Серия статей И. Акулиничева:

1.  Векторный индикатор нелинейных искажений. 1977г.

2.  Приставка к осциллографу для оценки качества усилителей. 1980г.

3.  Селекция сигнала искажений. 1983г.

Векторный индикатор – это специализированный осциллограф, предназначенный для исследования нелинейности амплитудных и фазовых характеристик усилителей НЧ и возникающих в них помех.

С его помощью можно определить номера гармоник и их амплитуду, обнаружить шумы и помехи при разных уровнях выходного сигнала и сопротивлениях нагрузи, выяснить причины возникновения нелинейных искажений, помех, самовозбуждения и нарушений симметрии двухтактных и дифференциальных каскадов * . Облегчая формальную оценку нелинейных искажений, векторный индикатор дает возможность исследовать различие между формами входного и выходного сигналов усилителей, отличающихся схемными решениями, и поэтому важен для оценки их эффективности.

В этом приборе селекция сигнала помехи осуществляется без помощи фильтров, путем прямого вычитания входного напряжения усилителя из выходного. Такой метод селекции, основанный на сопоставлении двух противофазных напряжений, обеспечивает автокомпенсацию гармоник измерительного сигнала, поступающего от генератора. Сигнал помехи поступает на усилитель вертикального отклонения векторного индикатора. Для развертки по горизонтальной оси используется синусоидальный сигнал от измерительного генератора. Электронный луч прочерчивает на экране трубки замкнутую трассу (ниже будем называть ее «векторной трассой»), по изломам и перекрещиванием которой можно анализировать динамику процессов в усилителях.

Основными составными частями векторного индикатора нелинейных искажений являются: генератор синусоидального измерительного сигнала; селектор, пропускающий только колебания с частотами, которые отличаются от частоты измерительного сигнала; инвертор-повторитель; масштабный усилитель; электроннолучевая трубка с усилителями отклонения луча по горизонтали и вертикали; блок вторичного электропитания.

Структурная схема (рис.1) Синусоидальное напряжение с выхода генератора 1 подается на вход усилителя 8 горизонтального отклонения луча электроннолучевой трубки 9 и через корректор фазового сдвига 2 на вход испытываемого устройства 3. Выходное напряжение последнего через регулятор уровня 4 и переключатель S1 («Повторитель» - «Инвертор») поступает либо на неинвертирующий, либо на инвертирующий вход операционного усилителя 5. Этот каскад позволяет обеспечить необходимую фазу сигнала на входе резистивной цепи селектора независимо от того, каким является испытуемый усилитель: инвертирующим или неинвертирующим. Между выходами генератора и операционного усилителя включена резистивная цепь селектора R1R2. Общая точка резисторов через контакты переключателя «Измерение» - «Калибровка» соединяется со входом масштабного усилителя 6. Его выходное напряжение подается на вход усилителя вертикального отклонения 7.

Поскольку сопротивления резисторов R1 и R2 постоянны, а селектор подключен к генератору синусоидального напряжения с неизменным амплитудным значением U1=9.2В (действующее значение 6.5В), настройка селектора достигается подбором амплитуды противофазного напряжения U2. При отношении сопротивлений резисторов R1:R2=10 напряжение U2 будет иметь амплитудное значение 0.92 В, а составляющая нелинейных искажений при коэффициенте гармоник, равном 0,5%, с учетом понижения U2 делителем R2R1 на входе масштабного усилителя – 4,1 мВ.

Для калибровки вертикального отклонения луча переключатель S2 («Измерение» - «Калибровка») устанавливают в положение «Калибровка». При этом вход масштабного усилителя 6 подключается к выходу генератора 1 через делитель напряжения, образуемый резисторами R1, R3. Оценку величины помехи производят по масштабу калибровочной трассы. Это позволяет избежать погрешности, связанной с нестабильностью выходного напряжения генератора U1.

Принципиальная схема (рис.2). Генератор измерительного синусоидального сигнала выполнен на базе микросхемы А1 (операционный усилитель К1УТ531Б). Резисторы R5 и R6 образуют цепь положительной обратной связи, а резисторы R2, R2 и конденсаторы C1, С2 входят в цепь отрицательной обратной связи. Рабочая частота генератора – 1кГц – определяется параметрами цепи R1C1R2C2**. Коэффициент гармоник выходного напряжения генератора – не более 0,03%. Миниатюрная лампочка накаливания H1 является элементом стабилизации выходного напряжения генератора. Коррекцию фазового сдвига, вносимого контролируемым усилителем и соединительными проводами, осуществляют цепочки C5R9 и C6R8. Предельная коррекция (±85°) достигается сдвоенным переменным резистором R10, а точная – переменным резистором R11.

Вход контролируемого усилителя подключают к зажимам (гнездам) X1, а его выход – к зажимам (гнездам) X2. Напряжение, подаваемое с корректора фазового сдвига на вход контролируемого усилителя, можно изменять в пределах от 0 до 2В с помощью переменного резистора R12.

В зависимости от положения переключателя S2 операционный усилитель А2 работает либо как неинвертирующий, либо как инвертирующий усилитель.

Переменный резистор R13 во входной цепи операционного усилителя позволяет изменять настройку селектора в широких пределах (при выходном напряжении контролируемого усилителя от 1 до 20В), а с помощью переменного резистора R14 можно точно подстроить селектор.

Переключателем S1 контролируемый усилитель можно отключить и производить самоконтроль индикатора. При этом вход операционного усилителя подключается к выходу корректора фазового сдвига, чем обеспечивается возможность проверки работы этого усилителя и генератора.

Масштабный усилитель на полевом транзисторе V1 практически полностью устраняет обратную реакцию на селектор. Масштаб вертикального размера векторограммы на экране трубки изменяют с помощью переключателя S4. При различных его положениях в цепь стока транзистора V1 включены резисторы с различными сопротивлениями (R25…R27), вследствие чего изменяются усиление масштабного усилителя и размах напряжения помехи, поступающего с выхода усилителя Y на пластины электроннолучевой трубки. Обозначения «0,5%», «2%» и «10%» соответствуют наибольшему значению коэффициента гармоник, которое можно измерить при данном положении переключателя.

Калибровочное напряжение поступает на вход масштабного усилителя через контакты переключателя S3.2, при этом его контакты S3.1 отключают синусоидальную развертку.

Усилители вертикального и горизонтального отклонений однотипны, выполнены по схеме с парафазным выходом на транзисторах V2-V5. Подстроечные резисторы в эмиттерных цепях (R44, R46, R36, R38) служа для установки напряжений на отклоняющих пластинах электроннолучевой трубки.

Допускаемое отклонение от номинальных сопротивлений для резисторов R20…R24 должно быть не более ±0,5% (следует применять резисторы типа УЛИ или С2-13).

Налаживание прибора. Горизонтальное отклонение луча на весь экран при номинальном выходном напряжении генератора устанавливают подстроечным резистором R42, а вертикальное – резистором R34 при подключенном напряжении калибровки. Если растяжка калибровочного напряжения будет разной при переключении уровней контроля, может понадобиться подобрать сопротивления резисторов R25, R26.

Генератор синусоидального напряжение легко наладить при помощи осциллографа или вольтметра переменного тока. При действующем значении выходного напряжения более 7В возникают значительные искажения синусоиды. Поэтому значение выходного напряжения генератора не должно быть более 6-6,5 В. Практически единственной причиной неустойчивости работы генератора может быть неправильный выбор параметров цепочки C3R7.

Нормальная работа фазового корректора характеризуется возможностью сжатия эллипсоидальной векторной трассы до полного уплощения без заметного поворота в плоскости экрана.

Измерить фазовый сдвиг и отградуировать шкалу переменного резистора R10 (обычно при среднем положении движка переменного резистора R11) можно фазометром, подключенным между выходом генератора измерительного сигнала и выходным проводом прибора. Однако оценку фазового сдвига, вносимого контролируемым усилителем, следует производить от нуля в режиме самоконтроля. Полученное при этом значение фазового сдвига, за счет влияния соединительных цепей и регулировок, может отличаться от полученного при помощи фазометра примерно на 10%.

Операционный усилитель A2 проверяют в режиме самоконтроля, устанавливая переключатель S4 в положение «0,5%». Даже едва заметные искривления или «выбухания» векторной трассы максимально сжатого эллипса можно устранить подбором параметров цепочки C7R19 (по рекомендации паспорта на операционный усилитель). Точная и устойчивая установка векторограммы по горизонтали экрана может быть достигнута лишь при условии, что подвижные части переменных резисторов R13 и R14 не имеют люфтов.

Первоначальное согласование векторного индикатора с контролируемым усилителем производят при установке переключателя S4 в положение «10%»; при необходимости корректируют положение векторограммы при положениях этого переключателя «2%» и «0,5%».

Анализ причин возникновения нелинейных искажений и помех.

На рис. 3 представлены векторограммы при самоконтроле векторного индикатора:
а – селектор не настроен как по значению сопоставляемых напряжений, так и по их фазовому сдвигу;
б – почти чистая амплитудная нелинейность получена при помощи встречно-параллельного включения кремниевых диодов и резистора 12 кОм между входом и выходом прибора;
в – амплитудно-фазовые искажения, возникающие при таком же влиянии индуктивности;
г – шумы и помехи.

На рис. 5 показаны векторограммы наблюдаемые при контроле бестрансформаторных усилителей, работающих в режиме B:
а – искажения типа «ступенька»;
б – амплитудные искажения при отключенной цепи вольтодобавки в предоконечном каскаде усилителя; в – односторонние амплитудные ограничения при нарушении функциональной симметрии плеч усилителя;
г – векторограмма недоброкачественного усилителя (наблюдается значительное нарушение функциональной симметрии, одно плечо усилителя склонно к самовозбуждению).

Общие принципы оценки нелинейных искажений по векторограмме следующие: перегрузка усилителя, при которой возникает ограничение амплитуды, характеризуется односторонним или двусторонним выбросом трассы; помехи, вызванные пульсациями напряжения питания или наводок создаваемых электромагнитными полями, размывают векторограмму на множество трасс (это часто затрудняет оценку малых значений нелинейных искажений); преимущественно амплитудная нелинейность дает серпообразные искривленные векторограммы, а если при этом нарушена фазовая динамика – наблюдается «выбухание» трассы и перекресты на ней.

В случае, если преобладает вторая гармоника, получается один перекрест, если преобладает третья – два и т.д.

Поскольку при векторографии нейтральная и полярная оси проходят по диагоналям экрана электроннолучевой трубки, легко производится распознавание изменений в различных плечах двухтактных или дифференциальных усилителей, хотя при контроле инвертирующих и неинвертирующих усилителей они разнонаправленны.

Полярность подключения отклоняющих пластин электронной трубки выбрана такой, что вращение ручек переменных резисторов R13 и R14 создает однозначное движение векторограммы в плоскости экрана.

Применение векторного индикатора можно рекомендовать при разработке усилителей мощности, способных качественно работать при минимальных нагрузках. При контроле предусилителей-корректоров, а также усилителей с частотными и шумовыми ограничителями можно выяснить качественные потери, которыми оплачивается достигаемый эффект.

Описанный векторный индикатор оказался весьма полезным при отработке усилителя НЧ с обратной связью по току (при этом частота генератора синусоидального сигнала была уменьшена до 50Гц путем увеличения в 20 раз емкостей конденсаторов C1, C2, C3 и C4 в цепи обратной связи генератора и фазового корректора).

И. Акулиничев.   с. Архангельское Московской обл.

Примечание редакции. Входы операционного и масштабного усилителя рекомендуется защитить от возможных перегрузок диодами, включенными встречно-параллельно.

* Все составляющие выходного сигнала, отличающиеся от частоты измерительного сигнала, при дальнейшем изложении для краткости будем называть помехой.

** При необходимости уменьшить (увеличить) частоту колебаний, вырабатываемых генератором, нужно пропорционально увеличить (уменьшить) емкости конденсаторов C1 и C2.

Источник:

И. Акулиничев. Векторный индикатор нелинейных искажений. Радио №6, 1977г. стр. 42-44

Серия статей И. Акулиничева:

1.  Векторный индикатор нелинейных искажений. 1977г.

2.  Приставка к осциллографу для оценки качества усилителей. 1980г.

3.  Селекция сигнала искажений. 1983г.