ЕЩЕ ОДИН МЕТОД ИСПЫТАНИЯ УСИЛИТЕЛЯ
Описанный метод измерения частотной характеристики усилителя пo точкам при помощи ЗГ и вольтметров точен, но трудоемок и длителен. Между тем существует осциллографический метод определения частотных характеристик усилительных устройств. Он не позволяет получать количественные данные о частотной характеристике усилителя, зато дает общее представление о частотных искажениях. Метод основан на испытании усилителя прямоугольными импульсами.
Прямоугольный импульс содержит в себе спектр частотных составляющих: основную частоту (совпадает с частотой следования импульсов) и ряд частотных составляющих, хорошо выраженных по крайней мере до десятой гармоники. Если подать на вход усилителя прямоугольные импульсы с частотой следования 50 Гц (обычно для этих целей используют не прямоугольные импульсы одной полярности, а двухполярные прямоугольные импульсы (так называемый «меандр»), это будет равносильно подаче на вход усилителя набора частот от 50 до 500 — 1000 Гц. Бели подать импульсы с частотой следования 1 кГц, то диапазон испытательных частот расширится до 10 — 15 кГц. Подключив к выходу усилителя осциллограф, на его экране получим изображение испытательного импульса, которое будет неискаженным только в том случае, если частотные составляющие импульса пройдут через усилитель неискаженными, т. е. не испытают ни частотных (амплитудных), ни фазовых искажений. Если импульс на выходе усилителя имеет такую же форму, как на входе, то все в порядке (сравнение производится при помощи двухлучевого осциллографа или однолучевого, но с электронным коммутатором). Если же форма импульса на выходе искажена, то по характеру искажения можно определить неисправность усилителя. Чувствительность этого метода даже к незначительным искажениям достаточно высокая.
Расшифровываются импульсные осциллограммы следующим образом: искажения вершин прямоугольного импульса (искривление и наклон) обусловлены низкочастотными искажениями сигнала в цепях усилителя, а искажения фронта импульсов (закругление и растягивание) — высокочастотными, поскольку различные участки усилителя для импульсов являются дифференцирующими и интегрирующими цепями.
На рис. 22,а конденсатор С — переходный, a R — общее сопротивление базовой цепи последующего усилительного каскада. Как через такую RC-цепь проходит прямоугольный импульс? В момент появления фронта импульса конденсатор С начинает заряжаться, но это не может произойти мгновенно, поскольку зарядка конденсатора означает существование между его обкладками электрического поля, которое, обладая энергией, не может измениться мгновенно. Поэтому в первый момент после появления фронта напряжение Uс на конденсаторе равно нулю и ток зарядки зависит только от сопротивления R: I3=UИ/R. Следовательно, на сопротивлении R в этот момент возникнет скачок напряжения UR=I3R=(UИ/R)R=Ull.
Рис. 22. Искажения прямоугольных импульсов при прохождении через цепи усилителя:
а — прохождение перепада напряжения через дифференцирующую цепь; б — прохождение перепада напряжения через интегрирующую цепь
Однако уже в следующий момент на конденсаторе С появится некоторое напряжение Uс и так разрядки будет определяться выражением I3=UИ — Uc/R, т. е. начнет уменьшаться. Поэтому напряжение Ur на сопротивлении R тоже станет уменьшаться, а это вызовет искажение (слад вершины) импульса на выходе цепи, которое будет тем больше, чем меньше емкость конденсатора С (чем меньше емкость, тем быстрее происходит зарядка, тем интенсивнее спадает ток зарядки, тем круче спад вершины импульса). Определяется это не только емкостью С, но и сопротивлением R, поэтому способность цепи пропускать через себя импульсное напряжение характеризуется параметром x=RC, называемым постоянной времени. Математически можно доказать, что за время t=3RC=3x конденсатор зарядится примерно до 0,95 максимального напряжения источника.
Как следует из сказанного, импульс обязательно претерпевает искажения, которые будут тем меньше, чем больше постоянная времени цепи. Действительно, если длительность импульса ти много меньше трех постоянных времени цепи (ти<3т), то за время импульса напряжение Uc на конденсаторе не успевает существенно измениться, а значит, и вершина импульса почти не исказится.
Но если постоянная времени соизмерима с длительностью импульса или меньше ее, то RC-цепъ значительно искажает вершину импульса или даже превращает его в два остроконечных импульса (дифференцирует его). Строго говоря, любая RC-цепь, выходное напряжение которой снимают с резистора, является дифференцирующей, но если для данного импульса выдерживается соотношение ти<Зт, то такую цепь следует считать переходной.
Форму вершины определяют в основном низкочастотные составляющие спектра прямоугольного импульса: основная частота, полупериод которой равен хи, и ближайшие низкочастотные гармоники. Для них постоянная времени г цепи близка к своему критическому значению. А для более высокочастотных составляющих, определяющих форму фронта и среза импульса, т много больше их периодов. Если рассмотреть частотную характеристику цепи (на рис. 22,а — справа), то можно увидеть, что высокочастотные колебания проходят через дифференцирующую цепь без ослабления, а низкочастотные ослабляются тем сильнее, чем меньше их частота. Поэтому считается, что дифференцирующая цепь является фильтром верхних частот и характеризуется граничной нижней частотой fr.s по уровню — 3 дБ (0,707). Если ЯС-цепь построена так, что выходное напряжение снимается с ее конденсатора (рис. 22,6), то через нее прямоугольный импульс проходит иначе. При появлении импульса на выходе цепи Uc = 0 и увеличивается по мере зарядки конденсатора, при этом чем меньше постоянная времени ЯС-цепи, тем интенсивнее зарядка. Вместо мгновенного нарастания выходного напряжения фронт импульса получит длительность Тф. То же будет и со срезом импульса, так как в этот момент происходит разрядка конденсатора со скоростью, зависящей от постоянной времени RС-цепи. Форма спада будет оптимальной: за время 3RC конденсатор полностью зарядится (точнее до 95%), и напряжение iUc практически уже ,не будет меняться в течение всей длительности импульса. Поэтому такая цепь, называемая интегрирующей, хорошо пропускает низкие частоты .спектра импульса, для которых ее постоянная времени очень мала, и не пропускает высокие частоты, для которых ее % соизмерима с периодом колебаний.
Интегрирующая цепь является фильтрам нижних частот. В усилителях звуковой частоты такие цепи создают завал колебаний высших частот. Таким образом, по форме фронта и вершины прямоугольных импульсов можно составить представление о равномерности частотной характеристики испытываемого или налаживаемого усилителя.
Этот метод испытания позволяет выявлять даже небольшие неравномерности усиления колебаний разливных частот, паразитную генерацию, фон переменного тока и прочие искажения. Только надо помнить, что на практике в усилителе могут быть одновременно искажения нескольких видов и поэтому осциллограмма испытательного прямоугольного импульса будет сложной. Рассмотрим наиболее типичные осциллограммы, приведенные на рис. 23. Первая из них (рис. 23,а) показывает идеальную форму испытательного прямоугольного напряжения, подаваемого на вход усилителя. В идеальном случае форма этого напряжения на выходе усилителя должна быть такой же. Однако искажения будут уже потому, что усилитель вертикального отклонения луча осциллографа тоже вносят некоторые частотные искажения. Поэтому перед началом испытаний надо на вход усилителя осциллографа подать прямоугольное испытательное напряжение и зарисовать форму импульсов, которая и будет эталоном для сравнения формы импульсов на выходе испытываемого УЗЧ. Двухлучевой осциллограф (или с электронным коммутатором) упрощает процесс исследования.
Рис. 23. Форма осциллограмм при различных неисправностях в УЗЧ
Ослабление усиления колебаний наиболее высоких частот показывает осциллограмма на рис. 23,6: фронт импульса растянулся, поэтому расшифровать такую осциллограмму несложно. А вот что означает осциллограмма на рис. 23,в? Это тоже результат ослабления усиления колебаний высоких частот, но здесь фронт импульса удлинился настолько, что занял весь полупериод. Осциллограмма на рис. 23,г характеризует уже знакомый случай (Искажения прямоугольного .импульса при ослаблении усиления сигналов низких частот.
Следующая осциллограмма (рис. 23,5) свидетельствует о снижении усиления колебаний как низких, так и средних частот, а на рис. 23, е,ж — о подъеме усиления на низких частотах.
При подъеме усиления на средних частотах, получается осциллограмма, изображенная на рис. 23,з. Осциллограмма на рис. 23,и свидетельствует о наличии в усилителе резонирующих цепей и паразитных колебаний, частоты которых выше верхней граничной частоты испытываемого усилителя.
Как можно получить напряжение прямоугольной формы? Сформировать симметричные прямоугольные импульсы с очень малой длительностью фронтов (доли микросекунды) и горизонтальной плоской вершиной не просто. При этом надо обеспечить возможность изменения частоты этих импульсов от 50 Гц до 1 — 2 кГц. В промышленных генераторах импульсов применяются мультивибраторы или другие релаксационные генераторы. В любительских конструкциях импульсное напряжение обычно формируется из синусоидального, получаемого от ЗГ, например, при помощи ограничителей.
Предположим, что измерены частотная и амплитудная характеристики усилителя, его чувствительность, номинальная и максимальная выходные мощности, коэффициент гармоник. Остается определить уровень собственных шумов. Если к выходу усилителя подключить милливольтметр, то даже при отсутствии сигнала на входе усилителя, на его выходе будет некоторое переменное напряжение. На экране чувствительного низкочастотного осциллографа такое напряжение создает хаотические всплески, обрывки каких-то колебаний и т. п. Это — шумы, вызывающие в головке громкоговорителя шуршание, потрескивание и другие звуки. При малом усилении они почти незаметны, а при большом могут внести значительные искажения. Если же усилитель предназначен для усиления сигналов, для которых особенно важна их форма, например сигналов телеметрии, то значительные шумы вообще недопустимы.
В любом усилителе в результате случайных, чаще всего тепловых процессов, возникают шумы.
Основную долю в создание шума вносят транзисторы, особенно транзистор первого каскада, поскольку его шум усиливается всеми остальными каскадами, причем тем сильнее, чем больше напряжение и ток коллектора. Поэтому надо по возможности обеспечить облегченный режим работы транзистора, но не до такой степени, чтобы резко снижался его коэффициент передачи тока. Уровень шума зависит и от обратного тока коллектора, поэтому надо следить, чтобы он не превышал норму для данного транзистора. Уровень шумов усилительного устройства можно характеризовать отношением напряжения шумов Um к номинальному напряжению полезного сигнала UB на выходе усилителя, выраженного в децибелах: Nm = 20 lg(Um[UB). Поскольку Um имеет несинусоидальную форму, то для измерения уровня шумов применяют милливольтметр со среднеквадратическим детектором или обычный милливольтметр с пиковым детектором, правда, его показания будут несколько превышать действительное напряжение шума. При измерениях усилитель должен быть в рабочем режиме: сначала измеряют его номинальное выходное напряжение, затем отключают ЗГ и вместо него к входу усилителя подключают резистор сопротивлением, равным выходному сопротивлению этого генератора.
Форму напряжения шумов желательно контролировать по осциллографу. Это особенно важно при испытании усилителя с питанием от сети переменного тока, так как при плохой фильтрации выпрямленного напряжения вольтметр на выходе усилителя измеряет не шумы, а напряжение фона переменного тока, который на экране осциллографа выглядит как синусоида с частотой 50 или 100 Гц (в зависимости от выпрямителя). При повышении уровня фона переменного тока надо принять меры для его уменьшения.
ИТАК, НАЧИНАЕМ...
Мы рассмотрели все этапы налаживания и настройки основных блоков радиоприемника. Теперь надо приниматься за дело, потому что только на практике можно хорошо усвоить все то, о чем было написано. Особое внимание обратите на работу с измерительными приборами, на правила их подключения к исследуемым цепям.
Надо освоить отсчет показаний, разобраться с погрешностями измерений. Ведь и поиск неисправностей, и налаживание, и настройка радиоэлектронной аппаратуры — это непрерывный процесс измерений, так как только измерительные приборы дают возможность исследовать состояние электронного аппарата. Поэтому если вы серьезно занимаетесь радиолюбительством, то надо оснастить свою лабораторию хотя бы минимальным набором измерительных приборов. Многие из измерительных приборов можно сделать самостоятельно, дело это увлекательное, не менее интересное чем конструирование радиоприемников и магнитофонов.
Какие же приборы надо иметь в радиолюбительской лаборатории? Прежде всего ампервольтомметр с входным сопротивлением при измерении постоянного напряжения 5 — 10 кОм на 1 В. Обязательно надо обзавестись электронным вольтметром, обладающим очень высоким входным сопротивлением (мегомы), поэтому его можно подключать к любым высокоомным цепям. Что же касается измерения переменного напряжения, то надо помнить, что для его характеристики приняты три значения: амплитудное, среднеквадратическое и средневыпрямленное. Амплитудное Um (его иногда называют пиковым) напряжение характеризует максимально возможное значение напряжения данной формы, причем это не размах, а максимальное отклонение от нуля в положительную или отрицательную сторону. Конечно, такая характеристика переменного напряжения несколько односторонняя, так как она говорит лишь о том, что в какой-то момент времени напряжение достигает значения Um.
Полнее характеризовать переменное напряжение (или ток) можно при помощи действующего Uдейст значения, которое говорит о его среднеквадратическом значении. В этом случае переменное напряжение характеризуется постоянным, при котором на некотором активном сопротивлении выделяется такая .же мощность, какая выделилась бы на нем при подаче данного переменного напряжения. Очевидно, что среднеквадратическое значение U всегда меньше амплитудного, а вот на сколько — это зависит от формы переменного напряжения.
Для синусоидальной формы среднеквадратическое значение в 2-2 раз меньше U т, т. е. Um = l,410. Для других форм переменного напряжения это соотношение другое, что надо иметь в виду, так как большинство вольтметров градуируется именно в среднеквадратических значениях, в то время как реагируют они либо на амплитудное, либо на средневыпрямленное значение измеряемого напряжения. Например, все вольтметры выпрямительной системы, а к ним относятся все стрелочные ампервольтомметры, реагируют на средневыпрямленное UСр.в значение напряжения, хотя их шкалы градуируются в среднеквадратических значениях.
При измерении синусоидальных переменных напряжений (или достаточно близких по форме к синусоидальным) никаких ошибок не возникает, а вот при измерении несинусоидальных напряжений отсчет по шкале такого прибора будет неверным, так как коэффициент 1,11, которым пользовались в процессе градуировки шкалы, соответствует только синусоидальной форме напряжения: U= 1,1Шср.в. В этом случае показания прибора следует перевести в средневыпрямленное значение, для чего показания прибора умножают на коэффициент 0,45 при однополупериодном выпрямителе в ампервольтомметре или на 0,9 при двухполупериодном. При измерении вольтметром выпрямительной системы пульсирующих напряжений он будет реагировать не на переменную, а на постоянную составляющую. Чтобы измерить именно переменную составляющую пульсирующего напряжения, ампервольтомметр надо подключить к измеряемой цепи через конденсатор емкостью около 1 мкФ.
Электронные вольтметры переменного напряжения обычно тоже градуируются в среднеквадратических значениях, а реагируют в зависимости от примененного в них типа детектора либо на средневыпрямленное, либо на пиковое, либо на среднеквадратическое. Это надо обязательно учитывать при измерении. Универсальные электронные вольтметры реагируют на средневыпрямленное значение, импульсные вольтметры — на амплитудное, но градуируются в пиковых значениях.
Существуют специальные электронные вольтметры со среднеквадратическим детектором, которые реагируют именно на среднеквадратическое значение измеряемого напряжения. Такими вольтметрами можно измерять переменное напряжение любой формы и отсчитывать его значения непосредственно по шкале прибора.
Помимо приборов для измерения напряжения, тока и сопротивления, надо иметь в радиолюбительской лаборатории по крайней мере два генератора сигналов — низкочастотный и высокочастотный. Желательно, чтобы у них был калиброванный выход, тогда можно будет производить измерения чувствительности и коэффициента усиления.
При работе с генератором, особенно высокочастотным, чрезвычайно важно знать генерируемую частоту. Обычно шкала генератора не обеспечивает нужную точность отсчета частоты (даже высококачественные фабричные генераторы гарантируют точность в пределах ± 1 %, что на частотах более 0,5 МГц недостаточно) . Поэтому желательно иметь в лаборатории современный цифровой электронно-счетный частотомер (самодельные конструкции таких частотомеров на микросхемах уже не раз описывались в журнале «Радио»). В крайнем случае можно ограничиться гетеродинным кварцевым волномером.
Совершенно необходим электроннолучевой осциллограф, особенно если вы занимаетесь элементами импульсной техники, счетными устройствами, генерированием импульсов. Желательно, чтобы полоса пропускания его усилителей составляла несколько мегагерц, а диапазон разверток был от 5 — 10 мс до 5 — 10 мкс. Осциллограф должен иметь ждущую развертку, иначе вы не сможете увидеть импульсы с малой скважностью.
Таков минимальный набор измерительных приборов для серьезных занятий радиолюбительством. И еще один важный момент: погрешность измерений. Ведь сравнить какую-либо величину с эталоном с абсолютной точностью невозможно. Широко распространенные измерительные приборы имеют точность градуировки 2 — 5%. Для радиолюбительских целей такая точность достаточна, исключая измерение частоты, которое надо производить с точностью не хуже 0,1%.Не стремитесь иметь измерительные приборы очень высокой точности — они дороги, а измерять с их помощью очень сложно. Без ущерба для качества работы можно обойтись и более простыми приборами. Надо только быть уверенным, что ваши приборы обеспечивают точность хотя бы 5 — 10%, а для этого надо их показания время от времени сверять с показаниями эталонных приборов, в которых можно не сомневаться.
Итак, за работу...
