Измеритель коэффициента усиления
Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано для оперативного измерения коэффициентов усиления как широкополосных усилителей, так и усилителей звуковой частоты, а также для автоматизированного контроля трактов прохождения аудиосигналов. Устройство содержит два полосовых фильтра, два детектора, два фильтра нижних частот, два аналого-цифровых преобразователя и функциональный преобразователь, выполняющий в простейшем случае операцию деления. Особенностью измерителя является то, что для его работы не требуются специальные тестовые сигналы, а следовательно, и генераторы этих сигналов. Для измерения коэффициента усиления достаточно воспользоваться случайным напряжением источника входного сигнала. Необходимо лишь наличие в спектре сигнала источника тех частотных компонент, на которые настроены полосовые фильтры измерителя. Технический результат - повышение точности измерений. 1 ил.
Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано для оперативного измерения коэффициентов усиления как широкополосных усилителей, так и усилителей звуковой частоты, а также для автоматизированного контроля трактов прохождения аудиосигналов.
В качестве прототипа выбрано устройство, не требующее специальных тестовых сигналов и содержащее два управляемых усилителя-ограничителя, два детектора и два фильтра нижних частот (ФНЧ), входы первого и второго усилителей являются соответственно первым и вторым информационными входами устройства, выходы первого и второго усилителей подключены соответственно к входам первого и второго детекторов, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго ФНЧ, выходы которых являются выходом устройства, управляющие входы усилителей объединены и подключены к выходу одного из них [Горон И.Е. Радиовещание. - М.: Связь, 1979, стр. 221].
Существенным недостатком прототипа является наличие в двух каналах управляемых активных аналоговых цепей, идентичность характеристик которых в значительной степени влияет на точность оценки коэффициента усиления. К другому недостатку следует отнести вид зависимости выходного напряжения устройства от измеряемого коэффициента усиления. Несмотря на линейный вид, передаточная характеристика оказывается смещенной. В результате при коэффициенте усиления, равном единице, напряжение на выходе усилителя равно нулю, а при коэффициенте усиления, меньшем единицы, выходное напряжение меняет знак на противоположный, что свойственно не линейной, а логарифмической зависимости. Указанное в ряде случаев вызывает неудобства при применении и требует добавления к выходному напряжению постоянного смещения. Отмеченные недостатки, как правило, ограничивают применение прототипа областью, связанной с наблюдением за изменениями коэффициента усиления, и не позволяют его использовать как сугубо измерительный прибор.
Кроме того, в прототипе не предусмотрена возможность измерения коэффициента усиления как частотно-зависимого параметра. В нем сравниваются средневыпрямленные значения, относящиеся ко всему диапазону частот. Поэтому измерять коэффициент усиления на какой-то конкретной частоте (или в полосе) такое устройство не позволяет. В ряде вполне реальных случаев это может привести к ошибочным результатам, так как сигналы с различными спектрами могут иметь одни и те же средневыпрямленные значения.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в повышении точности измерений.
Технический результат достигается тем, что в известный измеритель коэффициента усиления, содержащий два детектора и два фильтра нижних частот, выходы первого и второго детекторов соединены соответственно с входами первого и второго фильтров нижних частот, согласно изобретению введены два полосовых фильтра, два аналого-цифровых преобразователя и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, а первый и второй входы функционального преобразователя соединены соответственно с выходами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей соединены соответственно с выходами первого и второго фильтров нижних частот, первым и вторым информационными входами измерителя являются соответственно входы первого и второго полосовых фильтров, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго детекторов.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена функциональная схема измерителя коэффициента усиления.
Функциональная схема содержит два полосовых фильтра (ПФ) 1, 2, два детектора 3, 4, два фильтра 5, 6 нижних частот (ФНЧ), два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) 7, 8, функциональный преобразователь 9 и тестируемый усилитель 10 с нагрузочным сопротивлением R L. Первым информационным входом измерителя является вход ПФ1, выход которого через детектор 3 соединен с входом ФНЧ 5, выход которого подключен к информационному входу АЦП 7, выход которого подключен к первому входу функционального преобразователя 9, выход которого является выходом К* измерителя, вторым информационным входом которого является вход ПФ2, выход которого через детектор 4 соединен с входом ФНЧ 6, выход которого подключен к информационному входу АЦП 8, выход которого подключен к второму входу функционального преобразователя 9, тактовые входы АЦП 7 и 8 объединены и составляют тактовый вход CLK измерителя. Вход u вx(t) исследуемого усилителя 10 объединен с первым информационным входом измерителя, а выход u выx(t) усилителя 10 подключен к второму информационному входу измерителя.
Процесс измерения коэффициента усиления К(
) (модуля коэффициента передачи) состоит в следующем.
К входу и выходу исследуемого усилителя 10 (см. чертеж), который находится в рабочем режиме усиления полезного сигнала u вx(t), подключают соответствующие информационные входы измерителя, как это показано на чертеже. Входной сигнал u вx(t) от внешнего источника поступает на вход первого канала измерителя, где из него вырезается достаточно узкая полоса частот 
; полученный сигнал u0(t) в указанной полосе детектируется, то есть берется его модуль, и далее усредняется за интервал наблюдения Т. Указанные операции, как это несложно видеть из функциональной схемы, выполняются полосовым фильтром 1, детектором 3 и фильтром 5 нижних частот соответственно. Аналогичные действия совершаются и над выходным сигналом u выx(t) усилителя, поступающим во второй канал измерителя (ПФ 2 - детектор 4 - ФНЧ 6),
Полагая, что коэффициент усиления К( ) в выделенной полосе частот постоянен, выразим сигнал на выходе ПФ2 через сигнал, полученный на выходе ПФ1: u(t)=К( )u0(t). Учитывая введенные обозначения, запишем выражения для сигналов на выходах ФНЧ 5 и ФНЧ6 соответственно
и
Отношение величин (1) и (2), которые представляют собой не что иное, как средневыпрямленные значения входного и выходного сигналов усилителя 10 в полосе . равно коэффициенту усиления К( ) в этой полосе
в чем несложно убедиться после элементарных сокращений в правой части равенства (3). Для вычисления отношения (3) величины (1) и (2) оцифровываются в АЦП 7, 8 и далее уже в цифровом виде поступают в функциональный преобразователь 9, выполняющий операцию деления (3).
Постоянную времени 
ф ФНЧ 5, 6 следует выбирать исходя из максимального интервала корреляции к сигналов, действующих в выделенной полосе , так, чтобы выполнялось условие ф&
; &; к. В этом случае продолжительность интегрирования Т= ф становится много больше к и достаточной для получения несмещенной оценки, во-первых, и, во-вторых, увеличение Т вообще полезно для снижения ошибки усреднения.
В случае, если функции усреднения полностью возложены, как это предполагалось выше, на ФНЧ 5, 6, то период тактирования АЦП 7, 8 должен выбираться исходя из требуемых условий к обновлению выходной информации. Однако нельзя исключать ситуацию, когда по инженерным соображениям сделать ф достаточно большим сложно или вообще не представляется возможным, например, вследствие увеличения размеров элементов RС-цепочек на низких частотах. В этом случае при сравнительно широкой полосе ФНЧ операцию усреднения следует довершить уже в функциональном преобразователе в цифровом виде. При таком алгоритме период тактирования АЦП 7, 8 следует выбирать исходя не из требований к скорости обновления выходного результата К*( ), а из условий, обеспечивающих снижение ошибки усреднения, за счет увеличения объема выборки. Разумеется, с перераспределением задач функциональный преобразователь 9 уже перестает быть простым делителем входных операндов, а превращается в устройство, выполняющее еще и функции накопления (суммирования) и усреднения. Такой функциональный преобразователь может состоять из двух накапливающих сумматоров и блока деления, два входа которого соединены с выходами указанных сумматоров, входы которых являются входами функционального преобразователя, выходом которого является выход блока деления. Особенностью подобного подхода является то, что постоянная времени ф может быть сильно уменьшена и доведена до уровня, когда речь об интегрировании и усреднении в ФНЧ 5, 6 вообще не будет смысла вести, поскольку у ФНЧ 5, 6 останутся лишь функции защиты входов АЦП от высокочастотных паразитных компонент, проникающих в полезную часть спектра. То есть операцию усреднения можно полностью выполнять после аналого-цифрового преобразования, исключая таким образом влияния на конечный результат неидентичностей характеристик аналоговых фильтров 5, 6.
Из принципа действия измерителя (см. чертеж) видно, что для его работы не требуются специальные тестовые сигналы, а следовательно, и генераторы этих сигналов. Для измерения коэффициента усиления К( ) достаточно воспользоваться случайным сигналом источника u вx(t). Необходимо лишь наличие в спектре сигнала источника тех частотных компонент, на которые настроены полосовые фильтры 1, 2. Что же касается их добротности, то есть ширины полосы , то это определяется исходя из конкретных задач, ставящихся перед разрабатываемым измерителем. Например, при автоматизированном контроле усилительного тракта звуковой частоты на частоте 1 кГц, для чего может быть использован рассмотренный измеритель, ширина полосы пропускания выбирается равной примерно 500-1000 Гц.
Формула изобретения
Измеритель коэффициента усиления, содержащий два детектора и два фильтра нижних частот, выходы первого и второго детекторов соединены соответственно с входами первого и второго фильтров нижних частот, отличающийся тем, что в него введены два полосовых фильтра, два аналого-цифровых преобразователя и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, а первый и второй входы функционального преобразователя соединены соответственно с выходами первого и второго аналого-цифрового преобразователей, входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей соединены соответственно с выходами первого и второго фильтров нижних частот, первым и вторым информационными входами измерителя являются соответственно входы первого и второго полосовых фильтров, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго детекторов.
РИСУНКИ
