ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК G01R23/16 G01R27/28 

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для интегральной оценки уровня частотных искажений, вносимых четырехполюсниками, например, усилителями аудиосигналов.

Прототипом является анализатор амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), состоящий из генератора тестового сигнала и спектроанализатора, выход которого является информационным выходом анализатора АЧХ, тестовым выходом которого служит выход генератора тестового сигнала, а тестовым входом служит вход спектроанализатора [Розенберг В.Я. Радиотехнические методы измерения параметров процессов и систем. М.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов, 1970, стр. 123-124].

На выходе анализатора формируется напряжение Y(t), мгновенные значения которого отображают нормированную АЧХ Y(ω) исследуемого четырехполюсника. Для оценки степени вносимых частотных искажений определяют, на какую величину Y(ω) (Y(t)) отклоняется от некоторого среднего значения Y(ω₀)=1, т.е. определяют неравномерность АЧХ, а количественной оценкой неравномерности АЧХ и, следовательно, вносимых искажений служит либо значение Y(ω), при котором выполняется условие |Y(ω)-1|=mах, либо коэффициент частотных искажений Если же величину Y(ω) выражать в логарифмических единицах Y_[дБ](ω₀)=20lgY(ω), то количественным показателем искажений будет максимальное значение модуля |Y_[дБ](ω)|.

К сожалению, оценка частотных искажений, полученная вышеописанным образом, малоинформативна, так как не учитывается форма АЧХ, а измеряются лишь координаты точек, максимально удаленных от прямой линии - идеальной АЧХ. Относительное усиление (K(ω) - коэффициент усиления на частоте ω; К(ω₀) - коэффициент усиления на некоторой средней частоте ω₀), измеренное в определенных точках АЧХ не может быть мерой частотных искажений. Искажения спектра сигнала зависят не от коэффициента усиления К(ω_i) на частоте ω_i, для которой установлено, что K(ω_i) имеет в этой точке минимальное или максимальное значение, а зависят от вида функции К(ω), которая и показывает, как меняется весь амплитудный спектр сигнала после прохождения исследуемого четырехполюсника.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в повышении информативности оценки частотных искажений, вносимых четырехполюсником в исходный сигнал.

Технический результат достигается тем, что в измеритель частотных искажений (вариант 1), содержащий генератор тестового сигнала и спектроанализатор, вход которого служит тестовым входом измерителя, тестовым выходом которого является выход генератора тестового сигнала, согласно изобретению введены блок вычитания, блок выделения модуля и интегратор, выход которого является выходом измерителя, выход спектроанализатора соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого служит для подачи на него фиксированного напряжения, выход блока вычитания соединен со входом блока выделения модуля, выход которого соединен со входом интегратора.

Технический результат достигается тем, что в измеритель частотных искажений (вариант 2), содержащий генератор тестового сигнала и спектроанализатор, вход которого служит тестовым входом измерителя, тестовым входом которого является выход генератора тестового сигнала, согласно изобретению введены блок логарифмирования, блок выделения модуля и интегратор, выход которого является выходом измерителя, выход спектроанализатора соединен с входом блока логарифмирования, выход которого соединен со входом блока выделения модуля, выход которого соединен со входом интегратора.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 приведены графики, иллюстрирующие принцип измерения частотных искажений. На фиг.2 показана функциональная схема измерителя частотных искажений по первому варианту, а на фиг.3 - функциональная схема измерителя по второму варианту.

Фиг.1 содержит график нормированной АЧХ Y(ω), представляющий собой пример АЧХ усилителя звуковых частот; постоянный уровень Y(ω₀)=1, равный относительному усилению на средней частоте ω₀ и представляющий собой идеальную АЧХ; график величины |Y(ω)-1|.

Функциональная схема по фиг.2 содержит генератор 1 тестового сигнала, тестируемый усилитель 2 с подключенной нагрузкой R_L, спектроанализатор 3, блок 4 вычитания, блок 5 выделения модуля и интегратор 6. Выход генератора 1 соединен со входом тестируемого усилителя 2, выход которого соединен с входом спектроанализатора 3, выход которого подключен к первому входу блока 4 вычитания, на второй вход которого подается постоянный уровень напряжения “1”, выход блока 4 вычитания соединен с входом блока 5 выделения модуля, выход которого соединен с входом интегратора 6, выход ρ которого служит выходом измерителя.

Функциональная схема по фиг.3 содержит генератор 7 тестового сигнала, тестируемый усилитель 8 с подключенной нагрузкой R_L, спектроанализатор 9, блок 10 логарифмирования, блок 11 выделения модуля и интегратор 12. Выход генератора 7 соединен со входом тестируемого усилителя 8, выход которого соединен со входом спектроанализатора 9, выход которого соединен со входом блока 11 выделения модуля, выход которого соединен с входом интегратора 12, выход ρ_[дБ] которого служит выходом измерителя.

В качестве интегрального критерия оценки линейности АЧХ принят функционал ρ(Y(ω)), определяющий расстояние между сравниваемыми величинами Y(ω) и Y(ω₀)=1:

где [ω₁; ω₂] - диапазон рабочих частот исследуемого четырехполюсника, в настоящем случае тестируемого усилителя.

Качественную суть величины ρ(Y(ω)) легко понять, если обратиться к геометрической иллюстрации выражения (1) (фиг.1). Суммарная площадь заштрихованных участков фигур, образованных из-за неидеальности АЧХ, численно равна значению функционала ρ(Y(ω)), призванного количественно учесть всю совокупность частотных искажений, зависящую в свою очередь как от размеров диапазона [ω₁; ω₂], так и от вида функции Y(ω), а точнее от того, как она отличается от величины Y(ω₀). По аналогии с применяемым в теории усилителей термином - площадь усиления, функционал ρ(Y(ω)) можно было бы назвать площадью частотных искажений. Разумеется, минимуму искажений должен соответствовать минимум выражения (1) - минимальная площадь, а выполнение условия ρ(Y(ω))=0 отвечает идеальной ситуации полного отсутствия частотных искажений.

Принцип функционирования измерителя (фиг.2) достаточно прост и состоит в формировании спектроанализатором 3 сигнала Y(t), отображающего функцию Y(ω) как развертку во времени и далее вычисление площади частотных искажений согласно формуле

где [t₁; t₂] - время действия сигнала Y(t).

Вычисление интеграла (2), включая вычисление подынтегрального выражения, происходит последовательно в блоках 4, 5 и 6. (В простейшем случае блок 5 может быть выполнен по схеме двухполупериодного выпрямителя.) Следует подчеркнуть, что при выполнении операции вычитания в блоке 4 необходимо соблюдать единый масштаб представления величин, поступающих на входы блока 4. Так, если значению функции Y(ω₀) соответствует Y(t)=1 В, то и на вход вычитаемого (второй вход блока 4) также следует подавать фиксированное напряжение 1 В.

Относительное усиление и коэффициент частотных искажений можно выразить и в логарифмических единицах - в ряде случаев это облегчает восприятие данных, а также их совокупный учет. В этом случае для соблюдения единства терминологии и площадь частотных искажений следует выражать через логарифмические единицы:

Учитывая, что lgY(ω₀)=0, т.к. Y(ω₀)=1, то вышеприведенное выражение упростится и примет вид

Функциональная схема устройства, реализующего алгоритм (3) во временной области, представлена на фиг.3. Как видим, отличие от первого варианта по фиг.2 состоит лишь в замене блока 4 вычитания на блок 10 логарифмирования. В такой схеме на выходе будет получена величина ρ_[дБ](Y(t)) - площадь частотных искажений, выраженная в единицах измерения [дБ×Гц] (в подстрочном индексе для краткости единица измерения указана условно, чтобы показать отличие от результата (2)).

Как особенность вышепредставленных измерителей, следует выделить характер сигнала Y(t) на выходе спектроанализатора 3 (9). Напряжение Y(t) не должно повторяться многократно, если не предусмотрена возможность периодического сброса интегратора 6 (12), в противном случае напряжение на выходе интегратора будет непрерывно расти. Следовательно, во время одного сеанса измерений на выходе спектроанализатора 3 (9) напряжение Y(t) должно появляться однократно в виде импульса с формой, отображающей Y(ω). Реализовать подобное требование можно различными способами, зависящими от вида применяемого спектроанализатора и тестового воздействия. Например, если в качестве генератора 1 (7) использовать свип-генератор, управляемый генератором пилообразного напряжения, то достаточно в качестве последнего применить фантастрон, работающий в ждущем режиме. Тогда сеанс измерений будет начинаться с одиночного импульса, поступающего на запускающий вход фантастрона, и заканчиваться после окончания процесса формирования напряжения на выходе интегратора 6 (12). Для начала нового сеанса интегратор 6 (12) необходимо обнулить (на схемах по фиг.2, фиг.3 цепи обнуления не показаны).

Необходимо также отметить, что напряжение на выходе спектроанализатора 3 (9) непременно должно повторять мгновенные значения именно нормированной АЧХ, а не частотно-зависимого коэффициента усиления. Для получения функции Y(t) в случае, если спектроанализатор выдает ненормированные значения и только пропорциональные К(ω), указанную величину следует дополнительно разделить на К(ω₀) - коэффициент усиления, измеренный на средней частоте ω₀. Вместо деления можно использовать и более простой, достаточно известный способ, состоящий в предварительной калибровке тракта, включающего в себя тестируемый усилитель. В этом случае для получения нормированной величины Y(t), входной сигнал спектроанализатора (выходной сигнал тестируемого усилителя) следует предварительно промасштабировать (ослабить или усилить; обычно приходится ослаблять), таким образом, чтобы на частоте ω₀ коэффициент усиления цепи: тестируемый усилитель - аттенюатор составил бы единицу. Аттенюатор в данном случае выполняет функции регулируемого делителя выходного напряжения тестируемого усилителя и обычно входит в состав спектроанализатора, в котором необходимо предусмотреть возможность контроля напряжения на выходе аттенюатора для установки требуемого коэффициента усиления.

Измерение площади частотных искажений при помощи рассмотренных устройств (фиг.2, 3), возникающих, например, в усилителях аудиосигналов, в отличие от общепринятой оценки неравномерности АЧХ позволяет получить не формальную оценку отклонения реальной АЧХ от идеальной, а качественный показатель, связанный с психоакустическими особенностями слухового восприятия. Учет общих размеров, в частности ширины, возможных провалов и подъемов АЧХ, позволяет связать степень заметности частотных искажений с их объективной технической оценкой, измеренной как значение функционала ρ(Y(ω)). Причем следует подчеркнуть, что зависимость частотных искажений от ширины полос, для которых Y(ω)≠1, установлена достаточно давно [Глухов А.А. Основы звукового вещания. М.: Связь, 1977, стр. 38-39], и известно, что если относительно широкие спектральные полосы провалов или подъемов АЧХ вызывают соответствующие субъективные ощущения уже при уровне в 5 дБ, то узкие пики и провалы даже при уровне в 15 дБ не всегда могут быть заметны на слух.

Измеритель предназначен для определения уровня частотных искажений, вносимых четырехполюсниками, например, усилителями аудиосигналов. С помощью генератора тестового сигнала и спектроанализатора формируют сигнал, мгновенные значения которого определяют значения нормированной амплитудно-частотной характеристики четырехполюсника. Затем полученный сигнал подают на вход блока вычитания. На второй вход блока вычитания подается фиксированное напряжение. Выход блока вычитания подключен к входу блока выделения модуля. Выход блока выделения модуля подключен к входу интегратора. Количественным критерием оценки частотных искажений является площадь частотных искажений, получаемая в результате интегрирования. Во втором варианте блок вычитания заменен блоком логарифмирования. Измеритель позволяет повысить информативность оценки частотных искажений, вносимых четырехполюсником в исходный сигнал. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Измеритель частотных искажений, содержащий генератор тестового сигнала и спектроанализатор, выход которого служит тестовым входом измерителя, тестовым выходом которого является выход генератора тестового сигнала, отличающийся тем, что в него введены блок вычитания, блок выделения модуля и интегратор, выход которого является выходом измерителя, выход спектроанализатора соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого служит для подачи на него фиксированного напряжения, выход блока вычитания соединен со входом блока выделения модуля, выход которого соединен со входом интегратора.2. Измеритель частотных искажений, содержащий генератор тестового сигнала и спектроанализатор, выход которого служит тестовым входом измерителя, тестовым выходом которого является выход генератора тестового сигнала, отличающийся тем, что в него введены блок логарифмирования, блок выделения модуля и интегратор, выход которого является выходом измерителя, выход спектроанализатора соединен с входом блока логарифмирования, выход которого соединен со входом блока выделения модуля, выход которого соединен со входом интегратора.