Каталог радиолюбительских схем

Пассивный режектор для измерения малого коэффициента гармоник

Эдуард Семенов, г. Томск

Предлагаемая методика калибровки популярной программы SpectraLab позволяет метрологически корректно измерять коэффициент гармоник на уровне десятитысячных долей процента доступными средствами - звуковой картой ПК и пассивным RC-мостом.

Традиционный подход к измерению коэффициента гармоник (Кг) меньшего, чем собственный Кг измерительной системы, состоит в подавлении (режекции) частоты основного тона в выходном сигнале исследуемой системы перед подачей на вход измерительной системы и последующем учете степени режекции. Требование малого влияния на амплитуду гармоник делает необходимым выполнение режектора либо активным [1], либо с применением индуктивностей. Однако, применение для наблюдения искаженного сигнала спектроанализатора с возможностью калибровки амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) позволяет не снижать влияние режектора на гармоники до пренебрежимых величин, а учитывать конкретное значение этого влияния. Здесь же возможен учет степени режекции основного тона для корректного вычисления коэффициента гармоник. Это позволяет применить пассивный RC режектор и измерять коэффициент гармоник штатными средствами спектроанализатора, без всяких дополнительных поправок на величину режекции. Преимуществами пассивного режектора являются меньшие собственные нелинейные искажения, шумы и фон. Отсутствие необходимости в источнике питания не усугубляет и без того серьезные проблемы замыкания токов помех, протекающих по общему проводу, через общую сеть питания.

Схема режектора на частоту 1 кГц приведена на рис.1. Если Вы не уверены в качестве применяемых деталей, то лучше ограничиться небольшой степенью режекции. Для сопротивления нагрузки 4,2 кОм (сопротивление микрофонного входа звуковой карты на основе микросхемы CS4235) номиналы элементов следующие: С1=СЗ=0,022 мкФ, С2=0,047 мкФ, R2=4,7 кОм, R1=R3=6,8 кОм; подавление частоты 1 кГц составляет 36 дБ. Использование микрофонного входа карты связано с тем, что после подавления основного тона уровень сигнала оказывается низким (если речь не идет об усилителях мощности). Если Вас не пугает необходимость подстройки номиналов режектора и периодической проверки его АЧХ, то можно увеличить степень подавления до 50 дБ. Для этого номиналы элементов должны быть следующие С1=С3=0,02 мкФ, С2=0,043 мкФ, R2=4,1 кОм, R1=R3=7,6 кОм.

Рис. 1.

Настройка режектора выполняется подстройкой номиналов элементов. Целью настройки является приблизительная установка частоты режекции на 1 кГц. Небольшие отклонения как частоты, так и глубины режекции несущественны - в дальнейшем они будут скомпенсированы калибровкой спектроанализатора.

Калибровка спектроанализатора выполняется так.

1. На вход режектора подается сигнал белого шума (при этом спектральная плотность мощности на выходе режектора будет иметь провал на частоте режекции) и выполняется калибровка спектроанализатора таким образом, чтобы амплитудный спектр данного сигнала отображался как равномерный. Для распространенного программного спектроанализатора SpectraLab это делается следующим образом.

1.1. Измеряется амплитудный спектр белого шума, пропущенного через режектор (рекомендуемые здесь и далее установки спектроанализатора: Decimation Ratio: 1, FFT size: 65536 pts, Averaging Settings: Infinite, Exponential, флажок Peak Hold не устанавливать).

1.2. Полученный график “запоминается” нажатием любой из четырех кнопок Set в области Overlays.

1.3. Последовательным нажатием кнопок Options..., Save... в той же области Overlays запомненный график сохраняется в виде файла. Тип файла нужно изменить с предлагаемого по умолчанию *.ovl на *.mic.

1.4. Через меню Options / Scaling установить флажок Enable Compensation и указать в качестве файла для компенсации файл, сохраненный по п.1.3.

1.5. Выполнить п. 1.1 (только теперь при установленном флажке Enable Compensation), отображаемый амплитудный спектр должен быть плоским.

2. Если Вы хотите, чтобы уровень основного тона отображался спектроанализатором как 0 дБ, выполните следующее.

2.1. Войдите в меню Options / Calibration. Если флажок Enable Calibration уже установлен, временно снимите его (не путать с флажком Enable Compensation, который, конечно, должен быть установлен).

2.2. В меню Options /Scaling установите линейный масштаб по вертикальной оси. Подайте на вход измерительной системы синусоидальный сигнал, который должен быть отображен как 0 дБ. Измерьте уровень сигнала (для глубины режекции 50 дБ и величине сигнала на входе АЦП близкой к максимальной это число будет иметь порядок 10000000).

2.3. В меню Options / Calibration установите следующие параметры: Calibration Signal Parameters: Level: 1, rms; Units: Custom; Display Units and Labels: Log: впишите от руки “dB”; Display Values As: rms; Detected levels: впишите от руки значение, полученное в п. 2.2 (процедуру Measure Input Signal! не выполнять). Флажок Enable Calibration установите. Теперь амплитуды гармоник будут отображены спектроанализатором относительно амплитуды основного тона (в дБ для логарифмического масштаба и в долях единицы для линейного). Необходимость такой нестандартной процедуры калибровки вызвана тем, что при выполнении команды Measure Input Signal! не учитывается компенсационная АЧХ.

На этом этапе полезно оценить наименьшее значение коэффициента гармоник, которое может быть измерено. Для этого непосредственно на вход АЦП звуковой карты, без режектора, подайте синусоидальный сигнал от генератора с коэффициентом гармоник меньшим, чем собственный Кг АЦП (например, для карт на основе микросхемы CS4235 это около 0.005%), компенсация по п. 1.4 должна остаться по-прежнему включенной. Отображаемый при этом утилитой спектроанализатора Кг (Utilities / Total Harmonic Distortion) и является наименьшим значением коэффициента гармоник, которое может быть измерено при помощи данной звуковой карты и режектора. Для карты на основе CS4235 и глубины режекции 50 дБ это 0,00006% (рис.2). Для глубины режекции 36 дБ результаты, естественно, несколько хуже (0,0005%).

Теперь на вход измерительной системы через режектор можно подавать сигнал от исследуемой системы и измерять коэффициент гармоник непосредственно утилитой спектроанализатора, никакой дополнительной коррекции результатов не требуется.

В дальнейшем следует периодически выполнять пункт 1.5 и при значительной неравномерности спектра повторять пп. 1.2-1.4.

Для устройств с очень низкой нагрузочной способностью, возможно, следует иметь в виду входное сопротивление режектора. Нагрузка на исследуемое устройство определяется сопротивлением режектора на частоте 1 кГц, поскольку сигнал на остальных частотах создается только искажениями и шумами, величина которых много меньше. Модуль импеданса режектора на частоте 1 кГц составляет 6 кОм.

Литература

1. Е. Лукин. Комплекс для измерения сверхнизких нелинейных искажений // Радиохобби. 2000. №2. с. 40-42.

2. Е. Музыченко. Программные анализаторы спектра // Радиохобби. 1998. №6. с. 32-34, 1999. №1. с. 38-39.

РадиоХобби 2/2002, с. 61-62.