Измеритель нелинейных искажений аналоговых перемножителей сигналов



Измеритель нелинейных искажений аналоговых перемножителей сигналов
Измеритель нелинейных искажений аналоговых перемножителей сигналов
Измеритель нелинейных искажений аналоговых перемножителей сигналов
Измеритель нелинейных искажений аналоговых перемножителей сигналов
Измеритель нелинейных искажений аналоговых перемножителей сигналов
Измеритель нелинейных искажений аналоговых перемножителей сигналов

 


Владельцы патента RU 2457496:

Открытое акционерное общество "Корпорация космических систем специального назначения "Комета" (RU)

Изобретение относится к области электронных измерений, к средствам измерения широкого применения. Измеритель содержит генератор немодулированного и генератор амплитудно-модулированного напряжения, выходы которых соединены со входами аналогового перемножителя сигналов. При этом в него введен высокочастотный анализатор спектра, подключенный к выходу аналогового перемножителя сигналов, а также генератор немодулированного напряжения, выход которого соединен со входом аналогового перемножителя. Технический результат заключается в расширении области применения. 2 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электронных измерений, к средствам измерения широкого применения. Объект измерения - аналоговые перемножители сигналов, которые повсеместно используются в качестве смесителей, квадратичных и синхронных линейных детекторов, балансных модуляторов, частотных и фазовых детекторов. Известны и многие другие их применения: в делителе напряжения, автоматическом регуляторе уровня, уплотнителе каналов, компрессоре, экспандере (М.У.Банк. Аналоговые интегральные схемы в радиоаппаратуре. - М.: Радио и связь, 1981). Аналоговые перемножители сигналов в виде отдельных интегральных схем выпускаются промышленностью, их параметры непрерывно улучшаются (Реклама фирмы Analog Device). Имеются утверждения, что по распространенности среди аналоговых устройств аналоговые перемножители сигналов на втором месте после операционных усилителей. Задача измерения нелинейных искажений аналоговых перемножителей сигналов является актуальной.

Применительно к каждому отдельному виду устройств разработаны методы измерения вносимых ими нелинейных искажений (А.В.Зенькович. Методы измерения нелинейных искажений, вносимых частотными детекторами. Полупроводниковая электроника в технике связи. Сборник статей под редакцией И.Ф.Николаевского. Выпуск 25. М.: Радио и связь, 1985, с.11-33). Известные методы позволяют получить разрешающую способность измерения менее 0,1%, однако они реализуются достаточно сложно.

Прототипом предлагаемого устройства является известное устройство, описанное в статье (Ю.Д.Болмусов. Метод измерения коэффициента гармоник огибающей в преобразователях частоты измерителей амплитудной модуляции. Измерительная техника, 1988, №4, с.40-42).

Известное устройство служит для измерения коэффициента гармоник смесителя, входящего в состав измерителя коэффициента амплитудной модуляции - прибора подгруппы С2. Структурная схема этого устройства, приведенная в статье, показана на фиг.1

На ней 1.4 - смеситель, 1.5 - гетеродин, 1.6 - фильтр нижних частот, 1.7 - усилитель промежуточной частоты, 1.8 - амплитудный детектор.

Операция аналогового перемножения осуществляется в смесителе 1.4, он выполняет роль аналогового перемножителя сигналов.

Процедура измерения состоит в измерении с помощью измерителя коэффициента амплитудной модуляции и низкочастотного анализатора спектра парциальных коэффициентов амплитудной модуляции основной составляющей перекрестной модуляции и ее второй гармоники. По ним рассчитываются парциальные коэффициенты гармоник огибающей, вносимые смесителем, и затем результирующий коэффициент гармоник. Достигнута высокая разрешающая способность измерения.

Главным наиболее существенным недостатком известного устройства является крайне ограниченная возможность его использования. Оно позволяет измерить только нелинейные искажения смесителя, входящего в качестве одного из узлов в состав измерителя коэффициента амплитудной модуляции. Такие измерения представляют интерес только для разработчиков измерителей коэффициента амплитудной модуляции.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2.

На измеряемый аналоговый перемножитель сигналов 4 одновременно подаются выходные напряжения трех генераторов: генератора 1 U1 с гармонической модуляцией U1=E1(1+m sinΩt)sinω1t, генератора 2 U2 и генератора 3 U3 без модуляции, U2=E2sinω2t, U33sinω3t.

В рабочей полосе частот аналоговый перемножитель сигналов в достаточном для практики приближении обычно можно считать безынерционным. Его характеристику, т.е. характеристику безынерционной нелинейной цепи, в общем случае можно представить степенным полиномом с ограниченным ввиду малости искажений числом членов

Uвых1Uвх2U2вх3U3вх4U4вх5U5вх6U6вх.

В операцию перемножения напряжений U2 и U3, т.е. в составляющие с частотами ω23 и ω23 выходного напряжения перемножителя, дают вклад только члены с четными степенями, члены с нечетными степенями можно опустить, т.е. записать

За счет нелинейности второго порядка операция перемножения сигналов осуществляется идеально. За счет нелинейностей более высоких четных порядков - четвертого и шестого вносятся искажения, относительное влияние которых определяется величинами и В рассматриваемом случае входное напряжение перемножителя Uвx=U1+U2+U3.

Для определения нелинейных искажений перемножителя используются спектральные составляющие его выходного напряжения с частотами ω23, ω23-Ω, ω23-3Ω. Нелинейность второго порядка характеристики (1) дает 2α2U2U3=2α2E2E3sinω2tsinω3t, т.е. составляющую с частотой ω23 и амплитудой α2E2E3.

Нелинейность четвертого порядка дает т.е. составляющие с частотой ω23 и амплитудами соответственно , и . Кроме того, на выходе будет составляющая с частотой ω23-Ω и амплитудой .

Нелинейность шестого порядка дает

Все эти выражения определяют шесть составляющих выходного напряжения перемножителя с частотой ω23 и соответственно амплитудами ,

, , , , .

Три последних выражения определяют составляющие с частотой ω23-3 Ω и соответственно амплитудами , , . Кроме того, последнее выражение определяет составляющую с частотой ω23-3Ω и амплитудой .

Представление аналогового перемножителя сигналов в рабочей полосе частот безынерционным позволяет считать все составляющие его выходного напряжения, имеющие одинаковые частоты, синфазными. Поэтому их векторное сложение сводится к суммированию амплитуд. С учетом всех членов характеристики (1) амплитуды E0, EΩ и Есоставляющих выходного напряжения аналогового перемножителя сигналов с частотами соответственно ω23, ω23-Ω, ω23-3Ω принимают следующий вид

Параметры входных напряжений Е1, Е2, Е3 и m устанавливаются при измерении, т.е. они известны. Измерение амплитуды E анализатором спектра позволяет рассчитать α6, последующие измерения EΩ и Е0 позволяют определить α4 и α2.

Если аналоговый перемножитель сигналов имеет нелинейные искажения единицы процентов и менее, то при определении α2, т.е. его коэффициента передачи, влияние α4 и тем более α6 можно не учитывать, т.е. с приемлемой погрешностью считать .

В случае необходимости можно учесть и измерить нелинейности более высоких четных порядков.

Из выражений для ЕΩ и Е следует, что для повышения чувствительности измерения коэффициент амплитудной модуляции m испытательного напряжения U1 целесообразно устанавливать максимальным. Для определения требований к уровню нелинейных искажений амплитудной модуляции напряжение U1 на входе аналогового перемножителя сигналов представляется в виде

U1=E1(1+msinΩt+m2sin2Ωt+m3sin3Ωt)sinω1t,

где m, m2, m3 - соответственно парциальные коэффициенты амплитудной модуляции гармоник. Поскольку составляющая выходного напряжения аналогового перемножителя сигналов с частотой ω23-2Ω при измерениях не используется, вторая гармоника частоты модуляции прямо не влияет. Однако наличие в U1 второй и третьей гармоник амплитудной модуляции за счет их взаимодействия приводит к тому, что за счет нелинейности четвертого порядка составляющие с частотой ω23-Ω и ω23-3Ω имеют следующие амплитуды:

Даже при заведомо завышенных значениях m2 и m3, например m2=m3=0,1, дополнительное влияние второй гармоники пренебрежимо мало.

Обусловленная нелинейностью четвертого порядка составляющая с частотой ω23-3Ω (3) приводит к относительной погрешности δ определения α6 по амплитуде этой составляющей (2), где

Нелинейные эффекты, нелинейные искажения, обусловленные нелинейностями разных порядков, складываются по мощности. При отношении мощностей менее 0,316, с погрешностью менее 10% (более слабый эффект), меньшие искажения можно не учитывать. С учетом этого т.е. при δ=0,1, m≈1, m3≤15%.

Выполнение этого требования не вызывает трудностей.

Разрешающая способность измерения - минимальный измеряемый предлагаемым устройством уровень (среднеквадратическое значение) спектральных составляющих UΩ и U определяется результирующим уровнем шума устройства, т.е. трех генераторов и анализатора спектра. Определяющим является уровень шума анализатора спектра. По сравнению с ним уровень шума современных генераторов, таких как Г4-201/1, Е4438С фирмы Agilent Technology (США), мал, и его практически можно не учитывать. Анализатор спектра СК4-56 на частотах 1-60 кГц в полосе 10 Гц имеет абсолютный уровень шума менее 50 нВ, при U0=80 мВ относительный уровень шума менее 7·10-7. Анализаторы спектра Е4440 А фирмы Agilent Technology и 4396 В фирмы Hewlett Packard на частотах 1-1700 МГц в полосе 10 Гц при отстройке более 10 кГц имеют относительный уровень шума соответственно 5·10-6 и 7·10-6. Имеется возможность снижения уровня шума при переходе к полосам 3 Гц и 1 Гц, что связано только с увеличением времени измерения.

Была проведена экспериментальная проверка предлагаемого измерителя, выполненного по схеме, приведенной на фиг.2. В нем использовались современные синтезированные генераторы: генератор 1 типа Г4-201/1 на частоте f1=282 МГц с амплитудной модуляцией с коэффициентом m=80% и частотой модуляции 10 кГц, генератор 2 типа Е4438С с частотой f2=249,5 МГц. Анализатором спектра типа 4396В при полосе 10 Гц и усреднении результатов 16 измерений измерялись уровни выходных спектральных составляющих U0, UΩ и U с частотами соответственно f2-f3=500 кГц, f2-f3-F=490 кГц и f2-f3-3F=470 кГц. Объект измерений - аналоговый перемножитель сигналов микросхема AD831 фирмы Analog Device (США). По данным фирмы AD831 работает на частотах до 500 МГц, имеет малую нелинейность и рекомендуется к использованию в качестве высококачественного смесителя, смесителя с подавлением зеркального канала приема, преобразователя постоянных напряжений в видеоимпульсы, квадратурного модулятора и демодулятора.

Измерения проводились в двух режимах при различных уровнях испытательных входных напряжений:

1) U1=150 мВ, U2=100 мВ, U3=200 мВ,

2) U1=30 мВ, U2=26 мВ, U3=200 мВ.

Результаты измерений и результаты расчета коэффициентов α характеристики (1) микросхемы AD831 по приведенным выше формулам (2) сведены в таблицу.

Режим измерения Частота составляющей спектра, кГц Относительный уровень составляющей Абсолютный уровень составляющей, В Коэффициент характеристики
дБ мкВ %
1 500 100 100 0,1 α2=3,546
490 33 4.5·10-2 4,47·10-5 α4=-0,054
470 19,5 7,5·10-3 9,44·10-6 α6=0,116
2 500 93,2 100 4,56·10-2 α2=6,162
490 -7 1·10-3 4,47·10-6 α4=-9,716
470 0 2,2·10-2 10-6 α6=26,9

В режиме 2 составляющая с частотой f1-f2-F=490 кГц имеет относительный уровень 10-3%, что подтверждает высокую разрешающую способность измерения.

Существенными принципиальными преимуществами предлагаемого измерителя нелинейных искажений аналоговых перемножителей сигналов по сравнению с известным устройством являются следующие.

Область применения измерителя расширена на все случаи использования аналоговых перемножителей сигналов в качестве устройств различного назначения. Определение параметров нелинейной характеристики перемножителя позволяет однозначно и сравнительно просто перейти к использованию любого другого критерия нелинейности. Более того, предлагаемое устройство позволяет измерять нелинейные искажения не только в аналоговых перемножителях сигналов, но и в других не называемых так устройствах, в которых фактически выполняется операция аналогового перемножения сигналов, например, однодиодных, балансных и кольцевых диодных смесителях, диодных балансных модуляторах.

Измеритель реализуется сравнительно просто, в нем используются выпускаемые в нашей стране и за рубежом широко распространенные приборы - генераторы и анализатор спектра. Никаких специальных узлов и устройств при этом не требуется. Тем самым обеспечивается высокая технико-экономическая эффективность измерений.

Широкий диапазон частот измерителя обеспечивается тем, что существующие генераторы и анализаторы спектра работают на всех частотах от самых низких, включая сверхвысокие.

Измеритель характеризуется повышенной по сравнению с известными методами и средствами примерно на порядок разрешающей способностью измерения.

Указанные преимущества позволяют сделать вывод о несомненной полезности предлагаемого измерителя.

Измеритель нелинейных искажений аналоговых перемножителей сигналов, содержащий генератор немодулированного и генератор амплитудно-модулированного напряжения, выходы которых соединены со входами аналогового перемножителя сигналов, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения измерителя на все случаи использования аналоговых перемножителей сигналов в качестве устройств различного назначения и расширения диапазона частот, в него введен высокочастотный анализатор спектра, подключенный к выходу аналогового перемножителя сигналов, а также генератор немодулированного напряжения, выход которого соединен со входом аналогового перемножителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для выявления и оценки гармонических искажений сигнала, вносимых усилителями сигналов звуковой частоты.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для имитации различных видов нелинейных искажений электрического сигнала. .
Изобретение относится к радиотехническим измерениям. .
Изобретение относится к области радиоизмерительной техники, в частности к измерению нелинейных искажений. .
Изобретение относится к области радиоизмерительной техники, в частности к измерению нелинейных искажений. .
Изобретение относится к области радиоизмерительной техники, в частности к измерению нелинейных искажений. .

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для интегральной оценки частотных искажений, вносимых четырехполюсниками в исходный случайный сигнал с нормальным распределением.
Изобретение относится к области радиоизмерительной техники, в частности к измерению нелинейных искажений. .
Изобретение относится к области радиоизмерительной техники, в частности к измерению нелинейных искажений. .
Изобретение относится к области радиоизмерительной техники, в частности к измерению нелинейных искажений. .

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначается для выявления и оценки различных видов нелинейных искажений в звукотехнической аппаратуре, в частности в предварительных усилителях и усилителях мощности

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для выявления и оценки гармонических искажений сигнала, вносимых звукотехнической аппаратурой, в частности предварительными усилителями и усилителями мощности сигналов звуковой частоты. В каждом из идентичных блоков дифференцирования резистор в цепи обратной связи подключен между выходом усилителя и точкой соединения резистора и конденсатора, подключенных к входу усилителя, при этом резистор и конденсатор меняются местами, кроме того, в каждый блок дифференцирования введено дополнительное звено, содержащее параллельно соединенные резистор и конденсатор, подключенные между выходом и входом инвертирующего усилителя и образующие цепь обратной связи, и резистор, подключенный своим выходом к входу усилителя и образующий своим входом вход блока, конденсатор звена перестраивается одновременно с другими конденсаторами блоков дифференцирования. Изменениями структуры построения, а также оптимизацией параметров схем блоков дифференцирования достигается уменьшение коэффициента и частотного диапазона относительного усиления помех. Технический результат заключается в повышении помехозащищенности результатов измерений гармонических искажений электрического сигнала и его производных. 1 ил.

Способ относится к областям радиотехники и радиоизмерений и может быть использован для определения искажений, возникающих при прохождении полосовых сигналов произвольной формы через нелинейные устройства. Способ включает воздействие на объект тестовым сигналом. Затем принимают от объекта выходной сигнал. Сравнивают тестовый сигнал с выходным сигналом посредством определения коэффициента пропорциональности. После приема от объекта выходного сигнала определяют прогнозируемый выходной сигнал при линейном преобразовании тестового сигнала путем определения коэффициента пропорциональности и коэффициента фазовой коррекции посредством сравнения амплитуд и фаз тестового и выходного сигналов на временных участках малосигнального режима работы объекта. После чего вычитают из выходного сигнала прогнозируемый выходной сигнал. Технический результат заключается в повышении точности определения нелинейных искажений. 4 ил.

Изобретения относятся к области радиотехнических измерений и могут быть использованы для измерений динамического диапазона (ДД) радиоприемника по интермодуляции. Техническим результатом является обеспечение более точной количественной оценки динамического диапазона радиоприемника по интермодуляции. В способе измерения ДД радиоприемника по интермодуляции на вход приемника подают шумовую ЭДС EШ, при этом измеряют выходное шумовое напряжение UШ и вычисляют номинальное выходное напряжение UН, затем подают на вход приемника калибровочный сигнал частотой f0 и устанавливают выходное напряжение UН, затем при помощи двух сигналов измеряют и вычисляют ДД по интермодуляции третьего порядка и определяют уровень ЭДС одного из n сигналов помех в полосе пропускания фильтра предварительной селекции (ПП ФПС), после чего изменяют одновременно и пошагово частоты сигналов помех с частотным шагом ΔfИ, а на каждом частотном шаге изменяют одновременно и пошагово уровни ЭДС сигналов помех с амплитудным шагом Δe, при этом одновременно измеряют соответствующие выходные напряжения и выявляют по два максимальных значения, затем вычисляют числа пар сигналов помех в ПП ФПС, соответствующие каждому частотному шагу, и определяют суммарные выходные напряжения, при помощи калибровочных сигналов определяют ДД по интермодуляции высших порядков вида f0=kf(k-1)-(k-1)fk без учета и с учетом ширины ПП ФПС, из которых выбирают наименьший, определяют ДД видов f0=2f1,1-f2,2 и f0=kf(k-1)-(k-1)fk без учета и с учетом ширины ПП ФПС, из которых выбирают наименьший. В устройство измерения ДД радиоприемника по интермодуляции, содержащее первый и второй генераторы, согласующее устройство, радиоприемник, вольтметр, эквивалент нагрузки, цифровую и волоконно-оптическую линии связи, автоматизированное рабочее место (АРМ), включающее блок цифровой обработки сигналов, ПЭВМ, оптический приемопередатчик, оптоэлектронный/электронно-оптический преобразователь, связанные между собой, введены управляемый коммутатор, генератор шума и запоминающее устройство, связанные между собой и с другими блоками устройства соответствующим образом. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для измерения гармонических искажений электрического сигнала, вносимых звукотехнической аппаратурой, в частности звукоусилительной аппаратурой. В способах измерения перед оценкой интенсивности высших гармоник снижаются на величину, равную величине подъема кривой порога слышимости на соответствующих им частотах в присутствии маскирующего сигнала с частотой основной гармоники. В устройстве для осуществления способов измерения соединение между выходом второго блока дифференцирования и входом контрольно-измерительного блока разрывается и между ними вводится блок частотной обработки сигнала, зашунтированный третьим выключателем, содержащий полосовой фильтр и устройство сравнения, при этом вход полосового фильтра и первый вход устройства сравнения соединены вместе и подключены к выходу второго блока дифференцирования, выход полосового фильтра подключен ко второму входу устройства сравнения, а выход устройства сравнения - к входу контрольно-измерительного блока, при этом полосовой фильтр состоит из соединенных входами перестраиваемого по уровню и частоте фильтра нижних частот и перестраиваемого по частоте фильтра верхних частот, которые своими выходами подключены к разным входам сумматора, причем входы фильтров нижних и верхних частот образуют вход полосового фильтра, а выход сумматора - его выход, к тому же фильтры нижних и верхних частот по частоте перестраиваются одновременно. Технический результат заключается в повышении степени соответствия результатов измерения субъективному восприятию искажений и расширении функциональных возможностей. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.

Способ измерения динамических интермодуляционных искажений электрического сигнала и устройство для его осуществления относятся к области контрольно-измерительной техники и предназначены для выявления и оценки амплитудной нелинейности звукотехнической усилительной аппаратуры, в частности усилителями на основе интегральных операционных усилителей и усилителями мощности. В способе измерения вводятся условия кратности в нечетное число раз значений частот следования сигналов суперпозиции и совпадения начал их положительных и отрицательных полупериодов, а оцениваются и сравниваются интенсивности переменной и постоянной составляющих огибающей амплитудно-модулированного выходного сигнала с несущей частотой fS, полученной после выделения амплитудно-модулированного сигнала, его детектирования и низкочастотной фильтрации, с учетом интенсивности постоянной составляющей поправочного выходного сигнала, полученного при подаче на вход объекта измерения только сигнала прямоугольной формы без изменения его пикового значения и прошедшего такую же обработку, что и амплитудно-модулированный сигнал для получения огибающей. В устройстве для осуществления способа измерения введен блок формирования сигнала прямоугольной формы, содержащий последовательно соединенные усилитель-ограничитель, дифференциатор, выпрямитель, программируемый счетчик-преобразователь и регулируемый аттенюатор, входом блока формирования сигнала прямоугольной формы является вход усилителя-ограничителя, который соединен с выходом генератора сигнала гармонической формы, а выходом - выход регулируемого аттенюатора, который через третий выключатель подключен к входу первого фильтра нижних частот, а также введены подключенные к выходу объекта измерения осциллограф и измерительный блок, состоящий из последовательно соединенных регулируемого блока согласования, полосового фильтра, линейного детектора и второго фильтра нижних частот, к выходу которого подключены вольтметр средневыпрямленных значений сигнала и третий вольтметр средних квадратических значений сигнала. Технический результат заключается в уменьшении суммарной погрешности измерений и расширении функциональных возможностей. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрооборудованию, установленному на электрических станциях и подстанциях в системах производства, передачи и потребления электроэнергии, и может быть использовано во всех электроустановках, использующих цифровую обработку данных. Определяют величину ХП - постоянной составляющей в электрических сигналах, в токах и напряжениях для каждой из фаз и в нулевом проводе постоянно N раз в течение периода T и в каждый текущий момент времени ti фиксируют текущее значение электрического сигнала x(ti) и вычисляют сумму Ri=x(ti)+x(ti-N/2) со значением этого же электрического сигнала, которое было полпериода N/2 назад в момент времени ti-N/2. Затем осуществляют сравнение текущего значения суммы Ri со значением суммы Ri-1, то есть с тем, которое было при предыдущем измерении электрического сигнала x(ti-1) в момент времени ti-1. Равенство в течение заданного интервала, например четверти периода значений этих сумм, то есть абсолютное значение их разности Ri-Ri-1≤b не превышает b, где b - заданная точность определения уровня постоянной составляющей, является условием наличия постоянной ХП составляющей, значение которой вычисляется по формуле где x(ti) - текущее значение электрического сигнала в момент времени ti; x(ti-N/2) - значение этого же электрического сигнала, которое было полпериода N/2 назад. Технический результат заключается в упрощении оборудования для идентификации типа искажений. 3 н.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области усилительной техники. Предложены способы коррекции нелинейных искажений сигналов и усилители с автокоррекцией для реализации данных способов. Особенностью заявленных способов коррекции искажений является получение в реальном времени оценки нелинейных искажений сигналов на выходе управляемого усилителя и изменение его усиления по результатам текущего контроля искажений. При этом основными функциональными частями устройств, реализующих способы, являются усилитель, аттенюатор, измеритель нелинейных искажений случайных сигналов, компаратор и блок управления. Техническим результатом является повышение эффективности работы средств контроля нелинейных искажений и снижение искажений в управляемых усилителях. 9 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх