Лекция №8. Измерение характеристик усилителя

 

Содержание лекции: измерение амплитудно-частотных характеристик; коэффициента нелинейных искажений.

Цель лекции: изучить методы измерения характеристик усилителя в системе сертификации продукции.

Любой электронный усилитель должен иметь сертификат соответствия. В этом документе обязательно должны быть указаны чувствительность, полоса частот, выходная мощность и коэффициент нелинейных искажений.

Для оценки качества звучания усилителя снимают его частотную характеристику при выходной мощности, значительно меньшей номинальной. Это достигается подачей на вход усилителя уровня сигнала в 3 – 10 раз ниже расчетного. Такой режим работы усилителя устанавливается для того, чтобы возможные завалы и подъемы частотной характеристики не были сглажены появлением нелинейных искажений. Для большинства УЗЧ при воспроизведении грамзаписи входное напряжение равно 100 – 250 мВ, а с микрофонного входа УЗЧ – 1 – 2 мВ.

Для определения области линейного режима работы усилителя снимается амплитудная характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения от входного. Обычно амплитудные характеристики УЗЧ снимаются на частоте 1000Гц, так как в этой точке усиливаемого диапазона частот коэффициент усиления максимальный.

Для снятия амплитудной характеристики на вход усилителя подают напряжение различной амплитуды и измеряют выходное напряжение с помощью электронного вольтметра или градуированного осциллографа. Входное напряжение увеличивают до получения на выходе усилителя напряжения, в 1, 5 раза превышающего номинальное значение, или до того момента, при котором напряжение на выходе перестанет увеличиваться. По полученным значениям строят зависимость . Амплитудная характеристика УЗЧ показана на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 – Амплитудная характеристика усилителя

 

По амплитудной характеристике находим линейный участок. Диапазон входных напряжений составляет 5 – 25 мВ.

Полоса пропускания (диапазон усиливаемых частот) – это полоса частот в пределах категорий коэффициент усиления измеряется не больше, чем это допустимо по техническим регламентам. В таблице 10.1 приведены допустимые полосы частот для усилителей различного назначения.

Таблица 8.1 – Полоса частот

Назначение усилителя	Нижняя граничная частота fн, Гц	Верхняя граничная частота fв, кГц
Телефония Радиовещание на длинных, средних и коротких волнах Радиовещание на УКВ Запись и воспроизведение звука среднего качества Высококачественная звукозапись, усиление радиосигналов	150-300 50-100 70-100 20-50 20-30	2, 5-5 5-8 10-20 6000-8000

Поясним технологию получения амплитудно-частотной характеристики исследуемого, например, усилителя промежуточной частоты (УПЧ) при помощи осциллографа и генератора качающейся частоты (ГКЧ). Функциональная схема измерения приведена на рисунке 8.2.

Рисунок 8.2 – Функциональная схема измерения частотных характеристик

 

Поддерживая на входе усилителя постоянный уровень сигнала, ГКЧ изменяет частоту в обе стороны от контрольной частоты 1 кГц. На экране ЭЛО наблюдается осциллограмма – график амплитудно-частотной характеристики (см. рисунок 8.3).

Рисунок 8.3 – Амплитудная частотная характеристика

 

По оси ординат отсчитываются нормированные значения коэффициента усиления, выраженные в децибелах

K_н(f) = 20 lg (K_f / K _{f=1 кГц}).

В сторону уменьшения частот берут контрольные точки сначала через 100, а затем через 50 и 25Гц. В сторону увеличения частот контрольные частоты берут через 2, 5 – 5кГц, усиление на частотах 25Гц и 20кГц проверяют только для высококачественных усилителей. Одновременно измеряют выходное напряжение на каждой из этих частот. По полученным результатам измерения строят амплитудно-частотную характеристику УЗЧ. Реальная частотная характеристика усилителя с учетом акустических систем имеет вид кривой 4 (см. рисунок 8.4).

1 – идеальная; 2 – узкая полоса (завал крайних частот); 3 – широкая полоса (усиление крайних частот); 4 – эксплуатационная.

Рисунок 8.4 – Амплитудно-частотная характеристика УЗЧ при различной ширине полосы пропускания (по звуковому давлению)

 

Амплитудно-частотная характеристика и допустимые частотные искажения определяют полосу частот усилителя. Например, для сетевых радиоприемников II класса полоса частот 100-10000 Гц, а для усилителей малогабаритных транзисторных приемников – 200-3500 Гц.

Рассмотрим, как форма амплитудно-частотной характеристики влияет на качество воспроизведения звуковых сигналов.

Частотные искажения в области крайних звуковых частот субъективно воспринимаются на слух как ухудшение качества звучания: завалы на частотах 2 – 3 кГц и выше делают звучание тусклым, ухудшают разборчивость речи, излишнее усиление приводит к подчеркиванию шипящих и свистящих звуков и неестественно резкому звучанию музыки, раздражающему слух. Частотные искажения в области частот 100-200 Гц и ниже нарушают красоту тембра, а чрезмерное их усиление вызывает ощущение неприятного бубнящего звучания.

Нелинейными называют искажения формы выходного сигнала, обусловленные нелинейностью элементов схемы УЗЧ. Основная причина появления нелинейных искажений в УЗЧ – нелинейность входных и выходных характеристик усилительных приборов, трансформаторов и других элементов аппаратуры. В результате этого в спектре частот усиливаемого сигнала появляются гармонические составляющие, частоты которых в целое число раз выше основной частоты. Наличие напряжения этих частот приводит к искажениям звука, которые увеличиваются по мере увеличения подаваемого на вход УЗЧ уровня сигнала.

Нелинейные искажения УЗЧ можно определить с помощью специального прибора – измерителя нелинейных искажений (см. рисунок 8.5).

Рисунок 8.5 – Структурная схема измерителя нелинейных искажений

 

Прибор содержит: усилитель Ус, имеющий ступенчато регулируемый коэффициент усиления; заграждающий фильтр Ф, который пропускает все частоты, за исключением той частоты, на которую он настроен; электронный вольтметр действующего значения ЭВ, имеющий квадратичную характеристику. Показания вольтметра пропорциональны корню квадратному из суммы квадратов всех гармонических составляющих приложенного к нему напряжения. Измерение коэффициента нелинейных искажений осуществляется следующим образом. Сначала на вольтметр подается исследуемое напряжение Uх, минуя фильтр (переключатели II1 и П2 в положении 1), и с помощью регулируемого резистора R стрелка вольтметра устанавливается на последнее деление шкалы, что соответствует 100% приложенного напряжения. Затем Uх подается на вольтметр через фильтр, подавляющий основную волну (переключатели в положении 2), и перестройкой фильтра добиваются минимального показания вольтметра. Отклонение стрелки вольтметра будет соответствовать значению k_нч в процентах

.

Практическое значение имеют вторая и третья гармоники. Допустимое значение определяется назначением усилителя. Коэффициент нелинейных искажений в зависимости от полосы пропускания УЗЧ измеряют на частотах 50, 100, 200, 400, 1000, 2000 и 5000 Гц.

В УЗЧ среднего класса для воспроизведения речи и музыки допустимый коэффициент нелинейных искажений 5-7 %.