Метрология и радиоизмерения Ч.3 - Зенькович А.В.

Автор: Зенькович А.В.
Теги: общее машиностроение технология машиностроения электротехника метрология радиоизмерения конспект учебно-методическое пособие автоматизация измерений
Год: 2009
Похожие
Метрология и радиоизмерения. Часть 2
Метрология, стандартизация и сертификация в машиностроении
Методология конструирования
Основы метрологии и электрические измерения
Текст
                    

















А.В. Зенькович
4
*
г
* *
ft
>
t
Г*
*




МЕТРОЛОГИЯ
И РАДИОИЗМЕРЕНИЯ
Часть 3
Комплекс учебно-методических материалов
для студентов всех форм обучения
Нижегородским государственный
технический университет
Нижний Новгород 2009

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им.Р.Е. АЛЕКСЕЕВА
А.В.ЗЕНБКОВИЧ
МЕТРОЛОГИЯ И РАДИОИЗМЕРЕНИЯ
КОМПЛЕКС УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Рекомендовано Ученым советом Нижегородского государственного
технического университета им.Р.Е. Алексеева
в качестве учебно-методического пособия для студентов всех форм обучения,
включающих элементы дистанционных технологий
по специальности 210302 « Радиотехника»
Часть 3
Нижний Новгород 2009
УДК 621 317:621.396.6
Зенькович А.В. Метрология
и радиоизмерения:
комплекс учебно-
методических материалов, часть 3 / А.В.Зенькович; Нижегород.гос.техн.ун-т.
им. Р.Е.Алексеева. Н.Новгород, 2009. - 73 с.
Данная третья часть комплекса является продолжением двух
предыдущих частей и содержит опорный конспект лекций по темам: измерение
параметров амплитудно-модулированных колебаний, измерение параметров
частотно-модулированных колебаний и автоматизация измерений с
контрольными вопросами, схемами и списками литературы.
Комплекс предназначен для студентов всех форм обучения, изучающих
данную дисциплину.
Редактор Э.Б.Абросимова
Подписано в печать 11.02.2009. Формат 60x84 Бумага
•IH
сетная.
Печать офсетная. Усл. п. л. 4,75. Уч.-изд. л. 3,5. Тираж 200 экз. Заказ 135.
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.
Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.
© Нижегородский государственный
технический университет
им. Р.Е.Алексеева, 2009
© Зенькович А.В., 2009
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие..........................................
Опорный конспект лекций..............................
1.	Измерение параметров амплитудно-модулированных колебаний
1.1.	Введение.........................................
1.2	. Параметры амплитудно-модулированных колебаний..
1.3	. Спектр и векторная диаграмма..........................
1.4.	Методы измерения параметров амплитудно-модулированных
колебаний ....................................................
1.4.1.	Осциллографический метод..........................
1.4.2.	Спектральный метод................................
1.4.3.	Прямой метод.......................................
1.5.	Измерение нелинейных искажений приемников AM сигналов....
1.5.1.	Виды и источники искажений.......................
1.5.2.	Классический прямой метод измерения................
1.5.3.	Косвенный метод...................................
1.6.	Контрольные вопросы, схемы...............................
1.7.	Список литературы........................................
2.	Измерение параметров частотно-модулированных колебаний.........
2.1.	Введение.................................................
4
5
5
6
10
13
13
15
15
17
17
20
21
29
29
29
29
2.2.	Параметры частотной и фазовой модуляции................. 30
2.3.	Спектр и векторная диаграмма............................ 35
2.4.	Методы измерения параметров частотной и фазовой модуляции. 38
2.4.1.	Спектральный метод................................39
2.4.2.	Электронно-счетный метод......................... 40
2.4.3.	Прямой метод..................................... 42
2.5.	Измерение нелинейных искажений приемников ЧМ сигналов.... 46
2.5..	1 Особенности частотной модуляции................... 46
2.5.2.	Классический прямой метод измерения................ 48
2.5.3.	Косвенный метод измерения ......................... 49
2.6.	Контрольные вопросы, схемы.............................. 56
2.7.	Список литературы....................................... 56
3.	Автоматизация измерений...................................... 56
3.1.	Роль автоматизации и этапы развития ее технической базы. 56
3.2.	Элементы, узлы и блоки автоматизированных приборов...... 59
3.3.	Автоматизированные измерительные приборы................ 60
3.4.	Измерительные системы................................... 65
3.5.	Контрольные вопросы...................................   73
3.6.	Список литературы...................................... 73
ПРЕДИСЛОВИЕ
Ранее изданы первые две части комплекса учебно-методических
материалов по дисциплине «Метрология и радиоизмерения». В них вошли
пояснительная записка, рабочая учебная программа дисциплины и основная
часть опорного конспекта лекций. В ней изложены материалы по следующим
темам программы: основные понятия, электронный осциллограф, измерение
частоты и интервалов времени, измерение параметров спектра сигналов,
измерение напряжения и мощности, измерение нелинейных искажений и
измерение разности фаз с контрольными вопросами, схемами, задачами и
списками литературы.
Настоящая третья часть является продолжением первых двух частей,
однако она может изучаться самостоятельно.
4
ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ
КОЛЕБАНИЙ
1.1.	Введение
Строгое определение амплитуды вводится для гармонического колебания
(напряжения, тока, заряда и т. д.), например, в виде
U(t} = Eosin (ю0/+<р0),
где Ео, соо и фо - постоянные величины.
Амплитуда Eq — максимальное значение U(t), положительная величина,
характеризующая энергию колебания. Это определение без строгого доказа-
тельства распространяется на амплитудно-модулированные колебания.
Модулированными называются колебания, амплитуда, частота или
начальная фаза которых изменяется во времени, они характеризуются
мгновенными значениями переменной амплитуды E(f), частоты со(О, нели-
нейного изменения фазы <р(/). Медленность модуляции, когда скорость
изменения параметра £(f), co(f), <p(/) — частота модуляции - много меньше высо-
кой частоты, необходима только для упрощения теоретических исследований.
На практике применяется как медленная, так и быстрая модуляции. Например,
в отечественной системе стереофонического радиовещания с полярной
модуляцией при полосе модулирующих частот 30 - 15000 Гц амплитудная
модуляция производится на высокой (поднесущей) частоте 31,25 кГц, которая
незначительно превышает удвоенную максимальную частоту модуляции.
Повсеместное использование модулированных колебаний различных видов
обусловлено необходимостью передачи на большие расстояния низко-
частотных сообщений: речи, музыки, изображения, цифровых данных. Эти
сообщения содержат составляющие с частотами, начиная с десятков, сотен
герц. Для эффективного излучения и приема электромагнитных волн размеры
антенн должны быть сравнимы с длиной волны А. = Зх \vlf [м]. Указанным
выше низким частотам соответствуют неосуществимые размеры антенн.
Модуляция высокочастотного колебания низкочастотными сообщениями
решает проблему передачи этих сообщений с высокой эффективностью.
В учебной литературе по теории цепей и сигналов, электро-
радиоизмерениям и другим дисциплинам параметры модулированных ко-
лебаний вводятся для случая гармонической модуляции, т.е. при гар-
моническом модулирующем напряжении и идеальной линейной модуляции.
Эти идеализации далеки от реальности и не соответствуют требованиям
практики. В реальных условиях в общем случае модулирующее напряжение
имеет сложную форму и содержит постоянную составляющую (видеосигналы,
сигналы передачи данных). Современные измерительные генераторы и
передатчики имеют открытый (для постоянной составляющей) вход
модулятора. Кроме этого, все реальные модуляторы и, особенно, амплитудные
5
вносят нелинейные искажения, чаще всего они имеют нелинейность наиболее
низкого второго порядка.
С учетом изложенного для определения параметров модуляции далее
используется нелинейная модель модуляции:
где a(t) - обобщенный параметр модуляции - переменная амплитуда, частота
или начальная фаза,
«о — значение обобщенного параметра в отсутствие модуляции,
5[е(/)] ~ сложная функция, учитывающая нелинейность модуляции,
е(/) - произвольное модулирующее напряжение, представляющееся в виде
суммы постоянной и переменной составляющих.
е(/)=ео+е.(/)=( 1 /7) | e(r)t7/+e.(r)d>,
о
где Т— время усреднения или период при периодической модуляции.
В простейшем случае с учетом нелинейности второго порядка
5[e(0]=S|e(/)+52e2(0.
Подстановка значения e(t) дает
|Со+А2ео2+5 |е.(/)+252еов.(О+-'1'2е.2(/).
Первые два члена от времени не зависят, они складываются с ао, тем самым за
счет постоянной составляющей модулирующего напряжения изменяется
среднее значение обобщенного параметра (среднее значение амплитуды или
частоты) при модуляции. Кроме того, даже при отсутствии постоянной
составляющей и строго гармонической переменной составляющей
модулирующего напряжения e(t) — e.(/)=E)sinQ/ за счет нелинейности второго
порядка
S2e.2(t)=S2E\2sin2Clt=:Q,5s2Ei2 - 0,5s2£|2cos2Q/
возникает дополнительная постоянная составляющая 0,5$зЕ| , складывающаяся
с <7(). Нелинейность модуляции при чисто переменном модулирующем
напряжении приводит к изменению среднего значения амплитуды или частоты
модулированного колебания.
Таким образом, учет реально действующих факторов — постоянной
составляющей модулирующего напряжения и нелинейности модуляции
четного порядка - показывает следующее. При модуляции амплитуда, частота,
начальная фаза не только становятся переменными, но их средние значения
изменяются по сравнению с таковыми при отсутствии модуляции.
1.2.	Параметры амплитудно-модулированных колебаний
Амплитудная модуляция получила достаточно широкое применение в
проводном трехпрограммном вещании, в радиовещании на длинных, средних и
коротких волнах, в телевидении для передачи яркостного сигнала, в
6
радионавигационных системах инструментальной посадки самолетов, в
радиоизмерительной технике.
Амплитудно-модулированное (AM) колебание (рис. 1) записывается в
виде
U(t) = E(/)sin(<O(/+(po),
где E(J} мгновенная переменная амплитуда, или огибающая,
«о- несущая (высокая) частота.
Рис.1
Каждому моменту времени t соответствует значение переменного
высокочастотного напряжения, переменная амплитуда на рис.1 не показы-
вается. Среднее значение U(t) равно нулю, постоянной составляющей AM
колебание не содержит.
Переменная амплитуда — огибающая E(t) - показана на рис.2 .
МИН
н
Рис.2
Она характеризуется максимальным значением Емакс, минимальным
значением ЕМИ11 и, главное, средним значением - постоянной составляющей
огибающей:
ErWT) f Em
О
где Т - время усреднения или период при периодической модуляции. Отличие
Ео от исходной амплитуды немодулированного колебания Ej (рис.2)
7
свидетельствует о наличии постоянной составляющей модулирующего
напряжения и (или) нелинейности четного порядка амплитудного модулятора.
Указанные выше значения огибающей служат для определения основных
параметров AM колебаний — коэффициентов амплитудной модуляции
различного вида.
Коэффициент амплитудной модуляции вверх т„ — отношение
максимального изменения амплитуды вверх относительно среднего значения
АЕ„ — Емакс - Ео к среднему значению в относительных значениях или чаще в
процентах:
лг	(F -F }
тв = —1 оо% =	100%.
Ео	Ео
Коэффициент амплитудной модуляции вниз тн - отношение максималь-
ного изменения амплитуды вниз относительно среднего значения АЕ„ = Ео - ЕМ|Ш
к среднему значению в процентах:
де
тп = —— 100% =
Е
100%.
Поскольку максимальное значение не ограничено, т.е. амплитуда может
иметь большие кратковременные выбросы, пределы изменения тв — от нуля до
любых больших величин. Минимальное же значение амплитуды ограничено
равенством нулю, поэтому ти лежит в пределах от 0 до 100%. Далее для
упрощения записи множитель 100% опускается.
Рис.З
При передаче с помощью AM колебаний цифровых сообщений
амплитуда E(t) обычно принимает только два определенных значения Емакс и
ЕМ|Ш (рис.З), которые остаются постоянными. Среднее значение амплитуды Ео
зависит от соотношения длительностей участков с Емакс и ЕМИ1|, т.е. не остается
постоянным. Для таких случаев вводится понятие среднего коэффициента
амплитудной модуляции wcp:
8

макс
мин
2 + (т„- т )
При симметричной модуляции все рассмотренные значения совпадают и
называются просто коэффициентом амплитудной модуляции: т = т„~ ти = т^.
Представление огибающей в виде суммы постоянной £0 и чисто
переменной составляющей E(t) - Eq позволяет записать AM колебание при фо=О
в следующем виде:
и(/)=E(t)sina)ot ={£o+[£(f)-£o]}sin(OoZ =Е0{ 1+[£(?)-£о]/£о} sin(oo/ -£0[l+/w(Z)]sinaW,
где ш(г)=[£(/)-£0)]/£0 - мгновенное текущее значение переменной
составляющей относительного изменения амплитуды (огибающей), мгновенное
текущее значение коэффициента амплитудной модуляции.
Для случая сложной, например, шумовой модуляции вводится
среднеквадратичный коэффициент амплитудной модуляции mCKi.
Приборы группы С2 - измерители коэффициента амплитудной моду-
ляции - обычно измеряют тт ти и тскз.
Если огибающая AM колебания содержит гармонические составляющие,
т.е. £(/) = £0 + £|SinQ(Z + £2sinQ2Z+. • .+£„sinQ„Z, то наряду с результирующими
коэффициентами амплитудной модуляции тв, тн и тскз используются также
парциальные коэффициенты амплитудной модуляции:
т। = £|/£о, т2 = Е2/Ео,т„- E,JEQ.
При кратных частотах модуляции Q2=2Q|,... Q„ - п£1\ парциальные
коэффициенты называются коэффициентами амплитудной модуляции первой,
второй, третьей и т.д. гармоник. Тогда £(/) = £о( 1+Ew,sinQz/), mCKi~ JO.5]T т; .
В наиболее важном для практики случае первая гармоника амплитудной
модуляции является полезной основной, а остальные характеризуют искажения,
обусловленные, например, нелинейностью модулятора. Критерием искажений
служит коэффициент гармоник амплитудной модуляции (огибающей) /\ЛЧ|,
который по аналогии с коэффициентом гармоник напряжения Кг определяется
выражением
Хам = j(w22 + т3 + т2 + . . + т2)! т2 = у/К2 + К; +... + К2 ,
9
ГЛР к' —	К —
где Л2 “ ---, Аз — —
ш,	т1
амплитудной модуляции.
АМ колебание можно представить в виде двух слагаемых:
— — парциальные коэффициенты гармоник
т,
U(t) - £о[ 1 -bzzz(r)]stn(i>()/ = jEosinciW + Е^п(()зтсо^.
Первое — несущая составляющая или несущая, частота которой остается той же,
что и у исходной немодулированной составляющей, а амплитуда Ео отличается
от амплитуды до модуляции. Второе слагаемое - боковые составляющие,
возникшие при модуляции.
1.3.	Спектр и векторная диаграмма
Рис.4
Спектр АМ колебания связан со спектром огибающей E(t) следующим
образом. Каждой спектральной составляющей огибающей с частотой F, и
амплитудой Е, (рис.4,а)
спектре АМ колебания (рис.4,6), соответствуют
расположенные зеркально относительно несущей частоты f0 верхняя и нижняя
боковые составляющие с частотами fo+Fj и f^-F, и равными амплитудами
Ео—— = 0.5т,Е(1- Поэтому верхнюю боковую полосу спектра АМ колебания
2Е0
можно считать связанной линейно со спектром огибающей. Равенство
амплитуд верхних и нижних боковых составляющих имеет место в идеальном
случае. Реальные АМ колебания, кроме полезной амплитудной модуляции,
имеют сопутствующую ей возникающую в амплитудных модуляторах так
10
можно представить в виде делителя
называемую паразитную фазовую модуляцию, вызывающую несимметрию
спектра. Амплитудный модулятор
напряжения с изменяющимся во времени в соответствии с модулирующим
напряжением коэффициентом деления (рис. 5).
U&x
}= С и&ах
Рис.5
За счет паразитной емкости С возникает фазовый сдвиг, при амплитудной
модуляции он изменяется. В реальных амплитудных модуляторах, наряду с
К а £о(1+/и)
К* Eon+wsin<pi>
Рис.6
полезной амплитудной, возникает так называемая сопутствующая паразитная
фазовая модуляция.
Векторная диаграмма АМ колебания для простейшего случая, когда
U(f) = £0( 1 +wsinQ/)sin(Oo/ = fosincV + 0,5E0wcos((Oo-^y - O,5£owcos(®0^+^X
11
приведена на рис.6.
U(t) есть проекция результирующего вектора, равного сумме векторов
трех спектральных составляющих на ось ОО'. Вектор несущей составляющей
АВ имеет модуль £() и неподвижен, а ось ОО' вращается с частотой w
о по
часовой стрелке. Вектор нижней боковой составляющей с частотой <о(|~0 ВС
Е т
имеет —2—. Для того, чтобы ось ОО' вращалась для него с частотой - £2, он
вращается с частотой £2 по часовой стрелке относительно неподвижного
вектора АВ. При t = 0 вектор ВС повернут относительно АВ на 90°, так как он
представляет косинусоидальную составляющую, которая опережает по фазе
синусоидальную составляющую - вектор АВ - на 90°. Вектор верхней боковой
составляющей с частотой <оо+£2 ВД вращается относительно вектора АВ с
/77
частотой £2 против часовой стрелки. Он имеет модуль £0— и при t — 0
направлен противоположно вектору ВС. При t = 0 векторы ВС и ВД
компенсируют друг друга, их сумма равна нулю. Результирующий вектор AM
колебания совпадает с вектором несущей составляющей АВ, его проекция на
перпендикулярную ему ось ОО' равна нулю.
При t — t\ > 0 векторы ВС и ВД повернутся в противоположных
направлениях, указанных на рисунке стрелками, на угол <р, = £2/( и займут
положения ВС’ и ВД’. Вектор ВК’, равный их сумме, будет совпадать по
направлению с вектором АВ и иметь модуль E^sincp,.
Модул ь £0~
результирующего вектора АК’ - амплитуда AM колебания - будет при t — t\
E()(l + msincp,). Ось ОО', вращающаяся с частотой ®0, будет повернута
относительно исходного положения при t = 0 на угол ш0 /ь с учетом соотно-
шения частот <о»£2,	= 2пк+<р2, где к — целое число полных оборотов.
Значение ) — проекция результирующего вектора АК на ось ОО' в ее новом
положении. При /2 > ti, когда £2/2 = —, модуль вектора ВК примет
максимальное значение Е^т . Станет максимальным модуль результирующего
вектора АК — амплитуда AM колебания
£0(l+w). Далее модуль вектора ВК
начнет уменьшаться до нуля, вектор изменит свое направление и начнет
Зтс
вычитаться из вектора АВ. При £2г, - — модуль результирующего вектора -
12
амплитуда AM колебания - достигнет минимального значения Ео(1-/и). Таким
образом, конец результирующего
вектора АК перемещается по прямой, на
которой лежит вектор АВ, модуль АК изменяется в пределах E0(l+w) - E0(I-wj).
Угол наклона этого вектора относительно исходного положения оси (начальная
фаза AM колебания) остается неизменным.
1.4.	Методы измерения параметров амплитудно-модулированных колебании
лм. Для измерения используются осциллогра-
Главными подлежащими измерению параметрами AM колебаний
являются коэффициенты амплитудной модуляции и коэффициент гармоник
амплитудной модуляции К,
фический, спектральный и прямой методы.
1.4.1.	Осциллографический метод
Простейший вариант осциллографического метода, позволяющий грубо
оценить коэффициент амплитудной модуляции, состоит в получении с
помощью осциллографа неподвижного изображения AM колебания с
модуляцией близкой к гармонической. Осуществляется синхронизация по
огибающей, т.е. период развертки устанавливается кратным периоду
огибающей, на осциллограмме (рис.7) практически представляется только
огибающая.
Рис.7
С учетом произвольного соотношения между частотой несущей
составляющей ©о и частотой огибающей Q высокочастотное заполнение
создает засветку всей площади осциллограммы. С помощью масштабной сетки
на экране осциллографа измеряются удвоенное максимальное и минимальное
значение амплитуды и вычисляется средний коэффициент амплитудной
модуляции:
^ср=
2£макс - 2£мин
2£макс + 2£мин
100%.
13
определяется удвоенной
погрешностью осциллографа, она имеет порядок 20% при
возрастает обратно пропорционально тср при его уменьшении.
В образцовых установках для поверки измерителей
Погрешность измерения
амплитудной
т
J 00% и
коэффициента
амплитудной модуляции используется вариант осциллографического метода,
позволяющий
л»„=100% с погрешностью до 0,2%. Для этого на вход осциллографа подается
устанавливать коэффициент амплитудной модуляции вниз
АМ сигнал с близким к 100% и с уровнем, превышающим номинальный в
сотни раз. Осциллограф при этом перегружается, а на экран выносится
несколько периодов сигнала в то время, когда его амплитуда принимает
минимальное значение.
в)
Рис.8
При ты = 100% (рис. 8, б) напряжение характеризуется плоским участком
и скачком фазы, т.е. изменением направления нарастания напряжения. При
тн < 100% (рис.8, а) нет ни плоского участка кривой напряжения, ни скачка
фазы. При перемодуляции, что условно соответствует тн > 100% (рис. 8, в),
длительности двух плоских участков существенно уменьшены и имеют место
два скачка фазы. Установка т„ = 100% производится путем плавного изменения
уровня поступающего на модулятор источника АМ сигнала гармонического
модулирующего напряжения. Источники АМ сигнала, используемые в
образцовых установках, обладают достаточно малой (до 0,2%) нелинейностью
модуляционной характеристики, в них модуляция симметрична, т.е.
тв— тн = wcp = т. Значения менее 100%, например 10%,20% и т.д.,
устанавливаются путем подачи соответствующей части уровня, используемого
для получения тен=100% модулирующего напряжения, с помощью
прецизионных делителей напряжения. Осциллографический метод не позволяет
измерять коэффициент гармоник амплитудной модуляции. Более того, этот
параметр (или нелинейность модуляционной характеристики) должен быть
известен и достаточно мал, чтобы модуляция была симметричной и
погрешность установки т = 10%,20% и т.д. не превышала допустимой.
14
1.4.2.	Спектральный метод
Спектральный метод позволяет измерять парциальные значения
коэффициента амплитудной модуляции и коэффициента гармоник
амплитудной модуляции. Он основан на линейной связи спектра огибающей с
боковыми полосами спектра АМ колебания.
Спектр реального АМ колебания, содержащего кроме
амплитудной
модуляции сопутствующую паразитную фазовую модуляцию, несимметричен,
он показан на рис. 9
Фазовая модуляция вызывает увеличение амплитуды одной из боковых
составляющих спектра и такое же уменьшение амплитуды расположенной
зеркально относительно несущей другой боковой составляющей.Для
уменьшения обусловленной фазовой модуляцией погрешности измеряются
амплитуды обеих боковых составляющих, т.е. проводится их усреднение.
Поэтому
^1 _ С ^Ю„+П +	Uы„ » ^2 — (^ <.>„+2П	^<о„-2П УUк„ •>
ni\ = (U
'	<n(1+3£i
Погрешности измерения парциальных коэффициентов амплитудной
модуляции и коэффициентов гармоник амплитудной модуляции равны
удвоенной амплитудной погрешности анализатора спектра, т.е. составляют (25-
— 30 )%. Минимальный измеряемый уровень коэффициента гармоник A"aMM„H
определяется динамическим диапазоном амплитуд, т.е.уровнем собственных
нелинейных искажений анализатора спектра, ми„ > 3 Кас.
1.4.3.	Прямой метод
Прямой метод измерения, называемый также методом двух вольтметров,
методом двойного детектирования, основан на выделении напряжения,
пропорционального огибающей, и измерении его параметров, соответствующих
15
параметрам AM колебания. Схема, поясняющая реализацию метода, приведена
на рис. 10.
Измеритель
нелинейных
искажений
Анализатор
спектра
Рис.10
Здесь диод и резистор образуют детектор средневыпрямленных значении.
Для обеспечения линейности его характеристики используется резистор с
большим (10-20 кОм) сопротивлением и сравнительно большое, порядка 5 В,
среднее значение амплитуды входного AM колебания (рис.11, а). На резисторе
выделяются положительные полуволны этого колебания (рис.11,6). Далее
Рис. 11
включен развязывающий резистор, который служит для исключения влияния
последующего фильтра нижних частот на работу детектора. Напряжение на
выходе фильтра (рис. 11, в) при линейном детектировании - средневы-
прямленное значение AM колебания. Как известно, средневыпрямленное
значение гармонического напряжения связано с его амплитудой коэффициен-
том 0,637 при двухполупериодном выпрямлении. В данном случае
выпрямление однополупериодное, т.е. этот коэффициент 0,318 . Напряжение
на выходе фильтра совпадает по форме с огибающей положительных полуволн
AM колебания. Среднее значение этого напряжения t70 пропорционально
значению амплитуды Fq, оно измеряется вольтметром постоянного напряжения,
показанным на схеме (рис. 10). В точку Г схемы через конденсатор проходит
переменная составляющая выходного напряжения фильтра UJt), пропор-
16
циональная переменной составляющей огибающей E(t) - Ео AM колебания (рис.
11, г). Пиковым (амплитудным) вольтметром можно измерить амплитуду
положительной полуволны выходного напряжения пропорциональную
ДЕВ = Емакс — Ео, или амплитуду отрицательной полуволны U?, пропорци-
ональную ЛЕ„ = Eq - EMlw. По результатам измерений двумя вольтметрами
определяются коэффициенты амплитудной модуляции т „ и т„ :
Для получения прямого отсчета т напряжение Uq поддерживается
постоянным путем ручной регулировки уровня AM сигнала на входе детектора
или с помощью системы автоматической регулировки усиления — усилителя с
АРУ. Для измерения среднеквадратичного коэффициента амплитудной
модуляции тск1 вместо выходного пикового вольтметра используется
квадратичный. Наличие на выходе схемы (рис. 10) напряжения, линейно
связанного с огибающей, позволяет исследовать форму огибающей, например,
с помощью осциллографа, а также измерять коэффициент гармоник
амплитудной модуляции с использованием измерителя нелинейных
искажений или анализатора спектра. Измерителем нелинейных искажений
осуществляется прямое измерение коэффициента гармоник.
Минимальный измеряемый коэффициент гармоник амплитудной
модуляции равен утроенному значению суммы собственных коэффициентов
гармоник амплитудного детектора и, например, анализатора спектра.
Определяющим является коэффициент гармоник детектора, который
составляет 0,4% при т =30% и 1 % при т — 90%. При измерении коэффициента
амплитудной модуляции погрешность определяется указанной выше
нелинейностью детектора и погрешностями вольтметров. При использовании
аналоговых вольтметров результирующая погрешность составляет 5%, при
использовании цифровых вольтметров — (2 - 3)%. Прямой метод измерения
широко использован в приборах для измерения параметров AM сигналов
группы С2 - измерителях коэффициента амплитудной модуляции - и СКЗ -
комбинированных измерителях девиации частоты ЧМ сигналов и
коэффициента амплитудной модуляции AM сигналов.
1.5. Измерение нелинейных искажений приемников AM сигналов
1.5.1.	Виды и источники искажений
Системы передачи информации на большие расстояния с помощью
радиоволн имеют структуру, показанную применительно к амплитудной
модуляции в упрощенном виде на рис. 12.
17
Передатчик
AM сигнала
Приемник
AM сигнала
нч
Um
 Рис. 12
В модуляторе передатчика таких систем низкочастотное управляющее
напряжение, представляющее речь, музыку, изображение, телеметрические
данные линейно преобразуется в изменение одного из параметров
высокочастотного колебания, т.е. модулирует его по амплитуде, частоте или
фазе. Далее модулированное колебание обычно усиливается, излучается,
принимается приемником, где также усиливается. В детекторе приемника
изменения амплитуды, частоты и фазы модулированного колебания
линейно преобразуются в низкочастотное напряжение.
Главными источниками нелинейных искажений, проявляющихся в итоге
в виде нелинейных искажений выходного напряжения приемника, служат
высокочастотные тракты, по которым передаются модулированные колебания,
модулятор передатчика и детектор приемника, т.е. тракты формирования,
передачи и детектирования модулированных колебаний. Низкочастотные
тракты передатчика и приемника являются наиболее простыми звеньями
системы (рис. 13), вносимые ими искажения чаще всего столь малы, что их
можно не учитывать, их легко измерить с помощью существующих методов и
приборов.
Нелинейные искажения модулированных колебаний по источникам их
возникновения можно разделить на три вида. В трактах формирования
модулированных колебаний — модуляторах - они определяются нелинейными
отличиями модуляции, например, m(t) от исходного модулирующего
напряжения e(f) . В трактах передачи модулированных колебаний - это
нелинейные отличия, например, т ВЬ|Х( t) от т вх( t). В трактах детектирования
модулированных колебаний нелинейные искажения определяются отличием
С/вых(г) детектора, например, от т (t ) колебания на его входе. Во временной
области нелинейные отличия проявляются в искажениях формы, в частотной
области — в виде появления новых мешающих спектральных составляющих.
Упрощенная структурная схема приемника AM сигналов приведена на
рис. 13. В нем смеситель и перестраиваемый по частоте гетеродин служат для
линейного по амплитуде преобразования частоты входного сигнала, лежащей в
широком диапазоне высоких частот, например, у радиовещательных приемни-
ков на частотах от 150 кГц до 30 МГц в диапазонах длинных, средних и
коротких волн. Амплитудная модуляция переносится на одну фиксированную
называемую промежуточной частоту /0 = 465 кГц, на этой частоте
осуществляется усиление AM сигнала до 2-5 вольт и его амплитудное
детектирование. Выходное напряжение детектора усиливается для его после-
18
дующего использования. При данной частоте гетеродина fr напряжение с
промежуточной частотой fo может создаваться при поступлении на вход
смесителя сигналов с двумя различными частотами fci =fr -fa и fa ~fr +fa
отличающимися на 2fo (рис. 14).
05
2/о
Рис. 14
ходе преобразователя
одновременно с
Канал приема полезного сигнала, например fc ~fT —f0 , называют прямым,
второй — зеркальным (относительно fr), создающим помехи. Для выделения
полезного сигнала и ослабления влияния помех на
частоты используется перестраиваемый по частоте
гетеродином фильтр (рис. 13). Он осуществляет предварительную частотную
избирательность по зеркальному каналу и называется преселектором. Одним из
наиболее важных качественных показателей приемников AM сигналов является
уровень вносимых или нелинейных искажений, т.е. собственный коэффициент
гармоник. Требования к этому параметру непрерывно возрастали и дошли до
десятых долей процента.
Поскольку в качестве переносчика полезной информации AM сигналов
служит их амплитуда, главным источником нелинейных искажений
19
амплитудном
модуляции в трактах передачи АМ сигналов является
нелинейность амплитудных (передаточных) характеристик элементов тракта,
например, усилителей, смесителей, т.е. зависимостей Евых от Евх. Фактически
это нелинейность соответствующих характеристик транзисторов усилителей
и неквадратичность, наличие нелинейности четвертой и шестой степени
характеристик диодо
смесителей. Дополнительные нелинейные искажения
амплитудной модуляции вносятся линейными цепями с несимметричными
относительно несущей частоты АМ колебания частотными и фазовыми
характеристиками, например фильтрами промежуточной частоты.
В тракте передачи приемника АМ сигналов основным источником
нелинейных искажений является выходной каскад усилителя промежуточной
частоты, поскольку амплитуда АМ сигнала в нем максимальна. Существенные
искажения вносятся при детектировании АМ сигнала, характеристики реальных
детекторов недостаточно линейны. Наконец, небольшие нелинейные искажения
возникают в выходном каскаде усилителя
низкой частоты. Нелинейные ис-
кажения одного и того же вида, например вторые гармоники или
комбинационные составляющие с одной и той же частотой, возникшие в
разных элементах приемника, складываются векторно, т.е. с учетом фазы.
Искажения разного вида складываются по мощности. Примером может
служить вычисление результирующего коэффициента гармоник по его
парциальным значениям.
1.5.2.	Классический прямой метод измерения
Классический метод измерения нелинейных искажений, вносимых
электрическим трактом приемника АМ сигналов, поясняется с помощью
структурной схемы, приведенной на рис. 15.
Генератор А М	ВЧ*
сигналов	вход
Приемник АМ
сигналов
НЧ генератор
НЧ | выход
Измеритель
нелинейных
искажений
Рис. 15
Здесь гармоническое напряжение с частотой F с выхода
низкочастотного генератора подается на вход амплитудного модулятора АМ
генератора. Сформированный в нем сигнал с несущей частотой fo по идее с
гармонической модуляцией в качестве испытательного поступает на вход
проверяемого приемника АМ сигналов. Коэффициент гармоник низко-
частотного напряжения с основной частотой F на выходе приемника
20
определяется с помощью измерителя нелинейных искажений. Однако все
используемые при измерении устройства: низкочастотный генератор, АМ
генератор, проверяемый приемник АМ сигналов и измеритель нелинейных ис-
кажений не идеальны и имеют собственные нелинейные искажения, т. е.
характеризуются значениями собственного коэффициента гармоник A\, AS, Ку,
Кд соответственно. С учетом этого минимальный измеряемый коэффициент
гармоник проверяемого приемника АМ сигналов должен не менее чем в 3 раза
превышать результирующий суммарный коэффициент гармоник остальных
устройств, т. е. Ку мии > 3 (Aj + К2 + Кд). Как уже отмечалось, собственные
коэффициенты гармоник низкочастотного генератора и измерителя нелинейных
искажений с помощью дополнительных фильтров могут быть уменьшены до
предельно малых значений. Поэтому практически Aj ми„ > 3 К2 .К сожалению,
существующие АМ генераторы имеют, как правило, слишком большие
собственные нелинейные искажения. Например, наиболее широко
распространенный высокочастотный генератор Г4—102 в диапазоне частот 0,1-
-50 МГц при т = 30 % имеет К2 < 5%, генератор Г4-107 в диапазоне частот
при т = 30 % имеет К2 < 3%, т. е. эти генераторы практически непригодны для
измерения нелинейных искажений в приемниках АМ сигналов. Единственный
отечественный высококачественный генератор Г4-165 при т = 30 % позволяет
измерить в приемниках Кг > 0,6%. Однако этого недостаточно как для
высококачественных класса Hi — Fi приемников AM сигналов, так и для
аналогичных им по структуре измерителей коэффициента амплитудной
модуляции. Необходимо измерять в них коэффициент гармоник начиная с
0,1%. Для измерения в приемнике АМ сигналов коэффициента гармоник К,
классическим методом необходим АМ генератор, у которого коэффициент
гармоник амплитудной модуляции в 3 раза меньше, т.е. 1/3 Кг, а для его
измерения необходим приемник АМ сигналов с коэффициентом гармоник
1/9 Кг. Эту цепочку можно было бы продолжить. Она иллюстрирует
главный недостаток классического метода — высокие требования к
используемым средствам измерения.
Таким образом, при использовании классического прямого метода
измерения нелинейных искажений в приемниках АМ сигналов к измерительной
аппаратуре, в первую очередь к АМ генератору, предъявляются крайне высо-
кие требования, удовлетворить которые часто не представляется возможным.
1.5.3.	Косвенный метод измерения
Цель данного метода — повышение разрешающей способности измерения и
исключение высоких требований к измерительным устройствам для их
упрощения и удешевления. При этом необходимо сохранить общепринятый
критерий нелинейности — коэффициент гармоник, который нормирован у почти
всей радиоэлектронной аппаратуры. Принцип состоит в расчетном определении
коэффициента гармоник по результатам измерения комбинационных
искажений с использованием испытательного сигнала , модулированного двумя
тонами. Для правомерности расчета условия измерения комбинационных
21
искажений должны отвечать следующим очевидным требованиям. При изме-
рении коэффициента гармоник используется гармоническая модуляция с
основной частотой F и продукты ее искажений с частотами 2F, 3F и т.д.
(рис. 16,а).
При
переходе
вухтональнои
модуляции
частоты основных
к
составляющих берутся близкими к F , т.е. F} ~ F? » F . В этом случае
суммарная частота комбинационной составляющей второго порядка Fj+Fi
(рис. 16,6) близка к частоте второй гармоники 2F , суммарные частоты
комбинационных составляющих третьего порядка 2F\ + Е± и 2F, +F\ близки к
3F и так далее. Поэтому для расчета коэффициента гармоник используются
только комбинационные
составляющие с суммарными частотами. Кроме того,
суммарная амплитуда составляющих с частотами F\ и F> ,т.е. Ett + Е
должна быть равна Ер, тогда у проверяемого тракта в обоих случаях исполь-
зуется один и тот же участок характеристик. В самом удобном для измерений
случае
а)
ормулы
ДЛЯ
расчета парциальных значений
о)
Рис. 16
коэффициента гармоник, приведенные ниже, получаются наиболее простыми.
Измерение комбинационных искажений, вносимых электрическим трактом
приемника AM сигналов, проводится в соответствии со структурной схемой,
изображенной на рис. 17 и содержащей источник испытательного AM сигнала с
двухтональной модуляцией, проверяемый приемник AM сигналов и
низкочастотный анализатор спектра или анализатор гармоник. В каждом из
двух каналов источника испытательного сигнала используется модулирующий
низкочастотный генератор и амплитудный модулятор, задающий высоко-
частотный генератор является общим для обоих каналов. Выходные AM
сигналы каналов складываются в сумматоре, образуя испытательный AM
сигнал с двухтональной модуляцией, поступающий на вход проверяемого
приемника AM сигналов. Среднеквадратические значения
составляющих модуляции с близкими частотами F, >F1
(уровни) основных
и комбинационных
Рис. 17
составляющих с суммарными частотами вида nF\+ mF2, где п,т — 1,2,3....,
измеряются низкочастотным анализатором спектра. Они используются для
расчета коэффициента гармоник, вносимого электрическим трактом проверя-
емого приемника AM сигналов.
Работа измерительного устройства поясняется с помощью спектрограмм,
приведенных на рис. 18. С помощью выходного напряжения низкочастотного
генератора верхнего канала на выходе амплитудного модулятора верхнего
канала формируется AM сигнал Ut (7):
U,(/) = Ео(1 +/n(cos Q,/ + tn2cos2fi,Z + w4cos3Q(/) sin о)()/.
(1)
Основной частотой модуляции является F,, однако из-за нелинейных
искажений, возникающих в амплитудном модуляторе, модуляция содержит
составляющие с частотами 2FX, 3F} ,т.е гармоники основной частоты
модуляции. Для упрощения записи в выражении (1) взяты равными нулю
начальные фазы всех гармонических составляющих. К возникновению
гармоник модуляции приводит также наличие гармоник в выходном
напряжении НЧ генератора, но уровень последних обычно достаточно мал, его
можно уменьшить до пренебрежимо малых величин с помощью
дополнительных фильтров нижних частот. Спектр (Jt (/) приведен на рис. 18, а.
При идеальной гармонической модуляции он содержал бы только несущую
составляющую и первые боковые составляющие с частотами ±Ff, вследствие
нелинейных искажений, вносимых реальным амплитудным модулятором,
модуляция содержит гармоники основной частоты , а спектр U(t) -
23
соответственно боковые составляющие с частотами f0 ± 2Ft ,f0 ± 3Ft. AM сигнал
на выходе амплитудного модулятора нижнего канала имеет вид
<7,(/) = £0(1 + micosQ2Z + m,cos2Q2Z+/w'3cos3Q2/)sin o»,,/.
Отличие от Ut(t) состоит в использовании модулирующего напряжения с
частотой F 2 вместо F Верхний и нижний канал считаются идентичными,
напряжения (7, (/) и U2 (/) на их выходах синфазны, т.е. разность их фаз равна
нулю. Спектр аналогичный спектру £7,(0» приведен на рис. 18, б. В
каналах коэффициенты модуляции основных составляющих ш,и
т\устанавливаются равными, парциальные коэффициенты амплитудной
модуляции гармоник т2, т\, т3, т'3 и т.д. определяются степенью
нелинейности амплитудных модуляторов, для генератора Г4-102 при т = 30%
mjm}, m3lmi имеет порядок 5%. Таким образом, AM сигналы на выходе
каналов имеют модуляцию с основной частотой F} или F2 и ее гармониками nFt
или nF2, где п = 2,3....Это реальная отличающаяся от строго гармонической
однотональная модуляция. Напряжения Ut (/) и U2 (/) складываются в суммато-
ре, на его выходе
U3(t)= Ut(t) + U2(t) = Ео(2 + micosQlt + m\cosQ2t + m2cos2Qlt +
+ wjcos2Q2Z +m,cos3£2|Z + m3 cos3£2,/)sin<oo t.
Спектр C3(Z), равный сумме спектров Ux(f) и U2(f), показан на рис. 18, в.
Испытательный AM сигнал t73(Z), поступающий на вход проверяемого
приемника AM сигналов, содержит реальную двухтональную модуляцию. Это
означает, что модуляция содержит полезные основные составляющие с
частотами F. и F, и возникшие за счет неидеальности модуляторов — вносимых
LJ	Льл
ими нелинейных искажений модуляции - дополнительные составляющие с
частотами гармоник nFt, nF,, и = 2,3... В спектре U3(t) (рис. 18, в) указанным
составляющим модуляции соответствуют боковые составляющие с частотами
± nFt ,f0 ± nF2.
Предположим, что проверяемый приемник AM сигналов не вносит
нелинейных искажений, является идеальным. Это означает, что его тракт
передачи AM сигналов, т.е. тракт высокой и промежуточной частоты до входа
амплитудного детектора, не вносит нелинейных искажений амплитуд-
ной модуляции. Далее амплитудный детектор без нелинейных искажений
преобразует амплитудную модуляцию в низкочастотное напряжение, которое
усиливается без искажений. В этом случае спектр выходного напряжения
приемника точно повторяет спектр модуляции входного испытательного AM
сигнала (/,(/), как показано на рис. 18,г. В реальном приемнике AM сигналов во
всех перечисленных выше трактах возникают нелинейные искажения двух
24
следующих видов. Во-первых, это нелинейные гармонические искажения или
гармоники, т.е. составляющие с частотами вида nFt, nF2, п = 2,3..., т.е.
кратными основным частотам модуляции. Во-вторых, это комбинационные
искажения, т.е. составляющие с комбинационными частотами вида
+pFx ±г£,,где р,г = 1,2,3...С учетом этого AM сигнал на входе амплитудного
детектора проверяемого приемника, т.е. после прохождения вносящих
нелинейные искажения модуляции трактов высокой и промежуточной частоты,
имеет следующий
ид:
t/4(/)=£0{2+ rn^osQ,/ + /w,cosfi27 + /w2cos2Q,/ +m,cos2Q,/ + //7,00830(7+
W3COS3Q,7 + /77jCOS (20)7 + <Pj) + WjCOS (2Q2/ + <pj) + /77jCOS (3Q,r + <рз) +
+ mj(3fi,7+ Фз)+ X mivCOS,\±P^ ±/"Oj)7+ 9/,r]}sin <oo7.
P^\
Здесь: m'2, m"2, m\, m j - коэффициенты амплитудной модуляции гармоник,
возникших в приемнике, ф’ - их начальные фазы, тгг- коэффициенты
амплитудной модуляции комбинационных составляющих с соответствующими
частотами, фрг- их начальные фазы.
Гармоники основных частот модуляции nF,, nF,, возникшие в приемнике,
векторно, т.е. с учетом их амплитуд и фаз, складываются с соответствующими
гармониками, возникшими в амплитудных модуляторах, имеющимися в AM
сигналах	С7г(0 и, следовательно, в U3(t) на входе приемника.
Результирующие гармоники модуляции входного AM сигнала амплитудного
детектора 1/д(0 отличаются по парциальным коэффициентам амплитудной
модуляции и начальным фазам от гармоник модуляции на входе приемника.
Это отличие отражается в спектрограмме (рис. 18, д), чтобы подчеркнуть
его, амплитуды боковых составляющих спектра с частотами fn ±2F, и /0 ± 3/;,
взяты отличающимися от таковых для (рис. 18, в).
Принципиальным отличием искаженного AM сигнала (4(7) от входно-
го t/3(7) является наличие комбинационных искажений модуляции, возник -
ших в приемнике. В спектре AM сигнала U^t)
(рис. 18 д) им соответствуют
Л± (Л-Л), /.±(Л+ F,), Л±(2Л’-Е,).
боковые составляющие с частотами
К рассмотренным гармоническим и комбинационным составляющим
модуляции, возникшим в приемнике до детектора, после амплитудного
детектирования AM сигнала C4(z) и усиления полученного напряжения
добавятся аналогичные составляющие, возникшие в детекторе и усилителе.
Спектр выходного низкочастотного напряжения проверяемого приемника £/вых
приведен на рис. 18, е. Он содержит основные составляющие модуляции, их
вторые и третьи гармоники и комбинационные составляющие с разностной
частотой F, - F, и суммарными частотами Ft + F2, 2F, + F2 , Fx + 2F,.
25
fo -iF2
fo -<F\ +-?2 >
fo-Fi
fo-Fi
b)
Т0ЧГ2-Г\ >
fo +Г2
fo+Fx
fo+(F2-Fi)
fo
Рис. 18
Поскольку для расчета коэффициента гармоник используются только
комбинационные составляющие с суммарными частотами, для упрощения
рисунка составляющие с разностными частотами 2F,- Ft, 2Ft - F, на нем не
показаны.
С помощью анализатора спектра или анализатора гармоник измеряются
уровни основных составляющих модуляции U,, , Uи комбинационных
составляющих с суммарными частотами U,.или U. +2/.,, а при
12	12	1
необходимости и более высоких порядков, т.е.	и Т-Д- С учетом
установки одинаковых коэффициентов амплитудной модуляции
источника испытательного АМ сигнала U
коэффициента гармоник таковы.
в каналах
U,,. Формулы для расчета
*2 = U	/и,,. К, = 4/3 ( и,,,,,./ и.), К, = 2UW / V,,, К,=16/5 (	I/. )
Результирующий коэффициент гармоник электрического тракта приемника
АМ сигналов
При измерении так называемых паразитных параметров, например,
уровня шумов, коэффициента гармоник Кг, сопутствующей фазовой модуляции
допускается сравнительно большая, обычно до 30%, относительная
погрешность измерения. Это обусловлено тем, что нормируются только
максимальные значения паразитных параметров, например, Uut < ЗОмВ,
Кг< 0,01%, погрешности этих значений не указываются. Главное же требование
в этих случаях предъявляется к разрешающей способности измерения -
минимальной
измеряемой
величине
параметра,
равной
утроенному
собственному значению этого параметра у измерительного устройства.
В данном случае в соответствии с расчетными формулами
относительная погрешность определения коэффициента гармоник приемника
АМ сигналов равна удвоенной амплитудной погрешности низкочастотного
анализатора спектра или анализатора гармоник и составляет соответственно
(30-15)%.
Главным преимуществом рассматриваемого косвенного метода
измерения по сравнению с прямым классическим является отсутствие влияния
нелинейных искажений амплитудных модуляторов на результат измерения
искажений , вносимых приемником. Тем самым исключаются требования к
уровню нелинейных искажений модуляторов, создается возможность
измерения малых нелинейных искажений приемников с использованием
модуляторов с любым большим, в том числе неизвестным уровнем
искажений. Это преимущество обусловлено тем, что нелинейные
комбинационные искажения, используемые для расчета коэффициента
гармоник приемника, возникают только в самом приемнике. В низкочастотных
27
генераторах и
амплитудных модуляторах источника испытательного AM
сигнала (рис. 17) возникают только нелинейные гармонические искажения -
гармоники напряжения или модуляции с частотами nF\, nF2, и=2,3.... В
рассматриваемом косвенном методе они не используются для определения
коэффициента гармоник приемника, не измеряются на
Нелинейные комбинационные искажения, т.е.
комбинационными частотами
rF2, где
выходе приемника,
составляющие с
р,г — 1,2,3..., в
низкочастотных генераторах и модуляторах не возникают, поскольку в каждом
из них имеется модулирующее напряжение только с одной из частот Ft или F2.
Используемый в источнике испытательного AM сигнала (рис. 17) сумматор
является линейной цепью, например, из трех резисторов (рис. 19 ), он не вносит
ни гармонических, ни комбинационных нелинейных искажений.
Рис. 19.
Источники собственных комбинационных искажений измерительного
устройства, определяющих минимальный измеряемый коэффициент гармоник
приемника AM сигналов, таковы. Во-первых, это собственные комбина-
ционные искажения низкочастотного анализатора спектра или анализатора
гармоник. Однако их уровень может быть достаточно мал. Например,
анализатор спектра СК4-56 в диапазоне частот 0,01-60 кГц имеет динамический
диапазон по комбинационным искажениям 80дБ, т.е. уровень этих искажений
0,01%, что позволяет измерять коэффициент гармоник приемников, начиная с
0,03%. Имеется возможность практически исключить влияние собственных
комбинационных искажений анализатора спектра. Для этого выходное
напряжение приемника AM сигналов подается на анализатор спектра через
заграждающий фильтр, подавляющий одну из основных составляющих,
например, с частотой F\. Частотная характеристика такого фильтра показана
пунктиром на рис.18,е. Отсутствие на входе анализатора спектра этой
составляющей приведет к тому, что составляющие с комбинационными
частотами вида Fi+nF2 в анализаторе не возникнут и не будут ограничивать
возможность измерения искажений приемника.
Собственные комбинационные искажения возникают в источнике
испытательного AM сигнала за счет несинфазности суммируемых AM сигналов
£/,(/) и U2(t) и сопутствующей фазовой модуляции, возникающей в ампли-
тудных модуляторах. К этим параметрам предъявляются соответствующие
28
требования. Например, для того, чтобы при т - 30% уровень собственных
комбинационных искажений не превышал 0,01% , разность фаз AM сигналов в
каналах не должна превышать 4 градуса, что обычно выполняется.
1.6.	Контрольные вопросы, схемы
1.	За счет чего при модуляции среднее значение модулируемого параметра
отличается от такового в отсутствии модуляции?
2.	Каковы основные виды коэффициентов амплитудной модуляции и в
каких единицах они измеряются?
3.	Какие параметры амплитудной модуляции и как определяются при
измерении параметров спектра AM сигнала?
4.	Каковы схема и временные диаграммы прямого метода измерения па-
раметров амплитудной модуляции, что он позволяет определить?
5.	За счет чего возникают нелинейные искажения в тракте передачи AM
сигнала и в приемнике AM сигналов?
6.	Как суммируются нелинейные искажения амплитудной модуляции раз-
личного вида?
7.	В чем главный недостаток классического прямого метода измерения
коэффициента гармоник приемника AM сигналов?
8.	В чем суть косвенного метода измерения коэффициента гармоник при-
емника AM сигналов, какова структурная схема его реализации, и чем
обусловлены его существенные преимущества?
1.7.	Список литературы
1. Кукуш,В.Д. Электрорадиоизмерения/В.Д.Кукуш. - М.:Радио и связь, 1985.С.
263-279.
2. Зенькович, А.В. Измерение нелинейных искажений/А.В.Зенькович.-Горький.:
Горьковский политехнический институт, 1980.С.64-68.
2. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ
2.1. Введение
Эдвин Армстронг, изобретатель положительной обратной связи, т.е.
генератора, регенеративного усилителя и приемника (1912 г) , а также
супергетеродинного приемника (1918 г), в 1936 году выявил повышенную
29
помехоустойчивость частотной модуляции. Он — первый из своих известных
однофамильцев, позднее были: Луи — король джаза, Нейл - астронавт, первым
ступивший на поверхность луны со словами: «маленький шаг одного человека
и большой шаг всего человечества», Лэнс — многократный чемпион мира по
велосипедным гонкам.
Частотная модуляция сразу же получила массовое применение в
радиовещании и звуковом сопровождении телевидения. Затем она стала
использоваться в служебной радиосвязи, дальней связи с космическими
объектами, радиорелейных и волноводных линиях связи, линиях
тропосферного рассеяния, системах ближней навигации - радиовысотомерах,
прицелах. Использование линейной частотной модуляции в импульсе привело к
технической революции в радиолокации. В принятой в нашей стране системе
цветного телевидения СЕКАМ
частотная модуляция служит для передачи
сигнала цветности. Основные области применения частотной модуляции
сохраняют свое значение до настоящего времени.
2.2. Параметры частотной и фазовой модуляции
В общем случае частотно-модулированное (ЧМ) колебание Ь(/) с
постоянной амплитудой Eq, переменной мгновенной частотой со(/) и соот-
ветствующей ей мгновенной фазой <р(/), где
(I)
at
содержит фазу в качестве аргумента гармонической функции, т.е.
представляется в виде
U(t) = £osin <р(/) = Eosin jco(/)df.
о
График U(f) (рис.1) близок по форме к гармонической функции, он
Рис.1
отличается от нее изменяющимся во времени периодом T(t) —
2п
<!>(/)
/(<)
Изменяющийся период препятствует получению изображения ЧМ колебания на
экране осциллографа. Среднее значение U(t) равно нулю, постоянной
30
составляющей ЧМ колебание не содержит. Мгновенная частота ®(0 показана
на рис.2. Она характеризуется максимальным значением ®маКс, минимальным
значением ®мин и, главное, средним значением ®о - центральной частотой.
1 '
®0= —]®(/И ,	(2)
* о
где Т - время усреднения. Отличие центральной частоты ЧМ колебания ®о от
частоты в отсутствие модуляции со । свидетельствует о наличии постоянной
составляющей модулирующего напряжения и (или) нелинейности четного
порядка частотного модулятора. Частоту ®о можно измерить с помощью
электронно-счетного частотомера или аналогового счетчика импульсов -
аналогового преобразователя частота — напряжение, использующего перезаряд
со
макс
®
CD
®
МИН
Рис.2
конденсатора или нелинейные формирующие устройства. Мгновенную частоту
ЧМ колебания можно представить в виде суммы постоянной центральной
частоты ®0 (2) и переменной составляющей — частотной модуляции Л®(/).
(3)
®(/) = ®0 + Д®(/) .
Параметры частотной и фазовой модуляции аналогичны параметрам
амплитудной модуляции. Отличие состоит в том, что все виды коэффициентов
амплитудной модуляции
выражаемые в процентах, а параметры частотной и фазовой модуляции имеют
Параметрами частотной
величины относительные, безразмерные или
размерности, соответственно частоты и фазы,
модуляции Д®(/) являются следующие.
Девиация частоты вверх Д® в - максимальное
изменение частоты вверх
относительно среднего значения частоты ®0
Д® В = ®макс~®0-
4
Девиация частоты вниз Д® „ — максимальное изменение частоты вниз
относительно среднего значения частоты ® 0:
31
А® и =	®0 "®MIIH •
Средняя девиация частоты А® ср, характеризующая частотную
манипуляцию,
Л® ср ~ ( ®макс “®мии)'2 .
При симметричной частотной модуляции
Дю в ?= А® н — А® ср = Л® ,
где А® - девиация частоты.
Отсюда, когда используется термин «девиация частоты», подразумевается
симметричная частотная модуляция.
Для случая сложной, например шумовой частотной модуляции,
водится
среднеквадратичная девиация частоты А® скз:
/1 'г ,
А® скз — ,1— |А® (t)dt.
V ‘ о
Отечественные электронные приборы для измерения параметров частотной
модуляции подгруппы СЗ — измерители девиации частоты - обычно измеряют
А® в, А® „ и А® скз- Если частотная модуляция содержит отдельные спект-
ральные составляющие, т.е. представлена в виде
А®(/) - А®( sin О,/ + А®2 sinQ/ +... + Д®„ sinQ,,/,
то, наряду с результирующими значениями девиации частоты А® в, А®
A® ск), используются парциальные девиации частоты А® ь А® з, ... А® „ . При
кратных частотах модуляции Q2 = 2Q1,...,Q„ -пС1{ парциальные девиации
частоты называются девиациями частоты первой, второй и т.д. гармоник
частотной модуляции. При известных значениях парциальных девиаций
частоты можно найти А® скз:
J II
0.5^ А®2 .
i
Критерием нелинейных искажений частотной модуляции служит
коэффициент гармоник частотной модуляции Кчм. При его определении первая
гармоника частотной модуляции соответствует отсутствию нелинейных
искажений, а остальные характеризуют указанные искажения. По аналогии с
коэффициентом гармоник напряжения Кг и коэффициентом гармоник
амплитудной модуляции Кам коэффициент гармоник частотной модуляции
определяется выражением
Кчм - ^®2 + А®2 +... + А®2)/А®2 =	+ Kl +... +	,
где А\ =	,..., Кп=~'У'' - парциальные коэффициенты гармоник
А®!	А®(	Д®|
частотной модуляции, т.е. коэффициенты второй, третьей и т.д. гармоник
частотной модуляции.
По определению мгновенная частота и мгновенная фаза колебания связаны
соотношением (1). Частотная модуляция Д®(/) и фазовая модуляция А<р(/)
32
входят соответственно в мгновенную частоту и фазу, поэтому они связаны
соотношениями, аналогичными (1)
Дсо(/) =Дф(/) = |дсо(/)*//.	(4)
ф(') = J[coo + Дсо(/)}// = <р0 + <оо/ +
Из представления мгновенной частоты в виде суммы постоянной центральной
частоты (1>0 и частотной модуляции ДеХО следует, что мгновенная фаза
JД<о( t)dt = ф0 + <|)0/ + Дф(/).
Г рафик ф(г) и входящих в нее составляющих приведен на рис. 3
(5)
ф(0
О
Рис.З
Постоянная начальная фаза ф0
не
лияет на модуляцию. Линейному
изменению фазы во времени соответствует постоянная центральная частота и,
наоборот, постоянной частоте соответствует линейное изменение фазы.
Частотной модуляции соответствует нелинейное изменение фазы, т.е. фазовая
модуляция является нелинейным изменением фазы во времени. Для того чтобы
определить фазовую модуляцию Дф(г) при известной мгновенной полной фазе
ф(/), необходимо найти линейное изменение фазы Kt и вычесть его из ф(/). Для
этого сначала определяется мгновенная частота колебания оХО = —затем
dt
центральная частота <в0 и частотная модуляция Д<о(/):
. . .	, .	d<s>(t) 1 d<o(t)l,
Дю(О =	- <»о =	- V J "3- Г •
dt Т • dt J
Фазовая модуляция Дф(/) = Гдсо(О^.
Основными параметрами фазовой модуляции являются значения девиации
фазы, аналогичные соответствующим девиациям частоты: девиации фазы
вверх, вниз, средняя, среднеквадратичная, парциальные, гармоник. Нелинейные
искажения фазовой модуляции характеризуются коэффициентом гармоник.
Например, девиация фазы вверх — максимальное изменение мгновенной фазы
33
вверх относительно изменяющейся во времени по линейному закону, или амп-
литуда положительной полуволны фазовой модуляции А<р(/). На рис.З показаны
девиация фазы вверх Д<рн и девиация фазы вниз Аср
н . По аналогии с девиацией
частоты, если используется термин «девиация фазы» без дополнительного
определения, подразумевается симметричная фазовая модуляция.
При гармонической частотной модуляции
Асо(/) = AcocosQ/,
где Асо- девиация частоты, Q- частота модуляции, фазовая модуляция также
гармоническая Acp(/) = (AcoZQ)sinQ/. Девиацию фазы Д<р, равную отношению
девиации частоты к частоте модуляции, называют индексом частотной
модуляции, фазовой модуляции или просто индексом модуляции и обозначают
р, где р = Д<р = Д®/О. Индекс модуляции используется в качестве основного
параметра частотной и фазовой
модуляции, поскольку он определяет ширину
спектра а также помехоустойчивость приема ЧМ сигналов.
Выше для упрощения записи использованы угловые частоты со и девиации
частоты Асо в радианах в секунду. Если рассматриваются технические
характеристики, экспериментальные результаты или другие конкретные
данные, частоты и девиации частоты обозначаются / и А/ и указываются в
герцах.
С использованием индекса модуляции р напряжение с гармонической
модуляцией имеет вид
U(t) — EqCOs( (£>ot+рмпQ/) .	(6)
Модуляцию относят к частотной или фазовой, учитывая зависимость ее
основного параметра от мгновенного значения и частоты модулирующего
напряжения e(t). Для частотной модуляции характерно непосредственное
воздействие напряжения e(f) на частоту генератора, когда частотная модуляция
Асо (Z) - Kxe(t), где К\ = const, независимо от частоты модуляции Q. Например,
в высококачественном радиовещании и звуковом сопровождении телевидения
максимальная девиация частоты, пропорциональная амплитуде модулиру-
ющего напряжения, 50 кГц в полосе модулирующих частот F от 30 Гц до
15 кГц (рис 4). При этом индекс модуляции р = A f!F изменяется в очень широ-
ких пределах.
1,7-10»
30 Гц
Рис. 4
15 кГц
34
и фазового модулятора, вносящего
Для фазовой модуляции характерно использование задающего генератора,
работающего на постоянной частоте (оо,
Д<р(/)= ^2^(0» гДе ^2 = const, независимо от частоты модуляции О (рис. 5 ).
Например, в системе узкополосной связи в полосе телефонного канала 300 -
3400 Гц максимальный индекс модуляции, пропорциональный амплитуде
модулирующего напряжения, р= 1, а девиация частоты
пропорционально частоте модуляции более чем в 10 раз.
А/=рЛ изменяется
3400 Гц
300 Гц
Рис.5
2.3.	Спектр и векторная диаграмма
Спектр ЧМ колебания гораздо сложнее спектра
выражается через элементарные функции только
прямоугольными импульсами. Наиболее детально изучен спектр ЧМ
колебания с гармонической модуляцией, который представляется с помощью
функций Бесселя.
{/(/) = £0cos(co0/+PsinQZ) = £0{j0(P)coso>0/ +J|(P)[cos(co0 +fl)/-cos(a>0 -Q)/]+
+ J2(P)[cos(co0 + 2Q)t + cos(co0 -2Q)f]+J3(P)[cos(co0 +3Q)/-cos(co0 -3Q)/]+...+	( 7)
+./„ (P)[cos(<d0 + nQ)/ + (-l)"cos(®0-nQ)z]}.
Здесь J0(p),J,(p),...,Jn
аргумента p. Графики функций Бесселя первых трех порядков приведены на
рис. 6. Функции Бесселя всех порядков имеют колебательный характер
AM колебания, он
при модуляции
(Р) - функции Бесселя первого рода порядка 0,1
п
п
35
и уменьшающуюся с ростом п амплитуду. При некоторых значениях 0 они
проходят через нуль, изменяют свой знак. В соответствии с (7) спектр ЧМ
колебания с гармонической модуляцией представляется суммой составляющих
с частотами <о0±лО, где п = 0,1,2,..., теоретически он является бесконечно
широким. При значениях индекса модуляции 0 , соответствующих обращению
в нуль функции Бесселя порядка «ь в спектре будут отсутствовать
составляющие с частотами <oo±ntn. Спектр ЧМ колебания с гармонической
модуляцией при различных индексах модуляции 0 показан на рис. 7.
Для оценки полосы частот AF , занимаемой спектром этого колебания,
был использован энергетический критерий,
составляющие, амплитуды которых
немодулированного колебания, т.е. амплитуды £0
подбора была получена формула
AF = 2(1 + 0 + T0)F.
составляли не
Учитывались спектральные
менее 1% от амплитуды
(7). Эмпирически путем
(8)
При 0«
Рис. 7
1, т.е. при малых девиациях частоты, -$<1
и AF « 2F. В этом случае,
как и при амплитудной модуляции, ширина спектра равна удвоенной частоте
модуляции. При 0» 1, т.е. при больших по сравнению с частотой модуляции
девиациях частоты, 70« ₽ и AF»20F = 2Af. Этот случай соответствует
сравнительно медленному изменению частоты, когда спектр занимает полосу
частот, в пределах которой (±Д/) изменяется мгновенная частота ЧМ
колебания. В реальных системах, использующих ЧМ сигналы, энергетический
критерий определения ширины спектра не может быть принят, в них критерием
служит допустимый уровень нелинейных искажений частотной модуляции.
36
Сложная структура спектра ЧМ колебания с гармонической модуляцией
(7) — наличие большого числа спектральных составляющих - позволяет
построить его наглядную векторную диаграмму только при р« 1. В этом
случае колебание приближенно представляется суммой трех спектральных
составляющих, т.е.
U(Г) = Ео {J0(p)cosco0/ + J, (p)[cos(<o0 + Q)/ - cos(<o0 - |}.	(9)
Например, при P~0,2 амплитуды составляющих следующего порядка,
пропорциональные Л(Р), составляют 0,5% от Eq и 5% от £о«Л(Р)- При
Р« 1 имеют место приближенные равенства Jo(P) = 1, Л(Р) ~ Р/2, с учетом
которых спектр принимает следующий вид:
(7(/) = £0{coso)0/+—[cos(g)0 + Q)/—cos(<o0 -Q)/]}.
(Ю)
Методика построения векторной диаграммы AM колебания ( рис.6 ) изложена
подробно в разделе 1.3. Векторная диаграмма ЧМ колебания (рис.8 ) строится
аналогичным образом. Составляющая
центральной частотой w0
представляется неподвижным вектором АВ с модулем Ео. Ось ОО’, имеющая в
данном случае при t = 0 общее с вектором АВ направление, вращается с
частотой w0 по часовой стрелке (рис.8). Вектор верхней боковой составляющей
Рис.8
37
с частотой <оо +Q ВД имеет модуль £о Р/2, направлен так же, как и вектор АВ, и
вращается с частотой Q против часовой стрелки. Вектор нижней боковой сос-
тавляющей спектра ЧМ колебания с частотой о>0 ВС имеет модуль Е()( Р )/2,
противоположное по сравнению с АВ и ВД направление и вращается с часто-
той О по часовой стрелке. При t — 0 векторы ВД и ВС компенсируют друг дру-
га, их сумма равна нулю. Результирующий вектор совпадает с вектором АВ и
имеет модуль Eq. U(t) — проекция этого вектора на ось ОО’ - также равна Eq.
При t =	> 0 векторы ВД и ВС повернутся в противоположных на-
правлениях, указанных стрелками (рис. 8 ),на угол <р, = и примут положения
ВД’ и ВС’. Вектор ВК’, равный их сумме, будет направлен перпендикулярно
вектору АВ и иметь модуль E^sin^. Результирующий вектор АК ~ АВ+В К’.
Он повернут относительно вектора АВ на угол р sin ср,, т.е. фаза ЧМ колебания с
гармонической модуляцией увеличится на Psincpj. Затем при О/, увеличение
фазы достигнет максимального значения р, на такой максимальный угол
отклонится вектор АК от вектора АВ. Далее суммарный вектор боковых
спектральных составляющих начнет уменьшаться по модулю до нуля, изменит
свое направление и при Г2/3=Зл/2 станет максимальным с модулем Еор. При
этом результирующий вектор АК” отклонится от вектора АВ на угол р в
другую сторону. Ось ОО’ будет поворачиваться соответственно времени t на
угол Qz, совершать большое число оборотов. Таким образом, при
гармонической частотной модуляции конец результирующего вектора будет
перемещаться по прямой КК”, а сам вектор поворачиваться на угол ±р
относительно исходного положения.
Представление спектра ЧМ колебания с гармонической частотной
модуляцией в виде трех составляющих ( 10 ) является приближенным. Так, из
векторной диаграммы (рис. 8) следует, что конец вектора результирующего
колебания АК перемещается не по дуге окружности, а по прямой, что вызывает
изменение его модуля, т.е. амплитуды колебания (10). Строгий анализ
показывает, что это колебание при р= 0,2 имеет амплитудную модуляцию с
частотой 2Q и коэффициентом т =1%. Частотная модуляция имеет линейные и
нелинейные искажения 1 %.
2.4.	Методы измерения параметров частотной и фазовой модуляции
В системах с частотной модуляцией в качестве испытательного обычно
используется ЧМ колебание с гармонической модуляцией. Его основными
подлежащими измерению параметрами служат девиация частоты и
коэффициент гармоник частотной модуляции. В большей части случаев,
например в высококачественном радиовещании и звуковом сопровождении
телевидения, более важным является второй параметр, поскольку именно он
определяет качество воспроизведения звука. Девиация частоты определяет
38
только уровень низкочастотного выходного напряжения, в конечном счете
уровень громкости, который легко регулируется.
2.4.1.	Спектральный метод
Данный метод основан на использовании свойств спектра ЧМ колебания с
гармонической модуляцией (9) — обращении в нуль амплитуд спектральных
составляющих при определенных значениях индекса модуляции р. Так как
амплитуды спектральных составляющих определяются с помощью функций
Бесселя, метод называют измерением девиации частоты по нулям функций
Бесселя. Практически используется обращение в нуль спектральной
составляющей ЧМ колебания с гармонической модуляцией, имеющей
центральную частоту о0 . Ее амплитуда определяется функцией Бесселя
первого рода нулевого порядка J0(P) (рис.6) Она обращается в нуль при
следующих значениях индекса модуляции Р: р i== 2,4; Р2 — 5,52; Р? = 8,65 и т.д.
Метод реализуется с использованием высокочастотного ЧМ генератора,
низкочастотного модулирующего генератора и анализатора спектра (рис.9).
Рис. 9
Анализатор спектра должен иметь достаточно малую по сравнению с
частотой модуляции F полосу анализа и необходимую избирательность для
выделения отдельных спектральных составляющих выходного напряжения ЧМ
генератора. В отсутствие модулирующего напряжения, т.е. при соот-
ветствующем положении регулятора уровня
выходного
напряжения
низкочастотного генератора, выходное напряжение высокочастотного
генератора будет гармоническим с частотой fo. Анализатор спектра на-
страивается на эту частоту, на его экране представляется и измеряется
среднеквадратическое значение этого напряжения, равное 0,707Ео . При
плавном увеличении модулирующего напряжения, т.е. пропорциональных ему
девиации частоты Л/~ и индекса модуляции p = A//F, уровень центральной
спектральной составляющей с частотой fo, равный теперь 0,707E^Jf Р),
уменьшается в соответствии с уменьшением Jo(P) (рис.6). Одновременно с
этим появляются боковые спектральные составляющие с частотами f0 + nF и
39
увеличивающимися уровнями О,7£оЛ(Р) соответственно. Уровень модули-
рующего напряжения увеличивается до такого, при котором спектральная
составляющая с центральной частотой f0 обращается в нуль на экране
анализатора спектра при его максимальной чувствительности. Тогда девиация
частоты А/, = p|F = 2.4F. Спектр выходного напряжения ЧМ генератора состоит
только из боковых составляющих с частотами fa±nF и среднеквадратическими
значениями	Р,), и = 1,2,3,4.
При дальнейшем увеличении модулирующего напряжения и индекса
модуляции Р уровень спектральной составляющей с центральной частотой
О,7О7£оЛ(Р)» в соответствии с поведением функции Бесселя (рис .6)
сначала возрастает, достигает максимума, затем уменьшается и становится
равным нулю при Р2 = 5,52. При этом девиация частоты А/ = p,F = 5,52F.
Спектр содержит боковые составляющие с частотами f0+nF, где пмакс= 10.
Следующее обращение в нуль спектральной составляющей с центральной
частотой имеет место при р3 = 8.65, тогда
Af =
F = 8.65F. Таким образом,
спектральный метод позволяет получать ЧМ колебания с гармонической
модуляцией с дискретными значениями девиации частоты A^ = p„ F. Мето-
дические погрешности девиации частоты пренебрежимо малы, так как значения
индексов модуляции рассчитаны с пятью значащими цифрами и частота
модуляции может измеряться электронно-счетным частотомером с по-
грешностью менее 10 6. Погрешность девиации частоты практически обус-
ловлена неидеальностью выходного напряжения реальных ЧМ генераторов -
наличием сопутствующей частотной паразитной амплитудной модуляции и
нелинейных искажений частотной модуляции. Наибольшее вредное влияние
оказывает вторая гармоника в сопутствующей амплитудной модуляции, влияет
также третья гармоника в частотной модуляции. С учетом этих факторов
погрешность получается 0,2 - 0,3%. Спектральный метод имеет следующие
недостатки. В нем нет как такового измерения неизвестной девиации частоты
входного напряжения с частотной модуляцией. Производится установка
девиации частоты выходного напряжения ЧМ генератора при известных
дискретных значениях индекса модуляции р>2,4. Метод не позволяет измерять
нелинейные искажения частотной модуляции, более того, они должны быть
известны и достаточно малы.
2.4.2.	Электронно-счетный метод
Принцип измерения девиации частоты основан на использовании
электронно-счетного частотомера. Структурная схема измерения приведена на
рис. 10 . В ней используется преобразователь частоты, состоящий из смесителя,
фильтра нижних частот и гетеродина, и электронно-счетный частотомер. На
смеситель подается входное напряжение с центральной частотой w0 с
гармонической частотной модуляцией I/, =E,sin(<o0/+ ГашяпОйй) и немоду-
40
лированное напряжение гетеродина с частотой ю0. Напряжение на выходе
фильтра нижних частот имеет вид :
U 2 - Е3 cos(<p0 + JДю sin О/dt).
Рис. 10
Частотная модуляция, условно говоря, переносится на нулевую разностную
частоту, при этом частота как величина обратная периоду остается
положительной. С учетом этого полное изменение частоты Л/(0 выходного
напряжения фильтра нижних частот существенно отличается по форме от
гармонической частотной модуляции входного напряжения (рис. 11)
IЛ f(t)
Рис. 11
Электронно-счетный частотомер измеряет Fcp =
(t)dt - среднее
значение
частоты выходного напряжения фильтра нижних частот. При гармонической
частотной модуляции частота
связана с девиациеи частоты Д/ тем же
соотношением, которое связывает средневыпрямленное значение
гармонического напряжения при двухполупериодном выпрямлении с его
амплитудным значением:
F =—Д/«0,637Д/.
Л
Для получения прямого цифрового отсчета девиации частоты в герцах —
время измерения частоты Fcp - устанавливается равным
41
Т„= -с= 1/0,637 с.
2
При гармонической модуляции данный метод используется при индексах
модуляции р>5. В погрешность измерения девиации частоты входит
составляющая за счет дискретности и составляющая за счет нелинейных
искажений частотной модуляции. Результирующая погрешность может быть
0,1%. Принципиально электронно-счетный метод позволяет измерить девиацию
частоты при изменении частоты по любому достаточно точно известному
закону со своей связью между Fcp и А/ Главный недостаток метода — он не
позволяет измерять коэффициент гармоник частотной модуляции, который
должен быть известен. Кроме того, индекс модуляции ограничен снизу, р>5.
2.4.3.	Прямой метод
Принцип измерения состоит в линейном частотном детектировании и
измерении параметров выходного напряжения частотного детектора.
Структурная схема реализации прямого метода приведена на рис. 12.
Рис. 12
Высоким требованиям по линейности в наибольшей мере отвечает аналоговый
преобразователь частота-напряжение на нелинейных формирующих
устройствах - аналоговый счетчик импульсов. Принцип его работы рассмотрен
в первой части данного учебно-методического пособия в разделе 3.3
«Измерение частоты и интервалов времени». Этот преобразователь называют
также частотным детектором счетчикового типа. Его работа в этом режиме
поясняется с помощью рис. 13.
42
и
Рис. 13
Входное напряжение с центральной частотой fo ~ 1/7q имеет гармоническую
модуляцию с девиацией частоты А/' и частотой модуляции F (рис. 13,о,б) . Из
него один раз за период с помощью формирователя коротких импульсов и
одновибратора формируется последовательность однополярных прямоуголь-
ных импульсов с постоянными амплитудой Е и длительностью т ( рис. 13,в ).
Тем самым входное ЧМ колебание преобразуется в последовательность
импульсов (7(f) с постоянной площадью Ет, модулированную по частоте
повторения и, следовательно, по временному положению,
сю=£/(/-/*)•
Здесь /(/) — исходный прямоугольный импульс, 4 — моменты времени,
определяющие положение импульсов в последовательности, к — 0,1,2,3...
Частотный спектр данной последовательности при гармонической модуляции
определяется выражением
СО WUA,, ,,	.... .
U (I) = g(0) / Т, + []g(F)|/FJecos(2nF/ + <pr01) + £ £ — -^-J„(m0)cos(2n/M/+<Pm„).
Здесь g(0), g{F),	- комплексная спектральная плотность импульса j(f) на
соответствующих частотах, е = А/ ff0 - относительная девиация частоты,
0 = A/7F - индекс модуляции, <р01 , <p,„„ - начальные фазы составляющих, т,п =
= 1,2,3... .
Спектр представлен графически на рис. 14, он содержит постоянную
составляющую, составляющую с частотой модуляции F и высокочастотные
комбинационные
43
Рис. 14
составляющие. Важно отметить, что в спектре последовательности отсутствуют
гармоники частоты F, т.е. отсутствуют нелинейные искажения. Для
прямоугольного импульса |g(F)| = ЕтзтлЕт/лЕт, и при Fc«l g(F) = Ex,
поэтому амплитуда полезной составляющей с частотой F U,, -Ex-^f. Полезная
составляющая выделяется из спектра последовательности с помощью фильтра
нижних частот с граничной частотой FMaKt, подключаемого к выходу
одновибратора. Частотная характеристика фильтра показана пунктиром на
рис. 14. Частота FMaKC, подавление в полосе задерживания и параметры после-
довательности импульсов выбираются такими, чтобы уровень мешающих
комбинационных составляющих, попадающих в полосу пропускания фильтра,
не превышал допустимого. Статическая характеристика частотного детектора
счетчикового типа t/BHX(/) (рис. 15) линейна, ее крутизна 5== Ех, т.е. оп-
df
Рмакс to
Рис. 15
44
етектора в полосе модулирующих частот, определяется
еличиной sinnFr/nFt. Эта величина близка к единице
евиация частоты Д /= 500
sinnFc/nFc = 0,9896, т.е. завал
ределяется площадью импульса. Без учета частотной характеристики фильтра
зависимость амплитуды полезной составляющей от частоты, т.е. частотная
характеристи ка
зависимостью модуля комплексной спектральной плотности импульса |g(F)| от
частоты модуляции, т.е.
т.е. завал частотной характеристики незначителен до тех пор, пока период
модуляции не станет соизмерим с длительностью импульса т. Приведем для
иллюстрации параметры одного из частотных детекторов счетчикового типа.
Центральная частота То = 1 МГц, максимальная
кГц, длительность импульса т = 0,4 мкс, его амплитуда — 8 В, максимальная
частота модуляции Гмакс= 200 кГц. Крутизна характеристики детектора без
учета коэффициента передачи фильтра S' =3,2 мВ/кГц, при F = 20кГц
sinnFc/nFt^ 0,9999 и при
частотной характеристики в полосе модулирующих частот без учета
характеристики фильтра составляет соответственно 0,01% и 1,04%. Главными
достоинствами частотного детектора счетчикового типа, обусловившими его
широкое применение в технике электронных измерений, являются высокая
линейность его характеристики, широкая полоса модулирующих частот,
стабильность параметров и простота реализации. Выходное напряжение
частотного детектора, пропорциональное частотной модуляции
используется для определения ее параметров. С помощью пикового вольтметра
измеряются амплитуды положительной и отрицательной полуволны этого
напряжения, с помощью квадратичного вольтметра — его среднеквадратическое
значение. Обеспечивается прямой отсчет параметров частотной модуляции,
вольтметры градуируются соответственно в значениях девиации частоты А/ в,
. Погрешность измерения девиации частоты складывается из
обусловленной нелинейностью частотного детектирования,
или анализатора гармоник
А/'2» Д/з ••• и рассчитывается
Его прямой отсчет можно
нелинейных искажений.
*-у н э н/ скз
составляющей 5
5) =0,2% при Д/= 50 кГц, и 5, - погрешности вольтметра. Последняя
определяется в основном тем , аналоговый это вольтметр или цифровой, б, =(Г
-3)%. Форму частотной модуляции можно наблюдать с помощью осцил-
лографа. С помощью анализатора спектра
измеряются парциальные девиации частоты А/ ( ,
коэффициент гармоник частотной модуляции,
получить при использовании измерителя
Минимальный измеряемый коэффициент гармоник Кчм > 3(Kri + КГ2 ), где Kri
— коэффициент гармоник частотного детектора, — анализатора спектра или
измерителя нелинейных искажений. Определяющим является А”Г| « 0,2%. При
измерении параметров частотной модуляции прямым методом не
накладывается ограничений на ее форму и значение индекса модуляции, они
могут быть любыми.
Прямой метод измерения параметров частотной модуляции широко
использован в измерителях девиации частоты ЧМ сигналов - электронных
45
измерительных приборах подгруппы СЗ и комбинированных измерителях
девиации частоты и коэффициента амплитудной модуляции подгруппы СКЗ.
2.5.	Измерение нелинейных искажений приемников ЧМ сигналов
2.5.1.	Особенности частотной модуляции
Общее рассмотрение системы передачи информации, видов и источников
искажений, проведенное в разделе «Измерение нелинейных искажений
приемников AM сигналов», в равной мере относится и к частотной модуляции.
Естественно, m(t) следует заменить на Eflt).
Главные особенности использования частотной модуляции состоят в
следующем. В отличие от AM колебаний прохождение ЧМ колебаний через
нелинейные безынерционные цепи не сопровождается внесением нелинейных
искажений модуляции. Амплитудная характеристика такой цепи имеет вид
вх
вх
Входное напряжение имеет постоянную амплитуду Ео и частотную модуляцию
Д®(/),
Ц»„х = Ео cos[oy + |доХ t )dt].	(11)
J Aco(/)tZ/] в виде суммы гармонических составляющих
вых
Представление. cos"[co0/
позволяет записать
= + Ei cos[o)0/ +	)dt] + Ег cos 2[о0/ + |д<о(^)<Й] + Е3 cos3[<о0/ + ГД(о(/)<Л] +...
... + Е„ COS/7[(D0/ + Гдсо(/)б7/ ].
Обычно ЧМ колебание является достаточно узкополосным, т.е. девиация
частоты и частота модуляции малы по сравнению с центральной частотой. В
этом случае спектры гармоник центральной частоты не перекрываются и их
можно разделить с помощью неискажающих полосовых фильтров. В виду
синфазности гармоник, соответствующих членам полинома с различными
степенями, результирующее колебание с каждой из частот ж»0 имеет
неискаженную частотную модуляцию »Дю(/). Физически это можно пояснить
так. Нелинейные цепи изменяют форму колебания, что проявляется в виде
гармоник. Частота и частотная модуляция, определяемые взаимным поло-
жением характерных точек во времени, например точек перехода напряжения
через нуль, остаются неискаженными.
Главным источником нелинейных искажений частотной модуляции служат
неидеальные линейные цепи, через которые проходят ЧМ колебания.
Указанные искажения возникают за счет нелинейности фазовых характеристик
линейных цепей. Их дополнительным источником является частотная
характеристика линейной цепи, точнее, ограниченная ширина полосы
пропускания цепи. Теоретически спектр ЧМ колебания бесконечно широк,
ограничение его ширины
модуляции.
вызывает нелинейные искажения частотной
46
Отсутствие влияния нелинейности амплитудных характеристик узлов,
линеаризация фазовых характеристик линейных цепей с помощью фазовых
корректоров, разработка частотных детекторов и генераторов ЧМ колебаний с
малым уровнем искажений привели в конечном итоге к следующему. В
системах, использующих ЧМ колебания, результирующий уровень нелинейных
искажений модуляции на порядок, а
некоторых случаях
на два порядка, ниже,
чем в системах с амплитудной модуляцией. Вот почему радиовещание с
частотной модуляцией называют высококачественным, тысячи телефонных
каналов передают по радиорелейным линиям с использованием частотной
модуляции.
Упрощенная структурная схема приемника ЧМ сигналов (рис. 16)
отличается от аналогичной схемы приемника AM сигналов (рис13, разд. 1.5.1)
использованием ограничителя и частотного детектора вместо амплитудного
детектора. Ограничитель служит для подавления сопутствующей паразитной
амплитудной модуляции и поддержания постоянным уровня напряжения на
входе частотного детектора. Параметры приемников ЧМ и AM сигналов
отличаются существенно. При р»1 спектр ЧМ сигналов в десятки раз шире
спектра AM сигнала, составляющие с разными частотами по-разному
отражаются от ионосферы, что вызывает недопустимые искажения частотной
модуляции. Поэтому на коротких волнах такие ЧМ сигналы не передаются.
Высококачественное радиовещание и звуковое сопровождение телевидения
осуществляются в диапазоне ультракоротких волн, как говорят, на УКВ и на
более высоких частотах. В бытность СССР в нем и в соцстранах использовался
диапазон радиовещания 66-73 МГц, в Европе, Канаде и США — 88-94 и 88-
108 МГц. В настоящее время к сохранившемуся в стране диапазону 66-73 МГц,
условно называемому диапазоном ЧМ (частотной модуляции), добавился
диапазон 88-108 МГц - диапазон ФМ ( по происхождению от английского FM -
Рис. 16
47
frequency modulation), хотя по-русски это тоже ЧМ. Общепринятая промежу-
точная частота приемника ЧМ сигналов 10,7 МГц, ширина полосы
пропускания 150-190 кГц.
Как и в случае приемника AM сигналов, уровень нелинейных искажений —
одним из его
хода приемника до входа
линейные цепи (фильтры) в преселекторе и в тракте
т.е. на выходе смесителя, в усилителях проме-
есятки раз больше, чем фильтры тракта
вносимые преселектором искажения можно не
источником нелинейных искажений
коэффициент гармоник приемника ЧМ сигналов - является
наиболее важных качественных показателей. От
частотного детектора вносимые узлами приемника нелинейные искажения
полезной информации — это нелинейные искажения частотной модуляции. Их
источники
промежуточной частоты
жуточной частоты и в ограничителе. Поскольку фильтры преселектора имеют
ширину полосы пропускания в
промежуточной частоты,
учитывать. Основным источником нелинейных искажений частотной
модуляции в приемнике ЧМ сигналов служат фильтры в тракте промежуточной
частоты. К ним добавляются нелинейные искажения при преобразовании
частотной модуляции в соответствующее ей низкочастотное напряжение в
частотном детекторе. Дополнительные, обычно весьма малые, нелинейные
искажения вносит выходной усилитель низкой частоты. Составляющие
искажений, имеющие одну и ту же частоту, например вторые гармоники
частоты модуляции, складываются векторно, составляющие с различными
частотами — по мощности.
2.5.2.	Классический прямой метод измерения
Данный метод измерения нелинейных искажений, вносимых электрическим
трактом приемника ЧМ сигналов, является полным аналогом варианта
классического прямого метода, рассмотренного выше в разделе 1.5.2
применительно к приемнику AM сигналов. Структурная схема реализации
рассматриваемого метода приведена на рис. 17.
Рис. 17
48
Теоретически испытательное ЧМ колебание, поступающее на вход
приемника, должно иметь гармоническую частотную модуляцию. Практически,
как и в случае амплитудной модуляции, минимальный измеряемый
коэффициент гармоник проверяемого приемника ЧМ сигналов должен в 3 раза
превышать суммарный коэффициент гармоник всех используемых при
измерении приборов, т.е. сумму коэффициентов гармоник генератора ЧМ
сигналов, низкочастотного модулирующего генератора и измерителя
нелинейных искажений, или низкочастотного анализатора спектра. Поскольку
вкладом низкочастотных приборов при принятии соответствующих мер можно
пренебречь, определяющим является уровень коэффициента гармоник
генератора ЧМ сигналов. Хотя лучший отечественный генератор ЧМ сигналов
типа Г4-165 позволяет измерять коэффициент гармоник приемников ЧМ
сигналов начиная с 0,15%, этого недостаточно как для лучших моделей
приемников, так и для аналогичных им по структуре измерителен девиации
частоты.
Таким образом, главным недостатком прямого метода измерения
коэффициента гармоник приемников ЧМ сигналов является предъявление
крайне высоких требований к используемому для измерений генератору ЧМ
сигналов.
2.5.3.	Косвенный метод измерения
Цель данного метода, его теоретическое обоснование изложены выше в
разделе 1.5 применительно к измерению малых нелинейных искажений,
вносимых приемником AM сигналов. Принцип измерения также является
общим. Он состоит в расчетном определении коэффициента гармоник по
результатам измерения комбинационных искажений с использованием
испытательного сигнала с двухтональной модуляцией. Структурная схема
измерения малых нелинейных искажений приемников ЧМ сигналов приведена
на рис. 18. Она содержит источник испытательного ЧМ сигнала с двухто-
нальной модуляцией, проверяемый приемник ЧМ сигналов, вспомогательный
фильтр и низкочастотный анализатор спектра или анализатор гармоник. В
каждом канале источника испытательного ЧМ сигнала используется
модулирующий низкочастотный генератор и высокочастотный ЧМ генератор.
Выходные напряжения ЧМ генераторов подаются на входы смесителя без
фильтра. Фильтром смесителя, выделяющим из его выходного напряжения
составляющую с разностной частотой, является проверяемый приемник ЧМ
сигналов, Он, как и все приемники, обладает высокой избирательностью.
Выходное низкочастотное напряжение приемника через вспомогательный
фильтр подается на вход анализатора спектра для измерения комбинационных
искажений.
Работа измерительного устройства поясняется, как и в случае
амплитудной модуляции, с помощью спектрограмм. Однако спектры AM
сигналов наглядно отражали спектры амплитудной модуляции, их
49
использование было вполне оправданным. Спектры ЧМ сигналов при
используемых в реальных
условиях больших индексах модуляции содержат
Рис. 18
большое число спектральных составляющих, они крайне сложны и не связаны
наглядно со спектрами частотной модуляции. Поэтому для пояснения работы
на рис. 19 приводятся низкочастотные спектры частотной модуляции, а не
высокочастотные спектры ЧМ сигналов. Выходное напряжение ЧМ генератора
верхнего канала:
Ц(/) = E1sin[ci)1/+ jAwJ/y//]	sinfo)l/+^-)LLsinQl/ + ——)^Lsin2fil/+ Z^<)-sin3Ql/ + ...| (11)
Здесь <d, - центральная частота, Q,- основная частота модуляции, Ао),(/) -
частотная модуляция. За счет неидеальности модулирующего напряжения и
нелинейных искажений, возникающих при модуляции в ЧМ генераторе,
частотная модуляция Лео, (/), наряду с основной составляющей с частотой £ 2,,
содержит составляющие с кратными частотами 2Q|; Зц и т.д., т.е. вторую,
третью и другие гармоники с парциальными девиациями частоты A®H,Aco2l,A<o3l
и т.д. В (11) начальные фазы Ц(0 и всех гармоник частотной модуляции
взяты равными нулю, поскольку они не влияют на работу устройства.
Выходное напряжение ЧМ генератора нижнего канала по структуре аналогично
Uу (/). Принципиальные отличия - различные центральные частоты и различные,
но близкие друг к другу основные частоты модуляции. Для удобства измерений
и упрощения соотношений для расчета коэффициента гармоник по результатам
измерения комбинационных искажений девиации частоты первых гармоник
частотной модуляции в верхнем и нижнем каналах устанавливаются равными.
Выходное напряжение ЧМ генератора нижнего канала
50
A-^sin3Q,/ + ...|(l2)
3Q,
—— sm£2,f +----^sin2Q,/
£1,	'	2П2
(/,(/) = E2sin[co2/ + JA(o2 (/)<?/] =E, sin[co,/
Спектр частотной модуляции A/J(/) напряжения £/,(/) (11) показан на рис.19,а,
спектр А/, (/) напряжения С2(/)- на рис. 19,б.Как пояснено выше,
ад, = а/;2 =а/"/2,
где А/ - девиация частоты, для которой рассчитывается коэффициент гармоник.
Парциальные девиации частоты	и т-д. являются индивидуаль-
ными характеристиками генераторов в верхнем и нижнем канале устройства.
Выходные напряжения ЧМ генераторов U\ и
без фильтра —
перемножения,
является резистивным элементом
характеристика - равен нулю. Искажения частотной модуляции вызываются
нелинейностью фазовой характеристики, в смесителе без фильтра - диоде - они
не возникают. Если смеситель без фильтра является идеальным, его выходное
напряжение есть сумма составляющих {/3 и с разностной и суммарной
центральными частотами и с двухтональной частотной
W ц|,|х
U? поступают на смеситель
нелинейный элемент, который выполняет операцию их
В качестве нелинейного элемента используется диод. Он
вносимый им фазовый сдвиг - фазовая
модуляцией, т.е.
— KUyUi = t/j + t/4. В общем для обеих составляющих виде можно записать
= Е.сояГГсп. + m.V + Гасо.(/М/ + Гасй.(7М/1 = Е, coslfco. ±со. W + —sinQ./ +
Aw,, . . _ Aw,, .	. rAw., . Aw„ .	Aw„ .
+ ——sin2Q,/ +——sin3Q./ + ...±[-——sinQ,/ +—— sin2Q,/ + +——sinjQ,/ + ... ]}.
2Q.	1	3Q.	1	<2,	2	2Q,		3Q,
I	ЛЬ
Двухтональная модуляция не является идеальной, кроме основных составля-
ющих с частотами £2, и £2, она содержит и их гармоники. Спектр
двухтоиальной частотной модуляции А/, (г) показан на рис. 19,в. Он один и тот
же для обеих составляющих, так как это амплитудный, а не комплексный
спектр. Именно амплитудный спектр измеряется анализаторами спектра
последовательного действия, фазовый спектр они не измеряют. При измерении
нелинейных искажений начальные фазы составляющих искажений с разными
частотами не оказывают влияния на результат измерения, так как суммируются
квадраты среднеквадратических значений составляющих. С учетом
представления на рис. 19 амплитудных спектров, спектр Д/Д/) равен сумме
спектров A/(z) и А/,(/).
В качестве испытательного ЧМ сигнала обычно используется
составляющая выходного напряжения смесителя без фильтра Uj с разностной
центральной частотой со, = w, - со,, на которую настраивается проверяемый
приемник. Это обусловлено тем, что на выходе реального смесителя, кроме
составляющих Uj и U4, имеются составляющие с частотами со(,со2, а также
гаорисо, и комбинационными частотами различных высоких порядков вида
±исо, ±»ко2, где и = 2,3..., т = 1,2,3.... Поэтому частоты w, и со, выбираются из
условия минимизации возможности попадания частот указанных состав-
ляющих в полосу пропускания проверяемого приемника. Например, для радио-
51
Рис. 19
вещательных приемников ЧМ сигналов, имеющих диапазон высоких частот
66-73 МГц, частота проверки = 69 МГц, частоты генераторов и /? соот-
ветственно 380 и 3 Н МГц или 300 и 231 МГц.
Испытательный ЧМ сигнал с разностной частотой и двухтональной
модуляцией выделяется из выходного напряжения смесителя без фильтра
проверяемым приемником, который, по существу, выполняет роль выходного
фильтра смесителя. В приемнике он проходит через преселектор, в смесителе
частотная модуляция переносится на промежуточную частоту, напряжение с
промежуточной частотой далее усиливается, ограничивается и поступает на
вход частотного детектора, пропорциональное частотной модуляции его
входное напряжение далее усиливается . Если бы все линейные цепи,
используемые в преселекторе, смесителе, усилителе промежуточной частоты и
52
ограничителе имели линейные фазовые характеристики и бесконечно широкие
полосы пропускания, частотный детектор имел линейную характеристику и
выходной усилитель был строго линейным, то приемник ЧМ сигналов был бы
идеальным
выходное напряжение U4 точно повторяло бы форму частотной
входного напряжения U3 ДГз(О и имело бы ее спектр (рис. 19^).
т.е. не вносил бы нелинейных искажений. В этом
случае его
модуляции
Узлы трактов высокой и промежуточной частоты реального приемника
содержат линейные цепи, которые вызывают нелинейные искажения частотной
модуляции проходящего через них испытательного ЧМ сигнала. Во-первых, это
нелинейные гармонические искажения, т.е. составляющие с частотами,
кратными основным частотам модуляции О, и Q,, так называемые допол-
возникшими в генераторах источника испытательного сигнала и
парциальные девиации частоты Ашл.Дсо^.Асо^.Асо,,
Поэтому
имеющих
частотная
модуляция Д/д (0 входного напряжения частотного детектора U5 будет
содержать гармоники с новыми значениями парциальных девиаций частоты
Д(о,,,До)„,Дсо2д,Д<ом и т.д. и их новыми начальными фазами. Во-вторых, в
частотной модуляции возникнут нелинейные комбинационные искажения, т.е.
ляющие с комбинационными частотами вида +иО|±/иО2, где п,т =
= 1,2,3... С учетом обоих видов возникших нелинейных искажений частотной
модуляции входное напряжение частотного детектора
До>и
sin(3Q,f+ ((>„)-
Us - Е5 cos{(<0! - ю2)/ +
*	A03i,	• /—к л
smQ,/------—	+
Q2
Д<ом
 « pi  < II
3Q,
sin(3fl2Z + <p34) +... +
^-sin(2fi,/ + <p2J) - ||Xsin(2Q,/- + Ф24 ) +
1 ~
CO co
zz
±wifl2
± иО] ± тО.г
sin[(±/?Q! ± /hQ, )/ +

+Ф ±«n, ±#»n2 J»•
Здесь	Д<й±„П1±,„п„ф±,Ю1±„,п2 - соответственно частота, парциальная
девиация частоты и начальная фаза комбинационной составляющей, ф„„, -
начальная фаза гармонической составляющей. Спектр частотной модуляции
А/4(г) напряжения U$ при учете нелинейности второго и третьего порядка
приведен на рис. 19/). Принципиальным отличием входного напряжения
частотного детектора (/5 от входного напряжения приемника (/3 (рис. 19,в) яв-
ляется наличие в частотной модуляции U$ нелинейных комбинационных
искажений. Составляющие частотной модуляции с комбинационными
частотами возникают только в проверяемом приемнике ЧМ сигналов.
При частотном детектировании напряжения Us и последующем усилении
низкочастотного напряжения также вносятся нелинейные гармонические и
комбинационные искажения. Возникшие при этом составляющие суммируются
с аналогичными составляющими, перешедшими на выход из частотной
модуляции напряжения U$. С учетом нелинейных гармонических и
53
комбинационных искажений второго и третьего порядка выходное напряжение
приемника
Ub - Ех cosil,/ + Е2 cosQ,t + £3cos2fit/ + £, cos2Q,/ + Es3cosQ,/ + Et} cos 30,/ +	Q cos(Q, -
Q|)/ +
cos(Q2 + V + ^20»+q, cos(2Q3 + Oj )t + Eq +>q cos(£2| + 2£12)/.
£ ц	I	£
(13)
Начальные фазы всех составляющих взяты произвольно, поскольку они не
учитываются при измерениях и расчетах. Учитываются только амплитуды
точнее, среднеквадратические значения составляющих.
Спектр выходного напряжения проверяемого приемника ЧМ сигналов Ub
(рис. 19,е) содержит все те же составляющие, что и спектр частотной модуляции
(рис. 19,/)). Влияние нелинейных искажений, вносимых частотным
детектором и низкочастотным усилителем, проявляется только в изменении
соотношений между амплитудами составляющих. На рис. 19,е указаны часто-
ты спектральных составляющих, среднеквадратические значения которых
измеряются с помощью низкочастотного анализатора спектра или анализатора
гармоник. При необходимости учета нелинейных искажений более высоких
порядков измеряются составляющие выходного напряжения приемника с
суммарными частотами Ft+3F2, или 3Fl+F2,Ft+4F2, или 4Ft+F2 и т.д.
Составляющие с кратными частотами — гармоники основных частот модуляции
- не измеряются. Они не могут использоваться для определения нелинейных
искажений, вносимых приемником, так как являются результатом
суммирования с учетом фаз гармоник частотной модуляции генераторов и
гармоник, вносимых приемником. Составляющие с разностными
комбинационными частотами также не измеряются, они не могут
использоваться для расчета общепринятого нормированного критерия -
коэффициента гармоник.
С учетом погрешности установки равных девиаций частоты ЧМ
генераторов расчет коэффициента гармоник проверяемого приемника
производится про следующим формулам:
8(7,+2/	8(7
4U
_ 2(7,.
2 (7,.+
32(7
5 = 7777
(14)
Погрешность измерения допустима до 30%, близкой к этой величине она
получается при использовании анализатора спектра. При использовании
анализатора гармоник она не превышает 15-20%.
Главным преимуществом рассматриваемого косвенного метода измерения
по сравнению с классическим прямым методом является отсутствие влияния
нелинейных искажений низкочастотных генераторов и, самое главное,
нелинейных искажений частотной модуляции высокочастотных генераторе;
на
результат измерения искажений, вносимых приемником. Тем самым исклю-
чены требования к уровню нелинейных искажений частотной модуляции
генераторов источника испытательного ЧМ сигнала, реализована возможность
измерения малых нелинейных искажений приемников с использованием
54
генераторов ЧМ сигналов с большим, в том числе неизвестным уровнем
искажений. Это преимущество обусловлено тем, что нелинейные
комбинационные искажения, используемые для расчета коэффициента
гармоник приемника, возникают только в нем самом. В низкочастотных
генераторах и генераторах ЧМ сигнала источника испытательного ЧМ сигнала
возникают только нелинейные гармонические искажения - гармоники
напряжения или частотной модуляции с частотами пГ|,иГ,,и = 2.3..„ В данном
методе они не измеряются и не используются для определения коэффициента
гармоник приемника. Нелинейные комбинационные искажения, т.е.
составляющие с комбинационными частотами в низкочастотных генераторах и
в частотной модуляции высокочастотных генераторов, не возникают ,так как в
каждом из них имеется модулирующее напряжение только с одной из частот F\
и F2. В смесителе без фильтра, который в данном случае выполняет функцию
сумматора для частотной модуляции верхнего и нижнего каналов, ни
гармонических, ни комбинационных нелинейных искажений частотной
модуляции не возникает, поскольку он является резистивным элементом и
вносит нулевой фазовый сдвиг.
Источником собственных комбинационных искажений измерительного
устройства (рис. 18) К\, определяющих минимальный измеряемый уровень
комбинационных искажений проверяемого приемника ЧМ сигналов К2 - ЗК\,
являются собственные комбинационные искажения анализатора спектра или
анализатора гармоник. Например, анализатор спектра СК4-56 в диапазоне
частот 0,01 — 60 кГц имеет динамический диапазон по комбинационным
искажениям 80 дБ, т.е. уровень этих искажений = 0,01%, отсюда К2 = 0,03%.
Для практического исключения влияния собственных комбинационных
искажений анализатора спектра или анализатора гармоник в измерительное
устройство (рис. 18) введен вспомогательный заграждающий фильтр. Его
частотная характеристика показана пунктиром на рис. 19,е, он служит для по-
давления одной из основных составляющих модуляции, в данном случае — с
частотой F\. Вследствие того что составляющая с частотой Ft на вход
анализатора спектра не поступает, в нем из-за нелинейности не будут возникать
комбинационные составляющие с частотами вида Ft + nF,, не будет
выходного
В соответствии с (14) испо-
ограничиваться уровень измеряемых составляющих с такими частотами,
поступающих с выхода проверяемого приемника. Если заграждающий фильтр
подавляет составляющую с частотой F2, то не будет ограничиваться уровень
измеряемых комбинационных составляющих выходного напряжения
проверяемого приемника с частотами nFi + F2.
льзование комбинационных составляющих с частотами обоих видов одинаково
правомерно.
Косвенный метод использован для измерения коэффициента гармоник
высококачественных радиовещательных приемников ЧМ сигналов и
аналогичных им по структуре измерителей девиации частоты.
55
2.6.	Контрольные вопросы, схемы
1.	Какова форма записи колебания, в которой его частотная модуляция
представлена в явном виде?
2.	Чем параметры частотной и фазовой модуляции отличаются от ана
логичных параметров амплитудной модуляции?
3.	Какие особенности имеет спектр ЧМ колебания с гармонической моду-
ляцией и как они используются при измерениях?
4.	Как измеряется девиация частоты ЧМ колебаний с
помощью электрон-
но-счетного частотомера?
5.	Какие параметры частотной модуляции измеряются при использовании
линейного частотного детектирования ЧМ колебаний?
6.	За счет чего возникают нелинейные искажения частотной модуляции в
тракте передачи ЧМ сигнала и в приемнике ЧМ сигналов?
7.	Как определяется минимальный измеряемых коэффициент гармоник
приемника ЧМ сигналов?
8.	Привести структурную схему и спектрограммы, поясняющие косвен-
ный метод измерения коэффициента гармоник приемника ЧМ сигналов?
2.7.	Список литературы
1.	Павленко, Ю.Ф., Измерение параметров частотно - модулированных колеба-
ний / Ю.Ф.Павленко,П.А.Шпаньон. - М.:Радио и связь, 1986.С. 208.
2.	Зенькович, А.В. Измерение нелинейных искажений/А.В.Зенькович.-Горький.:
Горьковский политехнический институт, 1980.С.68-72.
3.	Автоматизация измерений
3.1.	Роль автоматизации и этапы развития ее технической базы
Развитие электроники характеризуется непрерывным повышением
технического уровня электронных средств и их все более широким внедрением
во все области не только науки и техники, но повседневной жизни. В этих
условиях роль электронных измерений существенно возрастает. Во-первых,
растет объем, т.е. число выполняемых измерений. Например, у
радиовещательного приемника в зависимости от класса измеряется от 30 до 70
параметров, причем большая часть — многократно в различных условиях. В
целом, измерения становятся все более существенной частью процесса
56
разработки, производства и эксплуатации современных машин и систем самого
различного назначения. В первую очередь это относится к регулировке,
испытаниям и контролю электронных средств в процессе их производства,
осуществляемым с помощью средств измерения и отвлекающим до 30% всех
трудовых затрат. Во-вторых, требования к средствам измерения, в первую
очередь, по погрешности измерения неуклонно повышаются. Наконец, эти
повышенные требования все шире распространяются на продукцию серийного
и массового производства. Последние
ве тенденции можно проиллю-
стрировать требованиями к уровню собственных нелинейных искажений
электрического тракта радиовещательных приемников ЧМ сигналов высшего
класса: за прошедшие 15-20 лет они возросли в 15 раз - от одного процента до
его сотых долей.
Опережающее по техническому уровню и темпам развитие электронных
измерений является необходимым условием успешного развития электроники
и, следовательно, областей ее применения. Технико-экономическая
эффективность средств электронных измерений оказывает заметное влияние на
производительность труда, в конечном итоге — на экономику страны.
Техническая эффективность средства измерения определяется его
метрологическими характеристиками, т.е. в первую очередь достоверным
обеспечением заданной погрешности измерения или минимального значения
измеряемой величины. Экономическая эффективность определяется затратами
на одно измерение и зависит от многих факторов: стоимости прибора, срока его
службы, времени измерения и времени обработки его результата, стоимости
ремонта и поверки, квалификации оператора и т.д.. Одним из путей повышения
эффективности средств электронных измерений является их автоматизация, т.е.
снижение роли оператора в процессе измерения вплоть до его исключения,
передача его функций узлам, блокам и системам автоматического управления.
Основные этапы развития технической базы автоматизации электронных
измерений таковы. Первым большим шагом вперед стало использование в
средствах измерения (первоначально частоты, временных интервалов и
напряжения) цифрового отсчета измеряемых величин. Принципы работы и
технические характеристики электронно-счетных измерителей частоты и
временных интервалов, а также цифровых вольтметров рассмотрены в разделах
«Измерение частоты и интервалов времени» и «Измерение напряжения и
мощности» соответственно
методических материалов.
первой и второй частей данного комплекса учебно-
Из принципа работы этих цифровых приборов
следует, что они обеспечивают заданную минимальную погрешность
измерения данного значения измеряемой величины только после установки
параметра, определяющего предел измерения. Например, при длительности
временного интервала Т период следования заполняющих этот интервал
импульсов т должен быть таким, чтобы число этих импульсов N = — лежало в
интервале N-, < N <	, где определяется емкостью счетчика импульсов, а Af2
- максимально допустимой величиной погрешности за счет дискретности.
57
код-напряжение или на входе сравнивающего
иапазоне
ременных параметров импульсных
амплитудно-частотные
и
последовательности операции,
входящими в средство измерения), для
Аналогично в цифровом вольтметре при заданной погрешности измерения и
достаточно простой схеме и конструкции напряжение непосредственно на
входе преобразователя
устройства изменяется только немногим более чем в 10 раз. Поэтому для
работы рассматриваемых цифровых приборов в широком
измеряемых величин были разработаны и введены в них устройства для
автоматического выбора пределов измерения. Кроме широкого применения в
качестве самостоятельных приборов электронно-счетные измерители частоты и
временных интервалов и цифровые вольтметры, иногда в несколько
упрощенном виде, служат выходными индикаторами большей части
современных автоматизированных средств измерения. Были также созданы
устройства для быстрой регистрации результатов измерения в цифровом виде.
Тем самым были исключены погрешности отсчета особенно связанные с
оператором, а сам оператор освобожден от ручной регистрации результатов
измерений. В итоге резко возросла скорость измерений, появилась возможность
накапливать большие объемы результатов измерений. Следующим важным
этапом явилось использование ЭВМ для обработки результатов измерений, в
том числе для уменьшения погрешностей измерения. Обработка результатов
измерений позволяет получить наиболее полную выходную информацию в
удобной для последующего использования форме, легко преобразовывать ее.
Например, по результатам измерения
сигналов на входе и выходе исследуемых линейных цепей можно определять
их характеристики в частотной области
фазочастотные характеристики - и, наоборот. Усреднение результатов
многократных измерений снижает влияние случайных составляющих
погрешности измерения, использование результатов калибровки при обработке
результатов измерений снижает влияние систематических составляющих
погрешности. Для дальнейшего повышения скорости измерений и управления
режимами работы средства измерения по заданной программе постепенно был
сделан переход к органам управления с электронным управлением. ЭВМ стала
использоваться для автоматического управления процессом измерения, т.е.
обеспечения требуемой последовательности операций, и (вместе с
автоматическими системами
поддержания оптимальных условий измерения при изменении параметров
объектов измерения в широких пределах. Применение интегральных схем
позволило перейти на качественно новый метод автоматизации измерений.
Сначала были созданы мини-ЭВМ
совместно со средствами измерений, а затем на базе больших интегральных
схем - микропроцессоры, непосредственно встраиваемые в измерительные
приборы. Выполняя в приборе вместе с его внутренними калибраторами и
системами автоматики функции снижения погрешностей, управления и
осуществляя обработку результатов измерения, микропроцессор придает
прибору улучшенные свойства, образно говоря, делает приборы в известной
мере «интеллектуальными».
предназначенные для использования
58
3.2.	Элементы, узлы и блоки автоматизированных приборов
Работа средств электронных измерений в автоматическом режиме обычно
осуществляется с помощью микропроцессора, а также систем управления и
автоматики. Эти системы состоят из элементов, узлов и блоков, являющихся
общими для приборов различного назначения.
Такими элементами являются переключатели и коммутаторы. Первые
обеспечивают установку необходимого режима работы, например, у генератора
иапазона частот, вида модуляции, уровня
выходного напряжения и т.д.
Коммутаторы служат для быстрых периодических переключений, например,
поочередного подключения ко входу прибора большого числа (десятков, сотен)
источников сигналов. В качестве контактных переключателей применяются
электромагнитные реле, чаще на основе магнитоуправляемых герметизирован-
ных контактов. В качестве коммутаторов используются быстродействующие
диодные и транзисторные ключи на интегральных схемах.
В автоматизированных измерительных генераторах необходимо плавно
изменять частоту сигнала. В приемниках, анализаторах спектра, измерителях
параметров модулированных колебаний необходимо изменять частоту
гетеродина и частоту настройки входных фильтров. Во всех этих случаях речь
идет об электрическом управлении резонансной частотой колебательной
системы. Для этого на частотах до 1 ГГц служат варикапы — смещенные в
обратном направлении диоды, емкость р-п перехода которых изменяется в
широких пределах при изменении напряжения смещения. На частотах выше
1ГГц применяются резонаторы из железо-итриевого граната - так называемые
ЖИГ - фильтры. Частота настройки такого фильтра определяется напря-
женностью магнитного поля и изменяется при изменении тока в катушке
подмагничивания. Генераторы и гетеродины с электронной перестройкой
частоты не обеспечивают требуемой для отдельных видов измерений высокой
стабильности частоты. Для ее получения их частота поддерживается равной
частоте опорного, обычно кварцевого, высокостабильного генератора с
помощью системы фазовой автоподстройки частоты. В автоматизированных
генераторах, наряду с частотой, необходимо устанавливать требуемый уровень
напряжения или мощности, который не должен зависеть от частоты. Для этого
используются два включенные последовательно выходные устройства —
система стабилизации опорного максимального уровня напряжения и
электрически управляемый аттенюатор. В первое устройство входит
измеритель уровня — амплитудный детектор или измеритель мощности,
выходное напряжение которого сравнивается с опорным, а их разность после
усиления служит для управления коэффициентом передачи выходного
усилителя или электрически управляемого аттенюатора. В диапазоне
радиочастот в качестве управляемых элементов аттенюатора используются
полупроводниковые резисторы, диоды и транзисторы, в СВЧ диапазоне — pin —
диоды. Ступенчатые аттенюаторы выполняются в виде Т,П или Г-образных
59
звенье
из прецизионных резисторов. Они являются наиболее точными, но
имеют
малое быстродействие, так как
переключаются с помощью
электромеханических реле.
Работа автоматизированного приемного устройства в очень широком
диапазоне частот при работе его гетеродина в одном частотном диапазоне, т.е.
без переключения поддиапазонов гетеродина, обеспечивается при
использовании так называемого стробоскопического метода преобразования
частоты. Он состоит в формировании из гармонического напряжения
гетеродина последовательности импульсов малой
(лительности, содержащей
большое число (до 1000) гармоник основной частоты. Содержащая эти
гармоники импульсная последовательность подается на смеситель для
преобразования частоты. Принцип работы системы автоматической настройки
приемного устройства на частоту сигнала, которая может быть любой в
пределах диапазона частот, следующий. Первоначально осуществляется обзор
всего диапазона частот, фиксируются уровни всех входных сигналов и
соответствующие им частоты гетеродина. Затем выбирается и устанавливается
частота гетеродина, которой соответствует максимальная амплитуда входного
сигнала. Окончательная точная настройка прибора на частоту сигнала
осуществляется с помощью системы фазовой автоподстройки частоты.
3.3	Автоматизированные измерительные приборы
Автоматизированные измерительные приборы стали основой современной
техники электронных измерений. При некотором усложнении схемы и
конструкции, вызванном автоматизацией, и соответствующем увеличении
стоимости такие приборы имеют гораздо более высокую технико-
экономическую эффективность, особенно в случае массовых измерений,
высоких требований к квалификации оператора, сложной обработки
результатов измерения.
Современные приборы являются , как правило, многофункциональными.
Полное использование функциональных возможностей приборов широкого
применения, не связанное с их существенным усложнением, - экономически
целесообразное средство сокращения числа видов приборов. Например,
вольтметр постоянного напряжения практически без изменений может служить
для измерения постоянного тока (падения напряжения, созданного этим током
на известном сопротивлении), и сопротивления постоянному току (падения
напряжения, созданного известным током на измеряемом сопротивлении).
Другой вид многофункциональных приборов, получивший в последние годы
очень широкое распространение, - специализированные приборы или
установки, предназначенные для измерений в определенных областях
применения электроники, например, в телевизионной технике, в
радиорелейных линиях связи и других. В таких комбинированных средствах
измерений электрически и конструктивно объединены несколько приборов,
использующих различные принципы измерения. За счет объединения
60
значительно сокращаются общие размеры и масса приборов, упрощается мето-
дика измерения. Автоматизация измерений делает многофункциональные при-
боры и установки еще более эффективными. Кроме того, она создает принци-
пиально новые возможности, основанные на использовании высокой скорости
измерений и быстрой обработке результатов измерений. Например, быстрая
точная установка частоты источников испытательных сигналов по заданной
программе и обработка результата измерения зависящего от частоты параметра
измеряемого объекта, позволяет измерение по точкам преобразовать в быстрое
снятие характеристики. По существу на этой основе создаются так называемые
панорамные приборы, например, измерители частотных характеристик.
Ниже кратко рассматриваются особенности построения и
основные
технические характеристики некоторых автоматизированных измерительных
приборов.
Контроль параметров высокочастотных транзисторов, фильтров,
усилителей, линий задержки и многих других линейных и близких к ним цепей
и устройств сводится к измерению их комплексных коэффициентов передачи в
рабочей полосе частот. Для проведения таких измерений в широком диапазоне
радиочастот служат комбинированные приборы, в которых объединены
фазометр и двухканальный селективный вольтметр. Они называются
измерителями разности фаз и величин напряжения двух синусоидальных
сигналов, или векторными вольтметрами, и выполняются по схеме
двухканального супергетеродинного приемника с общим гетеродином. В
приборах этой группы для расширения диапазона частот и уменьшения
погрешностей измерения применяются рассмотренные выше стробо-
скопический метод преобразования частоты, система автоматической настрой-
ки на частоту сигнала и фазовой автоподстройки
частоты. Введение ЭВМ
позволяет автоматизировать процесс измерения, расширить функциональные
возможности приборов, уменьшить погрешности измерения. Упрощенная
структурная схема автоматизированного измерителя разности фаз и величин
напряжений двух синусоидальных сигналов приведена на рис. 1.
Принцип его работы состоит в следующем. Исследуемые высокочастотные
напряжения с одной и той же частотой поступают на сигнальные входы
стробоскопических смесителей. На их гетеродинные входы с выхода
формирователя стробимпульсов попадается последовательность коротких
импульсов с большой, порядка 20 В, амплитудой. Частота следования
стробимпульсов определяется перестраиваемым по частоте генератором, при её
изменении, например, от 0,96 до 2,16 МГц, как пояснено выше, плавно
перекрывается диапазон частот от 0,96 до 1000 МГц. Для работы на более
низких частотах до 100 кГц при промежуточной частоте 20 кГц частота
перестраиваемого генератора дополнительно понижается с помощью делителей
частоты на 2,4 и 8, т.е. частота следования стробимпульсов изменяется в
пределах 0,48 — 1,08 МГц, 0,24 — 0,54 МГц, 0,12 - 0,27 МГц. С помощью
системы настройки основная частота следования перестраиваемого генератора
61
ВХОД
А I-----х-----
y_J строооско-
J пический
П смеситель
УПЧ
амплитудный
детектор
вход
формирователь
ст род -
импульсов
перестраиваешь^
генератор
система
настройки
фазовый
детектор
опорный*
кварцевый
генератор
стробоско -
пический
смеситель
УПЧ
индикаторы
ЭВМ
аналога
цифровой
преобразователь
амплитудный,
детектор
интерфейс


л
Рис. 1
или одна из ее гармоник устанавливается выше частоты входного сигнала на
промежуточную частоту. Входящие в эту систему устройства служат для
исключения ложных настроек на гармониках сигнала, гармониках
промежуточной частоты и зеркальном канале. Стробоскопические смесители
(преобразователи) охвачены глубокой отрицательной обратной связью, имеют
коэффициент передачи, близкий к единице, и обеспечивают линейное
преобразование при больших (до 1В) значениях входного сигнала. Основная
составляющая промежуточной частоты (20 кГц) отфильтровывается и
усиливается в УПЧ. В каждом канале в УПЧ входит управляемый от ЭВМ с
помощью транзисторных ключей аттенюатор на точных резисторах,
содержащий 9 ступеней по ЮдБ. Усилитель имеет переключаемую полосу
пропускания, узкая полоса устанавливается автоматически для уменьшения
влияния собственных шумов прибора при малых уровнях входного сигнала.
Последующий амплитудный детектор служит для получения постоянного
напряжения, пропорционального переменному напряжению, он имеет
динамический диапазон, немного превышающий 10 дБ. Для снижения влияния
изменения амплитуд в пределах 10 дБ на входе каждого канала фазового
детектора включены усилители — ограничители. Разность фаз преобразуется в
лительность временного интервала и далее в постоянное напряжение. Для
62
исключения влияния мертвой зоны в триггерах при разности фаз ф, близкой к
± 180°, при ф > 120° автоматически вводится в один из каналов фазовый сдвиг
180°, т.е. фазовый детектор всегда работает при ф
жение с выходов амплитудных и фазового детектора
< 120°. Постоянное напря-
преобразуется в цифровую
форму в аналого-цифровом преобразователе. Затем результаты измерения
записываются в память ЭВМ и представляются на цифровом индикаторе.
Система индикации включает в себя
ва цифровых четырехзначных табло,
клавиатуру и световые индикаторы. Все управление прибором осуществляется
с помощью ЭВМ. Интерфейс служит для
согласования ЭВМ с внешними
устройствами при использовании прибора в составе единого агрегатируемого
комплекса автоматизированных средств измерительной техники. Измеритель
разности фаз и напряжений работает в качестве приемника и передатчика
информации в режиме дистанционного управления. Основные технические
характеристики прибора таковы. Диапазон частбт 0,1 — 1000 МГц, пределы
измерения разности фаз ± 180°, разрешающая способность 0,1 - 0,2°,
погрешность измерения разности фаз при равных уровнях сигналов 0,5°, при
перепаде уровней 60 дБ 3°. Пределы измерения напряжения 30 мкВ — 1В,
основная погрешность лежит в пределах от 6 до 20%. Пределы измерения
Для автоматизированного измерения параметров четырехполюсников в
широкой полосе частот с помощью рассмотренного выше прибора, а также для
измерения электрических параметров элементов, узлов и блоков,
радиоприемных устройств различного назначения необходим автомати-
зированный источник испытательных сигналов. Им является программируемый
по всем параметрам высокочастотный генератор типа Г4-164. Он содержит
основную микро-ЭВМ, осуществляющую все управление прибором и
индикацией устанавливаемых параметров. Частота генератора устанавливается
дискретно через 100 Гц от 100 кГц до 160 МГц и через 1 кГц от 160 до 640 МГц
с погрешностью 5- 10*7. Выходной сигнал гармонический, а также с ампли-
тудной, частотной и импульсной модуляцией (АМ, ЧМ и ИМ). При АМ и ЧМ
диапазон модулирующих частот 20 Гц — 60 кГц, коэффициент модуляции до
100%, девиация частоты до 1000 кГц, погрешность установки модуляции (5 -
- 10)%, коэффициент гармоник (1 - 3)%. При ИМ длительность импульса 10 -
1000 мкс, ослабление сигнала в паузе 34-40 дБ. Пределы измерения выходного
напряжения генератора 0,03 мкВ — 2 В, погрешность установки опорного
уровня и ослабления (0,5 - 1) дБ, выходное сопротивление 50 Ом. Упрощенная
структурная схема генератора приведена на рис.2. Задающий генератор
перестраивается напряжением в диапазоне 320 — 640 МГц, в результате деления
частоты получаются частоты 14 — 320 МГц, в итоге перекрываются частоты от
14 до 640 МГц. Частоты от 100 кГц до 14 МГц формируются с помощью
преобразования частоты. Для этого на смеситель с фильтром поступает
напряжение стабилизированного гетеродина с частотой 100 МГц и напряжение
с выхода амплитудного модулятора с частотой от 100 до 114 МГц. Система
стабилизации частоты задающего генератора, содержащая делитель частоты
63
задаю-I
система
ктадилимщм
частоты
iennrn*
генератор] Iчасгпотм \мойул9тор 12
опорный
кварцевый
генератор
\ста$илизи-
4—*4 роВанный
смеситель
фильтром
система
установки
уроВнр
аттеню -
а тор
9
ВЫЛО
уароистВо
сопряжения
(интерфейс)
ЧМ
АН
источник
циЛробои
иноикато
арамегро
ю Мулируюцр!
о мапрржений
ynpafafflqee
устройство
ЗВН
управления
Hi


Ж



Рис.2
с дробным переменным коэффициентом деления и частотно-фазовый детектор,
работает
широком диапазоне частот. В задающем генераторе осуществляется
частотная модуляция. Система установки уровня поддерживает опорный
уровень и достаточно плавно - через 0,01 дБ - изменяет его в пределах 10 дБ.
Изменение уровня ступенями через 10 дБ производится с помощью выходного
аттенюатора. Цифровой индикатор параметров служит для установки частоты с
дискретностью 100 Гц или 1кГц, уровня децибелов с дискретностью 0,1 дБ или
в мВ, мкВ с дискретностью единица младшего разряда и коэффициента AM с
дискретностью 1%. Источник модулирующего напряжения имеет 8
фиксированных частот в диапазоне от 50 Гц до 10 кГц, модулирующее
напряжение контролируется с помощью аналого-цифровых преобразователей,
управляемых ЭВМ. Управляющее устройство содержит клавиатуру — набор
кнопок и датчик управления, а также преобразователь угол поворота — код.
Режим работы устанавливается клавиатурой. Изменение параметров
генератора (частоты, уровня выходного напряжения, AM и ЧМ)
производится как с помощью клавиатуры, так и вращением ручки датчика
управления. Последнее иногда более удобно и практически эквивалентно
плавной установке параметров в генераторах с ручным управлением.
Исполнительные устройства всех управляемых блоков генератора связаны с
ЭВМ отдельными шинами синхронизации и общей шиной данных. Для
64
уменьшения числа соединений применяется последовательная передача
информации. Имеется возможность запоминания и воспроизведения 9
различных комбинаций устанавливаемых параметров генератора. Источниками
информации ЭВМ для управления параметрами служит клавиатура, датчик
управления и сигналы внешнего дистанционного управления. Для согласования
ЭВМ с внешним управляющим устройством служит интерфейс. Генератор
работает только в качестве приёмника информации. Он предназначен для
использования в едином агрегатируемом комплексе автоматизированных
средств измерительной техники. Вход управления интерфейса генератора в
этом случае подключается к каналу общего пользования измерительной
системы.
3.4.	Измерительные системы
Многообразие и сложность параметров современных электронных
устройств и систем привели к тому, что их контроль с помощью отдельных
измерительных приборов занял бы недопустимо большое время. Возникла
необходимость создания автоматизированных измерительных систем, т.е.
совокупности технических средств для выделения
измерительной информации
и ее представления в удобной для использования форме. Измерительные
системы относятся к более широкому классу информационно-измерительных
систем и выделяются тем, что обычно имеют более высокие метрологические
характеристики и не используются непосредственно для управления
исследуемым объектом или процессом.
Много -
канальный
коммутатор
Регистрирую -
щее устройство
Цифровой
вольтметр с
интерфейсом
Управляющее
устройство
(контроллер)
Рис.З
Структурная схема одной из наиболее простых и широко
распространенных измерительных систем приведена на рис.З.
Основным измерительным устройством системы является цифровой
вольтметр. С помощью многоканального коммутатора на его вход поочередно
поступают для измерения напряжения от исследуемых объектов. Число каналов
может быть большим, например несколько сотен. Регистрирующее устройство
65
того или иного вида служит для представления или хранения информации о
номере канала и результате измерения. Управляющее устройство обеспечивает
необходимую последовательность операций, выполняемых
ходящими
в
систему устройствами. Параметры этих устройств выбираются в соответствии с
техническими требованиями, предъявляемыми к измерительной системе. Так
метрологические характеристики системы определяются в основном
вольтметром. Цифровой вольтметр типа В7-34, предназначенный для
использования в измерительных системах, имеет, например, следующие
технические характеристики. Он предназначен для измерения постоянного
напряжения на пределах от 0,1 до 1000 В, среднеквадратичного значения
синусоидального напряжения в диапазоне частот 20Гц — 500 кГц мгновенного
значения напряжения на пределах от 1 до 1000 В, сопротивления постоянному
току на пределах от 0,1 до 10000 кОм, отношения двух постоянных напряжений
на пределах от 0,01 до 1000 В и отношения постоянного напряжения к средне-
квадратичному значению синусоидального напряжения на пределах от 0,1 до
1000В. Погрешность измерения постоянного напряжения ± [0,02+0,01 (---1)]%
на пределе 0,1В и ±[0,015+0,002(— U -1)] % на пределах UH
= 1,10,100 и
1000В, где Ux - измеряемое значение напряжения в вольтах. Погрешность
измерения сопротивления постоянному току и других указанных выше величин
в зависимости от условий измерения лежит в пределах от 0,025 до 2,5%. Наряду
с измерением электрических величин, рассматриваемая измерительная система
при использовании соответствующих
преобразователей может служить для
измерения неэлектрических величин: давления, температуры, перемещений,
вращающих моментов и других. При этом каждой задаче соответствует свой
комплекс технических требований, предъявляемых к устройствам, входящим в
систему.
В отличие от приборов широкого применения измерительные системы
являются узкоспециальными. Они предназначаются для использования с
объектами определенного вида с конкретным набором измеряемых параметров,
пределов и погрешностей измерения. Только в этом случае и в условиях
массовых измерений обеспечивается высокая экономическая эффективность
измерительных систем. Необходимое потребителям число конкретного вида
таких систем невелико, поэтому их промышленное производство экономически
нецелесообразно. Поэтому в основу создания измерительных систем
различного назначения положен принцип агрегатирования. Он состоит в
построении систем на основе выпускаемых промышленностью приборов,
функциональных устройств и узлов, предназначенных как для
самостоятельного, так и для совместного использования. Комплекс таких
приборов и узлов должен включать в себя всю совокупность технических
средств,
необходимых
[ЛЯ
создания измерительных систем различной
сложности, с различными, в том числе предельно высокими метрологическими
характеристиками.
Кроме
того, указанные
средст
входящие в
66
требованиям к
агрегатируемый комплекс, должны отвечать требованиям по метрологической,
информационной и конструктивной совместимости. Требования по метро-
логической совместимости относятся в основном к измерительным приборам и
устройствам системы, в первую очередь необходимо, чтобы требования по
погрешности и пределам измерения , а также другим техническим харак-
теристикам были взаимно согласованы и соответствовали
системе в целом.
Например, в рассмотренной выше (рис.З) простейшей измерительной
системе для измерения постоянных напряжений в диапазоне от 100 до 500 мВ с
максимальной погрешностью 5 < 0,05 % при использовании вольтметра типа
В7-34, имеющего 8 макс < 0,035 %, необходимо, чтобы погрешность, вносимая
коммутатором (в том числе за счет нелинейности его амплитудной
характеристики, нестабильности коэффициента передачи и пролезаний от
отключенных каналов), не превышала 0,015 %.
Информационная совместимость элементов системы подразумевает
сигналов, системы кодирования,
иаграммы сигналов, величин напряжений для аналоговых и
нагрузочных сопротивлений, типов соединительных
установление единого вида и количества
временной
цифровых сигналов,
элементов и схем соединений и т.д. Конструктивная совместимость элементов
системы подразумевает возможность их объединения в единой общей
конструкции на основе нормирования вида конструкции и размеров отдельных
конструктивных элементов. Можно также говорить об энергетической
совместимости элементов системы, например, об их питании от промышленной
сети, от батарейных источников или от линии рабочего напряжения.
Совместная работа приборов , входящих в единый агрегатируемый комплекс
автоматизированных средств измерения, имеющий целью автоматизацию
электронных измерений, обеспечивается за счет введения в приборы устройств
сопряжения — интерфейсов.
К основным характеристикам интерфейсов относятся структура
информационных связей, вид передачи сигналов, способ организации передачи
данных во времени. Структура информационных связей отражает структуру
измерительной системы. Последовательному цепочечному соединению
приборов и устройств системы соответствует интерфейс каскадной структуры,
когда информационный обмен происходит от прибора к прибору и приборы
управляют друг другом. Возможна радиальная схема построения
измерительной системы, когда все приборы связанны отдельными каналами с
центральным управляющим устройством — контроллером или с общим
регистрирующим устройством. Такому случаю соответствует интерфейс
радиального типа с пространственным разделением каналов. Если центральный
контроллер или центральное устройство обработки или регистрации
измерительной информации не обладает требуемым числом каналов, то его
взаимодействие с приборами системы осуществляется через проводной канал
связи общего пользования — магистраль с последовательным во времени
поочередным адресным общением. Применение интерфейса с магистральной
67
системой обмена данными позволяет резко сократить число соединений в
системе. Способ передачи сигнале
между интерфейсами может быть
»
параллельным, когда
ля каждого сигнала используется отдельная линия
(шина), последовательным, когда все сигналы передаются в определенной
последовательности по одной линии, и комбинированным. Способы передачи
данных во времени подразделяются на синхронный и асинхронный. При
синхронной передаче данных их считывание в приемнике информации
производится в определенные промежутки времени, определяемые тактовыми
или синхронизирующими импульсами, поступающими
приемник. При выборе
периода следования синхронизирующих импульсов должна учитываться
максимальная возможная задержка сигнала в системе. При асинхронном или
старт-стопном режиме обмена обеспечивается пословная передача сообщений
от одного источника одному или нескольким приемникам. При этом данные на
шинах передачи устанавливаются только после получения сигналов готовности
к приему от всех приборов-приемников. После установки эти сигналы могут
быть изменены и пути их передачи блокированы только после получения
сообщений о завершении приема информации от всех приемников. Такой цикл
передачи каждого слова обеспечивает надежный прием данных всеми
приборами, в том числе и с самым большим временем приема.
В нашей стране был принят интерфейс магистрального типа с
параллельно-последовательной передачей данных и асинхронным режимом
обмена МЭК — 625.1. Он был разработан фирмой Хьюлет-Паккард и
рекомендован к применению сначала научно-техническим обществом США
(IEEE) и затем Международной Электротехнической Комиссией (МЭК). Он
предназначен для обеспечения взаимодействия средств измерения и другой
аппаратуры в рамках автоматизированных измерительных систем при длине
магистрали — канала общего пользования системы - до 20 метров и
подключении к ней не более 15 приборов, обменивающихся между собой
цифровой информацией при скорости передачи данных в каждой шине не более
одного мегабита в секунду.
Интерфейс обеспечивает параллельную двоичную и последовательную
побайтную (словами по 8 бит) передачу данных. Под данными в первую
очередь понимаются информационные сигналы. В измерительной системе они
содержат информацию о результате измерения, т.е. единице измерения и
численном значении, результате его обработки, номере измерительного канала,
времени измерения и других условиях измерения. К ним относятся в
рассматриваемом инте
•II»
рейсе адресные сигналы, служащие для установления
связи центрального процессора с одним из приборов, а также программные
сигналы, определяющие алгоритм работы прибора. В измерительной системе
осуществляется обмен информацией между источником и приемником под
управлением контроллера, каждый из входящих в систему приборов и
устройств может выполнять функции источника информации, приемника,
контроллера или любого их сочетания. Взаимосвязь приборов через систему
шин показана на рис.4.
68
Канал общего пользования интерфейса содержит 16 шин, по которым в
цифровом виде передаются информационные данные и управляющие сигналы.
Все их виды подразделяются на три группы: шины данных, шины управления
побайтной передачей данных, шины общего управления интерфейсом. Восемь
шин данных служат для передачи адресов и команд от контроллера к приборам,
информационных сообщений (программ, результатов измерений) между
приборами, а также сигналов состояния от приборов к контроллеру. Переда-
ча каждого байта информации по шинам данных осуществляется асинхронным
Шины
данных
(8 линий)
Прибор -
источник
(приемник)
информа-
ции
Прибор -
источник
(приемник)
информа-
ции
Прибор -
контроллер
Рис.4
Шины
общего
управления
интерфейсом
(5 линий)
Шины
управления
побайтной
передачи
данных (3
линии)
Канал
общего
пользования
образом по сигналам трех шин управления передачей данных. Первая из них
служит для передачи сигнала «данные подготовлены» от контроллера или
прибора передатчика, вторая и третья
соответственно «к приему данных не
подготовлен» и «данные не приняты» от прибора-приемника. Пять шин общего
управления предназначены для управления трансляцией потока инфор-
мационных сигналов через интерфейс. Стандартом на интерфейс жестко
регламентированы только порядок и вид сигналов сопряжения, определяющие
совокупность операций при обмене данных. Порядок и особенности работы
отдельных приборов и устройств измерительной
системы устанавливаются при
69
в интерфейсе рекомендовано
их разрядов по шинам. Для
шесть видов
иагностики
кодов и
ошибок,
ее разработке, требования интерфейса на них не распространяются. Для
использования
распределение
обусловленных влиянием внешних условий и шумов, служит проверка
четности, позволяющая при небольших затратах обнаружить только простые
ошибки — ложный бит в байтах. Сбои в нескольких разрядах при этом не
выявляются. Для обеспечения энергетической совместимости стандартов на
интерфейс установлены величины сигналов низкого (логическая единица) и
высокого (логический нуль) уровня не выходе передающей части и на входе
приемной части интерфейса, а также токи нагрузки. К каждой шине во всех
приборах подключаются также нагрузочные резисторы, внутренняя емкостная
нагрузка не должна превышать 100 пикофарад. Из конструктивных требований
оговорен только тип разъемного соединения, имеющего 24 контакта, и
распределение контактов в нем. Соединительные кабели имеют 16 сигнальных
проводов и 8 обратных, соединенных с массой. Каждый из 6 сигнальных
проводов скручен со своим обратным для уменьшения переходных помех
между проводами.
Канал общего пользования
Рис.5
На рис.5 приведена структурная схема возможного варианта измерительной
системы с интерфейсом с параллельно-последовательной передачей данных. В
ней используется программный источник испытательных сигналов, например,
аналогичный рассмотренному в предыдущем разделе, и автоматизированный
измеритель параметров исследуемого объекта. Системой управляет контроллер,
который имеет собственные периферийные устройства для ввода заданий,
70
например, клавиатуру ввода данных или перфоратор. Данные измерений могут
На рис.6 показана часть структурной схемы программы работы системы.
С началом работы системы контроллер устанавливает интерфейсы всех
приборов в определенные исходные состояния, затем все приборы переводятся
в режим дистанционного управления. Управление системы осуществляется в
основном передачей контроллером адресов и команд по заданной программе.
После задания адресов источников и приемников сообщений происходит обмен
Рис.6
71
сообщениями между ними в асинхронном режиме. После получения сообщения
об окончании передачи
себя и начинает формирование очередного адреса и команды. Одновременно
независимо может проводиться параллельный или последовательный опрос с
целью выявления контроллером состояний элементов и приборов
измерительной системы для принятия необходимых мер. Контроллеры
измерительных систем имеют ручное и автоматическое управление. Режим
ручного управления необходим
измерений и для пошагового
энных контроллер вновь принимает управление на
щя проведения разовых лабораторных
поиска ошибок системы.
режиме
автоматического управления используется неизменяемая программа
управления, введенная в постоянную электронную память, или сменные
программы. Наиболее перспективными являются программируемые
контроллеры, управляющие поведением системы на основе анализа результатов
измерений. Составление программы для измерительной системы производится
на основе общих требований к ней, таких как число измеряемых
еличин,
пределы и погрешности измерения, после выбора необходимого набора
измерительных приборов с программным управлением, вспомогательных и
регистрирующих устройств, контроллера и объединения всей системы.
Определяется логическая последовательность выполнения измерений,
обработки и регистрации их результата, для каждого вида измерений
разрабатываются соответствующие подпрограммы, производится объединение
подпрограмм в необходимой последовательности и завершение программы в
целом.
Таким образом, создание измерительных систем на базе автомати-
зированных агрегатируемых средств измерительной техники - важнейшее
направление повышения эффективности электронных измерений.
В последние годы в связи с повсеместным использованием компьютеров
стали говорить о так называемых виртуальных приборах и компьютерно-
измерительных системах. Имеется в виду совместное использование средств
измерений или комплекса средств измерений и компьютера, чаще всего
персонального. Средства измерения служат для получения представляющей
интерес исходной информации в цифровом виде. Компьютер используется для
обработки измерительной информации, ее представления в любой нужной
форме, особенно наглядно - в графической, и для управления средствами
измерения. Ничего принципиально нового в этом нет. Все эти операции
примерно с 1985 года осуществляются , например в вычислительных
анализаторах спектра, в том числе в реальном масштабе времени. В них
входное исследуемое напряжение дискретизируется по времени и квантуется по
уровню, т.е. переводится в цифровую форму. Далее с помощью ЭВМ по
алгоритму быстрого преобразования Фурье вычисляется и представляется в
графической форме его спектр. Позднее ряд вычислительных операций стал
выполняться с помощью ЭВМ в цифровых осциллографах. Использование
ЭВМ для управления началось еще раньше. В сложных средствах измерения -
эталонах, эталонных установках - для рассмотренных выше целей используют-
72
измерении,
них. Простейшие малогабаритные средства измерения
ся персональные компьютеры, они входят в состав средст
встраиваются в
например, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) конструктивно проще
встроить в персональный компьютер. С использованием АЦП и компьютера
можно определить все значения
вольтметры любого типа. Однако это должно быть технически и экономически
целесообразным.
входного напряжения
заменить
3.5.	Контрольные вопросы
1.	Как осуществляется прямой цифровой отсчет измеряемого напряжения в
цифровых вольтметрах с время-импульсным преобразованием?
2.	- Какие вычислительные операции выполняются микропроцессором
электронно-счетного измерителя частоты типа 43-68 при измерении частоты в
диапазоне 0,1 - 12 ГГц?
3.	Как осуществляется электронное управление резонансной частотой
колебательных систем?
4.	Как практически без изменения схемы прибора могут быть расширены
измерительные функции вольтметра постоянного напряжения?
5.	Какие виды совместимости приборов являются наиболее важными при
их объединении в измерительную систему?
6.	Какие функции выполняет в измерительной системе ЭВМ?
7.	Каковы основные особенности интерфейса МЭК 625.1?
3.6.	Список литературы
1.	Дворяшин, Б.В. Метрология и радиоизмерения / Б.В.Дворяшин.-
М.:Академия, 2005.С 282-290.
2.	Кукуш,В.Д. Электрорадиоизмерения/В.Д.Кукуш. - М.:Радио и связь, 1985.С.
344-360.