Celkové harmonické zkreslení (THD). Nelineární činitel zkreslení (THD, THD), činitel harmonického zkreslení (THD, Kg, THDr) - různé přístupy k určení činitele nelineárního zkreslení zesilovače

Z kurzů KGJ a TPP víme, že elektrické obvody se dělí na lineární, nelineární a parametrické. Poslední dva typy obvodů se liší od lineárních obvodů tím, že mohou vytvářet nové harmonické složky ve spektru odezvy oproti spektru vstupního signálu.

Nelineární transformace signálu může být žádoucí a užitečná (například při detekci), nebo může být škodlivá, průvodní (například u zesilovačů). V tomto případě, kdy se tento jev nepoužívá v zařízení obsahujícím tento obvod, je vysoce nežádoucí, protože často vytváří škodlivé vedlejší účinky. Proto se tvar vlny na výstupu těchto zařízení bude lišit od tvaru vlny na jejich vstupu. Změna tvaru vlny se nazývá nelineární zkreslení.

Důvodem nelineárního zkreslení je, že když je na vstup přiveden harmonický signál s frekvencí f, objeví se na výstupu signál, který obsahuje konstantní složku, základní frekvenci a vyšší harmonické s frekvencemi 2f, 3f, 4f. , atd. Amplitudy vyšších harmonických s rostoucími čísly rychle klesají. Druhá a třetí harmonická jsou obvykle dominantní.

Zdrojem nelineárních zkreslení jsou obvodové prvky, ve kterých proud není úměrný přiváděnému napětí, tzn. mající nelineární charakteristiku proud-napětí. Jsou to zpravidla elektronky, tranzistory, diody, cívky s feromagnetickými jádry.

Potřeba měření nelineárních zkreslení je spojena se studiem parametrů zesilovačů a generátorů sinusových kmitů.

Nelineární zkreslení je komplexní jev, který závisí na mnoha parametrech: složení elektrického obvodu, jeho amplitudově-frekvenční charakteristika, tvar signálu, jeho amplituda atd. S nárůstem amplitudy narůstá nelineární zkreslení. Obvykle s rostoucí frekvencí roste i harmonické zkreslení v zesilovači.

Nelineární zkreslení se odhaduje pomocí harmonického koeficientu K G , stejně jako koeficient nelineárního zkreslení K N .

Harmonický koeficient K G je definován jako poměr střední (efektivní) hodnoty napětí součtu všech harmonických signálu, kromě první, ke střední (efektivní) hodnotě napětí první harmonické podle vzorce ( 34):

kde U1, U2, U3 , … Un jsou střední kvadratické hodnoty napětí jednotlivých harmonických výstupního signálu.

Koeficient KG charakterizuje rozdíl mezi tvarem daného periodického signálu a harmonického.

Je snadné vidět, že při absenci vyšších harmonických ve výstupním signálu, K G = 0, tj. sinusový signál ze vstupu na výstup je přenášen bez zkreslení.

Koeficient nelineárního zkreslení Kn je definován jako poměr střední (efektivní) hodnoty napětí vyšších harmonických ke střední (efektivní) hodnotě celého signálu podle vzorce ( 35):

Nejběžnější metody měření jedné frekvence jsou:

1. Základní harmonická metoda potlačení.

2. Metoda analýzy napětí.

Měření harmonického zkreslení metodou potlačení základní harmonické

V souladu se vzorcem pro stanovení koeficientu nelineárního zkreslení je nutné měřit efektivní hodnotu zkoumaného signálu a efektivní hodnotu vyšších harmonických složek.

Existují speciální přístroje, které měří koeficient nelineárního zkreslení, nazývané měřiče nelineárního zkreslení.

Zjednodušené blokové schéma analogového měřiče harmonického zkreslení je znázorněno na obrázku 1.

Obrázek 1 - Zjednodušené blokové schéma analogového měřiče harmonického zkreslení

Schéma drnového zařízeníObsahuje vstupní zařízení, laditelný notch filtr a kvadratický útlumový voltmetr.

Princip činnosti zařízení je založen na samostatném měření efektivní hodnoty napětí studovaného signálu a efektivní hodnoty napětí vyšších harmonických téhož signálu.

Vstupní zařízení poskytuje požadovanou hodnotu vstupního odporu a slouží k přizpůsobení měřicího zařízení ke zdroji zkoumaného signálu.

Notch filtr by měl mít ideálně nekonečně velký útlum na frekvenci první (základní) harmonické a nulový útlum na vyšších harmonických frekvencích. Typicky je zářezový filtr implementován pomocí obvodu Wien můstku sestávajícího z rezistorů a kondenzátorů (viz obrázek 2).

Měření harmonického zkreslení pomocí analýzy napětí

Měření nelineárních zkreslení metodou napěťové analýzy (pro jednotlivé harmonické) se provádí pomocí selektivního hladinoměru (IMU).

Obvod pro měření harmonického koeficientu pomocí IMU je znázorněn na obrázku 3 a skládá se z generátoru, dolnopropustného filtru, studované čtyřsvorkové sítě, IMU.

Obrázek 3 - Měření harmonického zkreslení analýzou napětí

IMU je napojena na výstup studovaného objektu. S jednofrekvenčním sinusovým signálem pro řízení napětí jakékoli frekvence, která se v něm objevila v důsledku nelineárního zkreslení. Zároveň je IMU sekvenčně laděn na první, druhou, třetí harmonickou (a případně i na vyšší), jejichž napětí (úroveň) je potřeba řídit. Úrovně všech harmonických studovaného signálu jsou tedy měřeny samostatně a je zjištěn útlum nelinearity pro každou z nich, přičemž se bere rozdíl mezi úrovní první harmonické a každou z řízených frekvencí:

A Kn \u003d L 1 - L n

V některých případech je při opravách rádiových elektronických zařízení nutné vypočítat harmonický koeficient. Tuto charakteristiku lze měřit a vyhodnocovat pomocí relativně jednoduchých matematických výpočtů. Procesy měření a často používané vzorce jsou popsány v naší recenzi aplikace. Může vám pomoci, pokud chcete nainstalovat další zařízení do mediálního systému automobilu. K tomu budete určitě potřebovat harmonický koeficient zesilovače.

Zvažte tento parametr, pokud se hodláte připojit k systému sluchátek. Moderní rádia umožňují jejich integraci přes Bluetooth. Měřič pomůže vyhodnotit práci.

Vyhodnocení nelineární interference - co to je, pořadí výpočtu a měření

Celkové harmonické zkreslení (THD) je matematický nástroj, „konvoluce“, která kvantifikuje nežádoucí změny v signálu. Zkreslení je zase charakteristika, která popisuje nesoulad mezi signálem popsaným teoretickým nebo ideálním systémem a reálnými podmínkami. THD se také používá k posouzení kvality kabeláže, vlastností připojených zařízení, která společně vytvářejí rušení.

Hlavním úkolem při montáži je minimalizovat parametr lineárního šumu. Není možné dosáhnout ideálních parametrů, ale můžete se k nim přiblížit a poskytnout buď stabilní napětí, nebo čistý a krásný zvuk, v závislosti na úkolech. To je realizováno při připojení zesilovačů, jejichž hlavní podmínkou je nutnost snížení rušení.

Abychom pochopili, o co se v souhrnu jedná, stojí za to zmínit možné typy změn:

• nelineární;
• fáze;
• frekvence;
• dynamický;
• přejít;
• intermodulace;
• okraj.

Některé z výše uvedených jsou komplexní charakteristiky, které lze společně odhadnout pomocí stejného parametru nelineárního šumu. Ve skutečnosti je tato charakteristika univerzální pro všechny radioelektronické a elektrické systémy a sítě. Pomocí navržené techniky budete schopni odhadnout harmonický koeficient napětí.

Základní vzorce

SOI je neměřitelná veličina. Je to poměr RMS součtu spektrálních charakteristik výstupního signálu, které ve vstupním spektru chybí, a RMS součtu všech složek spektra vstupního signálu (první harmonická složka). Jednoduše řečeno, parametr vyhodnocuje poměr spektrálního šumu, který se objevil ve výstupním signálu, ale chybí ve vstupním signálu, k celému spektru. Čím méně rušení, tím méně bude SOI.

Pokud je v technické dokumentaci uvedeno THD, můžete vyhodnotit kvalitu a povahu montáže zařízení. Charakteristiku lze také měřit, umožní odhadnout míru rušení v vyhodnocovaném systému. Jinými slovy, je možné přesně určit ovlivňující interferenci.

Všimněte si, že spolu se SOI se také používá další odhadovaný parametr harmonického zkreslení (THD). Často se také označuje jako harmonický poměr, protože je vyjádřen jako poměr střední kvadratické hodnoty součtu vyšších harmonických signálu, s výjimkou první, k napětí první harmonické. harmonické se sinusovým efektem. Jinými slovy se vyhodnocují signální skoky.

Obratem je zde charakteristika, která procentuálně hodnotí „propojenost“ SOI s CHI a jejich poměr. Je třeba poznamenat, že pro malé interference jsou prakticky stejné, ale pomáhají vyhodnotit silnější interference a jejich povahu.

Výpočet THD a THD

Měření harmonického zkreslení je založeno na skutečnosti, že k získání charakteristiky lze použít experimentální a odhadovaná data. U mnoha systémů je lze odhadnout analyticky, protože jsou známy počáteční a konečné podmínky. Mnoho začínajících radioamatérů může namítat nebo být překvapeni, ale je to tak. SOI a THD jsou stanoveny jako charakteristika v době návrhu jakéhokoli obvodu zařízení. To znamená, že interference je implikována jak řešením, tak použitými součástmi.

Například:

• pro čtvercovou vlnu nebo symetrickou čtvercovou vlnu se THD rovná 48,3 %;

• pilový signál blízký ideálu má THD 80,3 %;

• symetrický trojúhelníkový - 12,1 %.

V souladu s tím jsou rozdíly od těchto hodnot nenormativní a jsou hodnoceny jako aktuální interference, které je třeba odstranit.

Pro usnadnění výpočtů je zde ještě jeden parametr μ , který charakterizuje asymetrický obdélníkový pulzní signál s poměrem trvání pulzu k periodě:

THD dosahuje minima 0,483 při μ=0,5 a signál se blíží sinusové obdélníkové vlně. Podle tohoto principu se filtrací nejen mění typy signálů, ale také se eliminují nežádoucí změny, což je důležité zejména u zesilovacích a audio zařízení.

Vyhodnocení SOI a THD umožňuje vyhodnotit čistotu spektra signálu jakéhokoli zařízení, včetně zesilovačů, FPGA, mikrokontrolérů, sluchátek a headsetů. THD umožňuje ovládat algoritmy mnoha elektronických a digitálních komponentů, které přenášejí analogové signály.

Vyhodnocení se provádí pomocí digitálních osciloskopů. Před použitím se vyhodnotí výpočtem THD ze spektra a na měřidle se získají data pro určení jeho vhodnosti pro experimenty.

Doma to lze provést dvěma způsoby pomocí nepřímých měřičů:

• přiveďte výstupní napětí a škálované vstupní napětí na odčítačku a vyhodnoťte je na osciloskopu, včetně šumu a snímání proudu;
• použijte laditelný rezonanční zesilovač a vyberte požadovanou oblast pro vyhodnocení.

První možnost je jednodušší, ale souvisí spíše s heuristickým hodnocením. Ale nejlepší měřič harmonických koeficientů je digitální osciloskop připojený k počítači, který udává konečnou hodnotu parametrů proudu a napětí včetně odhadu nejvyšších harmonických vrcholů v číselné podobě.

Pokud je na vstup zesilovače přivedeno sinusové napětí, pak zesílené napětí na výstupu nebude sinusové, ale složitější. Skládá se z řady jednoduchých sinusových kmitů - základní a vyšší harmonické. Zesilovač tedy přidává další harmonické, které nebyly přítomny na vstupu zesilovače.

Obr.2 - Nelineární zkreslení

Obrázek 2 ukazuje sinusové napětí na vstupu zesilovače Uin a zkreslené nesinusové napětí na výstupu Uout. V tomto případě zesilovač zavádí druhou harmonickou. Na grafu napětí Uout je přerušovanou čarou znázorněna užitečná první harmonická (základní kmitání), která má stejnou frekvenci jako vstupní napětí, a škodlivá druhá harmonická s dvojnásobnou frekvencí. Výstupní napětí je součtem těchto dvou harmonických.
Zkreslení ve tvaru zesílených vibrací, tzn. přidání nadbytečných harmonických k základnímu tvaru vlny se nazývá nelineární zkreslení. Projevují se tím, že zvuk se stává chraplavým, chrastivým. Pro posouzení nelineárního zkreslení se používá koeficient nelineárního zkreslení kH, který ukazuje, jaké procento všech nepotřebných harmonických vytvořených samotným zesilovačem ve vztahu k základnímu kmitu 1
Je-li kn menší než 5 %, tj. jestliže harmonické přidané zesilovačem tvoří ne více než 5 % první harmonické, pak ucho zkreslení nezaznamená. Při nelineárním faktoru zkreslení větším než 10 % již chrapot a chrastění kazí dojem z uměleckých přenosů. Nad 20 % kH je zkreslení nepřijatelné a dokonce i řeč se stává nesrozumitelnou.
K nelineárním zkreslením dochází také tehdy, když se při přenosu řeči a hudby zesilují vibrace složitého tvaru. V tomto případě je také zkreslen tvar zesílených kmitů a jsou přidány extra harmonické. Komplexní oscilace jsou samy o sobě tvořeny harmonickými, které musí zesilovač správně reprodukovat. Neměly by být zaměňovány s dodatečnými harmonickými, které vytváří samotný zesilovač. Harmonické složky vstupního napětí jsou užitečné, protože určují barvu zvuku, a harmonické složky zavedené zesilovačem jsou škodlivé. Vytvářejí nelineární zkreslení.
Příčiny nelineárního zkreslení v zesilovačích jsou: nelinearita charakteristik výbojek a tranzistorů, přítomnost proudu řídicí mřížky ve výbojkách a magnetické sycení jader transformátorů nebo nízkofrekvenčních tlumivek. Výrazná nelineární zkreslení vznikají také v reproduktorech, telefonech, mikrofonech, snímačích.
3. Jiné typy zkreslení. Přítomnost reaktivních odporů v zesilovacím zařízení vede ke vzniku fázových zkreslení. Fázové posuny mezi různými oscilacemi na výstupu zesilovače nejsou stejné jako na vstupu. Při přehrávání zvuků tato zkreslení nehrají roli, protože je lidský sluch necítí, ale v některých případech, například v televizi, působí škodlivě.
Každý zesilovač vytváří zkreslení dynamického rozsahu. Je komprimovaný, t.j. poměr nejsilnějšího kmitání k nejslabšímu na výstupu zesilovače je menší než na vstupu. To ničí přirozený zvuk. Aby se omezilo takové zkreslení, je někdy zavedeno speciální zařízení pro rozšíření dynamického rozsahu, nazývané expandér. Ke kompresi dynamického rozsahu dochází také v elektroakustických zařízeních.

Hlavní parametry zesilovačů

Jakýkoli zesilovač určený pro zpracování biomedicínských signálů lze reprezentovat jako aktivní čtyřpól (obr. 1.1). Na vstup zesilovače je připojen zdroj signálu s EMF Eux a vnitřním odporem Ri. Vstupním obvodem protéká vstupní proud Iin, jehož hodnota závisí na vstupním odporu zesilovače Rin a vnitřním odporu zdroje signálu. V důsledku poklesu napětí na vnitřním odporu zdroje signálu se vstupní napětí, které je ve skutečnosti zesíleno zesilovačem, liší od EMF zdroje signálu:

Obrázek 1.1 - Ekvivalentní zapojení zesilovače

Výstupní proud zesilovače je zatěžovací proud Rn. Hodnota tohoto proudu závisí na výstupním napětí, které se liší od napětí naprázdno kUin v důsledku výstupního odporu zesilovače

Pro hodnocení vlastností zesilovače je zavedena řada parametrů.
- Napěťové a proudové zisky

Tyto koeficienty ukazují, kolikrát se změní hodnoty napětí a proudu na výstupu ve srovnání se vstupními hodnotami. Výkonový zisk lze nalézt jako

Jakýkoli zesilovač má K P >>1, zatímco proudové a napěťové zisky mohou být menší než jedna. Pokud však současně K I<1 и K U <1, устройство не может считаться усилителем.
Je třeba poznamenat, že většina zesilovacích obvodů obsahuje reaktivní prvky (kapacity a indukčnosti), takže v obecném případě bude zesílení zesilovače složité.

Kde úhel určuje velikost fázového posunu signálu při jeho přechodu ze vstupu na výstup.
Amplitudo-frekvenční charakteristika (AFC) zesilovače určuje závislost zesílení na frekvenci zesíleného signálu. Přibližný pohled na frekvenční charakteristiku zesilovače je na obr. 1.2. Pro zesílení K 0 vezměte maximální hodnotu koeficientu při tzv. "průměrné" frekvenci. Dva charakteristické body frekvenční charakteristiky definují koncept "šířky pásma" zesilovače. Frekvence, při kterých se zisk sníží o faktor 3 (nebo o 3 dB), se nazývají mezní frekvence. Na Obr. 1,2 f 1 je dolní mezní kmitočet f H a f 2 je horní mezní kmitočet zesílení (f B). Rozdíl:

F \u003d f B - f N

nazývaná šířka pásma zesilovače, která určuje pracovní frekvenční rozsah zesilovače.
Obecně frekvenční charakteristika ukazuje, jak se mění amplituda výstupního signálu s konstantní amplitudou vstupního signálu ve frekvenčním rozsahu, přičemž se předpokládá, že se tvar vlny nemění. Pro odhad změny zesílení se změnou frekvence je zaveden koncept frekvenčního zkreslení

M H \u003d M B \u003d. Frekvenční zkreslení jsou klasifikována jako lineární, tzn. jehož vzhled nevede ke zkreslení tvaru původního signálu.
Podle typu frekvenční charakteristiky lze zesilovače rozdělit do několika tříd.
DC zesilovače: f H \u003d 0 Hz, f B \u003d (103 3 - 108 8) Hz;
Audiofrekvenční zesilovače: f H \u003d 20 Hz, f B \u003d (15 - 20) 10 Hz;
Vysokofrekvenční zesilovače: f H \u003d 20 * 103 Hz, f B \u003d (200 - 300) 103 3 Hz.
Úzkopásmové (selektivní) zesilovače. Jejich charakteristickým rysem je, že prakticky zesilují jednu harmonickou z celého frekvenčního spektra signálu a jejich poměr horní a dolní mezní frekvence je:

Obrázek 1. 2- Frekvenční charakteristika zesilovače

Amplitudová charakteristika zesilovače odráží vlastnosti změny velikosti výstupního signálu při změně vstupu. Jak je patrné z Obr. 1.3 výstupní napětí se nerovná nule (UOUT min) při absenci vstupního napětí. To je způsobeno vnitřním šumem zesilovače, kvůli kterému je minimální hodnota vstupního napětí, které lze přivést na vstup zesilovače, omezena a určuje jeho citlivost:

Výrazné zvýšení vstupního napětí (bod 3) vede k tomu, že amplitudová charakteristika se stane nelineární a další nárůst výstupního napětí se zastaví (bod 5). To je způsobeno saturací stupňů zesilovače. Za přijatelnou hodnotu vstupního napětí se považuje, při které výstupní napětí nepřekročí UOUTmax, který se, jak je patrné z obr. 1.3, nachází na hranici lineárního úseku amplitudové charakteristiky. Amplitudová charakteristika určuje dynamický rozsah zesilovače:

Někdy se pro větší pohodlí dynamický rozsah vypočítává v decibelech jako:

Obrázek 1. 3 - Amplitudová charakteristika zesilovače

Faktor harmonického zkreslení (harmonické zkreslení) zesilovače určuje, jak moc je tvar vlny sinusového průběhu zkreslený během zesílení. Zkreslení signálu znamená, že spolu se základní (první) harmonickou se v jeho spektru objevují harmonické vyšších řádů. Na základě toho lze koeficient nelineárního zkreslení nalézt jako:

kde U i je harmonické napětí s číslem i>1. Je snadné vidět, že při absenci vyšších harmonických ve výstupním signálu je K G = 0, tzn. sinusový signál ze vstupu na výstup je přenášen bez zkreslení. Vstupní a výstupní impedance má poměrně hmatatelný vliv na výkon zesilovače. Při zesilování měnící se signály nebo signály s proměnným odporem lze nalézt jako:

U stejnosměrného proudu lze tyto parametry určit pomocí zjednodušených vzorců

Při určování vstupních a výstupních odporů je třeba pamatovat na to, že v některých případech mohou být složité kvůli reaktivním prvkům obvodu. V tomto případě může dojít k výraznému frekvenčnímu zkreslení signálu, zejména v oblasti vysokých frekvencí. Buněčné posílení: zesilovač buněčného signálu gsm.

Zvažte hlavní charakteristiky zesilovačů.

Amplitudová charakteristika je závislost amplitudy výstupního napětí (proudu) na amplitudě vstupního napětí (proudu) (obr. 9.2). Bod 1 odpovídá šumovému napětí naměřenému při Vin=0, bod 2 odpovídá minimálnímu vstupnímu napětí, při kterém lze rozlišit signál na výstupu zesilovače na pozadí šumu. Segment 2–3 je pracovní oblast, kde je zachována proporcionalita mezi vstupním a výstupním napětím zesilovače. Po bodu 3 jsou pozorovány nelineární zkreslení vstupního signálu. Míra nelineárního zkreslení se odhaduje koeficientem nelineární

zkreslení (nebo harmonické):

,

kde U1m, U2m, U3m, Unm jsou amplitudy 1. (základní), 2., 3. a n-té harmonické výstupního napětí.

Hodnota charakterizuje dynamický rozsah zesilovače.

Rýže. 9.2. Amplitudová odezva zesilovače

Amplitudo-frekvenční charakteristika (AFC) zesilovače je závislost modulu zesílení na frekvenci (obr. 9.3). Frekvence fн a fв se nazývají dolní a horní hraniční frekvence a jejich rozdíl

(fн–fв) – šířka pásma zesilovače.

Rýže. 9.3. Frekvenční odezva zesilovače

Při zesílení harmonického signálu o dostatečně malé amplitudě nedochází ke zkreslení tvaru zesíleného signálu. Při zesilování komplexního vstupního signálu obsahujícího řadu harmonických nejsou tyto harmonické zesilovačem zesilovány rovnoměrně, protože reaktance obvodu závisí na frekvenci různě a v důsledku to vede ke zkreslení zesíleného signálu.

Taková zkreslení se nazývají frekvenční zkreslení a jsou charakterizována faktorem frekvenčního zkreslení:

Kde Kf je modul zesílení při dané frekvenci.

Koeficienty frekvenčního zkreslení

A nazývají se koeficienty zkreslení na spodní a horní hraniční frekvenci.

Frekvenční odezvu lze také vykreslit na logaritmické stupnici. V tomto případě se nazývá LACHH (obr. 9.4), zesílení zesilovače je vyjádřeno v decibelech a frekvence jsou vyneseny na ose x v dekádě (frekvenční interval mezi 10f a f).

Rýže. 9.4. Logaritmická frekvenční odezva

zesilovač (LACH)

Obvykle se jako referenční body volí frekvence odpovídající f=10n. Křivky LAFC mají v každé frekvenční oblasti určitý sklon. Měří se v decibelech za desetiletí.

Fázově-frekvenční charakteristika (PFC) zesilovače je závislost fázového úhlu mezi vstupním a výstupním napětím na frekvenci. Typická fázová odezva je znázorněna na Obr. 9.5. Lze jej také vykreslit na logaritmické stupnici.

V oblasti střední frekvence jsou dodatečné fázové zkreslení minimální. PFC umožňuje vyhodnotit fázová zkreslení, ke kterým dochází v zesilovačích ze stejných důvodů jako u frekvenčních.

Rýže. 9.5. Fázově-frekvenční odezva (PFC) zesilovače

Příklad výskytu fázových zkreslení je na Obr. 9.6, který ukazuje zesílení vstupního signálu sestávajícího ze dvou harmonických (tečkovaná čára), u kterých dochází při zesílení k fázovým posunům.

Rýže. 9.6. Fázové zkreslení v zesilovači

Přechodová odezva zesilovače je závislost výstupního signálu (proud, napětí) na čase s náhlou vstupní akcí (obr. 9.7). Frekvenční, fázové a přechodové charakteristiky zesilovače spolu jednoznačně souvisí.

Rýže. 9.7. Kroková odezva zesilovače

Oblast vysokých frekvencí odpovídá přechodové odezvě v oblasti krátkých časů, oblast nízkých frekvencí odpovídá přechodové odezvě v oblasti dlouhých časů.

Podle povahy zesílených signálů existují:

o Zesilovače spojitého signálu. Zde jsou procesy zakládání opomíjeny. Hlavní charakteristikou je frekvenční přenos.

o Zesilovače impulsních signálů. Vstupní signál se mění tak rychle, že přechodové jevy v zesilovači jsou rozhodující pro nalezení výstupního tvaru vlny. Hlavní charakteristikou je přenosová charakteristika zesilovače.

Podle účelu se zesilovač dělí na:

o zesilovače napětí,

o proudové zesilovače,

o výkonové zesilovače.

Všechny zesilují výkon vstupního signálu. Samotné výkonové zesilovače však musí a jsou schopny dodat stanovený výkon do zátěže s vysokou účinností.

1. Zkompilujte fragmenty programu v mnemokódech a strojových kódech pro následující operace:

vstupní signál, na efektivní součet všech spektrálních složek vstupního signálu

SOI je bezrozměrná veličina a obvykle se vyjadřuje v procentech. Kromě SOI se úroveň nelineárního zkreslení často vyjadřuje v termínech harmonický činitel zkreslení(CHI nebo KG) - hodnota, která vyjadřuje míru nelineárního zkreslení zařízení (zesilovače apod.) a je rovna poměru střední kvadratické hodnoty součtu vyšších harmonických signálu, kromě tzv. nejprve na napětí první harmonické, když je na vstup zařízení přiveden sinusový signál.

KGI, stejně jako KNI, je vyjádřen v procentech a je s ním spojen poměrem

Je zřejmé, že pro malé hodnoty THD a SOI se v první aproximaci shodují. Zajímavé je, že v západní literatuře se obvykle používá CHD, zatímco v ruské literatuře se tradičně preferuje SOI.

Je také důležité poznamenat, že SOI a KGI jsou pouze kvantitativní míry zkreslení ale ne kvalitní. Například hodnota THD (THD) 3 % nevypovídá nic o charakteru zkreslení, tzn. o tom, jak jsou harmonické rozloženy ve spektru signálu a jaký je například příspěvek nízkofrekvenčních nebo vysokofrekvenčních složek. Ve spektrech elektronkového UMZCH tedy obvykle převládají nižší harmonické, což je sluchem často vnímáno jako „teplý trubkový zvuk“ a v tranzistorovém UMZCH je zkreslení rovnoměrněji rozloženo ve spektru a je plošší, což je často vnímáno. jako „typický tranzistorový zvuk“ (ačkoli tento spor do značné míry závisí na osobních pocitech a zvycích člověka).

Příklady výpočtu CHI

Pro mnoho standardních signálů lze THD vypočítat analyticky. Takže pro symetrický obdélníkový signál (meandr)

Ideální pilový signál má THD

a symetrický trojúhelníkový

Asymetrický obdélníkový pulzní signál s poměrem trvání pulzu k periodě rovným μ má CHI

která dosahuje minima (≈0,483) při μ =0,5, tzn. kdy se signál stane symetrickým meandrem. Mimochodem, filtrací lze dosáhnout výrazného snížení THD těchto signálů a získat tak signály blízké tvaru sinusovému. Například symetrický obdélníkový signál (meandr) s počáteční THD 48,3 % má po průchodu Butterworthovým filtrem druhého řádu (s mezní frekvencí rovnou frekvenci základní harmonické) THD 5,3 %, a pokud filtr čtvrtého řádu - pak THD = 0,6 % . Je třeba si uvědomit, že čím složitější je signál na vstupu filtru a čím složitější je samotný filtr (přesněji jeho přenosová funkce), tím budou výpočty THD těžkopádnější a zdlouhavější. Takže standardní pilový signál, který prošel Butterworthovým filtrem prvního řádu, má THD již ne 80,3 %, ale 37,0 %, což je přesně dáno následujícím výrazem

A THD stejného signálu, který prošel stejným filtrem, ale druhého řádu, už bude dán poněkud těžkopádným vzorcem

Pokud vezmeme v úvahu výše zmíněný asymetrický obdélníkový pulzní signál, který prošel Butterworthovým filtrem p tedy pořadí

kde 0<μ <1 и

podrobnosti o výpočtech viz Yaroslav Blagushin a Eric Moreau.

Měření

• V nízkofrekvenčním (LF) rozsahu se k měření THD používají měřiče nelineárního zkreslení (měřiče harmonických koeficientů).
• Na vyšších frekvencích (MF, HF) se používají nepřímá měření pomocí spektrálních analyzátorů nebo selektivních voltmetrů.

Typické hodnoty THD a THD

Níže jsou uvedeny některé typické hodnoty pro THD a v závorkách pro THD.

viz také

Napište recenzi na článek "Faktor nelineárního zkreslení"

Literatura, odkazy, poznámky

• Příručka elektronických zařízení: Ve 2 svazcích; Ed. D. P. Linde - M .: Energie,
• Gorochov P.K. Výkladový slovník radioelektroniky. Základní pojmy- M: Rus. lang.,

Další odkazy

Výňatek charakterizující THD

Ach andělé!!! Podívej, mami, andělé! – nečekaně zaskřípal poblíž něčího tenkého hlásku.
Pořád jsem se nemohl vzpamatovat z nezvyklého „úletu“ a Stella už něco sladce cvrlikala malé kulaté holčičce.
– A pokud nejste andělé, tak proč tak jiskříte?... – upřímně překvapená, zeptala se holčička a hned zase nadšeně vyjekla: – Ach, ma-a-amochki! Jaký je to hezký muž!
Teprve tehdy jsme si všimli, že poslední "dílo" Stelly - jejího nejzábavnějšího červeného "draka" - se u nás "nepovedlo"...

Světlana ve věku 10 let

"Je... co je?" “ zeptala se holčička s dechem. - Můžu si s ním hrát? .. On se neurazí?
Maminka ji zřejmě psychicky silně narovnala, protože dívka byla najednou velmi rozrušená. V teplých hnědých očích se hrnuly slzy a bylo jasné, že ještě trochu - a potečou jako řeka.
- Jen neplač! zeptala se rychle Stella. "Chceš, abych pro tebe udělal to samé?"
Dívčin obličej se okamžitě rozzářil. Chytila ​​matku za ruku a radostně zakřičela:
"Slyšíš, mami, neudělal jsem nic špatného a oni se na mě vůbec nezlobí!" Můžu si taky jeden dát?... Opravdu budu moc dobrý! Moc, moc ti to slibuji!
Maminka se na ni podívala smutnýma očima a snažila se rozhodnout, jak správně odpovědět. A dívka se najednou zeptala:
"Viděl jsi mého tátu, milé zářivé dívky?" Zmizel s mým bratrem...
Stella se na mě tázavě podívala. A už dopředu jsem věděl, co teď nabídne...
"Chceš, abychom je snědli?" – jak jsem si myslel, zeptala se.
- Už jsme hledali, jsme tu dlouho. Ale nejsou. Žena odpověděla velmi klidně.
"A budeme vypadat jinak," usmála se Stella. "Jen na ně pomysli, abychom je viděli, a najdeme je."
Dívka legračně zavřela oči, zřejmě se velmi snažila v duchu vytvořit obrázek svého otce. Už je to pár sekund...
"Mami, jak to, že si ho nepamatuju?" byla překvapená holčička.
Slyšel jsem to poprvé a ke svému překvapení jsem si ve Stelliných velkých očích uvědomil, že je to pro ni také něco úplně nového...
- Jak to - nepamatuji si? matka nechápala.
- No, koukám, koukám a nevzpomínám si... Jak to, že ho moc miluji? Možná už opravdu neexistuje?
- Promiňte, vidíte ho? zeptal jsem se opatrně své matky.
Žena sebevědomě přikývla, ale najednou se něco v její tváři změnilo a bylo jasné, že je velmi zmatená.
– Ne... nepamatuji si ho... Je to možné? – řekla už skoro vyděšeně.
- A tvůj syn? Můžeš si vzpomenout? Nebo bratr? Vzpomeneš si na svého bratra? zeptala se Stella a oslovila oba najednou.
Matka a dcera zavrtěly hlavou.
Obvykle taková veselá Stellina tvář vypadala velmi zaujatě, pravděpodobně nechápala, co se tady děje. Doslova jsem cítil intenzivní práci jejího bydlení a tak neobvyklý mozek.

K provedení této analýzy je zapotřebí následující:

1. Změňte zdroj vstupního signálu AC Voltage na Pulse Voltage a nastavte parametry zobrazené na obrázku.

2. V samotné analýze by mělo být stanoveno následující:

Rýže. jedenáct

Po analýze výsledného grafu odhadneme zkreslení impulsu:

1) Přední přepětí f ~ 1 V, nepřesahuje 4% U nom a je dobrým ukazatelem kvality tohoto zesilovače.

2) Rychlost přeběhu výstupního napětí U~ 2 V/µs a doba náběhu

t Ф ~ 10 μs, což je dohromady dobrým ukazatelem kvality náběhu výstupního signálu v tomto zesilovači.

3) Zesilovač má také dobré charakteristiky odtokové hrany pulsu, které jsou podobné charakteristikám náběžné hrany.

Harmonický koeficient

Nelineární zkreslení jsou způsobena průchodem signálu prvky, které mají nelineární charakteristiky, například tranzistory, v důsledku čehož dochází ke zkreslení průběhu a ke změně jeho spektrálního složení. Protože zesilovač zavádí nelineární zkreslení, objevují se na jeho výstupu nové složky (harmonické), které na vstupu chybí, což způsobuje zkreslení zvukového zabarvení. Kvantitativní hodnocení nelineárního zkreslení je harmonický koeficient Kg:

kde Rg -- celkový výkon harmonických; P 1 -- síla užitečného signálu.

Ze všech harmonických jsou druhá a třetí nejintenzivnější. Zbytek má mnohem menší výkon a má malý vliv na tvar výstupního signálu.

Harmonické zkreslení vícestupňového zesilovače se obvykle blíží součtu harmonických zkreslení jednotlivých stupňů. Pokud jsou tedy nelineární zkreslení v přípravných fázích úměrné zkreslením v konečné fázi, lze celkový harmonický koeficient cesty reprodukce zvuku odhadnout podle vzorce:

Koeficient Kg však poskytuje neúplnou představu o nelineárních zkresleních v zesilovači, protože nebere v úvahu kombinované frekvenční signály vyplývající z interference mezi jednotlivými složkami komplexní oscilace. Nejvýraznější nelineární zkreslení způsobené kombinačními frekvencemi, ke kterým dochází, když jsou do zesilovače přiváděny dva nebo více sinusových signálů. Kombinační frekvence ve tvaru f1--f2, f1--2f2, 2f1-f2 jsou zvláště patrné, protože zpravidla nejsou obsaženy ve spektru ani komplexního vstupního signálu.

U kvalitních zesilovačů se často zavádí další ukazatel charakterizující jejich nelinearitu - koeficient intermodulačního zkreslení Kim.i. Při měření Kim.i se na vstup zesilovače přivádějí dvě harmonické oscilace s frekvencemi: f1 \u003d 50 ... 100 Hz a f 2 \u003d 5 ... 10 kHz s poměrem amplitudy Uin (f1) / Uin (f2) \u003d 4/1- Koeficient Kim.i se rovná poměru amplitudy výstupního napětí rozdílové frekvence f 2 --f 1 k amplitudě výstupního napětí frekvence f 1:

Rýže. 12.

Platná hodnota Kim.i<0,1 ... 1%.

Nelineární zkreslení výrazně závisí na amplitudě signálu přivedeného na vstup. Na Obr. 12 ukazuje charakter závislosti koeficientu Km na výkonu na výstupu zesilovače. Tato křivka je hlavní charakteristikou pro posouzení nelineárního zkreslení. Slouží také k určení maximálního užitečného výkonu zesilovače pro daný Kg.

Harmonický koeficient se nastavuje zpravidla pro vysokou úroveň vstupního signálu. Tranzistorové výkonové zesilovače se vyznačují nárůstem nelineárního zkreslení při velmi nízkých úrovních vstupního signálu, což je způsobeno "krokovým" nebo "centrálním cutoff" zkreslením. Pro úplné posouzení kvality zesilovače je proto vhodné kontrolovat Kg i při nízkých úrovních vstupních signálů.

V zásadě se nelineární zkreslení vyskytují v terminálním a předterminálním stádiu. U koncových zesilovačů jsou zavedená nelineární zkreslení různá na různých frekvencích. V oblasti mezních frekvencí propustného pásma se zvětšují (při konstantní amplitudě vstupního signálu). Je to dáno reaktivním charakterem zatěžovacího odporu koncových tranzistorů a s tím související změnou tvaru dynamické odezvy na extrémních frekvencích propustného pásma.

Přípustné nelineární zkreslení závisí na účelu zesilovače. Takže v zesilovačích AF používaných ve vysílání a domácích zařízeních pro reprodukci zvuku by harmonický koeficient podle GOST 11157--74 měl být 1 ... 2%. Ve vysoce kvalitním profesionálním vybavení K g<0,05%.

V posledních letech se parametry vysoce kvalitního zařízení pro reprodukci zvuku dramaticky zlepšily. Zvláště patrná je tendence ke snižování nelineárních zkreslení. Objevily se AF zesilovače, u kterých byl koeficient Kg<0,0005%. Достижение чрезвычайно малых нелинейных искажений связано с применением большого количества транзисторов с высоким коэффициентом усиления и установлением глубокой ООС. Последнее обстоятельство приводит к ухудшению динамических (скоростных) характеристик, заключающемуся в том, что резкий скачок напряжения на выходе запаздывает по отношению к вызывающему его скачку на входе. Это приводит к "жесткому", "транзисторному" звучанию, исчезает мягкость, бархатистость звука при субъективном восприятии музыкальной программы.

Problém viditelnosti harmonického koeficientu v rozsahu 1 ... 0,0005 % nemá jednoznačnou interpretaci. Lze pouze namítnout, že pokud se získají malá nelineární zkreslení a nedosáhne se jich kvůli zhoršení ostatních parametrů zesilovače, pak to svědčí o dokonalosti zesilovací cesty.

Je však třeba poznamenat, že testování zesilovačů s ultra nízkým nelineárním zkreslením klade velmi vysoké požadavky na nelineární zkreslení zdroje testovacího signálu. Nejlepší domácí generátory zvuku typu GZ-102 poskytují Kg minimálně 0,05%, to znamená, že mají řádově stejnou velikost jako nelineární zkreslení zavedená samotným zesilovačem. Rozlišení nelineárních měřičů zkreslení S6-5 se také pohybuje od 0,02 do 0,03 %. Přesná měření ultra malých nelineárních zkreslení jsou proto velmi obtížná.

K testování ultralineárních zesilovačů by měly být použity přesné zvukové generátory a spektrální analyzátory. Dobré výsledky při posuzování ultra malých nelineárních zkreslení poskytuje kompenzační metoda.