Теоретическая часть. Частота электрических колебаний, как и любая физическая величина, может быть измерена методом сравнения или методом непосредственной оценки

Частота электрических колебаний, как и любая физическая величина, может быть измерена методом сравнения или методом непосредственной оценки.

Методом непосредственной оценки частоту электрических колебаний измеряют частотомерами - приборами, показания которых являются функцией частоты подводимых к ним колебаний. Имеется значительное разнообразие принципов, положенных в основу работы приборов, разнообразие схем, вызванные различными диапазонами частот и допустимыми погрешностями.

В тех случаях, когда не требуется проводить измерения с высокой точностью, можно использовать простые конденсаторные частотомеры типа 43-7.

Здесь, измерение частоты производится методом заряда и разряда конденсатора (рисунок 1).

Если переключатель К перебрасывает свои концы с измеряемой частотой и конденсатор успевает зарядиться и полностью разрядиться за один период, то количество электричества при заряде q = СЕ равно количеству электричества, прошедшего через гальванометр q = 1/ Fx, отсюда Fx = 1/СЕ, следовательно, гальванометр можно проградуировать в единицах частоты.

Рисунок 1.

Более высокую точность дает электронно-счетный частотомер. Он основан на измерении отсчета числа периодов измеряемой частоты (f) за известный промежуток времени:

f=n/At

Блок схема такого частотомера представлена на рисунке 3.

Колебания частотой (f), подаются на вход формирующего устройства (ФУ1), преобразующего эти колебания в импульсы определенных постоянных параметров, при которых частота следования сформированных импульсов остается равной частоте входного сигнала. Затем импульсы подаются на вход нормального закрытого селектора (С). Селектор открывается сигналом, поступающим от кварцевого генератора (КГ) через формирующее устройство (ФУ 2). При этом длительность импульсов регистрируется счетчиком (С).

Рисунок 2

Где БКК - блок калиброванных конденсаторов;

Rhi - шунты к гальванометру

ИП - источник стабилизированного питания;

ЭК - электронный коммутатор, где производится переключение конденсатора на заряд и разряд с частотой Fx;

ПРУ - предварительный каскад усиления;

ОФУ - ограничительно - формирующее устройство, обеспечивающее на выходе постоянную амплитуду, независящую от уровня на входе.

Таким образом, на счетчик поступают импульсы только в течение интервалов времени, задаваемых кварцевым генератором. Для получения этого интервала кварцевый генератор дополнительно оборудован делителями частоты.

При измерении низких частот продолжительность сигнала становится недопустимо большой. Этот недостаток устраняется, если измерять не частоты колебаний, а их периоды.

Измерение периода колебаний счетчиков импульсов так же, как и измерение частоты основано на сравнении неизвестного периода входного сигнала с известным периодом образцового сигнала. Различие состоит в том, что длительность счета в данном случае задается периодами, создаваемыми не кварцевым генератором, а периодами сигнала измеряемой частоты. Счету подвергаются импульсы, сформированные из колебании образцового кварцевого генератора.

Исследуемые колебания подаются на вход ФУ 1, в котором формируется импульс, открывающий селектор. Длительность полученного импульса соответствует одному или нескольким периодам входного сигнала. Счету подвергаются импульсы, сформированные из колебаний кварцевого генератора в ФУ2 и прошедшие через сигнальный селектор за время, определяемое измеряемым периодом.

Рисунок 3

В основе построения формирующих устройств лежат триггеры. Путем дифференцирования входного сигнала получают остроконечные импульсы с параметрами, мало зависящими от входных сигналов.

Селектор обычно представляет собой схему «И». Схема счетчика строится по декадному принципу, Электронно-счетные частотомеры позволяют измерять частоту электрических колебаний, ввести счет этих колебаний, измерение периода синусоидальных колебаний и выдачу напряжений образованных частот. Диапазон измеряемых частот от 10кГц до 10гГц и пределами длительности импульсов от 10^Л3 до 10^л5 с точностью до 10^л-6-10^л-7.

Методы сравнения включают в себя: измерение при помощи осциллографа по фигурам Лиссажу, с помощью круговой, спиральной и других разверток; измерение при помощи кварцевого калибратора частоты; измерение методом «биений» частот.

В проводной связи применяют в основном методы сравнения, среди которых часто используются осциллографический с фигурами Лиссажу и круговой развертки, а также «биений» частот. Эти способы применяются при синхронизации генераторного оборудования передающей и приемной станции систем уплотнений линий связи, а также синхронизации генераторного оборудования стоек СУГО-1 и СУГО-11.

Для измерения частоты с помощью фигур Лиссажу исследуемый сигнал с частотой fx подается на вход «X» осциллографа, а сигнал от образцового генератора с частотой fo на вход «У». Тогда в зависимости от амплитуды, частоты и фазы этих сигналов световое пятно на экране осциллографа будет двигаться по различным путям, изображая различные фигуры (фигуры Лиссажу). Схема соединения приборов приведена на рис.4. По виду этих фигур и определяется кратность частот исследуемых сигналов.

Рисунок 4

При кратностях частот сигнала 1:8 и выше, лучше использовать круговую развертку.

Рисунок 5

Для этого сигнал образцового генератора с частотой fo необходимо подать на вход «X» и «У» осциллографа со сдвигом фаз на 90°. Тогда на экране осциллографа появится круг. Если теперь на модулирующий вход осциллографа (вход Z) подать исследуемый сигнал с частотой fo, то во время отрицательного полупериода этого сигнала электроннолучевая трубка будет заперта. В результате этого круг получается пунктирным. По количеству полученных меток. определяется кратность частоты исследуемых сигналов. При точном совпадении отклонений частот друг от друга метки будут медленно вращаться. Количество оборотов в секунду представляет собой разностную частоту. Эту частоту можно измерить считая число оборотов фигуры, отмечая время по секундомеру. В технике многоканальной связи точность соответствия частот должна лежать в пределах 2Гц.

Метод круговой развертки дает возможность уверенного измерения столь малых расхождений частот генераторного оборудования при кратности исследуемых процессов до 1:60.

Метод биений используется в области низких частот.

Момент совпадений частот»биений» выражающихся в появлении и пропадании звука. При точном совпадении частот частота биений равна нулю и звука в телефоне не слышно. Этот метод применяют для синхронизации генераторного оборудования аппаратуры систем уплотнения, когда с канала связи подается сигнал измерительной частоты (800Гц), на приемном конце канал в четырехпроводном тракте соединяется «шлейфом», а на приемном измеряется частота «биений».

Рисунок 6

В условиях лаборатории, для приобретения навыков подстройки частоты расхождения генераторов, можно использовать два измерительных генератора, считая, что первый генератор является генератором несущих передающий сигнал станции, второй - приемной станции. Определение погрешности шкалы одного из генераторов и будет равноценно определению частоты расхождения в реальных условиях.

Нелинейные искажения возникают из-за нелинейной зависимости выходного напряжения от входного или тока от напряжения в элементах систем передачи (дио­дах, транзисторах, катушках индуктивности и т. д.). Эти искажения изменяют форму сигнала и вызывают появление гармонических составляющих, отсутствующих в ис­ходных сигналах.

Зависимость между входным и выходным напряжениями четырехполюсника может быть выражена степенным полиномом

u_вых = а₀ + а₁ и_вх + а₂и_вх² + а₃и_вх³ +... (5.1)

Если входное напряжение состоит из суммы гармонических колебаний то выходное напряжение, кроме исходных частотных составляющих ω_i, то будет содержать составляющие с кратными частотами k ω_i (гармоники), а также комбинационные продукты, определяемые суммами и разностями кратных частот ис­ходных сигналов. В общем случае частоты составляющих выходного напряжения

где т, п, р = 0, 1, 2, 3...

Порядком составляющей называется сумма коэффициентов

q= \m\+ +|п|+|р| +.... Порядок составляющих определяется степенями учитываемых членов полино­ма (4.1). Так, член полинома второй степени порождает продукты нелинейности второго порядка, называемые иногда квадратическими: вторые гармоники 2 ω₁, 2 ω₂, 2 ω₃,..., парные комбинационные составляющие ω₁± ω₂, ω₁± ω₃, ω₂±ω₃,... Член по­линома третьей степени определяет появление составляющих третьего порядка (кубических): третьих гармоник 3 ω₁, 3 ω₂, 3 ω₃,,..., парных составляющих вида 2ω₁±ω₂, 2ω₂±ω_1,2ω₃±ω₁,.., а также тройных составляющих ω₁± ω₂±ω₃…

Амплитуды гармоник и комбинационных составляющих определяются соответствующими коэффициентами членов полинома и их степенью.

Из-за нелинейных искажений в групповых и линейных трактах систем передачи с ЧРК возникают переходные влияния между каналами. Для их оценки приходится измерять весьма малые соотношения амплитуд продуктов нелинейности и образующих сигналов 10^­5 — 10^­6, а иногда и менее.

Для оценки нелинейных искажений в основном используют три метода - по гармоникам, комбинационным составляющим и с помощью шумовых сигналов.

При измерениях продукты нелинейности, по которым оценивается нели­нейные искажения, должны быть в пределах рабочей полосы частот измеряемо­го объекта.

Измерение нелинейных искажений по гармоникам. Нелинейные искаже­ния измеряют по гармоникам при передаче одночастотного сигнала, если отно­шение граничных частот измеряемого объекта (ИО) f_B/f_H > 3٪5. При этом на вы­ходе ИО, кроме исходного сигнала с частотой со и амплитудой U_b возникают выс­шие гармоники с частотами 2ω₁ Зω₁... и убывающими амплитудами U₂, U₃...

Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейности, %,

или коэффициентом гармоник, %,

В технике проводной связи нормируют и измеряют коэффициенты нели­нейности по отдельным гармоникам (в основном по второй и третьей), %,

или затухание нелинейности по соответствующим гармоникам, дБ,

(5.2)

Структурная схема измерения нелинейных искажений при одночастот-ных сигналах приведена на рис. 7. Генератор ЯГ должен иметь к_г на порядок меньше измеряемого. Если это условие не удовлетворяется, то на его выходе включает­ся измерительный ФНЧ, обеспечивающий необходимое подавление высших гармоник.

Рисунок 7 - Схема измерения нелинейных искажений

по гармоникам

Измеряемый объект ИО должен быть нагружен на соответствуещее рабочим условием сопротивление R_h. Для измерения К_н удобнее всего использовать измеритель нелинейных искажений. При определении суммарного Кг, а также Кг по отдельным гармоникам, напряжении или уровни гармонических колебаний измеряют анализаторами напряжений АН или избирательными измирителями уровня ИИУ с узкой полосой и высокой избирательностью.

Измерение нелинейных искажений по комбинационным составляющим. Измерение НИ по комбинационным составляющим второго и третьего порядков выполняют при передаче двух или трех гармонических сигналов с равными частотами - f1 и f2 или f1,f2,f3. Эти сигналы называют образующим.

По схеме (рис.8) реализуются специализированные рабочие места для измерения НИ усилителей для линейных и групповых трактов, линейных трактов без применения оконечного оборудования. Для измерения двухчастотными сигналами включаются два генератора с частотами fi и f2, a при измерении трехчастотными сигналами- три с частотами fi,fc и f3. Частоты генераторов устанавливают из такого расчета, чтобы обеспечить заданную условиями измерений (ТУ на усилители) частоту комбинационной составляющей. Суммирующее устройство (из активных сопротивлений) исключает взаимные влияния генераторов ИГ и обеспечивает требуемое выходное сопротивление эквивалентного двух- или трехчастотного генератора. Измеряемый объект ИО нагружается на соответствующее рабочим условиям сопротивление R_h.

Рис 8 Схема измерения нелинейных искажений по комбинационным составляющим.

При измерении затуханий нелинейности более 60-70 дБ избирательный измеритель уровня ИИУ включается через измерительный полосовой фильтр ИПФ, пропускающий колебания измеряемой комбинационной составляющей. В этом случае входное сопротивление фильтра является нагрузкой ИО должно быть равно требуемому Rг.

Нелинейные искажения ЛТ 60- канальных систем передачи можно измерять по гармоникам, что исключает влияние нелинейности первичных и вторичных ГТ. Образующий канал при этом выбирают так, чтобы гармоники были в верхней части линейного спектра.

Для того чтобы исключить влияние линейных переходов при измерении НИ по комбинационным составляющим, в образующие каналы передаются токи разных тональных частот с таким расчетом, чтобы продукт нелинейности имел отличающуюся от них частоту. Например, при измерениях по комбинационной составляющей 2f1-f2 в канале K₁ подается сигнал частотой 800 Гц, а в канал К2- сигнал частотой 600 Гц. В канале Кз ИИУ измеряется ток частотой fc3=2*800-600=1000 Гц. Если в условиях измерений не оговорено другое, то уровень образующих сигналов принимают равным 0дБМО.

Рис 9 Схема измерения нелинейных и собственных помех с помощью шумового сигнала.

Измерение нелинейных искажений шумовыми сигналами. Генератор шума ГШС генерирует колебания со сплошным спектром и постоянной спектральной плотностью G(f) в необходимом широком диапазоне частот(«белый шум»). Ограничивающий фильтр ОФ, содержащий ФНЧ и ФВЧ, формирует соответствующую измеряемому объекту полосу частот ΔF. Через выходное устройство ВУ, обеспечивающее требуемые выходное сопротивление и уровень, шумовой сигнал подается на вход измеряемого объекта ИО.

При включении режекторного фильтра ПЗФ в спектре шумового сигна­ла подавляется полоса частот, несколько большая полосы канала ТЧ (рис. 10, б):

Рисунок 10 - Спектры при измерениях нелинейных и собственных

помех с помощью шумового сигнала

С выхода ИО через входное устройство ВхУ шумовой сигнал поступает на вход полосно-пропускающего фильтра ППФ, полоса пропускания которого равна полосе канала ТЧ Δf. Уровень мощности ШС на выходе ППФ измеряется измери­телем уровня ИУ с квадратич'еским детектором. Установка содержит 3 - 5 пар ПЗФ - ППФ с полосами запирания - пропускания, распределенными в полосе ΔF рабочих частот ИО. При выключенном ПЗФ измеряется уровень мощности ШС р_шк вполосе Δf ППФ (рис. 10, в). При включении ПЗФ в этой же полосе измеряет­ся суммарный уровень р _шсмощности собственных помех Р_сп и мощности по­мех, обусловленных нелинейными искажениями Р_шн (рис. 10, г). При выключе­нии ГШС измеряется уровень р_са мощности собственных помех в полосе кана­ла. Уровень мощности нелинейных помех, дБм,

По полученным значениям определяют защищенность канала от сум­марных и нелинейных помех, дБ, соответственно А_зс = р_шк - р_сп и А_зн⁼ р_шкр_шн»

Связь между нормами на нелинейные искажения при синусоидальных сигналах и ШС отсутствует. Поэтому измеренные уровни р_шс, р_сп, р_ши приводят, к ТНОУи пересчитывают в соответствующие мощности Р_шс, P_cn u Р_шн. Полученные мощности сопоставляют с допустимыми.

Анализ спектра сигналов. В устройствах связи протекают электрические процессы, имеющие специфический характер. Реальный сигнал как физический объект аналитического и практического исследований достаточно сложен. Чтобы провести анализ прохождения сигнала через электрические цепи, необходимо его представить в удобной математической форме. В теории сигналов широкое приме­нение нашли два способа математического и физического представления электриче­ских сигналов: временной и спектральный. При временном способе анализа сигнал отражают непрерывной функцией времени или совокупностью элементарных импуль­сов, следующих друг за другом через определенные интервалы времени. Спектраль­ный способ основан на представлении (аппроксимации) сигнала в виде суммы гармо­нических составляющих разных, обычно кратных друг другу частот.

Анализ процессов в электрических цепях главным образом зависит от слож­ности формы поступающих на них сигналов. В этих случаях часто становится эф­фективным спектральное представление сигналов. Фундаментальная идея такого представления принадлежит Ж. Фурье. Для периодических сигналов Фурье ввел раз­ложение по различным видам рядов - тригонометрическим, гармоническим, ком­плексным и т.д. Фурье также доказал, что непериодические (импульсные) сигналы можно описать с помощью двух его преобразований - прямого и обратного.

Анализ спектра включает определение как амплитуд гармоник (спектра ам­плитуд), так и их начальных фаз (спектра фаз). Однако для многих практических за­дач достаточно знать лишь спектр амплитуд. Поэтому под анализом спектра приня­то понимать определение амплитуд гармоник исследуемого сигнала.

Автоматическое представление спектра сигналов осуществляют специальны­ми приборами - анализаторами спектра.

Анализаторы спектра электрических сигналов классифицируют следующим образом:

• по способу анализа - последовательные, параллельные (одно временные) и смешанные;

• по диапазону частот низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкодиапазонные.

Основными характеристиками анализаторов являются: разрешающая способ­ность, время анализа и погрешности измерения частоты и амплитуды.

Для спектрального анализа непериодических сигналов (функций) используют аппарат интегрального преобразования Фурье.

Спектр характеризует частотное распределение сигналов, и он может быть оп­ределен следующими соотношениями:

С выхода нормирующего преобразователя НП (рис. 11) реализация случайно­го процесса x_t(t) поступает в блок преобразования Фурье Ф. Затем в блоке K_вx_iTft) возводится в квадрат и нормируется с учетом интервала усреднения Т.

Рисунок 11 - Схема анализатора спектра сигнала

Через устройство сопряжения УС сформированный сигнал поступает на циф­ровой измерительный прибор ЦИП и в регистратор РП.

К таким анализаторам случайных процессов можно отнести многофункцио­нальный статический преобразователь типа Ф790, корреллометр типа Ф7016, ком­плекс измерения характеристик случайных сигналов типа Х6-4/а, многофункциональные измерители вероятностных характеристик типов Ф36 и Ф37, анализаторы! спектра типов Ф4226, Ф4227, Ф7058 и др. Этими приборами можно измерять матема­тическое ожидание и дисперсии, а также функции распределения вероятности, кор­реляционных и спектральных функций с последующим восстановлением самих функций. Названные анализаторы рассчитаны на унифицированный входной сигнал и могут измерить от 256 до 4096 ординат анализируемой функции. Для определения вероятностных характеристик* можно использовать гг приборы, измеряющие среднее1 и действующее значения сигналов. Для определения действующего значения применяют; магнитоэлектрические и цифровые интегрирующие приборы, а среднего квадратичного отклонения - приборы, показания которых определяются действующим значением сигнала (термоэлектрические, электростатические).

1.4 Содержание отчета

1.Наименование и цель занятий

2. Основные методы измерений нелинейных искажений сигналов

3. Схемы измерителей нелинейных искажений с кратким описанием

4 Методы анализа спектра сигналов, схема анализатора спектра с описанием

5.Ответы на контрольные вопросы

1.5 Контрольные вопросы:

1. Отчего возникают нелинейные искажения в устройствах связи?

2. Какие схемы существуют для измерений нелинейных искажений?

3. Как измеряется нелинейность групповых и линейных трактов связи ЧРК?

4. Принцип действия измерителя нелинейных искажений с помощью шумовых сигналов?

5. С помощью, каких приборов производится анализ спектра сигналов?

6. Как различают измерительные генераторы в зависимости от формы выходного сигнала?

7. Как подразделяют генераторы по частотным характеристикам?

8. Каковы условия самовозбуждения генератора гармонических ко­лебаний? Какими методами их реализуют?

9. Каковы методы создания генераторов инфранизких частот?

10. В чем особенности конструирования СВЧ-генераторов?

11. Какова упрощенная функциональная схема цифрового измерительного генератора?

12. Какие физические явления могут быть положены в основу создания шумовых генераторов?

13. Какие требования предъявляют к форме сигнала импульсного ге­нератора?

14. Для чего используют генераторы шумоподобных сигналов?

15. Для каких целей используют стандарты частоты?

16. Ha каких принципах строят схемы синтезаторов частоты?