Пасивний режектор для вимірювання малого коефіцієнта гармонік

Едуард Семенов, м. Томськ

Пропонована методика калібрування популярної програми SpectraLab дозволяє метрологічно коректно вимірювати коефіцієнт гармонік на рівні десятитисячних часток відсотка доступними засобами – звуковий картою ПК і пасивним RC-мостом.

Традиційний підхід до вимірювання коефіцієнта гармонік (Кг) меншого, ніж власний Кг вимірювальної системи, полягає в придушенні (режекціі) частоти основного тону у вихідному сигналі досліджуваної системи перед подачею на вхід вимірювальної системи і подальшому облік ступеня режекціі. Вимога малого впливу на амплітуду гармонік робить необхідним виконання режектора або активним [1], або із застосуванням індуктивностей. Однак, застосування для спостереження спотвореного сигналу спектроаналізатор з можливістю калібрування амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) дозволяє не знижувати вплив режектора на гармоніки до знехтувати величин, а враховувати конкретне значення цього впливу. Тут же можливий облік ступеня режекціі основного тону для коректного обчислення коефіцієнта гармонік. Це дозволяє застосувати пасивний RC режектор і вимірювати коефіцієнт гармонік штатними засобами спектроаналізатор, без всяких додаткових поправок на величину режекціі. Перевагами пасивного режектора є менші власні нелінійні спотворення, шуми і фон. Відсутність необхідності в джерелі живлення не погіршує і без того серйозні проблеми замикання струмів перешкод, що протікають по загальному дроту, через загальну мережу живлення.

Схема режектора на частоту 1 кГц наведена на мал.1. Якщо Ви не впевнені в якості застосовуваних деталей, то краще обмежитися невеликий ступенем режекціі. Для опору навантаження 4,2 кОм (опір мікрофонного входу звукової карти на основі мікросхеми CS4235) номінали елементів наступні: С1 = СЗ = 0,022 мкФ, С2 = 0,047 мкФ, R2 = 4,7 кОм, R1 = R3 = 6,8 кОм; придушення частоти 1 кГц складає 36 дБ. Використання мікрофонного входу карти пов'язано з тим, що після придушення основного тону рівень сигналу виявляється низьким (якщо мова не йде про підсилювачі потужності). Якщо Вас не лякає необхідність підстроювання номіналів режектора і періодичної перевірки його АЧХ, то можна збільшити ступінь придушення до 50 дБ. Для цього номінали елементів повинні бути наступні С1 = С3 = 0,02 мкФ, С2 = 0,043 мкФ, R2 = 4,1 кОм, R1 = R3 = 7,6 кОм.


Рис. 1.

Налаштування режектора виконується підстроюванням номіналів елементів. Метою налаштування є приблизна установка частоти режекціі на 1 кГц. Невеликі відхилення як частоти, так і глибини режекціі несуттєві – в майбутньому вони будуть скомпенсовані калібруванням спектроаналізатор.

Калібрування спектроаналізатор виконується так.

1. На вхід режектора подається сигнал білого шуму (при цьому спектральна щільність потужності на виході режектора буде мати провал на частоті режекціі) і виконується калібрування спектроаналізатор таким чином, щоб амплітудний спектр даного сигналу відображався як рівномірний. Для поширеного програмного спектроаналізатор SpectraLab це робиться наступним чином.

1.1. Вимірюється амплітудний спектр білого шуму, пропущеного через режектор (рекомендовані тут і далі установки спектроаналізатор: Decimation Ratio: 1, FFT size: 65536 pts, Averaging Settings: Infinite, Exponential, прапорець Peak Hold не встановлювати).

1.2. Отриманий графік "запам'ятовується" натисканням будь-якої з чотирьох кнопок Set в області Overlays.

1.3. Послідовним натисканням кнопок Options …, Save … в тій же області Overlays запам'ятовані графік зберігається у вигляді файлу. Тип файлу потрібно змінити з пропонованого за замовчуванням *. ovl на *. mic.

1.4. Через меню Options / Scaling встановити прапорець Enable Compensation і вказати в якості файлу для компенсації файл, збережений за п.1.3.

1.5. Виконати п. 1.1 (тільки тепер при встановленому прапорці Enable Compensation), що відображається амплітудний спектр повинен бути плоским.

2. Якщо Ви хочете, щоб рівень основного тону відображався спектроаналізатор як 0 дБ, виконайте наступне.

2.1. Увійдіть в меню Options / Calibration. Якщо прапорець Enable Calibration вже встановлено, тимчасово зніміть його (не плутати з прапорцем Enable Compensation, який, звичайно, повинен бути встановлений).

2.2. У меню Options / Scaling встановіть лінійний масштаб по вертикальній осі. Подайте на вхід вимірювальної системи синусоїдальний сигнал, який має бути відображений як 0 дБ. Виміряйте рівень сигналу (Для глибини режекціі 50 дБ і величиною сигналу на вході АЦП близькою до максимальної це число буде мати порядок 10000000).

2.3. У меню Options / Calibration встановіть наступні параметри: Calibration Signal Parameters: Level: 1, rms; Units: Custom; Display Units and Labels: Log: впишіть від руки "dB"; Display Values As: rms; Detected levels: впишіть від руки значення, отримане в п. 2.2 (процедуру Measure Input Signal, не виконувати). Прапорець Enable Calibration встановіть. Тепер амплітуди гармонік будуть відображені спектроаналізатор щодо амплітуди основного тону (у дБ для логарифмічного масштабу і в частках одиниці для лінійного). Необхідність такої нестандартної процедури калібрування викликана тим, що при виконанні команди Measure Input Signal! не враховується компенсаційна АЧХ.

На цьому етапі корисно оцінити найменше значення коефіцієнта гармонік, яке може бути виміряна. Для цього безпосередньо на вхід АЦП звукової карти, без режектора, подайте синусоїдальний сигнал від генератора з коефіцієнтом гармонік меншим, ніж власний Кг АЦП (наприклад, для карт на основі мікросхеми CS4235 це близько 0.005%), компенсація за п. 1.4 повинна залишитися як і раніше включеною. Видимий при цьому утилітою спектроаналізатор Кг (Utilities / Total Harmonic Distortion) і є найменшим значенням коефіцієнта гармонік, яке може бути виміряна за допомогою даної звукової карти і режектора. Для картки на основі CS4235 і глибини режекціі 50 дБ це 0,00006% (рис.2). Для глибини режекціі 36 дБ результати, природно, дещо гірше (0,0005%).

Тепер на вхід вимірювальної системи через режектор можна подавати сигнал від системи, що досліджується і вимірювати коефіцієнт гармонік безпосередньо утилітою спектроаналізатор, ніякої додаткової корекції результатів не потрібно.

У подальшому слід періодично виконувати пункт 1.5 і при значній нерівномірності спектру повторювати пп. 1.2-1.4.

Для пристроїв з дуже низькою навантажувальною здатністю, можливо, слід мати на увазі вхідний опір режектора. Навантаження на досліджуваний пристрій визначається опором режектора на частоті 1 кГц, оскільки сигнал на інших частотах створюється тільки спотвореннями і шумами, величина яких багато менше. Модуль імпедансу режектора на частоті 1 кГц складає 6 кОм.

Література

1. Є. Лукін. Комплекс для вимірювання наднизьких нелінійних спотворень / / Радіохоббі. 2000. № 2. з. 40-42.

2. Є. Музиченко. Програмні аналізатори спектру / / Радіохоббі. 1998. № 6. з. 32-34, 1999. № 1. з. 38-39.

РадіоХоббі 2 / 2002, с. 61-62.