ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТ НА ЭКРАНЕ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ АЧХ

Лекция №21. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ АЧХ.

Приборы для исследований амплитудно-частотных характеристик цепей и устройств называют измерителями АЧХ. Их широко используют в лабораторных и производственных условиях для настройки и контроля радиоаппаратуры.

Простейшая структурная схема для измерения АЧХ приведена на рисунке 59, а. Диапазонный генератор синусоидальных колебаний перестраивают в заданном диапазоне частот. АЧХ или зависимость амплитуды напряжения на выходе исследуемой цепи от частоты (при постоянной амплитуде напряжения на входе) снимают по точкам при последовательной настройке генератора на частоты f₁, f₂, f₃ и т. д. По результатам измерений строят искомую АЧХ (рисунок 59, б).

Описанный способ весьма трудоемок. Кроме того, могут быть упущены изменения АЧХ в промежутках между точками измерений. Недостатки этого способа особенно заметны при настройке радиосхем, когда после каждого изменения элементов схемы всю процедуру снятия АЧХ приходится повторять.

В настоящее время широко применяют панорамные измерители АЧХ, построенные на основе генератора с качающейся частотой и электронно-лучевого индикатора. Использование этих приборов существенно уменьшает время измерения параметров АЧХ, повышает качество настройки радиосхем. По принципу действия панорамные измерители АЧХ близки к гетеродинным анализаторам спектра, рассмотренным ранее. Однако между этими приборами имеются и различия, связанные с тем, что анализаторы спектра предназначены для измерения параметров сигналов, а измерители АЧХ служат для исследования характеристик цепей и устройств.

Упрощенная структурная схема панорамного измерителя АЧХ приведена на рисунке 60. Основой прибора является генератор качающейся частоты (ГКЧ), вырабатывающий высокочастотное напряжение с постоянной амплитудой и периодически меняющейся (качающейся) частотой. Закон изменения частоты определяется формой модулирующего напряжения, в качестве которого часто используют пилообразное напряжение развертки. Таким образом, на вход исследуемой цепи подают напряжение с постоянной амплитудой и периодически меняющейся частотой. Огибающая напряжения на выходе цепи повторяет форму АЧХ. Если подать это напряжение на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ, на экране появится изображение АЧХ.

Напряжение на ЭЛТ можно подавать непосредственно с выхода исследуемой цепи – режим 1 или после детектора и усилителя – режим 2 (переключатель на схеме рисунка 60 в положениях 1 или 2). Соответствующие изображения на экране ЭЛТ приведены на рисунке 61. Первый режим применяют в тех случаях, когда напряжение на выходе цепи имеет достаточно большую амплитуду. При этом устраняются ошибки, связанные с нелинейностью характеристики детектора и неравномерностью АЧХ низкочастотного усилителя. Второй режим используют при исследовании цепей с малым коэффициентом передачи. Показанная на рисунке 60 нулевая линия прочерчивается во время обратного хода луча. ГКЧ на это время запирают.

Современный измеритель АЧХ кроме узлов, показанных на рисунке 60, имеет ряд дополнительных устройств, повышающих точность воспроизведения исследуемых АЧХ на экране и улучшающих эксплуатационные свойства прибора (рисунок 62). Поясним назначение этих устройств.

Из принципа действия измерителя АЧХ следует, что отклонение луча по горизонтали должно быть пропорционально частоте, т. е. должна иметь место линейная зависимость между мгновенными значениями напряжения развертки и частоты ГКЧ. Отклонения от линейной зависимости приводят к неравномерности частотного масштаба на экране прибора и к искажениям формы исследуемых АЧХ. Для устранения этого в измеритель АЧХ вводят схему линеаризации модуляционной характеристики ГКЧ. Качание частоты сопровождается обычно изменением амплитуды напряжения ГКЧ, что также приводит к искажениям формы исследуемых АЧХ на экране. Поэтому в приборе имеется устройство автоматической регулировки амплитуды (АРА), стабилизирующее напряжение на выходе ГКЧ.

Для изменения напряжения, подаваемого на исследуемую цепь, на выходе ГКЧ включают калиброванный переменный аттенюатор. Измерение частот в характерных точках исследуемых АЧХ производят с помощью генератора частотных меток. Как правило, метки формируют из нулевых биений напряжения ГКЧ с напряжением, спектр которого содержит набор калибровочных частот. Усиленное напряжение меток подается на ЭЛТ и образует частотную шкалу на экране прибора. Измеритель АЧХ комплектуют выносными и встроенными детекторными головками различного назначения.

Измерение частот на экране измерителей АЧХ. При исследовании амплитудно-частотных характеристик возникает необходимость измерения частот и частотных интервалов, соответствующих характерным точкам изображения на экране измерителя АЧХ. Эти измерения выполняют с помощью частотных меток, неподвижных или подвижных. Чаще всего используют неподвижные равноотстоящие частотные метки. Их формируют из нулевых биений напряжения ГКЧ с напряжением, спектр, которого содержит набор постоянных калибровочных частот.

Сущность этого способа поясняется структурной схемой, приведенной на рисунке 63. Напряжение от генератора с повышенной стабильностью частоты (обычно кварцевого) подают на усилитель гармоник, представляющий собой усилитель-ограничитель с индуктивной нагрузкой. Его режим работы подбирают так, чтобы получить достаточно большое число гармоник (калибровочных частот) на выходе. На смеситель поступают напряжение ГКЧ с частотой, меняющейся во времени по определенному закону, и напряжение с выхода усилителя гармоник. Нулевые биения образуются при равенстве частоты ГКЧ соответствующим калибровочным частотам.

Напряжение нулевых биений выделяют фильтром нижних частот. Как правило, для этого используют RC-фильтры с очень низкой частотой среза. Увеличение частоты среза приводит к расширению меток на экране. Усиленное напряжение меток подается на ЭЛТ и образует частотную шкалу на экране прибора. Интервал между двумя соседними метками равен частоте кварцевого генератора. Для изменения масштаба частотной шкалы на экране (интервалов между метками) используют умножители и делители частоты.

Рассмотренный способ образования – частотных меток применяют в широкополосных измерителях АЧХ. При исследовании узкополосных устройств, в частности колебательных контуров, удобно пользоваться подвижными частотными метками. Структурная схема генератора трех подвижных меток приведена на рисунке 64, а. Диапазонный ВЧ-генератор с частотой f₁ модулируют по амплитуде напряжением с частотой f₂ от диапазонного НЧ-генератора. Напряжение с выхода ВЧ-генератора подают на смеситель. Таким образом, на смеситель поступают – колебания частот ; , и напряжение ГКЧ с частотой, меняющейся во времени. Частотные метки формируют фильтром нижних частот из нулевых биений между указанными колебаниями и напряжением ГКЧ. Меняя настройку ВЧ- и НЧ-генераторов, совмещают метки с характерными точками исследуемой АЧХ (рисунок 64, б). Частоты определяют по шкалам генераторов.

Точность измерения частот на экране измерителя АЧХ можно повысить, используя напряжение развертки линейно-ступенчатой формы (рисунок 65). В момент времени, соответствующий началу ступеньки, останавливаются частота ГКЧ и электронный луч. На исследуемой амплитудно-частотной характеристике появляется подсвеченная точка, яркость которой определяется длительностью ступеньки.

Частоту измеряют за время ступеньки цифровым частотомером. Для запуска частотомера используют импульсы, совпадающие по времени с началом ступеньки. Перемещая ступеньку и соответственно подсвеченную точку на экране, измеряют частоты, характеризующие исследуемую АЧХ.

Линейно-ступенчатое напряжение формируют с помощью специальных импульсных схем. Длительность ступеньки определяется временем счета частотомера, т. е. временем измерения частоты.

Рассмотренный способ позволяет измерять частоты с высокой точностью, однако требует существенного увеличения периода развертки и использования ЭЛТ с длительным послесвечением, что ограничивает его применение.