Измерители амплитудно-частотных характеристик

В телекоммуникационных системах часто используются линейные четырехполюсники (линейные цепи), важной характеристикой которых является частотный коэффициент передачи (проще, коэффициент передачи). Коэффициент передачи цепи определяют как отношение комплексных амплитуд выходного U_вых(jщ) = U_вых и входного U_вх(jщ) = U_вх гармонических напряжений одной частоты щ:

(32).

Напомним, что модуль коэффициента называют АЧХ, а аргумент ц (щ) — фазочастотной характеристикой (ФЧХ) четырехполюсника.

В области некоторой полосы частот отклик линейного четырекполюсника на входное воздействие практически всегда начинает уменьшаться. В связи с этим используют понятие «полосы пропускания» (рабочей полосы) — области частот, где модуль коэффициента передачи К(щ) становится не менее своего максимального значения. Полоса пропускания линейного четырехполюсника заключена в области от нижней щ_н до верхней щ_в частоты, и поэтому ее ширина составляет:

Дщ₀ =щ_в — щ_н.

При практических расчетах используют не круговую частоту щ, а циклическую частоту f. При этом полоса пропускания линейного четырехполюсника:

Дf_o = f_в — f_н,.

где f_в — верхняя, а f_н — нижняя граничные циклические частоты.

Приборы для исследования (точнее — снятия) АЧХ позволяют снимать кривую зависимости амплитуды напряжения на выходе цепи от частоты синусоидального напряжения на входе при постоянной его амплитуде. При исследовании ФЧХ определяют частотную зависимость разности фаз между синусоидальными напряжениями на выходе и входе исследуемого устройства.

Измерительные приборы для исследований АЧХ линейных цепей и устройств называют измерителями АЧХ. Их широко используют для настройки и контроля радиоаппаратуры, в частности усилителей и радиоприемников.

Структурная схема измерителя АЧХ линейных цепей приведена на рис. 12, а. Диапазонный генератор гармонических колебаний перестраивают в исследуемом диапазоне частот. Амплитудно-частотную характеристику удобно снимать с помощью цифрового вольтметра по точкам при последовательной настройке генератора на частоты f₁ f₂ f₃ и т. д. По результатам измерений графически строят искомую АЧХ (рис. 12, б). Этот метод достаточно трудоемок. Кроме того, могут быть упущены изменения АЧХ в промежутках между точками измерений. Недостатки метода особенно заметны при настройке радиотехнических схем, когда после каждого изменения элементов схемы всю процедуру снятия АЧХ приходится повторять.

Рисунок 12. К методу снятия АЧХ по точкам: а — структурная схема измерителя; б — графическое построение АЧХ.

Широкое применение находят панорамные измерители АЧХ с электронно-лучевым или современным дисплеем, построенные на основе генератора качающейся частоты и цифровой схемы управления и настройки. По принципу действия панорамные измерители близки к гетеродинным анализаторам спектра. Однако между этими приборами имеются и различия, связанные с тем, что анализаторы спектра служат для измерения параметров сигналов, а измерители АЧХ — для исследования характеристик цепей и устройств.

Рисунок 13. Структурная схема панорамного измерителя АЧХ.

Структурная схема панорамного измерителя АЧХ приведена на рис. 13. Основой прибора является ГКЧ, создающий высокочастотное напряжение с периодически меняющейся частотой. Закон изменения частоты определяется формой модулирующего напряжения, в качестве которого используют пилообразное напряжение развертки. Огибающая напряжения на выходе цепи повторяет форму АЧХ. Если это напряжение подать на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ, то на экране появится изображение АЧХ.

Напряжение на индикатор можно подавать непосредственно с выхода исследуемой цепи — режим первый или после детектора и усилителя низкой частоты — режим второй (ключ на рис. 13 в положениях 1 или 2 соответственно). Соответствующие изображения на экране дисплея приведены на рис.

Рисунок.

Первый режим применяют тогда, когда напряжение на выходе линейной цепи имеет достаточно большую амплитуду. Этим устраняют ошибки, связанные с нелинейностью характеристики детектора и неравномерностью АЧХ усилителя низкой частоты. Второй режим используют при исследовании четырехполюсников с малым коэффициентом усиления.

Показанная на рис. 14 горизонтальная линия на экране индикатора прочерчивается автоматически во время обратного хода луча. Генератор качающейся частоты на это время запирают напряжением генератора развертки.

Применяемые измерители АЧХ линейных цепей кроме элементов, показанных на рис. 13, имеют ряд дополнительных устройств, повышающих точность воспроизведения исследуемых АЧХ на экране дисплея и улучшающих ряд других свойств прибора. Назначение этих устройств нетрудно пояснить на примере структурной схемы панорамного измерителя АЧХ (рис. 15).

Согласно принципу действия измерителя АЧХ, отклонение электронного луча на экране дисплея по горизонтали должно быть пропорционально частоте, т. е. в схеме необходимо обеспечить линейную зависимость между мгновенными значениями напряжения развертки и частоты ГКЧ. Отклонения указанных параметров от линейной зависимости может привести к неравномерности частотного масштаба на экране панорамного измерителя и искажениям формы исследуемых АЧХ. Для устранения недостатка, в измеритель АЧХ вводится схема линеаризации модуляционной характеристики ГКЧ. Однако качание частоты может сопровождаться изменением амплитуды выходного напряжения, что приведет к искажениям формы исследуемых АЧХ на экране дисплея. Поэтому в данном измерительном приборе предусмотрено устройство автоматической регулировки амплитуды (на рис. 15 не показано), стабилизирующее напряжение на выходе ГКЧ.

Чтобы изменить напряжение, подаваемое на исследуемую цепь, на выходе ГКЧ включен переменный калиброванный аттенюатор. Измерение частот в характерных точках исследуемых АЧХ производят с помощью генератора частотных меток. Как правило, метки формируют из нулевых биений, полученных смешением напряжения ГКЧ с напряжением, спектр которого содержит набор калибровочных частот. Усиленное напряжение меток подается на дисплей и образует частотную шкалу на экране измерительного прибора.