Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения

• Название: Метрология и радиоизмерения
• Анкор: Радиоизмерения
• Дата: 17.09.2022
• Размер: 3.68 Mb.
• Имя файла: metrologiya-i-radioizmereniya.pdf
• Тип: Учебник; #681216
• страница: 34 из 47

Возможности приставки анализатора сигналов.
USB-анализатор LESO4 является многофункциональным измери- тельным комплексом и позволяет:
 отображать осциллограммы;
 строить фигуры Лиссажу;
 изучать спектр сигнала, выполнять спектральный анализ различ- ными методами;
 изучать плотность распределения вероятности;
 измерять среднее, эффективное, амплитудное напряжение.

Данная глава посвящена изложению сведений об электронно- лучевых осциллографах. При проведении технического обслуживания ВВТ часто возникает задача измерять динамические характеристики как сигна-

Раздел 2. Измерительная техника
346 лов, так и радиотехнических цепей. Для выполнения этих операций во временнóй области предназначены осциллографы. Осциллографы находят широкое применение в войсках. Они позволяют производить визуальное наблюдение электрических сигналов в двухмерной плоскости «время – напряжение». С помощью масштабной сетки, нанесенной на экран ЭЛТ, и дискретных переключателей коэффициентов отклонения и коэффициен- тов развертки, изменяющих масштаб изображения по вертикали и горизон- тали, можно производить измерение мгновенного значения напряжения исследуемого сигнала и временны́х интервалов.
Структурная схема осциллографа состоит из трёх каналов: X, Y и Z.
Канал Y предназначен для усиления сигнала, в канале X формируют на- пряжение развёртки, канал Z служит для управления яркостью луча. Канал
Y осциллографа характеризуют коэффициентом отклонения, нелинейно- стью отклонения, верхней и нижней граничными частотами полосы про- пускания, а также входными сопротивлением и ёмкостью. Канал X харак- теризуют коэффициентом развёртки и нелинейностью развёртки.
Для неискажённого воспроизведения формы сигнала на экране ЭЛТ осциллографа необходимо, чтобы отклонение луча по оси ординат было пропорционально мгновенному значению сигнала, а по оси абсцисс – вре- мени. Временна́я развёртка должна быть синхронизирована с сигналом.
Погрешность измерений временны́х и амплитудных соотношений по осциллограмме обычно составляет 3...10 %. Полоса пропускания канала Y осциллографа может достигать сотен мегагерц.
С помощью стробоскопического преобразования сигнала полосу пропускания расширяют до 10...25 ГГц. Полоса пропускания стробоскопи- ческих осциллографов зависит от параметров преобразователя и длитель- ности стробирующего импульса.
В цифровых осциллографах исследуемый аналоговый сигнал пре- вращают в цифровой и всю его обработку проводят в цифровой форме.
В таких приборах, применяя соответствующие программы, можно полу- чить любые параметры и характеристики сигнала.
Контрольные вопросы
1. Для каких целей применяют осциллографы?
2. Какие блоки входят в состав структурной схемы универсального осциллографа? Их назначение.
3. Для чего применяется синхронизация разверток осциллографа?
Основные типы синхронизации.
4. Для каких целей в осциллографах применяют калибраторы?
5. Каково назначение линейно изменяющегося напряжения, пода- ваемого на горизонтальные пластины?

Глава 9. Электронно-лучевые осциллографы
347 6. Запоминающие осциллографы – принцип действия, параметры и основные режимы работы.
7. Каковы особенности осциллографирования импульсов наносе- кундной длительности?
8. В чем заключается принцип стробоскопического осциллогра- фирования быстротекущих процессов?
9. Основные требования к «развертывающему» напряжению. Как ра- ботает генератор пилообразного напряжения?
10. Перечислите основные виды разверток.
11. Когда используется линейная развертка?
12. Как осуществляется круговая развертка?
13. Как измеряется амплитуда сигналов с помощью осциллографа?
14. Как осуществляется измерение временны́х интервалов с помо- щью калиброванной развертки и яркостных меток?
15. Каким образом можно провести измерение частоты сигнала ме- тодом фигур Лиссажу.
16. Какие требования предъявляются к осциллографу при измерении импульсных сигналов?
17. Принципы построения цифровых осциллографов.
18. Из каких основных узлов состоит цифровой осциллограф?
19. Назовите основные параметры современного цифрового осцил- лографа.

Раздел 2. Измерительная техника
348
Глава 10. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
10.1. Параметры модулированных сигналов
Модуляцией называется физический процесс преобразования несу- щего сигнала, при котором один из параметров его подвергается измене- нию, соответствующему закону информативного сигнала.
Несущий сигнал, параметр которого подвергнут изменению, назы- вают
модулированным, а сигнал, в соответствии с законом измерения ко- торого производят модуляцию, –
модулирующим.
Рассмотрим наиболее часто встречающийся случай, когда в качестве несущего используется синусоидальный сигнал вида
U (t)= U
0
sin (ω
0
t + φ
0
),
(10.1) где U
0
– амплитуда сигнала;
ω
0
– круговая частота сигнала;
f
0
– начальная фаза сигнала.
В зависимости от того, какой параметр данного сигнала подвергается изменению, различают следующие виды модуляции:
 амплитудную (АМ-сигнал);
 частотную (ЧМ-сигнал);
 фазовую (ФМ-сигнал).
Модуляцию двух последних видов вследствие существующей тес- ной связи между ними часто объединяют под единым термином «угловая модуляция».
Рассмотрим основные параметры модулированных сигналов. Обо- значим модулирующий сигнал в виде функции m (t). При амплитудной мо- дуляции сигнала (10.1) имеем
U (t)= U
0
+ bm (t),
(10.2) где b – постоянный коэффициент, определяющий уровень модуляции.
В дальнейшем будем считать коэффициент b равным 1.
Если модулирующий сигнал m (t) является гармоническим, т. е.
M (t) = m sin Ω t,
(10.3) где
 – круговая частота гармонического модулирующего сигнала, то
U (t)= U
0
(1 + M sin Ω t) sin (ω
0
t + φ
0
),
(10.4)

Глава 10. Измерение параметров модулированных сигналов
349 где M = m / U
0
– коэффициент, характеризующий уровень амплитудной модуляции. Коэффициент M называется
коэффициентом амплитудной
модуляции (коэффициентом модуляции).
В более общем случае, соответствующем реальным (квазисинусои- дальным) модулирующим сигналам, имеем
 


1
sin
k
k
k
m t
m
k t



  

,
(10.5) где m
k
и

k
– соответственно амплитуда и начальная фаза k-й гармониче- ской составляющей модулирующего сигнала.
В этом случае АМ-сигнал принимает вид
 




0 0
1 1
sin sin
m
k
k
k
U t
U
M
k t
t






  
  





,
(10.6) где U
m
– среднее значение амплитуды модулированного сигнала за период модулирующей функции T = 2
/;
М
k
– коэффициент АМ k-й гармонической составляющей модули- рующего сигнала (парциальный коэффициент модуляции). Значение U
m
в общем случае модуляции сигналом (10.5) не равно амплитуде немодули- рованного сигнала U
0
АМ-сигнал, описываемый формулой (10.6), за период модуляции Т имеет максимальное U
max и минимальное U
min значения амплитуды коле- бания (соответственно есть максимальное и минимальное значение оги- бающей сигнала). Величина М
в и М
н
, %, соответственно равны




в max max н
min min
100 100 100 100
m
m
m
m
m
m
M
U
U
U
U
U
M
U
U
U
U
U




 






 


(10.7) и называются коэффициентом модуляции «вверх» (М
в
) и коэффициентом модуляции «вниз» (М
н
). Коэффициенты модуляции М
в и М
н называются иногда коэффициентами пиковой модуляции.
В частном случае модуляции гармоническим сигналом (10.3) имеем
М
в
= М
н
= М
.
В отличие от (10.1) реальные модулируемые сигналы характеризу- ются наличием высших гармонических составляющих, т. е.
 


0 1
sin
n
n
n
U t
U
n
t



  

,
(10.8) где U
n
и

n
– соответственно амплитуда и начальная фаза n-й гармониче- ской составляющей.

Раздел 2. Измерительная техника
350
В этом случае АМ-сигнал имеет вид
 




0 1
1 1
sin sin
n
kn
k
n
k
U t
U
M
k t
t












  
  












(10.9)
Такой сигнал в общем случае имеет различные по форме огибающие положительной и отрицательной полуволн несущего колебания и, следова- тельно, должен характеризоваться различными коэффициентами модуляции
М
в и М
н для каждой из полуволн. Это обстоятельство должно приниматься во внимание при измерении коэффициента модуляции средств измерений, имеющими разное схемное построение, особенно в метрологической прак- тике.
При ЧМ-модуляции изменению в соответствии с законом m (t) под- вергается несущая частота сигнала, т. е. f (t) = f
0
+ m (t).
В случае АМ-модуляции сигналом (10.2) имеем
f (t) = f
0
+
f sin Ω t,
(10.10) где
f – максимальное отклонение частоты модулированного сигнала от среднего значения f
0
, соответствующего амплитуде модулирующего сигна- ла m.
Величина
f называется девиацией частоты. Переходя к круговой частоте, получим
 (t) = 
0
+
 sin t.
Используя общую формулу для фазы колебания с переменной частотой
 
 
0 0
t
t
t dt

 
 

,
(10.11) получаем выражение для ЧМ-сигнала
U (t)= U
0
sin (

0
t + β cos Ω t + φ
0
),
(10.12) где
 =  /  – индекс частотной модуляции.
При модуляции сигналом (10.5) выражение ЧМ-сигнала примет сле- дующий вид:
 


0 0
0 1
sin cos
k
k
k
U t
U
t
k t





 

    





,
(10.13) где

k
=

0
/ k
 – индекс парциальной частотной модуляции.
В этом случае вводятся параметры ЧМ-сигнала: девиация частоты
«вверх» (
f
в
), равная максимальному (пиковому) отклонению частоты от

Глава 10. Измерение параметров модулированных сигналов
351 среднего значения в сторону ее увеличения, и девиация частоты «вниз»
(
f
н
), равная максимальному отклонению частоты в сторону меньших зна- чений.
При модуляции гармоническим сигналом (10.3) имеем
f
в
=
f
н
=
f.
(10.14)
Одним из наиболее важных параметров модулированных сигналов является
уровень искажения закона модуляции.
10.2. Методы измерения коэффициента амплитудной модуляции
Для измерения параметров модулированных сигналов предназначе- ны специальные средства измерений – измерители модуляции, классифи- цируемые в соответствии с ГОСТ 15094–69 на следующие виды: измери- тели коэффициента амплитудной модуляции (С2); измерители девиации частоты (С3).
Коэффициент АМ с помощью осциллографа может быть измерен при линейной или синусоидальной развёртке.
Модулированный сигнал при линейной развертке подается на вход Y осциллографа и на экране появляется изображение сигнала, показанное на рис. 10.1.
Измерив с помощью масштабной сетки максимальные и минималь- ные отклонения луча А
max и А
min
, по формуле max min max min
100
A
A
M
A
A




(10.15) найдем коэффициент АМ. Однако эта формула справедлива только для симметричной АМ. При несимметричной модуляции коэффициент АМ вычисляется по таким формулам:
М
в
= ∆А
в
/ А и М
н
= ∆А
н
/ А.
(10.16)
При синусоидальной развёртке на вход Y подаётся модулированный сигнал, а на вход X – модулирующее напряжение.
Погрешности измерений зависят от тех же факторов, что и при изме- рениях напряжений (за исключением погрешности калибровки

ко
). Сум- марная погрешность измерений составляет 5…12 %.
Измерение коэффициента АМ с помощью анализатора спектра опре- деляется посредством измерения амплитуд основной (U
0
) и боковых (U
1
) спектральных составляющих (рис. 10.2).

Раздел 2. Измерительная техника
352
Рис. 10.1. Модулированный сигнал при линейной развёртке на экране осциллографа
Рис. 10.2. Спектр АМ-сигнала с синусоидальной модуляцией
Индекс амплитудной модуляции по спектру определяется отноше- нием, %,
m
a
= 2 U
1 100 / U
0
,
(10.17) где U
0
– абсолютное значение амплитуды основной спектральной состав- ляющей;
U
1
– абсолютное значение амплитуды боковых спектральных состав- ляющих;
m
a
– индекс (глубина) амплитудной модуляции.
При измерении параметров АМ-колебаний в логарифмическом мас- штабе и отсчёте уровней боковых составляющих (∆) в децибеллах коэф- фициент модуляции, %, может быть рассчитан по формуле
20
a
2 10 100
m


 

(10.18)
Наиболее широкое применение при измерении коэффициента ампли- тудной модуляции получил
метод двойного детектирования, при тща- тельной настройке которого можно получить результирующую погреш-
f
0
S
f
0
U
0
f
0
–F
f
0
+F
Δ
U
U
1
A
min
A
max
U
U
0

U
t

Глава 10. Измерение параметров модулированных сигналов
353 ность 1,0…2 %. Данный метод позволяет легко использовать систему циф- рового отсчёта и ввести практически полную автоматизацию процесса из- мерения.
Рассмотрим принцип работы модулометра.
Рис. 10.3. Структурная схема модулометра
АМ-сигнал подается на вход приёмника супергетеродинного типа, в котором осуществляется селекция сигнала и перенос его на промежуточ- ную частоту (ПЧ). Напряжение ПЧ выделяется на сопротивлении R
п
, с ко- торого оно подаётся на первый детектор Д
1
, выполняющий роль детектора огибающей. На нагрузке детектора выделяется напряжение
U
g
(t)= k U
0
(1 + M sin Ω t),
(10.19) где k – коэффициент передачи детектора k
 1.
Постоянная составляющая этого напряжения U
п
= kU
0
вызывает ток
I
0
, который в магнитоэлектрическом приборе даёт показания, пропорцио- нальные амплитуде несущей U
0
. Регулируя положение движка R
п
, можно выполнить условие I
0
= const.
Переменная составляющая АМ-сигнала, выделившаяся на нагрузке детектора?

U
g
(t)= k U
0
M sin Ω t = k ∆U sin Ω t,
(10.20) где k
U – амплитуда огибающей закона модуляции.
Если измерить диодным вольтметром амплитуду k
U при kU
0
= const, то показания стрелочного прибора вольтметра
k
U = k U
0
M = const M,
(10.21) а следовательно, они будут пропорциональны коэффициенту АМ и тогда шкала прибора вольтметра может быть проградуирована в значениях М в %.
R
п
S
См
Атт
Г
PSP
Д
1
R
1
Д

Раздел 2. Измерительная техника
354
Совершенствуя этот метод измерения, в схему вводят автоматиче- скую стабилизацию несущей, автоматическую настройку на несущую и цифровые индикаторы параметров модуляции.
Погрешности измерения коэффициента АМ.
Полный анализ погрешностей измерителя АМ представляет доста- точно сложную задачу, поэтому рассмотрим причины их возникновения.
Анализ погрешностей измерения существующих конструкций модуло- метров показывает, что основной вклад в результирующую погрешность вно- сит нелинейность вольтамперной характеристики (ВАХ) детектора несущей.
Следующими по важности являются:
 погрешность, вызываемая неравномерностью АЧХ всего тракта преобразования сигнала, нелинейностью фазово-частотной характеристики
(ФЧХ);
 погрешность, вносимая нелинейностями амплитудных характери- стик тракта преобразования сигнала;
 погрешность преобразования амплитудного значения напряжения огибающей в постоянное напряжение, т. е. погрешность, вносимая пико- вым детектором;
 погрешность, вносимая нестабильностью установки среднего уровня несущей на входе детектора;
 погрешность, получаемая за счёт перехода паразитной частотой модуляции в амплитудную.
Погрешности, вызываемые неравномерностями АЧХ.
Неравномерность АЧХ приводит к появлению дополнительного ко- эффициента гармоник огибающей АМ-сигнала, что вызывает погрешность преобразования пиковым детектором максимального значения напряжения огибающей в постоянное напряжение. Значение этой погрешности являет- ся функцией частоты модуляции, а её максимальное значение можно опре- делить по приближенной формуле:
 
2 1max
0,4
k
M



,
(10.22) где

k
– неравномерность АЧХ в диапазоне частот спектра АМ-сигнала.
В области определения основной погрешности
(F
м
= 0,4–5 кГц)

k
< 0,7 %, откуда
 
2 1max
0,4 0,7
M



= 0,2 %.
(10.23)
В расширенной области модулирующих частот, где

k
может дости- гать 2 %, дополнительная погрешность составит
∆M
доп. max
≈ 1,6 %.
(10.24)

Глава 10. Измерение параметров модулированных сигналов
355