЧХ (рис. 5.17), которая отражает его свойства в исследуе­мой полосе частот — полосе пропускания, в которой модуль коэффи­циента передачи не должен быть меньше 0,7 k_maх. Полоса пропускания линейного четырехполюсника ограничивается нижней f_н и верхнейf_в частотой, поэтому его ширина составляет

(5.29)

Рис. 5.17.АЧХ четырехполюсника

Метод снятия АЧХ по точкам реализуется с помощью диапазонно­го генератора синусоидального сигнала и вольтметра (рис. 5.18). Из­меняя частоту гармонических колебаний в исследуемой полосе частот, измеряют вольтметром напряжение на выходе проверяемого четырех­полюсника при постоянстве значения входного напряжения.

Рис. 5.18. Структурная схема соединения приборов при снятии АЧХ четырехполюсника по точкам

Модуль коэффициента передачи рассчитывается по формуле (5.28). По результатам измерений графически строят АЧХ. Рассмотренный метод имеет ряд недостатков:

· трудоемкость измерения, связанная со снятием АЧХ по точкам, количество которых прямо пропорционально требуемой точности измерения;

· влияние длительных измерений на характер кривой АЧХ, измене­ния температуры окружающей среды и питающего напряжения, которые искажают достоверную кривую (рис. 5.19,а);

· возможность пропуска резких изменений кривой в промежутках меж­ду точками (рис. 5.19,6) из-за дискретности воспроизведения АЧХ.

Рис. 5.19.Достоверная кривая АЧХ четырехполюсника (а) и кривая, снятая по точкам (б)

Метод получения панорамного изображения лежит в основе рабо­ты специальных панорамных приборов — характериографов (X1 по каталоговой классификации). Этот метод лишен недостатков, присущих методу снятия АЧХ по точкам, но имеет меньшую точность измерения из-за короткого времени измерения в каждой точке кривой АЧХ.

Структурная схема простейшего измерителя АЧХ (рис. 5.20) состо­ит из генератора качающейся частоты (ГКЧ), частота которого плавно изменяется по определенному закону в рассматриваемой полосе ча­стот, и индикатора, воспроизводящего кривую АЧХ. В качестве инди­катора обычно используется осциллограф.

Рис. 5.20. Структурная схема простейшего измерителя АЧХ

Сигнал с ГКЧ подается на вход исследуемого четырехполюсника. Поскольку модуль коэффициента передачи четырехполюсника зави­сит от частоты сигнала на входе, то на его выходе сигнал изменяется по амплитуде. Огибающая этого сигнала, выделяемая детектором, который входит в состав индикатора, управляет отклонением луча индикатора по вертикали, изображая кривую АЧХ. Одновременно блок модулирующего напряжения синхронизирует работу ГКЧ и ин­дикатора и управляет частотой ГКЧ и отклонением луча индикатора по горизонтали.

В рассмотренном измерителе АЧХ горизонтальное отклонение луча на экране индикатора соответствует частоте на входе исследуе­мого четырехполюсника, а вертикальное — значению модуля коэф­фициента передачи на этой частоте. В результате на экране автомати­чески воспроизводится кривая АЧХ исследуемого объекта.

Форма модулирующего напряжения в этом случае может быть любой, но чаше применяется пилообразное напряжение, обеспечивающее одинаковую яркость всех участков АЧХ. Важно, чтобы закон изменения частоты совпадал с законом отклонения луча индикатора по горизонтали — только при этом условии создается линейный ча­стотный масштаб.

Для обеспечения отсчета частоты формируется система частотных меток, которые получают в результате детектирования сигнала, прошедшего через резонансный частотомер, либо смешиванием сиг­налов ГКЧ и встроенного кварцевого генератора.

Измерение модуля коэффициента передачи основано на методе замещения. Для этого перед началом измерения прибор калибруется сигналом, подаваемым с ГКЧ непосредственно на индикатор, а име­ющийся на выходе ГКЧ аттенюатор устанавливается в положение максимального ослабления, условно принимаемого за нуль. После подключения четырехполюсника восстанавливают показания ин­дикатора, которые соответствовали его положению при калибровке, изменяя ослабление аттенюатора ГКЧ, определяют ослабление или усиление четырехполюсника. При заранее калиброванной шкале осциллографического индикатора также можно провести измерение АЧХ, не отключая четырехполюсник.

Для повышения качества измерений и расширения функциональных возможностей прибора в структурную схему панорамного изме­рителя АЧХ вводятся дополнительные узлы (рис. 5.21).

Центральным узлом измерителя АЧХ является ГКЧ, который в зависимости от предъявляемых к нему требований выполняется в двух

Рис. 5.21. Структурная схема панорамного измерителя АЧХ

вариантах. Для получения большой выходной мощности и малых не­линейных искажений колебания вырабатываются непосредственно задающим автогенератором качающейся частоты. Для обеспечения широкого диапазона частот без разделения его на поддиапазоны ис­пользуется принцип смешивания сигналов фиксированной и пере­страиваемой частоты.

В целях обеспечения постоянства значения выходного сигнала во всем диапазоне качания частоты предназначен блок автоматического регулирования амплитуды. Одновременно часть сигнала с ГКЧ посту­пает на блок частотных меток, который вырабатывает целый спектр калибровочных меток в границах рабочего диапазона ГКЧ. При совпа­дении частоты ГКЧ с любой из калибровочных частот образуются сиг­налы, подаваемые в индикатор. Эти сигналы наблюдаются на экране в виде амплитудных меток.

Для получения калиброванного изменения напряжения на выходе ГКЧ предназначен аттенюатор.

В измерителе АЧХ может использоваться детекторная головка одного или двух видов:

· высокоомные — для измерения сигнала с минимальным влиянием на четырехполюсник;

· согласованные детекторные — для измерения на выходе согласо­ванных трактов. Эти головки содержат детектор и нагрузочное со­противление;

· проходные детекторные — для измерения сигнала на выходе изме­рителя АЧХ или в согласованных трактах без нарушения их одно­родности.

При исследовании АЧХ высокоселективных устройств возникает потребность наблюдения одновременно на экране измерителя больших перепадов уровня сигнала. В таких случаях между детекторной головкой и индикатором включаются широкополосные логарифмиче­ские усилители.

В качестве индикатора чаще всего используется дисплей. В зави­симости от скорости качания частоты ГКЧ выбирают дисплеи с нор­мальным или длительным послесвечением, с электромагнитным или с электростатическим управлением луча.

На уменьшение погрешности измерения АЧХ и увеличение разре­шающей способности прибора оказывают влияние размеры рабочей части дисплея. Для получения двух или более кривых АЧХ используют многоканальный индикатор, что заметно расширяет функциональные возможности таких приборов, как характернографы. В отечественной каталоговой классификации они обозначаются X1.

В зависимости от ширины полосы качания характернографы под­разделяются на узкополосные, широкополосные и комбинирован­ные.

Узкополосные характериографы обеспечивают полосу качания, со­ставляющую доли и единицы процента центральной частоты; широ­кополосные имеют полосу качания, составляющую полный диапазон частот прибора; комбинированные объединяют в себе функции узкопо­лосных и широкополосных.

Характериографы классифицируются еще по нескольким парамет­рам:

· по допустимым значениям основных частотных и амплитудных параметров — на классы точности;

· числу одновременно исследуемых АЧХ — одно- и многоканальные;

· динамическому диапазону воспроизведения АЧХ — с линейным и

· логарифмическим масштабом по амплитуде.

Использование в составе характериографов встроенного микропро­цессора (рис. 5.22) позволяет повысить уровень их автоматизации.

Такие приборы способны выполнять следующие функции:

· замена жесткой логики на программную, в результате чего прибор со встроенным микропроцессором при прочих равных условиях имеет меньшие габаритные размеры и более высокую надеж­ность;

· обеспечение диалога оператора с прибором и представление изме­рительной информации в более удобном цифровом виде;

· обеспечение контроля правильности действия оператора и само­контроля прибора, что повышает производительность и снижает ошибки в работе оператора;

· организация интерфейса, что позволяет применять измеритель в составе больших автоматизированных измерительных систем;

· уменьшение погрешности измерений за счет учета при вычисле­нии результата измерения факторов, влияющих на точностные ха­рактеристики измерителя АЧХ.

Рис. 5.22. Структурная схема характериографа со встроенным микропроцессором

Микропроцессор выполняет функции управления характериографом и обработки измерительной информации и решает следующие за­дач и управления:

· установка поддиапозонов частот и перестройка частоты в полосе качания;

· установка коэффициента передачи управляемого усилителя;

· установка поддиапозона детектора;

· индикация результатов измерения и функционирования измери­теля.

На основе поступающей в микропроцессор информации об уровне выходного сигнала с аттенюатора, о частоте выходного сигнала с частотомера и уровне измеряемого сигнала с детектора производится расчет параметров АЧХ исследуемого четырехпо­люсника. Одновременно обеспечивается линеаризация частотно­го масштаба и осуществляется коррекция неравномерности собственно АЧХ, что снижает погрешность измерения. При работе на малых уровнях сигнала для уменьшения влияния шумов и помех предусмотрен режим многократной выборки и усреднения резуль­татов измерения.

Прибор управляется через устройство сопряжения с помощью клавиатуры на передней панели прибора по двенадцатиразрядной инфор­мационной шине, трехразрядной шине управления и трехразрядной адресной шине.

Источник

Амплитудно-частотная характеристика

Для измерения амплитудно-частотных характеристик используются генератор и измеритель уровня сигнала или осциллограф. Генератор настраивается на различные частоты требуемого диапазона, и на каждой из них измеряются величины выходного сигнала. Полученные результаты изображаются в виде кривой, называемой частотным откликом или амплитудно-частотной характеристикой. На рис. 6.1 приведена схема измерения усиления в режиме с разомкнутой обратной связью (A_OL) Для стандартного ОУ (CA3450 фирмы Harris). На рис. 6.2 изображена амплитудно-частотная характеристика (иногда называемая диаграммой Боде), измеренная в режиме с разомкнутой обратной связью. Здесь также показана зависимость угла фазового сдвига от частоты.

На рис. 6.3 приведена схема измерения усиления той же ИС в режиме с замкнутой обратной связью (непосредственное соединение выводов 3 и 6 для получения единичного коэффициента усиления или с использованием резисторов в цепи обратной связи, подключенных к выводам 3 и 6, для получения усиления по напряжению Ay, равного 10). На рис. 6.4 и 6.5 показаны частотные характеристики в режиме с замкнутой обратной связью для коэффициентов усиления 1 и 10.

Частота, при которой начинается уменьшение амплитуды выходного сигнала, называется точкой перегиба частотной характеристики. В технических условиях (паспортах, спецификациях) ИС усилителей указано, что точка перегиба частотной характеристики соответствует частоте, при которой происходит снижение выходного сигнала на 3 дБ по сравнению с его значением на плоском участке характеристики. На рис. 6.5 спад частотной характеристики начинается на частоте примерно 10 МГц, а спад на 3 дБ наблюдается на частоте порядка 20 МГц.

В ряде ИС усилителей предусмотрено подключение внешних корректирующих элементов (как правило, конденсаторов, но иногда встречаются и комбинации резисторов и конденсаторов). Цепи коррекции влияют как на положение точки перегиба частотной характеристики, так и на саму зависимость усиления от частоты.

Рис. 6.1.Схемо измерения усиления в режиме с разомкнутой обратной связью (Harris Semiconductor. Linear & Telecom IS’s, 1994, p. 2-217)

Пргшечание крис. Все конденсаторы развязки no питанию емкостью 0,1 и 0,001 мкФ – многослойные, керамические, бескорпусные. Развязывающийрезистор – 10 Ом, 0,25 Вт, – помеченный звездочкой и показанный на схемах включения усилителя, выполняет две задачи: обеспечивает развязку ИС непосредственно на выводах питания, подавляя возможные резонансные явления в источнике из-за параллельно включенных конденсаторов, и защиту в случае длительного режима короткого замыкания на выходе.

Амплитудно-частотная характеристика (диаграмма Боде) для ИС CA3450 (Harris Semiconductor. Linear & Telecom IS’s, 1994, p.2-2l6)

В схеме на рис. 6.1 внешние корректирующие элементы не использованы. В схеме на рис. 6.3 внешний корректирующий конденсатор подключен к выводам 9 и 11. На графике (см. рис. 6.4) виден эффект влияния величины емкости конденсатора С_с на усиление и фазовый сдвиг. Многие усилительные ИС имеют внутренние

Рис 6.3. Схема измерения частотной характеристики в режиме с замкнутой обратной связью (Harris Semiconductor. Linear&Telecom IS’s, 1994, р. 2-218)

Частотные характеристики при единичном усилении в режиме с замкнутой обратной связью (Harris Semiconductor. Linear & Telecom IS’s, 1994, p. 2-216)

Чостотные характеристики при коэффициенте усиления по напряжению \ ш 10 в режиме с зомкнутой обратной связью

корректирующие элементы, поэтому в таких ИС характеристики усиления и фазового сдвига в режиме с разомкнутой обратной связью не могут быть изменены путем внешней настройки.

Для измерения АЧХ необходимо обеспечить подачу входного сигнала со строго постоянной амплитудой и производить измерения выходного сигнала. Частота входного сигнала (при неизменной его амплитуде) должна меняться в пределах собственного рабочего диапазона частот усилителя. Затем следует нанести на график величину выходного напряжения для каждого значения частоты. Выполнение измерений производится в следующем порядке:

1. Собрать схему, изображенную на рис. 6.1 или 6.3. Следует иметь в виду, что приведенные на рисунках схемы рассчитаны на конкретный тип ИС. Однако они имеют абсолютно все необходимые элементы стандартной схемы проверки зависимости усиления от частоты. Тестовый сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход подключен к выходу (либо заземлен при проведении испытаний в режиме с разомкнутой обратной связью для некоторых ИС). На выходе должен быть получен усиленный неинвертированный сигнал, повторяющий форму входного. Вход и выход должны быть нагружены на определенную испытательную нагрузку (как правило, сопротивлением 50 Ом). Нагрузка, подключенная к входу, должна иметь такой же импеданс, что и источник сигнала, а к выходу должна быть подключена нагрузка с импедансом, равным импедансу измерительного прибора (например, осциллографа). Следует отметить, что характеристики усилителя будут меняться (иногда значительно) при изменении выходной нагрузки, а также параметров внешней цепи коррекции. Поэтому в тех случаях, когда реальная нагрузка сильно отличается от рекомендуемой в спецификации, нужно произвести испьггания усилителя с реальными величинами выходной нагрузки в дополнение к испытаниям с рекомендуемыми значениями. При этом может оказаться, что параметры ИС не будут удовлетворять требуемым по величине усиления или точке перегиба частотной характеристики.

Эти предварительные замечания относятся как к случаю проведения испытаний с корректирующими элементами, так и без них. Например, в схеме измерений на рис. 6.1 внешние корректирующие элементы не используются (нет подключений к выводам 9 и 11), а в схеме на рис. 6.3 имеется внешний конденсатор, подключенный к выводам 9 и 11. При сравнении графиков на рис. 6.2,6.4 и 6.5 видно, что характеристики зависимости усиления от частоты различаются в случае использования корректирующих элементов и их отсутствия. Например, усиление в режиме с разомкнутой обратной связью (рис. 6.2) составляет примерно 57 дБ на частоте 1 МГц, но падает почти до 10 дБ на частоте 100 МГц. При использовании внешних корректирующих элементов и резистора обратной связи, обеспечивающего усиление по напряжению, равное 20 дБ, график усиления по напряжению не имеет спада почти до 10 МГц, а затем спадает до 10 дБ на частоте 100 МГц.

2. Начинать проверку следует с установки частоты генератора на минимальную величину диапазона (например, 1 МГц для ИС усилителей). Затем нужно

установить амплитуду выходного сигнала генератора на необходимом уровне. При отсутствии сведений о необходимом уровне напряжения тестового сигнала для усилителя величина выходного сигнала генератора устанавливается исходя из практических соображений. Например: контролируя выходной сигнал усилителя и увеличивая амплитуду выходного сигнала генератора на частоте примерно равной середине рабочего диапазона (20-30 МГц для интегральных усилителей), нужно зафиксировать момент начала режима насыщения. Усилитель находится в режиме насыщения, если дальнейшее увеличение сигнала генератора не вызывает увеличения выходного сигнала (показаний измерительного прибора) либо вершины синусоидального выходного сигнала на экране осциллографа начинают уплощаться. Следует установить выходной сигнал генератора чуть ниже того значения, при котором начинается насыщение. Затем подключить осциллограф или измерительный прибор на выход генератора (вход схемы) и измерить величину напряжения. Входной сигнал необходимо поддерживать на этом уровне в течение всего времени проведения измерений.

При выполнении любых действий, связанных с изменением выходного напряжения, убедитесь в том, что его величина не превосходит ограничений, установленных для данной ИС. Как показано на рис. 6.6, размах выходного напряжения (от пика до пика) интегрального усилителя составляет примерно 5 В на частоте порядка 20 МГц.

Зависимость выходного нопряжения от частоты (Harris Semiconductor. Linear & Telecom IS’s,

1994, p. 2-217) ______________

Если в режиме с замкнутой обратной связью усиление равно 10, а входной сигнал на частоте 20 МГц – 0,6 В, то выходное напряжение достигнет 6 В. Так как эти значения сигналов превышают допустимые для указанной микросхемы, то в результате возможно искажение формы выходного сигнала.

3. Если проверяемая схема позволяет настраивать или управлять такими параметрами, как громкость, усиление, тембр (по высоким или низким частотам), баланс и т.п., то при начальном измерении амплитудно-частотных характеристик следует выбрать средние величины этих параметров, а затем, при необходимости, произвести повторные измерения при различных положениях органов регулировки. Хотя в рассматриваемом примере их нет, данная интегральная микросхема имеет возможность подстройки смещения нуля (выводы 1

и 16 на рис. 6.1). Если на дифференциальном входе ИС наблюдается разбаланс либо имеется смещение уровня в последующих каскадах схемы, выходной сигнал может быть ненулевым при нулевом сигнале на входе. Напряжение, подаваемое на выводы 1 и 16, может исправить эту ситуацию.

На рис. 6.7 приведена схема измерения частотной характеристики в режиме с разомкнутой обратной связью для другого типа ИС усилителя (CA3094A фирмы Harris), где используется подстройка смещения нуля. В этой схеме один из входов (вывод 3) имеет потенциал «земли», а напряжение, подаваемое на вывод 2, может регулироваться для установки нулевого начального уровня на выходе. Следует отметить, что ИС на рис. 6.7 является операционным усилителем с управляемым коэффициентом усиления.

Схема измерения частотной характеристики в режиме с разомкнутой обратной связью дифференциального усилителя с управляемым коэффициентом усиления (Harris Semiconductor. Linear & Telecom IS’s, 1994, p. 2-94)

Таблицаб.1. Зависимость управляющего тока смещения 1_АВСот величины резистора RS

4. При проведении измерений требуется внести полученное значение выходного напряжения в таблицу. Затем, поддерживая постоянной амплитуду выходного сигнала генератора, необходимо увеличить его частоту на некоторую фиксированную величину и занести в таблицу новое значение выходного напряжения. Шаг увеличения частоты генератора может быть произвольным и определяется прежде всего диапазоном рабочих частот ИС. Вполне приемлемым является шаг изменения частоты в 1 МГц между измеряемыми точками (при максимальном значении порядка 10 МГц). В частотном диапазоне свыше 10 МГц может быть допустим шаг изменения частоты 10 МГц. Естественно, что уменьшение шага изменения частоты позволит выявить ряд особенностей, в частности появление выбросов на частотной характеристике. Обратите внимание, что на графике зависимости усиления от частоты (рис. 6.4) наблюдается подъем характеристики в области частот от 100 до 200 МГц.

5. После начального измерения АЧХ можно при необходимости определить влияние органов настройки и управления (если таковые имеются) на характеристику. Например, в НЧ усилителе органы управления громкостью и усилением оказывают одинаковое влияние в пределах собственного частотногодиапазона усилителя. Изменение уровня регулировки низких и высоких звуковых частот (тембра) может оказать определенное влияние на частотную характеристику во всем частотном диапазоне. Естественно, что влияние регулировки высоких частот больше проявится в высокочастотной части диапазона, тогда как регулировка низких частот окажет большее влияние в низкочастотной области.

6. Необходимо учитывать, что амплитуда выходного сигнала генератора, как правило, изменяется с изменением частоты (факт, который иногда не учитывается при измерении амплитудно-частотных характеристик). Поэтому после каждого изменения частоты следует проверять амплитуду выходного сигнала генератора, так как очень важно, чтобы эта величина оставалась постоянной при измерениях во всем частотном диапазоне.

Источник: Ленк Д., 500 практических схем на популярных ИС: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, – 44 с.: ил. (Серия «Учебник»).

Источник