Нелинейные искажения

1. Нелинейные искажения

2. Искажения в усилителях

Идеальный линейный усилитель должен обеспечивать усиление
входного сигнала без усиления входной формы. В реальных усилителях,
между формой выходного и входного сигнала, всегда имеются отличия.
Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на
входе называется искажением. Их классификация приведена на рис. 8.
Нелинейные искажения связаны с нелинейностной ВАХ активных
элементов. Количественно нелинейные искажения оцениваются
коэффициентом нелинейных искажений (КНИ).
,
U 22m 2 U 22m 3 ... U 22mn
КНИ
U 2 m1
где U2m1 – амплитуда первой гармоники выходного напряжения, U2m2 амплитуда второй и других высших гармоник выходного напряжения.
Линейные искажения возникают за счёт зависимости частотной
характеристики коэффициента усиления от частоты. Частотные искажения
возникают из-за непостоянства коэффициента усиления. Идеального
неискажающий усилитель должен иметь постоянный коэффициент усиления.
Частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных
искажений, под которым понимают неравномерность коэффициента
усиления Мн=Мв= К0u /Кu(ωгр).
Фазовые искажения возникает из-за непостоянства фазового сдвига
для различных гармоничных составляющих. Они обычно жестко связаны с
частотными искажениями и поэтому специальными параметрами их не
оценивают.
Линейные искажения наблюдаются только при усилении сигнала
сложной формы, т.е. сигналов, спектр которых содержит несколько
гармонических составляющих.

3. Нелинейные искажения

• Нелинейное преобразование сигнала может быть желательным и
полезным (например, при детектировании), а может быть вредным,
сопутствующим (например, в усилителях). В этом случае, когда это
явление не используется в устройстве, содержащем данную цепь, оно
весьма нежелательно, так как часто создает вредные побочные эффекты.
Поэтому форма сигнала на выходе этих устройств будет отличаться от
формы сигнала на их входе. Изменение формы сигнала называется
нелинейным искажением.
• Причина нелинейных искажений заключается в том, что при подаче на вход
гармонического сигнала частотой f на выходе появляется сигнал,
содержащий постоянную составляющую, основную частоту и высшие
гармоники с частотами 2f, 3f, 4f и т.д. Амплитуды высших гармоник с
увеличением их номеров быстро убывают. Определяющими обычно
бывают вторая и третья гармоники.
• Источником нелинейных искажений являются элементы цепей, у которых
ток не пропорционален приложенному напряжению, т.е. имеющие
нелинейную вольтамперную
характеристику. Это, как правило,
электронные лампы, транзисторы, диоды, катушки c ферромагнитными
сердечниками.

4. Нелинейные искажения

• Необходимость измерения нелинейных искажений связана
с исследованием параметров усилителей и генераторов
синусоидальных колебаний.
• Нелинейные искажения представляют собой сложной
явление, зависящее от многих параметров: состава
электрической
цепи,
ее
амплитудно-частотной
характеристики, формы сигнала, его амплитуды и т. п. С
увеличением
амплитуды
нелинейные
искажения
увеличиваются.
Обычно
при
увеличении
частоты
нелинейные искажения в усилителе также увеличиваются.
• Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом
гармоник КГ, а также коэффициентом нелинейных
искажений КН.

5. Нелинейные искажения

Коэффициент гармоник КГ определяется как отношение
среднеквадратического
(действующего)
значения
напряжения суммы всех гармоник сигнала, кроме первой,
к среднеквадратическому (действующему) значению
напряжения первой гармоники по формуле
где U1, U2, U3, … Un – среднеквадратические значения напряжения отдельных
гармоник выходного сигнала.
Коэффициент КГ характеризует отличие формы данного периодического сигнала от
гармонической.
Нетрудно увидеть, что при отсутствии в выходном сигнале высших гармоник, КГ = 0,
т.е. синусоидальный сигнал со входа на выход передается без искажений.
Коэффициент
нелинейных
искажений
Кн
определяется,
как
отношение
среднеквадратического (действующего) значения
напряжения
высших
гармоник
к
среднеквадратическому (действующему) значению
всего сигнала

6. Нелинейные искажения

7. Измерение Нелинейных искажений

Самыми распространенными одночастотными методами измерения являются:
1. Метод подавления основной гармоники.
2. Метод анализа напряжений.
Измерение нелинейных искажений методом подавления основной
гармоники
В соответствии с формулой для определения коэффициента нелинейных
искажений необходимо измерить действующее значение исследуемого
сигнала и действующее значение высших гармонических составляющих.
Существуют специальные приборы, измеряющие коэффициент нелинейных
искажений, называемые измерителями нелинейных искажений.

8. Измерение Нелинейных искажений

Схема прибора содержит входное устройство, перестраиваемый режекторный фильтр
и квадратичный вольтметр с аттенюатором.
Принцип действия прибора основан на раздельном измерении среднеквадратического
значения напряжения исследуемого сигнала и среднеквадратического значения напряжения
высших гармоник этого же сигнала.
Входное устройство обеспечивает необходимую величину входного сопротивления и
служит для согласования измерительного прибора с источником исследуемого сигнала.
Режекторный фильтр в идеальном случае должен иметь бесконечно большое
затухание на частоте первой (основной) гармоники и нулевое затухание на частотах высших
гармоник. Обычно режекторный фильтр реализуется с помощью мостовой схемы Вина.

9. Измерение Нелинейных искажений

Измерение нелинейных искажений методом анализа напряжений
Измерение нелинейных искажений методом анализа напряжений
(по отдельным гармоникам) осуществляется с помощью избирательного
измерителя уровней (ИИУ).
Схема измерения коэффициента гармоник с помощью ИИУ
приведена на рисунке, и состоит из генератора, ФНЧ, исследуемого
четырехполюсника, ИИУ.

10. Измерение Нелинейных искажений

ИИУ
подключается
к
выходу
исследуемого
объекта.
При
одночастотном синусоидальном сигнале для контроля напряжения любой
частоты, оказавшейся в нем в результате нелинейных искажений.
При этом ИИУ последовательно настраивается на первую, вторую, третью
гармоники (а при необходимости и на более высокие), напряжение (уровень)
которых нужно проконтролировать. Таким образом, отдельно измеряются
уровни всех интересующих гармоник исследуемого сигнала, и находится
затухание нелинейности для каждой из них, при этом берется разность
уровня первой гармоники и каждой из контролировавшихся частот:

11. Приборы для измерения НИ

Измери́тель нелине́йных искаже́ний,
ИНИ,
(измеритель
коэффициента гармоник) — прибор для
измерения
коэффициента
нелинейных
искажений, КНИ (коэффициента гармоник)
сигналов
в
радиотехнических
и
электронных устройствах.
Чаще всего ИНИ используют в диапазоне низких и звуковых частот при
контроле и испытании высококачественных усилителей мощности звукового
диапазона, звуковоспроизводящих и звукозаписывающих устройств, для
контроля модулирующих трактов передатчиков и другой подобной
аппаратуры.
По способу обработки и представления измерительной информации
приёмники разделяются на аналоговые и цифровые.
В аналоговых устройствах испытуемый сигнал обрабатывается аналоговыми
устройствами — аналоговыми фильтрами, усилителями и т. д. Этим
приборам принципиально присуща погрешность, вызванная аналоговым
способом обработки сигналов, так, нелинейности и другие погрешности в
канале измерения вносят искажения в исследуемый сигнал.

12. Приборы для измерения НИ

В цифровых устройствах аналоговый сигнал непосредственно на
входе ИНИ оцифровывается посредством аналого-цифрового
преобразователя с частотой выборок и числом уровней квантования,
достаточных для измерения искажений с заданной точностью.
Дальнейшая обработка массива или потока оцифрованных выборок
для получения результата измерения производится математическими
методами
некоторым
цифровым
вычислителем
—
ЭВМ или микропроцессором. В таких ИНИ аналоговый
измерительный тракт заканчивается в АЦП.
Оба класса ИНИ имеют свои преимущества и недостатки, например,
аналоговые приборы имеют бо́льший по сравнению с цифровыми
ИНИ частотный диапазон измеряемых сигналов и обычно проще и
дешевле. Цифровые ИНИ, как правило, имеют бо́льшую точность, но
у́же диапазон частот исследуемых сигналов. Предпочтительный
выбор конкретного метода и прибора зависит от природы
исследуемого сигнала и требуемой точности. Для некоторых
применений годится любой из методов.