Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
Неравномерность ФЧХ может привести к такому сдвигу гармоник огибающей, при котором увеличивается (или уменьшается) напряжение пикового детектора. Значение погрешности является функцией измеряемо- го М и ее предельное значение ∆M 2max = K г , (10.25) где – отклонение ФЧХ от линейного закона; K г – коэффициент гармоник огибающей входного сигнала. Если допустить, что отклонение ФЧХ от линейного закона < 3, т. е. 0,005 радиан, и K г < 2 %, то M 2max 20,05 = 0,1 %. (10.26) Погрешность, вносимая нелинейностью амплитудной характе- ристики. Эта погрешность складывается в основном из погрешности, вно- симой преобразованием сигнала в смесителе и нелинейностями АЧХ УПЧ и ФНЧ. При правильном выборе амплитуды входного сигнала для преобразования максимальная погрешность M 3max оценивается величи- ной примерно 0,2 %. Максимальное значение погрешности, получаемое за счет нелинейности АЧХ УПЧ M 4max ≈ 0,25 %.Для ФНЧ погрешность оценивается значением коэффициента третьей гармоники сигнала: M 5max = K гз ≈ 0,05 %. Погрешность за счет нелинейности ВАХ детектора несущей Д 1 . Эта погрешность возникает вследствие появления новых гармониче- ских составляющих в напряжении огибающей на выходе детектора. Мак- симальное значение этой погрешности можно оценить по формуле 2 6 3 0,5 a M a , (10.27) где а 2 и а 3 – коэффициенты кусочно-линейной аппроксимации детектор- ной характеристики. Экспериментальная проверка для М = 90 % частоты модуляции F м = 1 кГц и коэффициент гармоник входного сигнала K г = 0,3 % даёт зна- чение M 6max ≈ 0,05 %. (10.28) Погрешность, вносимая пиковым детектором за счет нелиней- ности характеристики, M 7max ≈ 0,1 %. (10.29) Раздел 2. Измерительная техника 356 Погрешность, вносимая за счет перехода паразитной частотной модуляции, имеющейся во входном сигнале, в амплитудную. Результирующая погрешность за счет нестабильности работы кольца автоматической стабилизации напряжения не превысит M 6max ≈ 0,2 %. (10.30) В общем случае, входной сигнал следует записать так: U AM (t)= U 0 (1 + M sin Ω t) sin (ω t + n sin Ω t), (10.31) где n – индекс паразитной частотной модуляции. При прохождении ЧМ-сигнала через частотно-зависимую цепь, ко- торая занимает весь тракт преобразования сигнала от входа до детектора несущей, появится паразитная АМ, дающая ещё одну составляющую об- щей погрешности. Для n = 2 M 9max ≈ 0,4 k (10.32) Для F М 05 кГц, k < 0,7 % и при n < 2 M 9max ≈ 0,28 ≈ 0,3 %. (10.33) Она будет состоять из двух составляющих: зависящая и независящая от абсолютного значения коэффициента АМ. Для первого случая M сум. (М) = M 2 + M 4 + M 5 + M 6 + M 7 + M 8 ≈ 1,2 10 –2 М; для второй составляющей: M сум (М) = M 1 + M 3 + M 9 ≈ 0,7; общая погрешность измерения: M ≈ 1,210 –2 М + 0,7. Это предельное значение погрешности. Можно считать, что реальные значения частных погрешностей распределены по равномерному закону распределения и среднее квадратическое значение общей погрешности 2 2 2 2 2 2 сум 2 4 5 6 7 8 1 3 S М М М М М М 2 2 2 1 3 5 1 3 М М М , (10.34) где S сум ≈ 0,35 10 –5 M + 0,24 и при М = 100 % S сум ≈ 0,6 %. Глава 10. Измерение параметров модулированных сигналов 357 10.3. Методы измерения девиации частоты Метод измерения девиации частоты с помощью электронно- счётного частотомера заключается в преобразовании ЧМ-сигнала в сиг- нал промежуточной частоты, значение которой выбирается близким нулю. Преобразованный сигнал sin sin U t U t t (10.35) подаётся на ЭСЧ. При выполнении ряда условий показания частотомера 2 N f (10.36) Метод применим при больших значениях ( > 5). Спектральные методы основаны на свойствах спектрального раз- ложения ЧМ-сигналов. Известно, что при гармоническом законе модуля- ции сигнал может быть представлен в виде 0 0 0 sin sin U t U J t t 0 0 1 sin sin k k J k t k t , (10.37) где J k ( ) – функция Бесселя первого рода k-го порядка. Из формулы следует, что амплитуда любой спектральной состав- ляющей сигнала содержит информацию о параметре модуляции . Опре- делив = f / F, получим значение девиации частоты: f = F. Рис. 10.4. Спектр частотно-модулированного сигнала Амплитуды боковых составляющих n-го порядка ЧМ-колебания 0 n n f U U I m , (10.38) U 0 U 2 U 3 U 1 f 0 S f 0 f 0 – F f 0 + F Раздел 2. Измерительная техника 358 где U 0 – амплитуда немодулированного колебания; J n (m f ) – функция Бесселя n-го порядка от аргумента; m f 4 f = ∆f / F – индекс частотной модуляции; ∆f – девиация частоты f. Наиболее часто используется спектральная составляющая с несущей частотой ЧМ-сигнала f = 0 / 2 . Измерение основывается на соотношении U 0 J 0 ( ) = 0, что имеет место при = n , где n – n-й корень функции Бес- селя (n = 1, 2, 3 ...). Указанный метод получил название метода «нулей функции Бесселя». Метод двойного детектирования. Структурная схема измерителя параметров частотной модуляции ана- логична структурной схеме измерителя АМ. Отличием является то, что сиг- нал ПЧ подаётся на вход частотного детектора, а с его выхода – на ФНЧ. Обычно применяют частотные детекторы следующих видов: частот- ные на расстроенных контурах; импульсные частотные и частотные на ос- нове линии задержки и фазового дискриминатора. Детекторы на расстроенных контурах в силу своей широкопо- лосности и сравнительно низких уровней вносимых искажений, что обес- печивается корректирующими цепями, получили широкое применение в контрольно-измерительных приборах аппаратуры связи. Импульсные частотные детекторы, называемые иногда счётными детекторами, отличаются высокой линейностью преобразования. В основе работы детектора лежит принцип преобразования ЧМ- сигнала в последовательность видеоимпульсов со строго заданными ам- плитудой и длительностью, частота следования которых соответствует за- кону модуляции. Таким образом, ЧМ-сигнал преобразуется в сигнал с час- тотно-импульсной модуляцией. Из полученного импульсного сигнала по- сле амплитудного детектирования выделяются постоянная и переменная составляющие. Первая из них используется в качестве сигнала обратной связи в системе настройки на частоту ПЧ. Переменная составляющая (оги- бающая) фильтруется и поступает в тракт НЧ для обработки и определения девиации частоты. Частотные детекторы на основе линии задержки и фазового дискриминатора характеризуются низким уровнем шумов и поэтому применяются при измерениях шумовой модуляции (рис. 10.5). Исследуемый ЧМ-сигнал непосредственно и через линию задержки поступает на балансный фазовый детектор. Выходной НЧ-сигнал детекто- ра будет периодической функцией фазового сдвига, обусловленного вве- дённой задержкой . При выполнении условия равенства амплитуд сигна- лов на входе детектора U (t) и U (t + ) сигнал на выходе детектора имеет вид Глава 10. Измерение параметров модулированных сигналов 359 вых 0 2 cos 4 U U , (10.39) который может быть аппроксимирован пилообразной характеристикой. Значение вводимой задержки t выбирается из уравнения ω 0 τ / 2 = (2n + 1) π / 4, (10.40) где n = 0, 1, 2. Рис. 10.5. Структурная схема частотного детектора на основе линии задержки и фазового дискриминатора Кроме изложенного выше метода, основанного на демодуляции сиг- нала, применяются и другие, использующие различные свойства модули- рованных сигналов или методы их специальной обработки. Данная глава посвящена измерению параметров модулированных сигналов. Одной из основных тенденций развития радиоэлектронных сис- тем, использующих модулированные сигналы, является непрерывное со- вершенствование их качественных показателей. В значительной мере оно достигается за счет повышения требований к параметрам модулированных сигналов и снижения уровня искажений, вносимых трактами их формиро- вания, передачи и обработки. Необходимость метрологического обеспече- ния разработки, производства и эксплуатации радиоэлектронных систем определяет круг задач по измерению параметров модулированных сигна- лов. Главными из них помимо измерения уровня модуляции считаются вы- сококачественная демодуляции сигнала, т. е. выделение закона модуляции, Схема сложения Фазовый дискриминатор Линия задержки ( ) Схема вычитания Схема вычитания Фазовый дискриминатор Раздел 2. Измерительная техника 360 определение степени соответствия его исходному (заданному) и измерения уровня искажений. Непременным условием при этом является строгая оценка погрешности измерений, от достоверности которой в значительной степени зависит качество создаваемой радиоэлектронной аппаратуры и со- ответствие ее предъявляемым требованиям в процессе эксплуатации. В современной аппаратуре требования к разрешающей способности и погрешности измерений параметров модулированных сигналов состав- ляют от десятых до единиц процентов. Наиболее полно указанные задачи решают специальные средства из- мерений – измерители модуляций, классифицируемые в соответствии с ГОСТ 15094–69 на следующие виды: измерители коэффициента АМ (С2); измерители девиации частоты (С3); комбинированные приборы, со- вмещающие указанные выше функции; измерители модуляции (СК3), уст- ройство и принцип действия которых и будет рассмотрено ниже. Контрольные вопросы 1. Что такое модуляция? 2. Дайте определение модулированного сигнала. 3. Что принято считать модулирующим сигналом? 4. Какие виды модуляции применяются в радиотехнических системах? 5. Перечислите основные параметры модулированных сигналов. 6. Что называется коэффициентом амплитудной модуляции? 7. Что такое девиация частоты? 8. Что принято считать уровнем искажения закона модуляции? 9. Перечислите методы измерения коэффициента амплитудной мо- дуляции. 10. Каким образом коэффициент АМ может быть измерен с помо- щью осциллографа? 11. Как осуществляется измерение коэффициента АМ с помощью анализатора спектра? 12. Поясните сущность метода двойного детектирования. 13. Назовите источники погрешности измерения коэффициента АМ. 14. Перечислите методы измерения девиации частоты. 15. Перечислите особенности измерения девиации частоты с помо- щью электронно-счётного частотомера. 16. Каким образом осуществляется измерение девиации частоты спектральным методом? 17. Где применяется метод двойного детектирования для измерения девиации частоты? Глава 11. Измерительные генераторы 361 Глава 11. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ 11.1. Назначение, классификация, основные требования Среди радиоизмерительных приборов широкое распространение на- ходят измерительные генераторы, которые обеспечивают формирование стандартного сигнала с заданными параметрами. Как средство измерения генератор является мерой, предназначенной для воспроизведения мощности (напряжения), частоты и других парамет- ров формы сигнала определенных размеров. С технической стороны измерительный генератор – экранированный источник электрических сигналов определённой формы, частота, мощность (напряжение) и параметры модуляции которых могут быть фиксированны- ми или регулируемыми в определённых пределах. Пределы регулировки параметров сигнала определяются эксплуатационными характеристиками генератора. К основным техническим характеристикам генераторов отно- сятся: диапазон частот, т. е. интервал между предельными значениями частот генерируемых электрических колебаний, для которых нормируются погрешности их установки; диапазон изменения выходного напряжения (мощности), т. е. ин- тервал между предельными значениями выходных напряжений (мощно- сти) генератора, для которых нормируется погрешность их установки; пределы изменения и отсчета параметра модуляции – это ограни- ченные значения изменения и отсчета параметра модуляции, имеющие нормированные значения точности. Согласно ГОСТ 15094–69 к генераторам относятся. 1. Установки для поверки измерительных генераторов (условное обозначение – Г1), обеспечивающие возможность комплексного определе- ния всех параметров генератора с определенной степенью точности. 2. Генераторы шумовых сигналов (Г2), являющиеся источниками электрических шумовых сигналов, значение спектральной плотности мощ- ности которых или мощность шума в требуемой полосе известны. 3. Генераторы низкочастотных сигналов (Г3), являющиеся источни- ками квазигармонических немодулированных или модулированных сигна- лов инфразвуковых, звуковых или ультразвуковых частот. 4. Генераторы высокочастотных сигналов (Г4), являющиеся источ- никами квазигармонических немодулированных или модулированных сиг- налов высоких и сверхвысоких частот. Раздел 2. Измерительная техника 362 5. Генераторы импульсов (Г5), являющиеся источниками одиночных или периодических видеоимпульсных сигналов, форма которых близка к прямоугольной. 6. Генераторы сигналов специальной формы (Г6), являющиеся ис- точниками одиночных или периодических видеоимпульсных сигналов, форма которых отлична от прямоугольной. 7. Генераторы качающейся частоты (Г8), являющиеся источниками квазигармонических сигналов, частота которых автоматически изменяется в пределах устанавливаемой полосы частот. Одним из основных параметров, определяющим конструктивные особенности генератора, является диапазон генерируемых частот. Класси- фикация измерительных генераторов по диапазону частот приведена в ГОСТ 9788–78 и имеет следующее деление: низкочастотные; высокочастотные; сверхвысокочастотные с коаксиальным выходом; сверхвысокочастотные с волновым выходом. Диапазон частот генератора не всегда укладывается в указанные гра- ницы, в этом случае он должен соответствовать требованиям нормативно- технической документации такого вида генератора, к которому он отно- сится большей частью частотного диапазона по коэффициенту перекрытия: K п = f в / f н , (11.1) где f в и f н – верхняя и нижняя граничные частоты диапазона соответственно. На практике часто требуется воспроизведение формы сигнала с оп- ределенным видом модуляции. По виду модуляции различают генераторы: с амплитудной синусоидальной модуляцией (АМ); частотной синусоидальной модуляцией (FМ); амплитудно-импульсной модуляцией (РМ); частотно-импульсной модуляцией (РТ); однополосной модуляцией (SМ); фазово-импульсной модуляцией ( Т). Каждый вид модуляции имеет соответствующие основные параметры: М – коэффициент модуляции при амплитудной синусоидальной модуляции; Δ – девиация частоты при частотной синусоидальной модуляции; – длительность импульса при амплитудной импульсной моду- ляции; ΔF – сдвиг частоты при частотной импульсной модуляции; Δ – сдвиг фазы при фазовой импульсной модуляции. Глава 11. Измерительные генераторы 363 По этим параметрам принята система условных обозначений по ГОСТ 10501–74, позволяющая определить, какой параметр имеет калибро- ванные значения и соответствует ли ему предел допускаемой основной по- грешности. Например, если генератор имеет предел допускаемой основной по- грешности по установке частоты F 0,2 %, по установке опорного уровня выходного напряжения U 1 дБ, по установке коэффициента амплитудной модуляции АМ 10 %, то условное обозначение класса точности измери- тельного генератора имеет вид F 0,2 U 1 дБ АМ 10 Рассмотрим более подробно измерительные генераторы. 11.2. Генераторы низких частот 11.2.1. Назначение генераторов низкочастотных Генераторы измерительные низкочастотные используются в измери- тельной технике для исследования и настройки измерительной аппарату- ры, низкочастотных каскадов радиоаппаратуры и приборов связи, для сня- тия частотных характеристик усилителей, фильтров и т. п. К низкочастотным генераторам относятся источники электрических синусоидальных немодулированных сигналов частотой от 20 Гц до 300 кГц. Некоторые генераторы выпускаются с расширенным диапазоном частот: вниз до единиц герц и вверх до единиц мегагерц (генератор Г3-112/1 с диапазоном частот от 10 Гц до 10 МГц). Частота и напряжение (мощ- ность) выходных сигналов генератора плавно регулируются в пределах ра- бочего диапазона и отсчитываются (устанавливаются) с гарантированной точностью. 11.2.2. Метрологические параметры генераторов измерительных низкочастотных Основные требования, предъявляемые государственными стандарта- ми к низкочастотным генераторам, сводятся к следующему: обеспечение гарантированной точности установки частоты и уровня выходного напря- жения, стабильности частоты во времени, требуемого уровня мощности выходного сигнала и малого содержания высших гармонических состав- ляющих в выходном напряжении. Удовлетворить одновременно всем этим требованиям по различным причинам не удаётся. Поэтому выпускаются генераторы, отличающиеся высокой точностью установки одного-двух па- раметров выходного сигнала: значения частоты и ее стабильности (Г3-101, Г3-105, Г3-108, Г3-110), или уровня выходного напряжения (Г3-107), или формы кривой (Г3-102). Раздел 2. Измерительная техника 364 Для низкочастотных генераторов установлены частотные (f-параметры) и параметры выходного напряжения (U-параметры). Полный перечень f- и U-параметров обязательно приводится в техническом описании и инст- рукции по эксплуатации каждого генератора. К числу частотных параметров относятся: частота или диапазон частот генерируемых колебаний; число поддиапазонов и их номинальные частоты; погрешность установки частоты по шкале прибора; предел допускаемого изменения частоты при ослаблении уровня выходного сигнала на 10 дБ (для генераторов с калиброванным уровнем выходного напряжения относительно опорного значения); нестабильность частоты при неизменяющихся внешних условиях и напряжении питания; пределы расстройки частоты (если она имеется) и предел допус- каемой основной погрешности установки расстройки частоты. Параметрами выходного напряжения являются: нестабильность уровня выходного напряжения; коэффициент гармоник выходного напряжения; опорное значение выходного напряжения при работе на согласо- ванную нагрузку; основная погрешность установки выходного напряжения; сопротивление нагрузки, которое обеспечивает гарантированный уровень выходного напряжения. Параметры выходного сигнала, влияющие на результат измерения, относятся к метрологическим характеристикам: основная погрешность установки частоты по шкале прибора; предел допускаемой основной погрешности установки расстройки частоты; основная погрешность установки выходного напряжения; погрешность коэффициента деления выходного регулятора (атте- нюатора, делителя) напряжения; коэффициент гармоник выходного напряжения. Нормы, за пределы которых не должны выходить значения парамет- ров, устанавливаются НТД. 11.2.3. Классы точности генераторов Основной эксплуатационной характеристикой низкочастотных гене- раторов является класс точности по частотным параметрам и параметрам выходного напряжения. За индекс класса принимается значение основной погрешности установки частоты и опорного уровня выходного напряжения в процентах. Так, обозначение класса точности f 2 U 4 показывает, что ос- Глава 11. Измерительные генераторы 365 новная погрешность установки частоты и уровня выходного напряжения по шкалам генератора не превышает соответственно 2 и 4 %. Государственным стандартом установлено шесть классов точности отсчета частоты – 0,1; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 и пять классов точности отсчета выходного напряжения – 1,0; 2,0; 2,5; 4,0; 6,0. Стандарт допускает выпуск генераторов более высоких классов точности. При этом индекс класса вы- бирается из ряда K·10 n , где – K = 1; 1,5; 2; 3 или 5, а n – целое число. Так, генератор Г3-110, основная погрешность по частоте которого 3·10 –5 , сле- дует отнести к классу 5 310 f Другие метрологические параметры генераторов: нестабильность частоты, коэффициент гармоник, погрешность ослабления аттенюатора, дополнительные погрешности задания частоты и амплитуды устанавлива- ются НТД и приводятся в техническом описании и инструкции по эксплуа- тации каждого конкретного типа генератора. 11.2.4. Разновидности генераторов измерительных низкочастотных По принципу действия низкочастотные генераторы подразделяются на три группы: RC-генераторы (наиболее многочисленные); генераторы с непрерывным перекрытием диапазона частот (на бие- ниях); генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты (ДКС). Перечень наиболее распространённых генераторов, их основные технические характеристики, тип задающего генератора и отличительные особенности см. в табл. 1.1. |