Вычислитель оценки нелинейных искажений (варианты)

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и предназначено для оценки наличия и степени нелинейных искажений, возникающих в звукоусилительном тракте при прохождении через него как детерминированного моногармонического сигнала, так и реального случайного. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в обеспечении возможности выявления и оценки нелинейных искажений в процессе выполнения усилителем своих полезных функций без прерывания его работы и перевода в специальный измерительный режим. Технический результат достигается тем, что вычислитель содержит блок деления, преобразователь переменного напряжения в постоянное и фильтр нижних частот, выход которого является выходом вычислителя, тестовыми входами которого являются входы блока деления, выход которого соединен по переменному току со входом преобразователя переменного напряжения в постоянное, выход которого соединен со входом фильтра нижних частот. В другом варианте исполнения вычислитель дополнительно содержит полосовые фильтры. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и предназначено для оценки наличия и степени нелинейных искажений, возникающих в звукоусилительном тракте при прохождении через него как детерминированного моногармонического сигнала, так и реального случайного.

Прототипом заявляемого вычислителя является структура, содержащая генератор тестового сигнала, режекторный фильтр, два измерителя среднеквадратических значений и блок деления, выход которого является информационным выходом устройства, тестовым выходом которого служит выход генератора тестового сигнала, а тестовым входом служит вход режекторного фильтра, выход которого соединен с входом первого измерителя среднеквадратических значений, выход которого соединен с первым входом блока деления, второй вход которого соединен с выходом второго измерителя среднеквадратических значений, вход которого объединен с входом режекторного фильтра [Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, стр.384, рис.14.14б].

Принцип действия прототипа предусматривает применение специального измерительного сигнала, как правило, моногармонического, по результатам искажения которого и судят о наличии и степени нелинейности тракта. Указанная особенность не позволяет использовать устройства подобного типа для оценки нелинейных искажений, возникающих в процессе выполнения усилителем его штатных функций - усиления полезного сигнала, в реальности являющимся случайным. Отмеченное относится к существенному недостатку прототипа.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в обеспечении возможности выявления и оценки нелинейных искажений в процессе выполнения усилителем своих полезных функций - усиления случайных сигналов, без прерывания его работы и перевода в специальный измерительный режим.

Технический результат достигается тем, что в вычислитель оценки нелинейных искажений, содержащий блок деления, согласно изобретению введены преобразователь переменного напряжения в постоянное и фильтр нижних частот, выход которого является выходом вычислителя, первым и вторым тестовыми входами которого являются соответственно первый и второй входы блока деления, выход которого соединен по переменному току со входом преобразователя переменного напряжения в постоянное, выход которого соединен со входом фильтра нижних частот.

Для повышения достоверности оценки в вычислитель могут быть дополнительно введены первый и второй полосовые фильтры, выходы которых подключены соответственно к первому и второму тестовым входам вычислителя, а входы первого и второго полосовых фильтров являются соответственно первым и вторым тестовыми входами вычислителя.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 представлена функциональная схема вычислителя с подключенным тестируемым усилителем. На фиг.2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу вычислителя на конкретном примере.

Функциональная схема (фиг.1) содержит блок 1 деления, преобразователь 2 переменного напряжения в постоянное, фильтр 3 нижних частот (ФНЧ), полосовые фильтры (ПФ) 4, 5, а также тестируемый усилитель 6 с подключенной нагрузкой R_L. Первый тестовый вход вычислителя, являющийся входом ПФ 4, объединен со входом х(t) тестируемого усилителя 6, выход y(t) которого соединен со вторым тестовым входом вычислителя, которым (входом) является вход ПФ 5, выходы ПФ 4 и 5 подключены соответственно к первому и второму входам блока 1 деления, выход которого соединен со входом преобразователя 2, выход которого соединен со входом ФНЧ 3, выход которого является выходом вычислителя. Первый вход блока 1 деления является входом операнда-делителя, а второй вход - входом операнда-делимого.

На фиг.2 показаны напряжения U_вып1, U_вып2 (фиг.2а) на выходе преобразователя 2 и напряжения U_вых1, U_вых2 (фиг.2б) на выходе ФНЧ 3.

Принцип выявления нелинейных искажений и их количественная оценка состоят в следующем.

Входной x(t) (делитель) и выходной y(t) (делимое) сигналы тестируемого усилителя 6 через фильтры 4, 5 поступают на входы блока 1 деления. Указанные сигналы могут быть как детерминированными моногармоническими, так и случайными с относительно широкой полосой частот - принцип действия вычислителя от этого существенно не меняется. При отсутствии нелинейных искажений и пренебрежимо малом времени группового запаздывания в тестируемом усилителе 6 связь между его выходом и входом однозначно описывается простым выражением y(t)=kx(t) (k - коэффициент пропорциональности, физически являющийся коэффициентом усиления на выбранном линейном участке). Если считать, что в течение выбранного нами интервала наблюдения за работой усилителя 6 его параметры не меняются, а значения входного сигнала x(t) находятся в пределах участка линейного усиления, то есть x₁≤x(t)≤ x₂ ([x₁; х₂] - диапазон линейного усиления), то на выходе блока 1 деления будет присутствовать постоянное напряжение, равное величине k. Учитывая, что на вход преобразователя 2 подается только переменная составляющая сигнала с выхода блока 1 деления, то легко понять, что напряжение U_вых на выходе вычислителя будет равно нулю - случай отсутствия нелинейных искажений. При появлении нелинейных искажений, например по причине выхода сигнала x(t) за пределы диапазона линейного усиления, связь между выходным и входным сигналами будет нелинейной и выразится через функционал F(x(t)), зависящий от времени

Следовательно, отношение сигналов y(t) и x(t) будет представлять собой переменную величину, а значит, и в выходном сигнале блока 1 деления появится переменная составляющая, которая после выпрямления в преобразователе 2 и текущего усреднения в ФНЧ 3 будет служить оценкой нелинейных искажений. То есть количественной оценкой искажений является средневыпрямленное значение переменной составляющей отношения выходного сигнала y(t) ко входному х(t) (строго говоря, при наличии полосовых фильтров на входы блока деления будут подаваться уже не сигналы y(t) и x(t), а результат их фильтрации, однако принятое нами упрощение в обозначениях сигналов непринципиально для описания принципа действия вычислителя, так как указанные фильтры выполняют всего лишь корректирующую роль и согласно п.1 формулы изобретения могут отсутствовать).

В качестве наглядного подтверждения зависимости напряжения U_вых на выходе ФНЧ 3 от нелинейных искажений в тестируемом усилителе на фиг.2 воспроизведена часть результатов, полученных при исследовании реального усилительного каскада, работающего в режиме класса А. Для удобства визуальной оценки в качестве измерительного (тестового) сигнала применялся моногармонический сигнал с частотой 1 кГц, амплитуда U_вхm которого в процессе измерений изменялась в диапазоне от 0,5 мВ до 10,5 мВ. С увеличением U_вхm в исследуемом усилителе росли и нелинейные искажения, уровень К_г которых контролировался известным способом разложения выходного сигнала в ряд Фурье. Коэффициент гармоник К_г менялся от 0,39% до 8,2% при изменении U_вхm в указанном выше диапазоне. На фиг.2а приведены графики выпрямленных напряжений U_вып1 и U_вып2 на выходе преобразователя 2 для двух значений входных сигналов U_вхm1=4,5 мВ (U_вып1) и U_вхm2=10,5 мВ (U_вып2) и соответственно для двух уровней нелинейных искажений K_г1=3,5%, К _г2=8,2%. Из графиков U_вып1 и U_вып2 легко видеть, что большим нелинейным искажениям соответствует как больший размах выпрямленного сигнала, так и в целом большая амплитуда, что находится в полном согласии с физической сутью нелинейного усиления. Результаты визуальной оценки подтверждаются и значениями напряжений U_вых, измеренных на выходе ФНЧ 3, в котором происходит текущее усреднение средневыпрямленных значений. Учитывая, что фильтр нижних частот не является идеальным усредняющим устройством, напряжение на его выходе слегка колеблется возле некоторого среднего значения U_вых (это видно на фиг.2б). Коэффициенту гармоник K_г1=3,5% и U_вып1 соответствует напряжение U_вых1=164 мВ, а значению К_г2=8,2% отвечает выходное напряжение U_вых2=310 мВ. Как видим, с ростом нелинейных искажений растет и выходное напряжение U_вых ФНЧ 3. В качестве фильтра нижних частот использовалась RC цепочка с постоянной времени τ =50 мс. Измерения, как это видно на фиг.2, проводились после завершения всех переходных процессов в реактивных цепях вычислителя.

Погрешности оценки в настоящем вычислителе в значительной степени будут зависеть от нахождения отношения y(t)/x(t), где реакция y(t) в каждый момент времени должна строго соответствовать вызвавшему ее воздействию x(t). Такое соответствие возможно только при отсутствии какой-либо задержки в передаче воздействия со входа усилителя на выход. Разумеется, в реальности такого не бывает, и выходной сигнал всегда запаздывает по отношению к входному. Однако в малокаскадных низкочастотных усилителях время группового запаздывания настолько мало, что во многих задачах им можно пренебречь. В то же время теоретически учитывать наличие задержки полезно в каждом конкретном случае, также как и наличие шумов в выходном сигнале y(t).

Поскольку в качестве измерительного сигнала настоящий вычислитель допускает применение реального случайного сигнала, то следует учитывать возможность неравномерного усиления всех частотных компонент, что, в свою очередь может повлиять на выходной результат. В таких случаях сигналы x(t) и y(t) на входы блока 1 деления целесообразно подавать в ограниченной полосе частот, в пределах которой неравномерностью частотной характеристики исследуемого усилителя можно пренебречь. На фиг.1 указанные функции выполняют полосовые фильтры 4 и 5 с одинаковыми параметрами и фильтрующими свойствами.

Касаясь особенностей реализации вычислителя, отметим, что в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное может быть использован двухполупериодный выпрямитель, а связать по переменному току блок 1 деления с указанным преобразователем достаточно легко, соединяя выход блока деления со входом преобразователя 2 через разделительный конденсатор.

Представленный вычислитель оценки нелинейных искажений (фиг.1) имеет следующие преимущества перед известными аналогичными устройствами:

- вычислитель достаточно прост в аппаратурном отношении и, следовательно, имеет высокую надежность и низкую стоимость;

- низкая стоимость и высокая надежность позволяют применять вычислитель в качестве встроенного устройства контроля в звукоусилительную аппаратуру;

- в состав вычислителя не входит специальный тестовый генератор, являющийся неотъемлемой частью подобных устройств, и вычислитель может работать с различными тестовыми сигналами, включая случайные, что позволяет контролировать работу тестируемых устройств без перевода их в специальный тестовый режим и исследовать их (или контролировать) при прохождении через них случайных сигналов, несущих полезную информацию, не прерывая выполнение ими “штатных” функций.

1. Вычислитель оценки нелинейных искажений, содержащий блок деления, отличающийся тем, что в него введены преобразователь переменного напряжения в постоянное и фильтр нижних частот, выход которого является выходом вычислителя, первым и вторым тестовыми входами которого являются соответственно первый и второй входы блока деления, выход которого соединен по переменному току со входом преобразователя переменного напряжения в постоянное, выход которого соединен со входом фильтра нижних частот.

2. Вычислитель оценки нелинейных искажений, содержащий блок деления, отличающийся тем, что в него введены преобразователь переменного напряжения в постоянное, два полосовых фильтра и фильтр нижних частот, выход которого является выходом вычислителя, входы первого и второго полосовых фильтров являются соответственно первым и вторым тестовыми входами вычислителя, выходы полосовых фильтров подключены соответственно к первому и второму входам блока деления, выход которого соединен по переменному току со входом преобразователя переменного напряжения в постоянное, выход которого соединен со входом фильтра нижних частот.