Загрузка…
В отдельных случаях при проведении ремонта радиоэлектронных устройств требуется расчет коэффициента гармоник. Данная характеристика может быть измерена и оценена с помощью относительно несложных математических расчетов. О процессах измерениях и часто применяемых формулах рассказывается в нашем прикладном обзоре. Он сможет вам помочь, если вы захотите установить дополнительные устройства в медиасистему автомобиля. Для этого потребуется наверняка коэффициент гармоник усилителя.
Учитывайте параметр, если подразумевается подключение к системе наушников. Современные магнитолы позволяют их интегрировать через Bluetooth. Измеритель поможет оценить работу.
Кратко:
- 1 Оценка нелинейных помех – что это, порядок расчета и измерений
- 2 Основные формулы
- 3 Расчет КНИ и КГИ
- 4 Измерение коэффициента гармоник
Оценка нелинейных помех – что это, порядок расчета и измерений
Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) является математическим инструментом, «сверткой», позволяющим оценить в количественной форме нежелательные изменения сигнала. Искажением является, в свою очередь, характеристика, описывающая несовпадение сигнала, описываемого теоретической или идеальной системой и реальными условиями. КНИ также используется для оценки качества проводки, характеристик подключенных устройств, которые в совокупности генерируют помехи.
Основная задача при сборке состоит в минимизации параметра линейных помех. Достичь идеальных параметров невозможно, но можно к ним приблизиться и обеспечить либо стабильное напряжение, либо чистый и красивый звук, в зависимости от задач. Это реализуется при подключении усилителей, основным условием которого считается необходимость снижения помех.
Чтобы понять, о чем идет речь в совокупности, стоит упомянуть возможные виды изменений:
- нелинейные;
- фазовые;
- частотные;
- динамические;
- перекрестные;
- взаимомодуляционные;
- краевые.
Некоторые из перечисленных являются комплексной характеристикой, в совокупности которые можно оценить при помощи того же параметра нелинейных помех. По сути, данная характеристика является универсальной для всех радиоэлектронных и электрических систем и сетей. С помощью предложенной методики вы сможете оценить коэффициент гармоник напряжения.
Основные формулы
КНИ является безмерной величиной. Представляет собой соотношение среднеквадратичной суммы спектральных характеристик выходного сигнала, которые отсутствуют во входном спектре, и среднеквадратичной суммы всех компонент спектра входного сигнала (первой гармонической составляющей). Проще говоря, параметр оценивает отношения спектральных помех, появившихся в выходном сигнале, но отсутствующих во входящем, ко всему спектру. Чем меньше помех, тем меньше будет КНИ.
Если в технической документации приводится КНИ, то можно оценить качество и характер сборки прибора. Характеристику также можно измерить, она позволит оценить величину помех в оцениваемой системе. Иными словами – можно достаточно точно определить влияющие помехи.
Отметим, что наряду с КНИ используется и другой оценочный параметр гармонических искажений (КГИ). Его же часто упоминают как коэффициент высших гармоник, так как он выражается соотношением среднеквадратичным напряжением суммы высших гармоник сигнала, за исключением первой, к напряжению первой гармоники при синусоидальном воздействии. Иными словами, оцениваются скачки сигнала.
В свою очередь есть характеристика, оценивающая в процентах «связность» КНИ с КГИ и их соотношение. Нужно отметить, что при малых помехах они практически равны, но помогают оценить более сильные помехи и их характер.
Расчет КНИ и КГИ
Измерение коэффициента гармоник основано на том, что для получения характеристики могут использоваться экспериментальные и оценочные данные. Для многих систем могут быть оценены аналитически, так как известны начальные и конечные условия. Многие начинающие радиолюбители могут возразить или удивиться, но это действительно так. КНИ и КГИ закладывается как характеристика в момент проектирования любой схемы устройств. То есть помехи подразумеваются, как решением, так и используемыми компонентами.
Например:
- для меандра или симметричного прямоугольного сигнала КНИ приравнивается к 48,3 %;
- пилообразный сигнал, приближенный к идеальному имеет КГИ 80,3%;
- симметричный треугольный – 12,1%.
Соответственно, отличия от этих значений являются ненормативными и оцениваются как помехи тока, требующие устранения.
Для удобства расчетов имеется еще один параметр μ, который характеризует несимметричный прямоугольный импульсный сигнал с соотношением длительности импульса к периоду:
КГИ достигает минимума в 0,483 при μ=0.5 и сигнал становится близким к синусоидальному меандру. По этому принципу не только изменяют с помощью фильтрации типы сигналов, но и устраняют нежелательные изменения, что особенно актуально для усилительной и аудиоаппаратуры.
Измерение коэффициента гармоник
Оценка КНИ и КГИ позволяет оценить чистоту спектра сигнала любого устройства, включая усилители, ПЛИСы, микроконтроллеры, наушники и гарнитуры. КГИ позволяет контролировать алгоритмы многих радиоэлектронных и цифровых компонентов, передающих аналоговые сигналы.
Оценка проводится с помощью цифровых осциллографов. Перед использованием оценивается с помощью расчета КГИ по спектру и получаются данные на измерителе, чтобы определить его пригодность для экспериментов.
В домашних условиях это можно сделать двумя способами с помощью косвенных измерителей:
- подать выходное напряжение и масштабированное входное на вычитатель и оценить на осциллографе, включая шумы и наводки тока;
- использовать перестраиваемый резонансный усилитель и выделить необходимый участок для оценки.
Первый вариант является более простым, но связан больше с эвристической оценкой. Но лучший измеритель коэффициента гармоник – это цифровой осциллограф, подключенный к компьютеру, выдающий окончательный показатель значения параметров тока и напряжения, в том числе, оценивающий высшие гармонические пики в численном виде.
Нелинейные
искажения оценивают по сквозной
динамической характеристике каскадов
ПОК и ОК, которая отражает зависимость
выходного тока от ЭДС источника сигнала.
Для ОК на составных транзисторах ЭДС
источника сигнала определяется следующим
образом :
,
где
Rист=Rк
для схемы рис.5
и Rист
=1/Gi
(выходное сопротивление транзистора
ПОК), если предвыходной каскад построен
по более сложной схеме (рис.8-9), Для
ПОК
Eист
= UбэVT5+iбVT5
·Rист.
Rист
– выходное
сопротивление
каскада
предварительного
усиления [4].
Сквозная
динамическая характеристика строится
на основе статических входных и выходных
характеристик транзисторов [2,3,6].
Построение ведется сначала для ОК, затем
для ПОК. На рисунке 13 приведены: входная
динамическая характеристика транзистора
и его выходная характеристика с
нагрузочной прямой (например, для
транзистора VT1).
В
точках 1, 2, 3, 4, 5, 6 на выходной характеристике
транзистора оп-
ределяется
требуемое значение тока базы Iбi
при заданном
токе коллектора Iкi.
Зная базовый ток, по входной характеристике
находят соответствующее входное
напряжение
.
По характеристикам для транзистора,находящегося
в паре с транзистором VT1
(в данном случае
это VT3)
для токов:
аналогичным
образом находят величины
и
.
Вычисленные значения подставляются
в соответствующие выражения дляEист
и строится
зависимость:
IkVT1+IбVT1=
(Eист).
Примерный
её вид показан на рисунке 14. По графику
находят значения выходного тока,
соответствующие половине номинальной
выходной мощности усилителя – Iк
max
и режиму
отсутствия входного сигнала – Iкmin
, затем интервал
напряжений Eист
min
Eист
max
делится пополам и находится Iк0,5.
Далее
вычисляются величины:
Imax
= Iк
max(1+b)
; I1
=
Iк0,5(1+b)
;
I0
=
2bIкmin
;
I2
=
–
Iк0,5(1–
b)
;
Imin
= –
Iкmax(1–
b)
.
Здесь
b
–
коэффициент
ассиметрии.
Для
двухтактного выходного каскада,
работающего в режиме В
или АВ,
его можно принять равным b=0,10,20.
Тогда амплитуды гармонических составляющих
выходного сигнала определяются из
следующих выражений:
;
Правильности
расчета амплитуд гармоник проверяется
выполнением условия: Iср+Im1+Im2+Im3+Im4=Imax.
При численных
расчетах амплитуды некоторых гармоник
могут иметь отрицательные значения,
что свидетельствует о начальной фазе,
равной ,
для данной гармоники.
Точно
также строится динамическая характеристика
для ПОК. Её примерный вид показан на
рис.15. Токи Iтах
и Iтin
соответствуют
токам выходного каскада указанным
выше. Затем интервал напряжений Еист
min
÷ Еист
max
делится на четыре равные части и
определяются токи I1,
I0,
I2,(см.рис.15).
Амплитуды гармонических составляющих
выходного сигнала вычисляются по тем
же выражениям, что и для оконечного
каскада.
При
вычислении общего коэффициента гармоник
следует иметь в виду, что каскад с ОЭ
«переворачивает» фазу входного сигнала,
а каскад с ОК
– нет. При этом отдельные каскады могут
вносить дополнительные фазовые сдвиги
для каждой отдельной гармоники. Однако,
при малых коэффициентах гармоник в
каждом каскаде эти сдвиги составляют
не более 1520,
и общий коэффициент гармоник в первом
приближении можно определить как:
.
Если
вычисленный коэффициент гармоник
превысит допустимый уровень, то необходимо
ввести отрицательную обратную связь.
Другим
способом уменьшения нелинейных искажений
является подбор рабочих точек транзисторов
выходного и предварительного каскадов.
Увеличение Iк0
, как
правило, ведет
к снижению коэффициента гармоник. Для
того, чтобы в полной мере использовать
местную обратную связь в ОК, выходное
сопротивление ПОК должно быть как можно
меньше.
2.8.
Расчет частотных характеристик
Задаваемые
в исходных данных граничные частоты
Fн,
Fв
определяются на уровне M
= 0,707
(или –3
дБ) нормированной частотной характеристики
всего усилителя. Значения этих частот
обусловлено как свойствами транзисторов,
так и параметрами схемы. Так как
современные транзисторы имеют
максимальную частоту усиления f
>> Fв
,
то можно считать, что их параметры не
зависят от частоты, и частотные
свойства всего усилителя реализуются,
в основном, схемотехнически.
Порядок выполнения
расчета следующий:
-
оцениваются
частотные искажения усилителя в области
верхних частот и рассчитываются
элементы схемы, задающие частоту Fв; -
определяются
номиналы разделительных и корректирующих
ёмкостей, влияющих на нижнюю частоту
Fн
.
1.Основное влияние на верхнюю граничную
частоту в каскаде оказывает шунтирующее
действие различных ёмкостей, включенных
параллельно тракту распространения
сигнала. Полная шунтирующая ёмкость
для каскада равна:
где
Cвых
– выходная
ёмкость каскада; Cн
– ёмкость
нагрузки; Cм
– ёмкость
монтажа. Для вычисления этих ёмкостей
[4] необходимо
иметь следующие справочные данные:
-
емкость
эмиттерного перехода – Сэ
; -
ёмкость
коллекторного перехода – Cк
.
Для
схемы с общим эмиттером (ОЭ):
где
R~
– полное сопротивление нагрузки каскада
по переменному току;
Выходная
емкость:
.
Для
схемы с общим коллектором (ОК):
,
где
Rэ
– сопротивление
в цепи эмиттера; Свых=
0.
Ёмкость
монтажа во всех случаях следует принимать
равной 530
пФ, а Свх
есть Сн
для предыдущего
каскада.
Обычно
расчет в области ВЧ для многокаскадных
трактов осуществляется в
последовательности от выходного каскада
к входному.
2.
После вычисления ёмкостей находят
постоянные времени τв
для каждого каскада: τв
= С0Rн~
, где Rн~
= Rк
|| Rст
|| Rвх
cл
(сопротивление в цепи коллектора,
сопротивление цепи стабилизации
следующего каскада, входное сопротивление
следующего каскада).
Для
входной цепи усилителя:
τвх
= (Rист
|| Rст
|| Rвх)
Свх
,
где
Свх
и Rвх
– входная
ёмкость и сопротивление первого каскада.
3.
Вычисляются величины частотных искажений
для каждого каскада и входной цепи на
частоте Fв:
Общая величина
высокочастотных искажений равна:
MвΣ
= ΣMвi
(дБ)
, i
= 1.. N
+ 1, N
– число
каскадов.
4.
Если MвΣ
< Mв
зад
, то необходимо провести высокочастотную
кор- рекцию одного или нескольких
каскадов для уменьшения τвi
или ввести
обратные связи. Если MвΣ
> Mв
зад
, то целесообразнее всего увеличить С0
в каком-либо
каскаде (обычно во втором) путём включения
ёмкости в нагрузку транзистора первого
каскада. Величина этой ёмкости (Скор)
равна:
,
где
М
= Мв
– Мв
зад , а
С0
– ёмкость
нагрузки.
Более
сложный вид коррекции в области ВЧ
осуществляется применением
ограничивающего звена, состоящего из
последовательного соединения ёмкости
Скор
и резистора
Rкор,
подключённого параллельно нагрузке
одного из усилительных каскадов [4].
Оно вносит затухание К(f).
Если необходимо получить на частоте
f1
спад характеристики
в К(f1)
раз, задаются частотой fкор
= (0,6 ÷ 0,8)
f1
и вычисляют:
,
тогда
;
.
Аналогичный эффект может быть получен
за счёт введения отрицательных
обратных связей (см. ниже).
5.
В области нижних частот значение
блокировочных ёмкостей в це-пях эмиттеров
транзисторов и межкаскадных разделительных
конденсато-ров определяют fн.
Если в выходном каскаде разделительный
конденсатор отсутствует (схема с
двухполярным источником питания), то
все ёмкости могут иметь приемлемые
величины, в противном случае низкочастотная
коррекция за счёт Сф
в цепи питания транзистора первого
каскада приобретает важное значение.
С использованием коррекции этого вида
можно уменьшить
Fн
или даже
осуществить подъём АЧХ в области НЧ,
тем самым уменьшить номиналы Ср
и Сэ.
Рекомендуется выбирать оптимальное
значения Сф.
Для заданных Rф
и Rк
(см. схему
рис. 11) вычисляются величины [3]
.
При
mопт
нижняя граничная частота уменьшается
в B(a)
раз:
.
Определим
уровни частотных искажений, вносимых
каждой блокировочной и разделительной
ёмкостями. Общий уровень искажений на
частоте Fн
задается
величиной MнΣ
= 0,707
(–3 дБ). При однополярном питании ОК
выходной конденсатор следует рассчитывать
исходя из максимально приемлемого
уровня Мн
вых
порядка –2 дБ. Оставшийся –1 дБ
распределяется между разделительными
и блокировочными ёмкостями, причём на
блокировочные ёмкости уровень должен
задаваться в 2-3 раза выше. Например, при
двух разделительных и двух блокировочных
ёмкостях можно считать: Мр1
= Мр2
= – 0,1 дБ, Мб1
= Мб2
= – 0,4 дБ т.
е. Мр1
+ Мр2
+ Мб1
+ Мб2
= – 1 дБ.
При двухполярном питании выходного
конденсатора нет, и заданный уровень
искажений распределяется только между
разделительными и блокировочными
конденсаторами. Во всех случаях в каскаде
с НЧ коррекцией ёмкость разделительного
конденсатора может быть существенно
снижена и определена как:
,
где
Fн
– нижняя
граничная частота усилителя,
Rн
– нагрузка
каскада с коррекцией по переменному
току Rн
= Rк
+ Rст
|| Rвх
сл .
Ёмкость фильтра:
.
Емкость
выходного разделительного конденсатора
для каскада без НЧ коррекции:
,
где
Rвх
сл –
входное
сопротивление последующего каскада по
переменному току.
Ёмкость
входного разделительного каскада:
,
где
Rист
– выходное сопротивление источника
сигнала, Rвх1
– входное
сопротивление предварительного каскада
усиления.
Ёмкость
выходного конденсатора:
.
Блокировочные
ёмкости Сэ:
.
Номиналы
рассчитанных емкостей принимаются
равными ближайшему значению в ряде
стандартизованных значений.
При
выборе конкретных типов емкостей следует
иметь в виду, что рабочее напряжение
электролитических конденсаторов
указывается по постоянному току. Рабочее
напряжение по переменному току у них,
как правило, меньше.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
РадиоКот >Статьи >
Visual Analyser. Практическое измерение параметров. Часть 2
Добрый день, уважаемые радиолюбители.
В предыдущей части данной статьи мы с вами начали рассматривать измерение параметров различных устройств на примере лампового усилителя. Сегодня мы продолжим данную тематику и поговорим об измерении нелинейных (гармонических) искажений. Итак, пожалуй, начнём.
Коэффициент нелинейных (гармонических) искажений
Согласно [1,2] под коэффициентами нелинейных и гармонических искажений подразумевают следующие характеристики:
Коэффициент гармонических искажений (коэффициент гармоник, КГИ, THD-F) – это отношение среднеквадратического значения всех гармоник напряжения (или тока) искаженного сигнала, кроме первой, к среднеквадратическому значению напряжения (или тока) первой гармоники. Коэффициент гармоник показывает степень нелинейных искажений гармонических сигналов и вычисляется по формуле:
Коэффициент нелинейных искажений (КНИ, THD-R) – это отношение среднеквадратического значения всех гармоник напряжения (или тока) искаженного сигнала, кроме первой, к среднеквадратической сумме всех гармоник напряжения (или тока). Коэффициент гармоник показывает степень нелинейных искажений гармонических сигналов и вычисляется по формуле:
В отечественной литературе и измерительных приборах обычно используется коэффициент гармонических искажений. Выбор между КНИ и КГИ в измерительном комплексе на базе ПК осуществляется в окне THD (пункт 21), но методика измерения остаётся при этом прежней, в независимости от измеряемого коэффициента.
Анализ гармонических (нелинейных) искажений необходим для оценки степени нелинейности исследуемого устройства т.е. оценки степени отличия формы выходного сигнала от входного.
Так, например, чем ниже уровень гармонических (нелинейных) искажений усилителя воспроизведения, тем достовернее данный усилитель воспроизводит поданный на его вход звук, не внося дополнительных спектральных компонент, т.е. не изменяя тембр звучания. В данной статье мы не будем рассматривать пороги чувствительности человеческого уха к гармоническим (нелинейным) искажениям различного типа т.к. у нас не стоит подобной цели. Подробно об этом можно прочесть в соответствующей литературе [6,7,8,9,10].
ГОСТ 23849-87 [3] выделяет следующие разновидности гармонических искажений:
1. Общие гармонические искажения;
2. Общие гармонические искажения как функция частоты;
3. Общие гармонические искажения как функция амплитуды.
Под общими гармоническими искажениями понимают гармонические искажения с учётом всех значимых гармоник. Правильно спроектированный усилитель большую часть времени работает при выходном напряжении около 10 дБ ниже номинального выходного напряжения, ограниченного искажениями, благодаря распределению во времени амплитуды музыкальных и речевых сигналов [3].
Таким образом, уровень общих гармонических искажений целесообразно измерять при выходном напряжении на 10 дБ (в 3.16 раза) ниже номинального выходного напряжения, ограниченного искажениями.
В предыдущей части данной статьи мы определили, что номинальное выходное напряжение, ограниченное искажениями равно 7.57 Вольта (что соответствует выходной мощности, ограниченной искажениями равной 14.3 Вт на нагрузке 4 Ом), соответственно уровень общих гармонических искажений необходимо измерять при выходном напряжении равном 2.4 Вольта (7.57 Вольта /3.16 раза ≈ 2.4 Вольта). При этом частота испытательного сигнала должна быть равна 1 кГц [3,4].
Методика измерения выходного напряжения была подробно описана в предыдущей части данной статьи, поэтому не будем приводить её повторно (см. измерение АЧХ и выходной мощности из предыдущей части статьи).
Таким образом, для измерения общих гармонических искажений необходимо во встроенном генераторе сигналов (пункт 22) выставить частоту синусоидального сигнала равного 1 кГц и повышая плавно уровень входного напряжения добиться действующего значения напряжения на выходе равного 2.4 Вольта и зафиксировать уровень гармонических искажений (на спектре сигнала в нижней части окна).
По результатам измерения общие гармонические искажения исследуемого усилителя равны 0.04%.
Согласно [3] под общими гармоническими искажениями как функция частоты понимают общие гармонические искажения, измеренные на частотах измерительного сигнала, указанных в технических условиях на исследуемый усилитель.
Измерения общих гармонических искажений необходимо проводить не менее чем на 3-х частотах. Наивысшая частота сигнала, на которой проводятся измерения, определяется верхней граничной частотой эффективного диапазона частот и порядком наивысшей значимой гармоники. В качестве выходного напряжения принимается напряжение, определённое ранее при измерении общих гармонических искажений. Результаты измерения целесообразно представить в виде графика.
Для нашего усилителя примем количество значащих гармоник равное 5. В предыдущей части данной статьи мы определили, что эффективный диапазон частот усилителя по уровню -3 дБ, ограниченный усилением, простирается до 26 кГц (см. измерение АЧХ). Таким образом, наивысшая частота сигнала, на которой могут производиться измерения не может превышать 5.2 кГц (26 кГц разделить на 5 значащих гармоник = 5.2 кГц). В противном случае, не все значимые гармоники попадут в расчет гармонических искажений.
Таким образом, подавая на вход синусоидальный сигнал различных частот и поддерживая выходное напряжение на одном уровне необходимо зафиксировать общие гармонические искажения на каждой частоте.
Результаты измерения зависимости общих гармонических искажений от частоты представлены в таблице 1, а так же на фото ниже.
Таблица 1. Зависимость общих гармонических искажений от частоты.
| Частота сигнала на входе | Общие гармонические искажения | Частота сигнала на входе | Общие гармонические искажения |
| 20 Гц | 0.46 % | 500 Гц | 0.05 % |
| 30 Гц | 0.28 % | 1 кГц | 0.04 % |
| 40 Гц | 0.18 % | 2 кГц | 0.03 % |
| 50 Гц | 0.19 % | 3 кГц | 0.027 % |
| 100 Гц | 0.07 % | 4 кГц | 0.023 % |
| 200 Гц | 0.05 % | 5 кГц | 0.024 % |
| 350 Гц | 0.05 % | 5.2 кГц | 0.03 % |
По фото видно, что уровень общих гармонических искажений начинает возрастать с уменьшением частоты ниже 100 Гц практически экспоненциально. Данный рост общих гармонических искажений может быть связан с высокой частотой среза межкаскадных RC-цепей (маленькой постоянной времени); несимметричностью половинок первичной обмотки трансформатора (что приводит к разбалансировке усилителя на низких частотах из-за более сильного разброса индуктивностей половинок обмотки); а так же недостаточной ёмкостью последнего конденсатора фильтра источника питания и некоторыми другими причинами.
Дополнительный же повышенный уровень общих гармонических искажений на частоте 50 Гц может быть связан с точностью измерений из-за влияния наводок электроосветительной сети.
Считаю целесообразным при исследование гармонических (нелинейных) искажений дополнительно снять зависимость гармонических искажений от частоты для выходной мощности, ограниченной искажениями т.к. данная мощность по ГОСТ измеряется на одной фиксированной частоте [3, 4], что не даёт полного представления об ограничении мощности искажениями на других частотах.
В некоторых случаях данную характеристику можно заменить более наглядной «обратной» и снять зависимость выходной мощности, ограниченной искажениями в допустимом для общих гармонических искажений диапазоне частот в зависимости от частоты (при этом коэффициент гармонических искажений принимается равным 1%).
Для измерения первой зависимости необходимо подавать на вход синусоидальный сигнал различных фиксированных частот и поддерживая на выходе напряжение на одном уровне, фиксировать гармонические искажения на каждой частоте (т.е. по сути измерения производятся при фиксированной выходной мощности/выходном напряжении в заданном диапазоне частот).
В предыдущей части данной статьи мы определили, что выходная мощность, ограниченная искажениями равна 14.3 Вт, что соответствует 7.57 Вольтам действующего значения напряжения на выходе. Именно данное напряжение и необходимо поддерживать на выходе при измерении данной зависимости. Результаты измерения зависимости гармонических искажений от частоты при выходной мощности, ограниченной искажениями представлены в таблице 2, а так же на фото ниже.
Таблица 2. Зависимость гармонических искажений от частоты при выходной мощности, ограниченной искажениями.
| Частота сигнала на входе | Общие гармонические искажения | Частота сигнала на входе | Общие гармонические искажения |
| 20 Гц | 2 % | 500 Гц | 1.2 % |
| 30 Гц | 1.5 % | 1 кГц | 1 % |
| 40 Гц | 1.45 % | 2 кГц | 1.2 % |
| 50 Гц | 2.2 % | 3 кГц | 1.2 % |
| 100 Гц | 2 % | 4 кГц | 0.62 % |
| 200 Гц | 1.2 % | 5 кГц | 0.6 % |
| 350 Гц | 1 % | 5.2 кГц | 0.6 % |
По фото видно, что зависимость гармонических искажений от частоты при выходной мощности, ограниченной искажениями носит сложный характер, но в целом коэффициент гармонических искажений возрастает с уменьшением частоты входного сигнала (что дополнительно подтверждает приведённый график и выводы выше). Таким образом данная зависимость однозначно показывает, что эксплуатировать усилитель выше мощности, ограниченной искажениями в большинстве случаев не представляется возможным (из-за высокого коэффициента гармонических искажений во всём диапазоне воспроизводимых частот).
Для измерения второй зависимости так же необходимо подавать на вход синусоидальный сигнал различных частот и устанавливая на выходе напряжение (мощность), соответствующее гармоническим искажениям равным 1% фиксировать выходную мощность (напряжение) усилителя на каждой частоте. Согласно [3] данная мощность является мощностью, ограниченной искажениями.
Результаты измерения зависимости выходной мощности, ограниченной искажениями от частоты представлены в таблице 3, а так же на фото далее.
Таблица 3. Зависимость выходной мощности, ограниченной искажениями от частоты.
| Частота сигнала на входе | Выходная мощность, ограниченная искажениями | Частота сигнала на входе | Выходная мощность, ограниченная искажениями |
| 20 Гц | 12.8 Вт | 500 Гц | 13.7 Вт |
| 30 Гц | 12.2 Вт | 1 кГц | 14.3 Вт |
| 40 Гц | 10.6 Вт | 2 кГц | 14.8 Вт |
| 50 Гц | 10.2 Вт | 3 кГц | 13.7 Вт |
| 100 Гц | 10.5 Вт | 4 кГц | 16 Вт |
| 200 Гц | 11.2 Вт | 5 кГц | 18.9 Вт |
| 350 Гц | 14.8 Вт | 5.2 кГц | 19.8 Вт |
Анализируя фото фото можно прийти к аналогичным выводам, сделанным для предыдущего фото.
Таким образом, 3 описанные зависимости выражают одни и те же соотношения между частотой, гармоническими (нелинейными искажениями) и выходной мощностью, но в несколько разном представлении. Первая зависимость показывает работу усилителя в типовых условиях эксплуатации, а последние 2 при достижении максимально-допустимых эксплуатационных характеристик по мощности либо гармоническим искажениям в заданном диапазоне частот.
Следующей зависимостью, рассмотренной нами, будет зависимость общих гармонических искажений от напряжения выходного сигнала (выходной мощности).
Для снятия данной зависимости необходимо при фиксированной частоте входного сигнала (равной 1 кГц) ступенчато изменять входное напряжение и фиксировать уровень гармонических искажений на каждой ступени [3]. Чем меньше шаг уровней входного напряжения – тем точнее конечная зависимость. Повышение входного напряжения необходимо проводить как минимум до выходной мощности, ограниченной искажениями.
Результаты измерения зависимости коэффициента гармонических искажений от напряжения выходного сигнала (выходной мощности) представлены в таблице 4, а так же на фото далее.
Таблица 4. Зависимость коэффициента гармонических искажений от напряжения выходного сигнала (выходной мощности).
| Выходная мощность | оэффициент гармонических искажений | Выходная мощность | оэффициент гармонических искажений |
| 0.04 Вт | 0.12 % | 5.88 Вт | 0.21 % |
| 0.057 Вт | 0.05 % | 9.3 Вт | 0.48 % |
| 0.3 Вт | 0.03 % | 11.4 Вт | 0.72 % |
| 0.41 Вт | 0.015 % | 14.44 Вт | 1 % |
| 1.44 Вт | 0.02 % | 16 Вт | 1.45 % |
| 2.9 Вт | 0.053 % | 17.65 Вт | 1.6 % |
По фото выше можно сделать вывод о том, что коэффициент гармонический искажений в диапазоне мощностей от 3 до 14.4 Вт возрастает практически линейно, что свидетельствует о правильной настройке и балансировке усилителя, а так же выборе рабочих точек каскадов.
Коэффициент гармонических искажений в диапазоне мощностей от 0.1 до 3 Вт практически не изменяется (изменения находятся на уровне погрешности измерения). Для более точного измерения коэффициента гармонических искажений в данном диапазоне мощностей необходимо применять методики измерения, обладающие повышенной точностью. Данные методики будут дополнительно описаны позже.
Возрастание коэффициента гармонических искажений при выходной мощности равной 0.1 Вт и ниже предположительно объясняется более высоким коэффициентом гармонических искажений, присущим классу АВ на малых мощностях, а так же более сильным влиянием шумов на процесс измерения небольших выходных мощностей.
Перегиб графика коэффициента гармонических искажений в области от 16 Вт и выше в сторону горизонтальной оси предположительно связано с закруглением амплитудной характеристики усилителя, что будет дополнительно исследовано в следующей части данной статьи.
Бывают случаи, когда недостаточно знать только зависимость коэффициента гармонических (нелинейных) искажений от частоты, а так же абсолютные значения данных коэффициентов. Такая ситуация возникает при глубоком анализе усилительных устройств и формируемого ими «окраса» (тембра) звука т.к. вклад различных гармоник сигнала в формируемый «окрас» различно. В таких случаях прибегают к спектральному отображению выходного сигнала (в том числе и в зависимости от выходной мощности).
Чаще всего в радиолюбительской практике такие спектры сигналов снимают для мощности, равной выходной мощности ограниченной искажениями; половинной выходной мощности, ограниченной искажениями; мощности, при которой производится измерение общих гармонических искажений; мощности, равной кратковременной максимальной выходной мощности (мощность в клипинге), мощности равной 1 Вт и т.д.
Методика измерения (снятия) спектра сигнала была описана ранее, поэтому повторно приводить её не будем – приведём только сами полученные спектры сигналов на выходе усилителя в различных режимах его работы.
На скрине Fниже представлен спектр сигнала при максимальной выходной мощности усилителя, ограниченной искажениями, равной 14.3 Вт.
По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 1%, а наивысший уровень имеет 3-я гармоника (-35 дБ). Так же по спектру можно видеть, что в выходном сигнале присутствуют гармоники более высоких порядков, вплоть до 7-й относительно большой величины (-70 дБ). Данный спектр дополнительно подтверждает, что эксплуатировать усилитель выше мощности, ограниченной искажениями в большинстве случаев не представляется возможным.
На скрине ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при мощности, равной половинной от максимальной выходной мощности, ограниченной искажениями.
По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.33%, а наивысший уровень так же имеет 3-я гармоника (около -47 дБ). Уровни гармоник выше 7-й можно не учитывать т.к. они имеют достаточно низкий уровень (находятся на уровне шума т.к. подавлены на -90 и более дБ).
На скрине далее представлен спектр сигнала на выходе усилителя при выходной мощности, соответствующей мощности при измерении общих гармонических искажений (т.е. 1.44 Вт).
По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.02%, а наивысший уровень имеет 2-я гармоника (-73 дб).
Различия между коэффициентами гармонических (нелинейных) искажений, полученных в различных отображениях в данной статье можно объяснить погрешностями измерений различного типа.
На этом измерение гармонических (нелинейных) искажений можно считать законченным.
В следующей части статьи мы продолжим знакомство с методами измерения различных параметров усилителя с использованием измерительного комплекса на базе ПК Visual analyser [5].
На этом на сегодня всё, с уважением, Андрей Савченко.
1. Горохов П.К. Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины. Москва: Русский язык, 1993. — 246 с.
2. Линде Д.П. Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х томах. — Варламов Р.Г., Додик С.Д., Иванов-Цыганов А.И., Корольков В.Г., Мазель. – Москва: Энергия, 1978. — 328 с.
3. ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты.
4. ГОСТ 24388-88. Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия.
5. Visual anlyser – официальный сайт
6. И. Алдошина. Основы психоакустики – подборка статей.
7. Алдошина И., Приттс Р. Музыкальная акустика. Учебник. — СПб.: Композитор, 2006. — 720 с.
8. Сапожков М.А. Электроакустика. Учебник для вузов. — Москва: Связь, 1978. — 272 с.
9. Белявский А.Г. Теория звука в приложении к музыке. Основы физической и музыкальной акустики. Москва, Ленинград: Госиздат, 1925. — 248 с.
10. Кузнецов Л.А. Акустика музыкальных инструментов. Москва, Издательство “Легпромбытиздат”, 1989 – 368 с.
Все вопросы в
Форум.
|
Как вам эта статья? |
Заработало ли это устройство у вас? |
Эти статьи вам тоже могут пригодиться:
Добрый день, уважаемые радиолюбители.
В предыдущей части данной статьи мы с вами начали рассматривать измерение параметров различных устройств на примере лампового усилителя. Сегодня мы продолжим данную тематику и поговорим об измерении нелинейных (гармонических) искажений. Итак, пожалуй, начнём.
Коэффициент нелинейных (гармонических) искажений
Согласно [1,2] под коэффициентами нелинейных и гармонических искажений подразумевают следующие характеристики:
Коэффициент гармонических искажений (коэффициент гармоник, КГИ, THD-F) – это отношение среднеквадратического значения всех гармоник напряжения (или тока) искаженного сигнала, кроме первой, к среднеквадратическому значению напряжения (или тока) первой гармоники. Коэффициент гармоник показывает степень нелинейных искажений гармонических сигналов и вычисляется по формуле:
Коэффициент нелинейных искажений (КНИ, THD-R) – это отношение среднеквадратического значения всех гармоник напряжения (или тока) искаженного сигнала, кроме первой, к среднеквадратической сумме всех гармоник напряжения (или тока). Коэффициент гармоник показывает степень нелинейных искажений гармонических сигналов и вычисляется по формуле:
В отечественной литературе и измерительных приборах обычно
используется коэффициент гармонических искажений. Выбор между КНИ и КГИ в
измерительном комплексе на базе ПК осуществляется в окне THD (пункт
21), но методика измерения остаётся при этом прежней, в независимости от
измеряемого коэффициента.
Анализ гармонических (нелинейных) искажений необходим для оценки
степени нелинейности исследуемого устройства т.е. оценки степени отличия
формы выходного сигнала от входного.
Так, например, чем ниже уровень гармонических (нелинейных) искажений
усилителя воспроизведения, тем достовернее данный усилитель
воспроизводит поданный на его вход звук, не внося дополнительных
спектральных компонент, т.е. не изменяя тембр звучания. В данной статье
мы не будем рассматривать пороги чувствительности человеческого уха к
гармоническим (нелинейным) искажениям различного типа т.к. у нас не
стоит подобной цели. Подробно об этом можно прочесть в соответствующей
литературе [6,7,8,9,10].
ГОСТ 23849-87 [3] выделяет следующие разновидности гармонических искажений:
1. Общие гармонические искажения;
2. Общие гармонические искажения как функция частоты;
3. Общие гармонические искажения как функция амплитуды.
Под общими гармоническими искажениями понимают гармонические
искажения с учётом всех значимых гармоник. Правильно спроектированный
усилитель большую часть времени работает при выходном напряжении около
10 дБ ниже номинального выходного напряжения, ограниченного искажениями,
благодаря распределению во времени амплитуды музыкальных и речевых
сигналов [3].
Таким образом, уровень общих гармонических искажений целесообразно
измерять при выходном напряжении на 10 дБ (в 3.16 раза) ниже
номинального выходного напряжения, ограниченного искажениями.
В предыдущей части данной статьи мы определили, что номинальное выходное напряжение, ограниченное искажениями равно 7.57 Вольта (что соответствует выходной мощности, ограниченной искажениями равной 14.3 Вт на нагрузке 4 Ом), соответственно уровень общих гармонических искажений необходимо измерять при выходном напряжении равном 2.4 Вольта (7.57 Вольта /3.16 раза = 2.4 Вольта). При этом частота испытательного сигнала должна быть равна 1 кГц [3,4].
Методика измерения выходного напряжения была подробно описана в
предыдущей части данной статьи, поэтому не будем приводить её повторно
(см. измерение АЧХ и выходной мощности из предыдущей части статьи).
Таким образом, для измерения общих гармонических искажений необходимо
во встроенном генераторе сигналов (пункт 22) выставить частоту
синусоидального сигнала равного 1 кГц и повышая плавно уровень входного
напряжения добиться действующего значения напряжения на выходе равного
2.4 Вольта и зафиксировать уровень гармонических искажений (на спектре
сигнала в нижней части окна).
По результатам измерения общие гармонические искажения исследуемого усилителя равны 0.04%.
Согласно [3] под общими гармоническими искажениями как функция
частоты понимают общие гармонические искажения, измеренные на частотах
измерительного сигнала, указанных в технических условиях на исследуемый
усилитель. Измерения общих гармонических искажений необходимо проводить
не менее чем на 3-х частотах. Наивысшая частота сигнала, на которой
проводятся измерения, определяется верхней граничной частотой
эффективного диапазона частот и порядком наивысшей значимой гармоники. В
качестве выходного напряжения принимается напряжение, определённое
ранее при измерении общих гармонических искажений. Результаты измерения
целесообразно представить в виде графика.
Для нашего усилителя примем количество значащих гармоник равное 5. В
предыдущей части данной статьи мы определили, что эффективный диапазон
частот усилителя по уровню -3 дБ, ограниченный усилением, простирается
до 26 кГц (см. измерение АЧХ). Таким образом, наивысшая частота
сигнала, на которой могут производиться измерения не может превышать 5.2
кГц (26 кГц разделить на 5 значащих гармоник = 5.2 кГц). В противном
случае, не все значимые гармоники попадут в расчет гармонических
искажений.
Таким образом, подавая на вход синусоидальный сигнал различных частот
и поддерживая выходное напряжение на одном уровне необходимо
зафиксировать общие гармонические искажения на каждой частоте.
Результаты измерения зависимости общих гармонических искажений от частоты представлены в таблице 1, а так же на фото ниже.
Таблица 1. Зависимость общих гармонических искажений от частоты.
| Частота сигнала на входе | Общие гармонические искажения | Частота сигнала на входе | Общие гармонические искажения |
| 20 Гц | 0.46 % | 500 Гц | 0.05 % |
| 30 Гц | 0.28 % | 1 кГц | 0.04 % |
| 40 Гц | 0.18 % | 2 кГц | 0.03 % |
| 50 Гц | 0.19 % | 3 кГц | 0.027 % |
| 100 Гц | 0.07 % | 4 кГц | 0.023 % |
| 200 Гц | 0.05 % | 5 кГц | 0.024 % |
| 350 Гц | 0.05 % | 5.2 кГц | 0.03 % |
По фото видно, что уровень общих гармонических искажений начинает
возрастать с уменьшением частоты ниже 100 Гц практически
экспоненциально. Данный рост общих гармонических искажений может быть
связан с высокой частотой среза межкаскадных RC-цепей (маленькой
постоянной времени); несимметричностью половинок первичной обмотки
трансформатора (что приводит к разбалансировке усилителя на низких
частотах из-за более сильного разброса индуктивностей половинок
обмотки); а так же недостаточной ёмкостью последнего конденсатора
фильтра источника питания и некоторыми другими причинами.
Дополнительный же повышенный уровень общих гармонических искажений на
частоте 50 Гц может быть связан с точностью измерений из-за влияния
наводок электроосветительной сети.
Считаю целесообразным при исследование гармонических (нелинейных)
искажений дополнительно снять зависимость гармонических искажений от
частоты для выходной мощности, ограниченной искажениями т.к. данная
мощность по ГОСТ измеряется на одной фиксированной частоте [3,4], что не
даёт полного представления об ограничении мощности искажениями на
других частотах.
В некоторых случаях данную характеристику можно заменить более
наглядной «обратной» и снять зависимость выходной мощности, ограниченной
искажениями в допустимом для общих гармонических искажений диапазоне
частот в зависимости от частоты (при этом коэффициент гармонических
искажений принимается равным 1%).
Для измерения первой зависимости необходимо подавать на вход
синусоидальный сигнал различных фиксированных частот и поддерживая на
выходе напряжение на одном уровне, фиксировать гармонические искажения
на каждой частоте (т.е. по сути измерения производятся при фиксированной
выходной мощности/выходном напряжении в заданном диапазоне частот).
В предыдущей части данной статьи мы определили, что выходная мощность, ограниченная искажениями равна 14.3 Вт, что соответствует 7.57 Вольтам действующего значения напряжения на выходе. Именно данное напряжение и необходимо поддерживать на выходе при измерении данной зависимости. Результаты измерения зависимости гармонических искажений от частоты при выходной мощности, ограниченной искажениями представлены в таблице 2, а так же на фото ниже.
Таблица 2. Зависимость гармонических искажений от частоты при выходной мощности, ограниченной искажениями.
| Частота сигнала на входе | Общие гармонические искажения | Частота сигнала на входе | Общие гармонические искажения |
| 20 Гц | 2 % | 500 Гц | 1.2 % |
| 30 Гц | 1.5 % | 1 кГц | 1 % |
| 40 Гц | 1.45 % | 2 кГц | 1.2 % |
| 50 Гц | 2.2 % | 3 кГц | 1.2 % |
| 100 Гц | 2 % | 4 кГц | 0.62 % |
| 200 Гц | 1.2 % | 5 кГц | 0.6 % |
| 350 Гц | 1 % | 5.2 кГц | 0.6 % |
По фото видно, что зависимость гармонических искажений от частоты при
выходной мощности, ограниченной искажениями носит сложный характер, но в
целом коэффициент гармонических искажений возрастает с уменьшением
частоты входного сигнала. Таким образом данная зависимость однозначно
показывает, что эксплуатировать усилитель выше мощности, ограниченной
искажениями в большинстве случаев не представляется возможным.
Для измерения второй зависимости так же необходимо подавать на вход
синусоидальный сигнал различных частот и устанавливая на выходе
напряжение (мощность), соответствующее гармоническим искажениям равным
1% фиксировать выходную мощность (напряжение) усилителя на каждой
частоте. Согласно [3] данная мощность является мощностью, ограниченной
искажениями.
Результаты измерения зависимости выходной мощности, ограниченной искажениями от частоты представлены в таблице 3, а так же на фото ниже.
Таблица 3. Зависимость выходной мощности, ограниченной искажениями от частоты.
| Частота сигнала на входе | Выходная мощность, ограниченная искажениями | Частота сигнала на входе | Выходная мощность, ограниченная искажениями |
| 20 Гц | 12.8 Вт | 500 Гц | 13.7 Вт |
| 30 Гц | 12.2 Вт | 1 кГц | 14.3 Вт |
| 40 Гц | 10.6 Вт | 2 кГц | 14.8 Вт |
| 50 Гц | 10.2 Вт | 3 кГц | 13.7 Вт |
| 100 Гц | 10.5 Вт | 4 кГц | 16 Вт |
| 200 Гц | 11.2 Вт | 5 кГц | 18.9 Вт |
| 350 Гц | 14.8 Вт | 5.2 кГц | 19.8 Вт |
Анализируя данное можно прийти к аналогичным выводам, сделанным для предыдущего фото.
Таким образом, 3 описанные зависимости выражают одни и те же
соотношения между частотой, гармоническими (нелинейными искажениями) и
выходной мощностью, но в несколько разном представлении. Первая
зависимость показывает работу усилителя в типовых условиях эксплуатации,
а последние 2 при достижении максимально-допустимых эксплуатационных
характеристик по мощности либо гармоническим (интермодуляционным)
искажениям в заданном диапазоне частот.
Следующей зависимостью, рассмотренной нами, будет зависимость общих
гармонических искажений от напряжения выходного сигнала (выходной
мощности).
Для снятия данной зависимости необходимо при фиксированной частоте
входного сигнала (равной 1 кГц) ступенчато изменять входное напряжение и
фиксировать уровень гармонических искажений на каждой ступени [3]. Чем
меньше шаг уровней входного напряжения – тем точнее конечная
зависимость. Повышение входного напряжения необходимо проводить как
минимум до выходной мощности, ограниченной искажениями.
Результаты измерения зависимости коэффициента гармонических искажений от напряжения выходного сигнала (выходной мощности) представлены в таблице 4, а так же на фото ниже.
Таблица 4. Зависимость коэффициента гармонических искажений от напряжения выходного сигнала (выходной мощности).
| Выходная мощность | Коэффициент гармонических искажений | Выходная мощность | Коэффициент гармонических искажений |
| 0.04 Вт | 0.12 % | 5.88 Вт | 0.21 % |
| 0.057 Вт | 0.05 % | 9.3 Вт | 0.48 % |
| 0.3 Вт | 0.03 % | 11.4 Вт | 0.72 % |
| 0.41 Вт | 0.015 % | 14.44 Вт | 1 % |
| 1.44 Вт | 0.02 % | 16 Вт | 1.45 % |
| 2.9 Вт | 0.053 % | 17.65 Вт | 1.6 % |
По фото можно сделать вывод о том, что коэффициент гармонический
искажений в диапазоне мощностей от 3 до 14.4 Вт возрастает практически
линейно, что свидетельствует о правильной настройке и балансировке
усилителя, а так же выборе рабочих точек каскадов.
Коэффициент гармонических искажений в диапазоне мощностей от 0.1 до 3
Вт практически не изменяется (изменения находятся на уровне погрешности
измерения). Для более точного измерения коэффициента гармонических
искажений в данном диапазоне мощностей необходимо применять методики
измерения, обладающие повышенной точностью. Данные методики будут
дополнительно описаны позже.
Возрастание коэффициента гармонических искажений при выходной
мощности равной 0.1 Вт и ниже предположительно объясняется более высоким
коэффициентом гармонических искажений, присущим классу АВ, а так же
более сильным влиянием шумов на процесс измерения небольших выходных
мощностей.
Перегиб графика коэффициента гармонических искажений в области от 16
Вт и выше в сторону горизонтальной оси предположительно связано с
закруглением амплитудной характеристики усилителя, что будет
дополнительно исследовано в следующей части данной статьи.
Бывают случаи, когда недостаточно знать только зависимость
коэффициента гармонических (нелинейных) искажений от частоты, а так же
абсолютные значения данных коэффициентов. Такая ситуация возникает при
глубоком анализе усилительных устройств и формируемого ими «окраса»
(тембра) звука т.к. вклад различных гармоник сигнала в формируемый
«окрас» различно. В таких случаях прибегают к спектральному отображению
выходного сигнала (в том числе и в зависимости от выходной мощности).
Чаще всего в радиолюбительской практике такие спектры сигналов
снимают для мощности, равной выходной мощности ограниченной искажениями;
половинной выходной мощности, ограниченной искажениями; мощности, при
которой производится измерение общих гармонических искажений; мощности,
равной кратковременной максимальной выходной мощности (мощность в
клипинге), мощности равной 1 Вт и т.д.
Методика измерения (снятия) спектра сигнала была описана ранее,
поэтому повторно приводить её не будем – приведём только сами полученные
спектры сигналов на выходе усилителя в различных режимах его работы.
На скрине далее представлен спектр сигнала при максимальной выходной мощности усилителя, ограниченной искажениями, равной 14.3 Вт.
По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 1%, а
наивысший уровень имеет 3-я гармоника (-35 дБ). Так же по спектру можно
видеть, что в выходном сигнале присутствуют гармоники более высоких
порядков, вплоть до 7-й относительно большой величины (-70 дБ). Данный
спектр дополнительно подтверждает, что эксплуатировать усилитель выше
мощности, ограниченной искажениями в большинстве случаев не
представляется возможным.
На скрине ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при мощности, равной половинной от максимальной выходной мощности, ограниченной искажениями.
По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен
0.33%, а наивысший уровень так же имеет 3-я гармоника (около -47 дБ).
Уровни гармоник выше 7-й можно не учитывать т.к. они имеют достаточно
низкий уровень (находятся на уровне шума т.к. подавлены на -90 и более
дБ).
На скрине далее представлен спектр сигнала на выходе усилителя при выходной мощности, соответствующей мощности при измерении общих гармонических искажений (т.е. 1.44 Вт).
По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.02%, а наивысший уровень имеет 2-я гармоника (-73 дб).
Различия между коэффициентами гармонических (нелинейных) искажений,
полученных в различных отображениях в данной статье можно объяснить
погрешностями измерений различного типа.
На этом измерение гармонических (нелинейных) искажений можно считать законченным.
В следующей части статьи мы продолжим знакомство с методами измерения
различных параметров усилителя с использованием измерительного
комплекса на базе ПК Visual analyser [5].
На этом на сегодня всё, с уважением, Андрей Савченко.
Список использованной литературы
1. Горохов П.К. Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины. Москва: Русский язык, 1993. — 246 с.
2. Линде Д.П. Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х томах. — Варламов Р.Г., Додик С.Д., Иванов-Цыганов А.И., Корольков В.Г., Мазель. — Москва: Энергия, 1978. — 328 с.
3. ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты.
4. ГОСТ 24388-88. Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия.
5. Visual analyser — Официальный сайт.
6. И. Алдошина. Основы психоакустики – подборка статей.
7. Алдошина И., Приттс Р. Музыкальная акустика. Учебник. — СПб.: Композитор, 2006. — 720 с.
8. Сапожков М.А. Электроакустика. Учебник для вузов. — Москва: Связь, 1978. — 272 с.
9. Белявский А.Г. Теория звука в приложении к музыке. Основы физической и музыкальной акустики. Москва, Ленинград: Госиздат, 1925. — 248 с.
10. Кузнецов Л.А. Акустика музыкальных инструментов. Москва, Издательство «Легпромбытиздат», 1989 — 368 с.
Коэффициент нелинейных искажений (КНИ, THD)
Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) или Total Harmonic Distorsions (THD) – показатель, характеризующий степень отличия формы сигнала от синусоидальной, так же можно сказать это – величина для количественной оценки нелинейных искажений периодического сигнала.
The total harmonic distortion, or THD, of a signal is a measurement of the harmonic distortion present and is defined as the ratio of the RMS of all high harmonic components to the RMS of the fundamental frequency harmonica.
Коэффициент безразмерный, но обычно умножается на 100% для получения значения в %.
Важное замечание:
В силовой электротехнике рассматриваются термины характеризующие нелинейность одного конкретного сигнала (например только сигнала выходного тока). Термины характеризующие нелинейность устройства (усилителя, и т.д.) и включающие в расчёт как входной так и выходной сигналы устройства не используются.
Коэффициент нелинейных искажений сигнала (КНИ, Kн, THD, THDf) – величина, выражающая степень нелинейных искажений сигнала, равна отношению среднеквадратичного значения всех высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники:
Это определение соответствует международному определению КНИ / THD для силовой электротехники и используется в большинстве анализаторов сети, например, HIOKI3197 (и др. оборудовании измеряющим КНИ), указывается в паспортных данных большинства электротехнического оборудования. Данный термин указывается в паспортных данных оборудования N-Power. Данная формула является основной (соответствует ГОСТ и EN 62040-3) , а все другие приведенные в данной статье являются упрощенными и приведены для справки.
Важные замечания:
- Первая гармоника также называется основной или фундаментальной, для обычной сети – это гармоника 50Гц.
- В паспортных значениях ИБП, стабилизаторов, и др. оборудования обычно указывается этот параметр.
- Оборудование измеряющее КНИ / THD (стабилизаторы, ИБП, анализаторы сети и др.), обычно используют этот параметр.
- КНИ используется в основном для измерения искажений формы входного или выходного тока и обозначается как: Current THD, THDI, токовый КНИ. Также параметр используется для характеристики сигнала напряжения, в этом случае он обозначается: THDU, КНИ напряжения.
- Во многих учебниках эта величина также может называться КГИ (RHD, Residual Harmonic Distortion) например [4,5,9,10] – см. дополнение ниже.
Так же в электротехнике используется следующий термин (например Анализаторы сети могут измерять эту величину):
Коэффициент гармонических искажений (КГИ, Kг, THDr) – величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичного значения всех высших гармоник сигнала, к среднеквадратичному значению спектральных компонентов всего сигнала кроме постоянной составляющей:
Важные замечания:
- Нулевая гармоника называется также постоянной составляющей.
- Во многих учебниках эта величина также может называться КНИ(THD) например [4,5,9,10] –см. дополнение ниже.
- При незначительных величинах гармонического состава значения THDr и THDf близки.
Соотношения связывающие обе величины:
Важные замечания:
- КНИ (THDf) также называется КНИ приведённым к величине СКЗ фундаментальной гармоники.
- КГИ (THDr) также называется КНИ приведённым к величине СКЗ полного сигнала.
- ГОСТ 13109-97 [12] не использует термин КНИ, но если считать что при вычислении значения коэффициента искажения синусоидальности кривой именно его рассчётная формула приведена первой [12, Б3.3.2], то терминология приведённая выше соответствует ГОСТ 13109-97.
Современные международные обозначения КНИ (THD)
Приведённые ниже термины повторяют уже рассмотренные в данной статье определения.
1) THDf is the Total Distortion compared to the RMS value of the fundamental frequency value.
THDf is the ratio of the sum of the powers of all harmonic frequency components (except for the fundamental RMS1) to the power of the fundamental frequency component and is calculated as follows:
Remarks:
Total RMS = RMS value of all waveform points (full waveform periods)
RMS0 = RMS value of DC component
RMS1 = RMS value of the fundamental frequency component
Remarks:
Real_i = Real part of the frequency component i
Imag_i = Imaginary part of the frequency component i
2) THDr is the Total Distortion compared to the RMS value of the total waveform.
THDr is the ratio of the sum of the powers of all harmonic frequency components (except for the fundamental RMS1) to the power of all harmonic frequency components and is calculated as follows:
Remarks:
Total RMS = RMS value of all waveform points (full waveform periods)
RMS0 = RMS value of DC component
RMS1 = RMS value of the fundamental frequency component
Remarks:
Real_i = Real part of the frequency component i
Imag_i = Imaginary part of the frequency component i
Прочие определения КНИ (THD), встречающиеся в технической литературе
Существуют другие определения КНИ (THD), например, приведённые ниже. Однако, в силовой электротехнике они не используются.
1) THD:
2) THD+N – общие искажения плюс шум:
Перечень терминов и определений, применяемых ранее в русскоязычных учебниках по радиоэлектронике и электротехнике
Во избежании путаницы ниже представлена терминология, использовавшаяся в русскоязычных учебниках по радиоэлектронике и электротехнике.
Эти термины могут использоваться в настоящее время в радиотехнике, но в силовой электротехнике во избежании путаницы рекомендовано применение международных терминов (см. выше).
В русскоязычной литературе ранее были приняты обозначения и термины:
1) Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) или коэффициент искажений или коэффициент гармонических искажений сигнала, равный отношению действующего значениия основной(первой) гармоники к действующему значению всего сигнала (всей функции):
d = Кни = КНИ = A1 / A=I1 / I
d=1 – для синусоидального сигналов
d=~0.99 – для треугольного сигнала
d=0.9 – для прямоугольного сигнала
Дополнительная информация:
Положим, что напряжение синусоидально, а ток несинусоидален. В этом случае активная мощность определяется мощностью первой гармоники:
При этом действующее значение тока:
Следовательно, коэффициент мощности:
Множитель kи называется коэффициентом искажения:
Русский термин «коэффициент искажения» эквивалентен зарубежному термину «искаженный коэффициент мощности». Его можно выразить также через THD как показано ниже:
Формула является правильной, но как в отечественной, так и зарубежной литературе, эти термины в силовой электротехнике не используются (или применяются редко). Эту формулу можно получить поставив определение КНИ в формулу определяющую «искажённый коэфф мощности»:
2) Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) – величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичной суммы всех высших спектральных компонентов сигнала, к среднеквадратичной сумме спектральных компонентов всего сигнала (кроме постоянной составляющей), иногда используется нестандартизованный синоним – клирфактор (заимств. с нем.). КНИ – безразмерная величина, выражается обычно в процентах.
Коэффициент гармонических искажений – величина, выражающая степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.), равная отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала.
Коэффициент гармоник (КГ) так же как и КНИ выражается в процентах. Коэффициент гармоник (KГ) связан с КНИ (KН) соотношением:
Важное замечание:
Следует признать, что данная терминология долгое время являлась «правильной» для русскоязычной, немецкоязычной литературы, так же именно эти определения продолжают использоваться в некоторых анализаторах сети [10], но в связи с преобладанием обратной терминологии в большинстве современного оборудования (анализаторы сети, ИБП, стабилизаторы, корректоры коэффициента мощности и др.) рекомендуется применение терминов приведенных в самом начале.
Данную терминологию нельзя признать неправильной, но данные и технические характеристики оборудования N-Power указываются в соответствии с европейской и международной терминологией, поэтому рекомендуется применение терминов приведённых в самом начале.
Российский стандарт. Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) и качество сетевого электропитания (ГОСТ 13109-97)
Ниже представлены выдержки из ГОСТ 13109-97:
Вычисляют значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Кт в процентах как результат i-го наблюдения по формуле:
 |
(Б.15) |
где U(1)i — действующее значение междуфазного (фазного) напряжения основной частоты для i-го наблюдения, В, кВ.
При определении данного показателя КЭ допускается:
1) не учитывать гармонические составляющие, значения которых менее 0,1 %;
2) вычислять данный показатель КЭ по формуле
 |
(Б.16) |
Примечание:
Относительная погрешность определения КUi с использованием формулы (Б.16) вместо формулы (Б.15) численно равна значению отклонения напряжения U(1)i от Uном.
Формула приведенная в данном ГОСТе первой (Б.15) соответствует международному определению термина КНИ / THD (см. начало статьи, см. стандарт EN 62040-3).
Европейский стандарт качества сетевого электропитания (EN 62040-3), и коэффициент нелинейных искажений тока
Коэффициент нелинейных искажений по току в % идентичен базовому определению КНИ, определенному в стандарте EN 62040-3 и рассчитывается как процентное отношение среднеквадратичных значений высших гармоник к базовой (первой) гармоники. См. прилагаемую формулу.
[1] Ф.Е.Евдокимов. Теоретические основы электротехники М., Академия 2004 cтр. 262
[2] Г.И. Атабеков. Основы Теории Цепей с.176, стр. 434
[3] Анализатор сети Fluke 435. Руководство пользователя
[4] Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х т. Под ред. Д. П. Линде – М.: Энергия, 1978
[5] Горохов П. К. Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины – М: Рус. яз., 1993
[6] Коэффициент нелинейных искажений: http://ru.wikipedia.org/
[7] Total Harmonic Distortion: http://en.wikipedia.org/wiki/Total_harmonic_distortion
[8] Total Harmonic Distortion: http://de.wikipedia.org/wiki/THDi http://de.wikipedia.org/wiki/Total_Harmonic_Distortion
[9] П.Шпритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике 3.1.1. Москва Мир 1991
[10] Анализатор сети DMK62 Lovato. Руководство пользователя:
http://www.lovatoelectric.com/RICERCA/ITALIANO/03_ISTRUZIONI/I104IGBFE04_08.PDF
[11] ГОСТ 8.331-99 ГСИ. Измерители коэффициента гармоник. Методы и средства поверки и калибровки.
ГОСТ 8.110-97 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения коэффициента гармоник
[12] ГОСТ 13109-97
[13] Анализатор сети HIOKI3197. Руководство пользователя
Современные международные обозначения КНИ(THD)
Приведённые ниже термины повторяют определения приведённые выше.
I
II
Дополнение1
Замечание: существуют другие определения КНИ(THD) например приведённые ниже но в силовой электротехнике они не используются:
I THD
II THD+N
THD+N обозначает общие искажения плюс шум.
Дополнение2
Внимание!
Во избежании путаницы ниже приведены термины ранее использовавшиеся в русскоязычных учебниках по радио/электротехнике.
Эти термины могут использоваться в настоящее время в радиотехнике но в силовой электротехнике во избежании путаницы рекомендовано применение международных терминов приведённых выше.
В русскоязычной литературе ранее были приняты обозначения и термины:
I
Коэффицие́нт нелине́йных искаже́ний (КНИ)
или Коэффициент искажения(ий)
или Коэффициент гармонических искажений сигнала
равен отношению действующего значениия основной(первой) гармоники к действующему значению всего сигнала (всей функции).
d=Кни=КНИ=A1/A=I1/I
Для синусоиды d=1, для треугольного сигнала d~=0,99, для прямоуг. сигнала d=0,9.
Дополнительная информация:
II
Коэффицие́нт нелине́йных искаже́ний (КНИ) — величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичной суммы всех высших спектральных компонентов сигнала, к среднеквадратичной сумме спектральных компонентов всего сигнала (кроме постоянной составляющей), иногда используется нестандартизованный синоним — клирфактор (заимств. с нем.). КНИ — безразмерная величина, выражается обычно в процентах.
Коэффициент гармонических искажений — величина, выражающая степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.), равная отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала.
Коэффициент гармоник так же как и КНИ выражается в процентах. Коэффициент гармоник (KГ) связан с КНИ (KН) соотношением :
Замечание 1: следует признать что данная терминология долгое время являлась «правильной» для русскоязычной, немецкоязычной литературы, так же именно эти определения продолжают использоваться в некоторых анализаторах сети [10], но в связи с преобладанием обратной терминологии в большинстве современного оборудования (анализаторы сети, ИБП, стабилизаторы, корректоры коэфф. мощности и др.) рекомендуется применение терминов приведённых в самом начале.
Эту терминологию нельзя признать неправильной, но данные и технические характеристики оборудования N-Power указываются в соответствии с европейской и международной терминологией, поэтому рекомендуется применение терминов приведённых в самом начале.
Дополнение 3
Выдержки из ГОСТ 13109-97:
Из приведённых в ГОСТ определений видно что вторая формула соответствует определению КНИ (несмотря на то что термин КНИ вообоще отсутствует).
—
[1] Ф.Е.Евдокимов Теоретические основы электротехники М., Академия 2004 c.262.
[2] Г.И. Атабеков Основы Теории Цепей с.176, 434с.
[3] Анализатор сети Fluke 435 Руководство пользователя
[4] Справочник по радиоэлектронным устройствам: В 2-х т.; Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
[5] Горохов П. К. Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины — М: Рус. яз., 1993
[6] http://ru.wikipedia.org/ Коэффициент нелинейных искажений
[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Total_harmonic_distortion
[8] http://de.wikipedia.org/wiki/THDi http://de.wikipedia.org/wiki/Total_Harmonic_Distortion
[9] П.Шпритек Справочное руководство по звуковой схемотехнике 3.1.1, Москва Мир 1991
[10] Анализатор сети DMK62 Lovato Руководство пользователя.
http://www.lovatoelectric.com/RICERCA/ITALIANO/03_ISTRUZIONI/I104IGBFE04_08.PDF
[11] ГОСТ 8.331-99 ГСИ. Измерители коэффициента гармоник. Методы и средства поверки и калибровки
ГОСТ 8.110-97 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения коэффициента гармоник
[12] ГОСТ 13109-97
[13] Анализатор сети HIOKI3197 Руководство пользователя
С замечаниями по содержанию этого раздела просьба обращаться:
.
Александр.
SIEL подвердил что все правильно с THD
Можно целиком текст ниже в статью включить+этот стандарт тоже.
Даниил А.
________________________________________
From: Mazza Angelo [mailto:
]
Sent: Wednesday, December 21, 2011 7:33 PM
To: Daniil A.
Cc: ‘Олег Сергеев’; Matoshi Gladiola; Pensini Glauco
Subject: R: SafePower Evo input THD //l2
Dear Mr. Daniil,
the value THDI%, indicated in the manual, is the definition of Total Harmonic Distortion and is exactly equal to the definition expressed by UPS Statement of EN 62040-3, which defines it as the percentage ratio of the rms value of the harmonic content and the rms value of the fundamental component (first harmonic) which expressed by the following relationship:
THDI % = 100*
The values I1, I2, I3, ect….are rms values.
