Устройство для измерения коэффициента шума четырехполюсника Советский патент 1983 года по МПК G01R29/26 

Изобретение относитая к радиоизмерительной технике и может быть исполь зовано для измерения коэффициента шума четырехполюсников. Известно устройство для измерения коэффициента шума путем измерения оТ ношения мощностей шумов на выходе испытуемого прибора при включенном и выключенном генератора по методу удвоения мощности на выходе испытуемого прибора с применением калиб-. рованного ослабителя и индикатор 1 Недостатком данного устройства является низкая точность измерений изза необходимости калибровки генератора шума по выходной мощности и, изза погрешности калибровки ослабителя непосредственно входящей в результат измерения. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения коэффициента шума, содержащее .эталонный источншс шума, усилитель, квадратичный .вольтметр, переключатель и реактивный элемент, используемый в качестве входного сопротивления испытуемого четырехполюсника 2. Усилитель с калибровочным резистором на входе подключается выходом к квадратичному вольтметру. По тепловым шумам сопротивления производится калибровка индикатора квадратичного вольтметра.. . Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения, так ак собственные шумы усилиГтеля сои.змеримы с калибровочными шумами и шумами испытуемого прибора. Поэтому необходимо иметь возможно больший сигнал с калибровочныхшумовых резисторов, что обеспечивается их большой величиной по номиналу при заданной полосе частот и температуре Однако калибровочные резисторы шунти руются входным сопротивлением усилителя, которое практически ограничено величиной его активной и реактивной составляющей. Использование на входе испытуемого прибора подборочной емкости для компенсации реактивной сос ,тавля1 вдей сопротивления на частоте измерения приводит к невозможности точного задания величины сопротивле1ния источника сигнала уже при сравни тельно нешироких полосах частот ир следуемого сигнала, что ограничивает применение данного устройства весьма узкополосными измерениями, особенно в области низких частот. Цель изобретения - повышение точности измерений, Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения коэффициента шума четырехполюсника, Содержащее эталонный источник шума, усилитель, выходом соединенный с вхо дом квадратичного вольтметра, и пере ключатель, введены аттенюатор, два конденсатора, второй переключатель и генератор шума, а эталонный источник шума выполнен в виде двух последовательно соединенных резисторов, при этом вход усилителя соединен с одним из выводов резистора и с выводом первого конденсатора, второй выйод которого подключен к подвижному контакту первого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с корпусом устройства, второй неподвижный контакт - с первым неподвижным контактом второго переключателя и с точкой вывода резисторов, второй вывод второго резистора из которых соединен с корпусом устройства, а третий неподвижный контакт - с первой входной кле1.Флой устройстваJ вторая входная клемма которого через аттенюатор соединена с вторым непод вижным контактом второ.го переключателя, подвижный контакт которого че,рез второй конденсатор соединен с |в.ыходом генератора шума. - Йа чертеже призвёдена блок-схема .устройства. Устройство содержит усилитель 1, квадратичный полосовой вольтметр 2, эталонный источник 3 шума, в.ыполнейный в виде двух последовательно соединенных резисторов 4 и 5, первый, переключатель б, испытуемый четырехполюсник 7, генератор 8 шума, второй переключатель 9, аттенюатор 10 и входные клеммы 11 и 12. Конденсаторы 13 и 14 предназначены для разделения цепей по постоянному току, Перед Началом работы проводится калибровка устройства, цель которой определение собственных шумов усилителя, проверка входного сопротивления усилителя и кАлибровка генератора шума. Сначала переключатели б и 9 ставятся в положение и вход усилителя замыкается по переменному сигналу через емкость 13 на корпус. Квадратичный вольтметр измеряет собственные шумы усилителя и шумы вольтметра. При этом собственные, шумы усилителя и вольтметра могут быть скомпенсированы любым известным с.пособом. Поэтому можно считать, что, в данном случае, квадратичный вольтметр установлен на нулевое значение, Яатем пере-. ключатель 6 переводится в положение подключая на вход усилителя эталонный источник шума его среднее действующее значение определяется по формуле Ujug lf4ia(RlTR5T,|. где 4. среднее эффективное значение шумового напряжения; k - постоянная Больцмана (k« 1,381102 цж/к),

Т - абсолютная температура эта: лонного источника шума; (Rft-Ri) - суммарное значение сопротив лений последовательно соединенных резисторов 4 и 5 эталонного источника шума Л - эффективная шумовая полоса. На вход усилителя поступает напряжение, определяемое коэффициентом деления, состоящего из входного сопротивления усилителя Rj и внутреннего сопротивления эталонного источника шума, равного R.j+Rj: О .г, ex . ех ВХ1 ШЭ1 R +R1+R2 I (RH-R2) , ,- среднее эффективное зн ние напряжения эталонн источника шума, поступ на вход усилителя R.,,- входное сопротивление Ол- . теля для шумового сигн Квадратичный вольтметр в дан случае измерит величину, опреде мую формулой . .1 -ТЙГГ2 / Sx у (КИ-К2), .RlH.R2/ ,тде Р1 - показание квадратичног вольтметра; I Ку - коэффициент усиления. . Затем переключатель б перевод В положение в . При этом резисто .шунтируется емкостью 13, напряже шумов эталонного шума определяет только шумами резистора 4 52L y41cT fRli ВУ2 RBX ( вх 2 4ftTflfR-1,i

де Uiu32- среднее эффективное напря- 55 жение шумового сигнала, создаваемого резистором 4

эталонного источника шума;

8X2. эффективное значение напряжения шума резис- йО тора 4 эталонного источника шума, поступающее на : вход усилителя;

Р2 - показание квадратичного

вольтметра.65

Отношение показаний квадратинного ;вольтметра в случаях 5 и в будет иметь вид

41(Tdf(RH-R2;

1.

Г4 Р2

ВУ Y R-1+R Rg -f-R1+R2/ R4

pз (41cTгJfR U Jк,

рде Куг,- коэффициент усиления системл с измеряемым четырехполюсником.

Затем переключатель 9 переводится в положение 8 . При этом к выходу генератора 8 подключен вход аттенюатора 10, предназначенного для режима по выходному сопротивлению генерато;ра сигнала R для измеряемого четы-, Величина N определяется только значениями сопротивлений эталонного источника шума R1 и R2 и входным сопротивлением усилителя Rgy. Поэтому, контролируя величину N,можно контролировать, значение входного сопротивления усилителя выбранным значениям R1 и R2 и в случае необходимости подстраивать его. .Таким образом, учитывается влияние входного сопротивления усилителя при калибровке эталонного источника шума. Затем переводят переключатель 9 в положение 5 . Установив изменением выходного напряжения генератора шума показания квадратичного вольтметра опять равным Р1, получим сигнал на . входе усилителя равным . . При этом калибруемый генератор оказывается откалиброванным, по тепловым шумам эталонного источника шума с учётом его шунтирования входным сопротивлением усилителя. На этом-калибровка устройства заканчивается. Процесс измерения коэффициента шума происходит следукадим образом. Переключатель 6 Ътавится в. положение о. , при этом эталонный .источник 3 шума совместно с входным сопротивлением усилител представляет собойнагрузку для измеряемого четырехполюсника. Устанавливают режим четырехполюсника по постоянному току. Затем s положении и переключателя 9 производится отсчет показания Р 3 Квадратичного вольтметра, которое определяется совместнымдействием тепловых шумов выходного сопротивления генератора сигнала R54 и собственных шумов Ujj,измеряемого че-, тырехполюсника. Показание вольтметра будет пропоридаонально. .квадрату их .напряжений; рехполюсника и ослаблению выходного сигнала калибруемого генератора 8 шума уровня (, соответствующего тепловЕлм шумам выходного сопротивления лгенератора сигнала для измеряемого четырехполюаника. Величина R.. оговорена в документации на конкретный тип четырехполюсника. При этом коэффициент деления калиброванного аттенюатора 10 может быть определен в виде.. (ЙИ-Я2) лел Q IR-H-RZ .Значение иц,,,принимается равньйм Ugx,;/, что обеспечено в процессе ранее про- веденной калибровки устройства. Таким образом, к напряжению .тепловых шумов резистора .добавляется точно такая же величина, т.е. на входе четырехполюсника имеем, генератор сигнала с выходным сопротивлением R, соз дающий шумовой сигнал, эквивалентный тепловым шумам сопротивления величи.ной2к. показания Р 4 квадратичного вольтметра будут иметь видг. .

P4(41cr4f-ZR +02

KT-J .

Коэффициент шума может.быть вычислен ;из следукхцего отношения:35

Р /Р

Р Р с./ ш

- с (И ВЫХ

р

Р Р

/РШ

UI с ВЫХ

ВЫХ

свых

-коэффициент, шума). ., 40

-мощность сигнала на входе . измеряемого прибора;

-мощность шума на входе ; . измеряемого прибора.

Из фЪр.мулы видно, что Входящие в нее величины содержат значения РЗ и Р4 квадратичного вольтметра. В результате непосредственный отсчет значения (коэффициент.а .шума измеряемого четырехполюсника производится по двум замерам РЗ и Р4 квад затичного вольтметра, шкала козгорого отградуирована в. соответствии с формулой

. р4-рз|

Погрешность измерения коэффициента шума составляет 0,25 дБ, Pg - мощность сигнала на выхо . де измеряемого прибора Р g - мощность шума на выходе измеряемого прибора. В рассматриваемом случае мощнЬсти сигнала Р и шума PцJ на входе равны, им соответствует величина4ЯТД ; мощности сигнала на выходе Рл а..г соt . -. Г-Г) 1 -г РЫД ответствует величина 41а ,,рде к Коэффициент усиления 1 змвряемого ТГрйбора по мощности;мощность-шума-на выходе Pjygj, определяется величиной (4 T/3fRc.- -Ig,c) KT . Подставив Эти величины в формулу коэффициент шума, имеем:. Проведя преобразования, получим: ) (41cT;jf (4КТЛ R;,+Oy J 4KTdfRj. (4tcraf )-(41cT4 RC Oj) (41сТл Р 02)к, (41cT4f ,,-(4fcT4fR - OyК

. УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦЙЕВТЙ ШУМА ЧБТЫРЕКПОЛЮСНИКА, содвржгидее эталонный источник шума, усилитель, выходом соединенный с входом квадратичного вольтметра, и переключатель, о т л и ч а ю щ те е с я тем, что, с целью повышения точности. измерений, в него введены аттенюатор, два конденсатора, второй переключатель и генератор шума, а эталонный . источник шума выполнен в виде двух , последовательно соединенных резисто ров, при этом вход усилителя соединен с одним из выводов резистора и с выводом первого конденсатора, второй вывод которого подключен к подвижному контакту первого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с корпусом устройства, второй неподвижный контакт - с первым неподвижным контактом второго переключателя и с точкой вывода резисторов, второй вывод второго резистора иэ которых соединен с корпусом устройства, а третий неподвижный контакт - с первой входной клеммой устройства, вторая входная клемма которого через аттенюатор соединена с «i вторым неподвижным контактом второго. W j переключателя, подвижный контакт кЪто- ; рого рез второй конденсатор соединен с выходом генератора шума. со Т СО а со со f S / / г // нн //. т