Определить динамический диапазон по напряжению

Что такое динамический диапазон, и какие бывают его разновидности?

Односигнальный динамический диапазон по блокированию, Динамический
диапазон по перекрёстным помехам, Динамический диапазон по интермоду-
ляции.

В широком понимании радиотехнической мысли динамический диапазон — это характеристика устройства, выполняющего функцию передачи или преобразованию сигнала, представляющая собой отношение максимального и минимального возможных величин входного сигнала и выраженное в децибельной (логарифмической) единице измерения.

Другими словами — динамический диапазон определяет способность устройства: с одной стороны видеть на выходе обработанный слабый (наименьший) входной сигнал, с другой — обрабатывать сигналы большого уровня с заданным уровнем искажений на выходе.

Нижнюю границу входного сигнала, как правило, определяет чувствительность устройства (не путать с чувствительностью усилителя, при которой достигается номинальная мощность), которая указывает на способность объекта реагировать определённым образом на определённое малое воздействие.
Верхнюю — параметр, называемый точкой децибельной компрессии и равный такой мощности сигнала на входе, при котором отличие изменения уровня мощности на выходе от асимптотической линейной характеристики составляет величину — 1 dB.

А поскольку в последнюю фразу без пол-литра не въедешь, приведу рисунок.

Рис.1

На Рис.1 красным цветом изображена идеальная линейная (асимптотическая) кривая.
Синим — реальная выходная характеристика нашего устройства.
В качестве входных и выходных значений — величины мощностей, соответственно, на входе и выходе.

Пока обе линии располагаются в непосредственной близости друг от друга — всё хорошо, устройство находится в линейном режиме. Как только расхождение выходного параметра от идеальной кривой достигает 1дБ (в нашем случае соответствует уровню входного сигнала -10дБ) — всё расчёт окончен, точка децибельной компрессии найдена.

Формула, описывающая односигнальный динамический диапазон устройства, предельно проста:
D = P_1дб — P_{вх мин} (дб) , где P_1дб — точка децибельной компрессии, P_{вх мин} — чувствительность устройства, выраженная в дБ.
Т.е. в случае, приведённом на графике: D = -10_дб — (-120_дб) — 110дБ .

Наблюдая показания приборов при нахождении точки компрессии, не всегда удобно оперировать понятиями мощности сигнала, да переводить всё это хозяйство в децибелы — тоже. Поэтому для упрощения задачи напишу — отклонение уровня на 1дБ — это в 1,12 раз по напряжению и в 1,26 раз по мощности.

Ну и, конечно же, формула для определения динамического диапазона при подстановке абсолютных значений сигналов:

И ещё раз:
U_{вх макс} и Р_{вх макс} — это входные значения, соответствующие точке децибельной компрессии,
U_{вх мин} и Р_{вх мин} — это напряжение, либо мощность, соответствующие чувствительности агрегата.

А чувствительность агрегата в нашем случае огранена: либо его коэффициентом усиления, либо собственными внутренними шумами, либо и тем и другим одновременно. В целом она равна мощности самого слабого входного сигнала, который, будучи преобразован нашим устройством, выдаёт на-гора выходной уровень, считающийся достаточным для его нормальной фиксации.
А конкретно — этот выходной уровень мы должны распознать на каком-то фиксирующем приборе, либо услышать-увидеть-почувствовать и при этом, он должен быть выше значения собственных шумов нашего девайса.
Насколько выше? Обычно это указывается вместе с показателем чувствительности.
К примеру, чувствительность 10мкВ при соотношении сигнал/шум = 12дБ, означает, что подав на вход сигнал амплитудой 10мкВ, мы на выходе увидим некий отклик, который на 12дБ (т.е. в 3,98 раз по напряжению и 15,85 раз по мощности) будет превышать уровень собственных внутренних шумов нашего устройства.

Описанная динамическая характеристика устройства в первую очередь характеризует его односигнальный динамический диапазон, который определяется методом подачи на вход изучаемого объекта сигнала одной частоты. Иногда этот параметр в радиотехнике именуется динамическим диапазоном по блокированию и обозначается DD1 или DB1.

Теперь давайте подумаем, что случится, если вдруг подать на вход нашего линейного устройства сигналы двух различных частот. А что случится?
При определённом уровне их амплитуд наше устройство выйдет из линейного режима и сигналы начнут взаимодействовать между собой таким образом, что на выходе вместо двух исходных частот появится сложный сигнал с комбинациями частот (гармоник), зависящих от частоты «родительских» сигналов f1 и f2 согласно следующей формуле:
f_гарм = n × f1 ± m × f2 , где n и m — это целочисленные коэффициенты, принимающие значения от единицы до неких величин, определяемых частотными свойствами применяемых элементов.

В высокочастотной электронике это свойство может быть использовано для преобразования частот в устройствах, называемых «смеситель».

Однако в линейных схемах — это явление крайне нежелательно, потому как является основной причиной возникновения интермодуляционных искажений.
Эти искажения, в свою очередь, приводят: к появлению побочных каналов приёма/передачи в ВЧ радиотехнике, а в усилителях НЧ — появлению посторонних призвуков. Причём, данный тип искажений гораздо неприятнее на слух, чем банальное амплитудное ограничение сигнала. Источник их появления гораздо сложнее обнаружить, а соответственно и устранить.

Ну вот мы медленно, но верно подобрались к определению понятия «динамический диапазон по интермодуляции«.

Динамическим диапазоном по интермодуляции (Dynamic Range) называется характеристика устройства, показывающая его способность противостоять продуктам нелинейного взаимодействия двух или более сигналов. Обозначается — DD3 или DB3.
Другими словами — параметр DB3 характеризует допустимую величину двух сигналов с различными частотами f1 и f2, действующих одновременно на входе устройства, при которой ещё не возникает продукт их взаимодействия (вернее, когда уровень этого продукта не превышает заданного параметра — RFrx). И определяется как отношение, выраженное в дБ, общей мощности этих сигналов к чувствительности устройства.

Измерение динамического диапазона по интермодуляции (DB3) — дело не такое простое, как измерение односигнального DB1. Процесс это сводится к определению суммарной величины, так называемых, продуктов 3-го порядка с частотами 2f1 ± f2, 2f2 ± f1. Приведу формулу для вычисления динамического диапазона:
DB3 = 2/3 × IP3 — P_{вх мин} (дб) , где IP3 — точка пересечения линии уровня интермодуляционных составляющих 3-го порядка на графике передаточной характеристики, а P_{вх мин} — чувствительность, выраженная в дБ и определяемая собственными шумами устройства.

Рис.2

На Рис.2 красным и синим цветами изображены знакомые нам по Рис.1 динамические характеристики: идеальная и характеристика основных частот входных сигналов (f1 и f2).
Чёрным цветом показана кривая интермодуляционных продуктов 3-го порядка с частотами 2f1 ± f2 и 2f2 ± f1. Данная кривая возрастает в 3 раза быстрее (в децибельном выражении) чем идеальная, поэтому теоретически в некоторой точке эти линии должны сойтись, обозначая точку пересечения по интермодуляции третьего порядка (IP3).
Будучи теоретической — эта точка никогда не может быть достигнута на практике, поскольку смеситель войдёт в режим компрессии сигнала раньше, чем эта точка будет достигнута.

Нахождение данной точки (IP3) — задача не такое простая, как измерение односигнального DB1. Поэтому для облегчения жизни радиолюбителя вводятся некоторые допущения, основанные, исходя из практического опыта. А именно:
В общем случае обычно отмечается, что связь между точкой компрессии 1 дБ и точкой пересечения 3-го порядка, приведённой к входу, имеет вид: IP3 = P_1дб + (10. 15)дб .
А учитывая, что односигнальный динамический диапазон DB1 описывается формулой:
DB1 = P_1дб — P_{вх мин} (дб) , а DB3 = 2/3 × IP3 — P_{вх мин} (дб) , то на основании всех трёх формул можно вывести простую пропорцию: DB3 = 2/3 × (DB1 + (10. 15)дб) .

Посчитаем. Если односигнальный динамический диапазон по блокированию DB1 равен 110дБ, то:
DB3 ≈ 2/3 × (110дБ + 10дБ) = 80дБ .
Всё — расчёт окончен! Именно на эту величину динамического диапазона по интермодуляции и следует ориентироваться, так как именно она в значительной степени определяет качественные показатели как НЧ, так и ВЧ оборудования!

И напоследок — ещё одна динамическая характеристика, достойная определённого внимания по большей части в радиосвязи — Динамический диапазон по перекрёстным помехам (DD2 или DB2).
Характеристика эта важна в основном для устройств, осуществляющих приём однополосных (SSB) сигналов и определяет степень подавления мощных станций, работающих с АМ модуляцией и расположенных по соседству.
Перекрёстные искажения возникают в УВЧ и преобразователях частоты приёмников при воздействии на эти элементы модулированного мешающего сигнала с частотой, близкой к значению частоты настройки основного канала приёма, например, на частоте соседнего канала.

Процесс измерения этого параметра подобен предыдущему описанию и сводится к определению величины продуктов 2-го порядка с частотами (f1 ± f2) и нахождению точки интермодуляции (IP2) посредством построения такого же графика.
Кривая интермодуляционных продуктов 2-го порядка растёт медленнее, чем 3-го (всего лишь в 2 раза быстрее идеальной передаточной характеристики), а потому и точка пересечения, обозначающая значение IP2, находится дальше от начала координат.

Благодаря «Справочнику радиолюбителя — коротковолновика» под авторством уважаемых С. Бунина и Л. Яйленко, вполне можно довериться компромиссной формуле: DB2 ≈ DB1 — 20 dB , что в нашем случае будет соответствовать 90дБ.

Источник

Методы измерения основных параметров усилителя

Впервые требования к усилителям звуковой частоты были установлены стандартом ФРГ DIN 45500 в середине 60- годов. За­тем были утверждены рекомендации Международной электротехни­ческой комиссии МЭК 268-3, МЭК-581-6. Методы измерения и испытаний средства и условия измерений основных параметров усилителей установлены ГОСТ 23849-90 «Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей звуковой частоты», ГОСТ 24388 -88 ( СТ СЭВ 1079-78) « Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические требования»,ГОСТ 36033 -91 « Усилители измерительные постоянного тока и напряжения постоянного тока. Общие технические требования и методы испытаний», ГОСТ 12090-80 « Частоты для акустических измерений. Предпочтительные ряды».

Основные операции проводимые при измерении основных параметров усилителя следующие :

1 Определение динамического диапазона усилителя. Схема измерений (рисунок 1.93) состоит из генератора синусоидальных сигналов, вольтметра PV1 , с помощью которого контролируют напряжение на входе усилителя, эквивалента внутреннего сопротивления источника сигнала R_ист ис­пытуемого усилителя.

На выходе усилителя подключается эквивалент нагрузки активной R_h или С_н.

Рисунок 1.93 – Схема соединения для определения основных параметров усилителя

Параллельно эквивалентной нагрузке на выходе усилителя вк­лючают вольтметр PV2, измеряющий напряжение на выходе усилителя. Для определения максимального выходного напряжения применяется осциллограф. По форме искажения сигнала определяется U_{вых. макс.} Для определения динамического диапазона усилителя, следует подать с выхода генератора сигнал с частотой 1000 Гц, на вход усилителя установки. На выходе генератора напряжения установить минимальное напряжение. Измерить напряжение на нагрузке. Строим амплитудную характеристику. (рисунок 1.94 )

По амплитудной характеристике определяем динамический диапазон усилителя

D = 20·lg U_{вх макс} / U_{вх мин} ; ( 1.94 )

Для определения номинальной мощности усилителя применяем амплитудную характеристику усилителя ( рисунок 1.94) и схему соединения приборов, приведенная на рисунке 1.95. Перегиб амплитудной характеристики (точка а) обычно отвечает номинальной мощности, а также коэффициенту гармоники выходного напряжения, который указывается в технических условиях.

где U_{вх.макс.1000} — максимальное напряжение в токе а ;

R_н — сопротивление нагрузки.

3. Для определения диапазона воспроизводимых частот строят частотную характеристику усилителя.

Рисунок 1.95 – Схема соединения для определения диапазона воспроизводимых частот и полосы частот

Параллельно эквивалентной нагрузке на выходе усилителя вк­лючают вольтметр PV2, измеряющий напряжение на выходе усилителя. Для снятия частотной характеристики устанавливается частота генератора 1000 Гц и на вход испытуемого усилителя подается нап­ряжение, значение которого соответствует 0,3 от номинального значе­ния входного напряжения для данного усилителя. Такое входное напряжение выбирают для того, чтобы не выйти за пределы амплитудной характеристики, а следовательно, не исказить ре­зультаты измерений. Частотную характеристику усилителя измеряют при исходной мощности значительно более малой номинальный, что устраняет какие-либо перегрузки усилителя.

Если усилитель сравнительно простой и не имеет каких-либо регуляторов тембра, то регулятор громкости ставят на максимум и во время снятия частотной характеристики его положения не изменяют.

Измеряем напряжение на выходе усилителя, то есть на нагружающем сопротивлении R_н вольтметром PV2. Результаты измерения записываем в таблицу 1.1. Изменение частоты генератора от частоты 1000 Гц и вниз до 20 Гц. После опять устанавливаем частоту на генераторе 1000 Гц (для проверки стабильности частоты) и увеличиваем частоту до 20000 Гц.

Таблица 1.2. – Частотная характеристика усилителя.

Условия измерений R_н=_____________,U_вх =________

f, Гц

Uвих, В

Uf / U1000

Uf / U1000, дБ

Строим частотную характеристику усилителя ( рисунок 1.96).

Проводим горизонтальную прямую на уровне — 3 дБ, что отвечает общепринятому допуску на неравномерность частотной характеристики. И определяем полосу пропускания П усилителя.

4. Определение чувствительности усилителя.

Под параметром «чувствительность» принято понимать то напряжение НЧ сигнала, который необходимо подать на вход усилителя, чтобы получить на нагрузке номинальную исходную мощность. Чувствительность входа определяют на частоте 1000 Гц. Регулятор громкости (усиления ) при этом устанавливается в положение максимальной громкости и положение других регуляторов, соответствующем номинальным условиям.

5 Определяем пределы регулировки громкости измеряют при указанных выше условиях. Вначале измеряют напряжение на выходе усилителя. Поло­жение движка регулятора громкости изменяют в пределах плавной регулировки до тех пор, пока напряжение на входе усилителя не изме­нится скачком. Затем снова измеряют выходное напряжение.

Результаты измерения определяется значением пределы регулиро­вки громкости D_г, вычисленного в децибелах по формуле

где U_{вых max}— напряжение на выходе усилителя, когда регулятор громкости находится в положе­нии максимальной громкости;

U_{вых min} — напряжение на выходе усилителя, ког­да регулятор громкости находится в по­ложении минимальной громкости.

6. Определяем пределы регулятора тембра – по низшим и высшим частотам. Пределы регулировки тембра (см. рисунок 1.95) определяют на частотах указанных в технических условиях при входном напряжении, значение которого равня­ется 0,3 от номинального значения напряжения.

Частотные характеристики снимают в таких усилителях не менее три раз. Сначала оба регулятора тембра устанавливают в положения, которые отвечают наибольшему завалу крайних низших и высших частот. Полученная характеристика может иметь вид кривой, обозначенный на рисунку 1.97, цифрой 1. Потом ручка обоих регуляторов тембра возвращают в другое крайнее положение, которое отвечает максимальному низших и высших частот, а измерению делают при входном напряжении, что в десять раз (на 20 дБ) меньше номинального. Эта характеристика может иметь вид кривой 2, на рисунку 1.97. После этого ручки обоих регуляторов устанавливают в среднее положение и делают третье измерение. Если получена характеристика или отвечает близкая к кривой 3, то на этом измерению заканчивают. Если она значительно отличается от этой кривой, тогда путем проб находят такие положения ручек регуляторов, при котором характеристика выходит наиболее прямолинейной, и на ручках регуляторов делают соответствующие оценки.

Рисунок 1.97 — Частотная характеристика тембра

Из графика, рисунок 1.97 видно что для усилителя, имеющего такие характеристики, предел регулирования тембра на низких частотах f_н = 70 Гц, а на высшей, равной f_в = 7500 кГц. Регулировка тембра осуществляется в пределах +5 дБ до — 10 дБ.

Значение пределов регулировки тембра (подъёма и спада) D на частотах F_н и F_b определяют в децибелах по формуле

где U_вых — выходное напряжение соответственно на часто­тах F_h и F_b при заданных положениях регу­ляторов тембра (подъёма и спада); U₁₀₀₀— выходное напряжение на частоте 1000 Гц, при Р_вых = Р_ном .

7. Коэффициент гармоник измеряют с помощью специальных при­боров — измерителей нелинейных искажений или анализаторов спек­тра (рисунок 1.95) Измерения производят на частотах, указанных техническими условиями. По шкале измерителя нелинейных искажений можно непосредственно определить коэффициент гармоник.

8. При определении коэффициента интермодуляционных искаже­ний необходимо использовать два измерительных генератора для установки частот, на которых производятся измерения. В зависимости от частотного диапазона усилителя значения этих частот указываются в нормативно-технической документации. Например, для низкочастотных усилителей, имеющих диапазон 40 Гц. 16 кГц, в соответствии с ГОСТ 23849-87 эти частоты составляют соответственно 250 Гц и 8 кГц.

Схема измерения (рисунок 1.98) состоит из генера­торов, сумматора гармоник, анализатора спектра и испытуемого усилителя.

Рисунок 1. 98 – Схема соединения приборов для измерения интермодуляционных искажений

На выходе первого генератора устанавливается напряжение, значение которого равняется 0,8 от номинального значения напряже­ния; а на выходе второго — 0,2 ·U_ном. С помощью регулято­ра громкости в нагрузке устанавливают мощность равную номинальной. Анализатором спектра измеряют выходное напряжение при следующих комбинациях частот : (F₂+F₁), (F₂ — F_l), (F₂+2F₁),(F₂-2F1).

Результатом измерения является значение коэффициента интер­модуляционных искажений, вычисленное по формуле

Рассмотренная выше методика выполнения отдельных операций рекомендована ГОСТ 23849-87 » Аппаратура радиоэлектронная быто­вая, методы измерения электрических параметров усилителей звуковой частоты «.

Целью калибровки измерительных усилителей является определе­ние их пригодности в соответствии с заданными метрологическими характеристиками. Калибровка средств измерений, в том числе и из­мерительных усилителей, производится на основании действующей нормативно-технической документации, государственным стандартом Украины. Основополагающими документами в вопросах калибровки и испытания измерительных усилителей являются ДСТУ 3989-2000.Метрологія. Калібрування засобів вимірювальної техніки. Основні положення, організація, порядок проведення та оформлення результатів. Калибровка осущест­вляется периодически органами государственной или ведомствен­ных метрологических служб. ДСТУ 2708:2006. Метрологія. Повірка засобів вимірювальної техніки. Організація та порядок проведення. ДСТУ 3406:2006. Метрологія. Державні випробування засобів вимірювальної техніки. Основні положення, організація, порядок проведення і розгляду результатів.

Прежде чем приступить к калибровке, необходимо ознакомиться с технической документацией для данного усилителя и методикой его калибровки. После этого выбирают образцовые и вспомогательные средства измерений и решают вопрос о согласовании входных и вы­ходных параметров этих средств и испытуемого усилителя. Калибровка проводится с использованием более точных образцовых средств измерений. Минимально допустимым отношением погрешности об­разцовых и поверяемых средств считают 1:3. При выборе образцо­вого средства измерений учитывается не только его точность вооб­ще, но и оценивается степень достоверности определения погреш­ностей образцового и калиброванного средства измерений. В качестве средств измерений при калибровке измерительных усилителей исполь­зуются вольтметры, аттенюаторы, измерители нелинейных искаже­ний, анализаторы спектра, измерители частотных и переходных ха­рактеристик, измерительные генераторы. Кроме того, для калибровки усилителей выпускается установка типа К2-41, используемая в диапазоне частот 20 Гц. 200 кГц, которая позволяет устанавливать отношение напряжений от 10 до 10 6 с относительной погрешностью измерения 0,3 %.

Калибровка усилителей состоит из внешнего осмотра, опробова­ния (проверка работоспособности), определения метрологических характеристик и параметров. Основными операциями определения метрологических характеристик и параметров являются определе­ния: погрешности коэффициента усиления на частоте F (ее значе­ние указывается в стандарте или техническом описании прибора; для низкочастотных усилителей — 1 кГц); неравномерности час­тотной характеристики относительно частоты F; коэффициента гар­моник выходного напряжения; напряжения шумов усилителя, при­веденного ко входу. Погрешность установки коэффициента усиле­ния определяется методом замещения с помощью образцового ат­тенюатора или установки К2-41 путем непосредственного отсчета погрешности по шкале индикатора. Методика проведения других операций аналогична рассмотренным выше методам электрических измерений при испытании усилителей.

Источник