Что такое частотные и нелинейные искажения
Перейти к содержимому

Что такое частотные и нелинейные искажения

  • автор:

Искажение сигналов.

Качество усилителя, в основном, определяется степенью искажений, вносимых усилителем. Под искажением усиливаемого сигнала понимают изменение формы выходного сигнала по сравнению с формой входного сигнала. Различают линейные (частотные и фазовые) и нелинейные искажения.

Частотные искажения.

Частотными называются искажения, вызываемые неравномерностью усиления колебаний различных частот (неравномерное усиление отдельных гармонических составляющих спектра входного сигнала). Причиной частотных искажений является наличие в схемах усилителей реактивных элементов-емкостей, катушек индуктивностей, сопротивление которых зависит от частоты.

Частотные искажения оцениваются с помощью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), представляющей собой графическую зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала при неизменной его амплитуде:

Амплитудно-частотные характеристики обычно строят в прямоугольной системе координат, причем по вертикальной оси откладывают величину коэффициента усиления в линейном масштабе, либо относительных единицах, а по горизонтальной оси — частоту в логарифмическом масштабе Рис.25.

Как видно из рис.25 коэффициент усиления реального усилителя имеет максимальное значение в области средних частот, а в области низких и высоких частот он уменьшается вследствие влияния реактивных элементов, т.е. появляются частотные искажения.

Для количественной оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений М, определенный как отношение коэффициентов усиления на средней частоте, и на частоте на которой необходимо определить искажения

Обычно частотные искажения считаются допустимыми, если , т.е. когда

Частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается до 0,7 от своего максимального значения , называются граничными. Различают нижнюю граничную частоту и верхнюю граничную частоту . Полоса частот, в пределах которой коэффициент усиления уменьшается до , называется полосой пропускания усилителя

Требуемое значение полосы пропускания, верхней и нижней граничных частот определяется назначением усилителя.

Нелинейные искажения.

Нелинейными искажениями называют искажения, вызванные нелинейностью входных и выходных характеристик усилительных элементов (транзисторов), а также не линейностью намагничивания сердечников транзисторов или дросселей.

Амплитудная характеристика. Динамический диапазон.

Качественные представления о нелинейных искажениях дает амплитудная характеристика усилителя, устанавливающая зависимость амплитуды сигнала на выходе усилителя, от амплитуды сигнала на его входе , при неизменной частоте (обычно 1000 Гц),т.е.

Искажения сигналов в усилителях электрических сигналов

Качество работы усилителя, в основном, определяется степенью искажения сигналов, вносимых усилителем. Под искажениями усиленного сигнала следует понимать изменение формы выходного сигнала по сравнению с формой входного сигнала усилителя.

Любой усилитель в той или иной степени искажает сигнал. В зависимости от причин, изменяющих форму выходного сигнала, различаются следующие виды искажений:

Определение. Искажения, проявляющиеся в изменении соотношения амплитуд спектральных составляющих сигнала, называются частотными искажениями.

Другими словами, отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются не одинаково. Это происходит за счет наличия в усилителе реактивных элементов: емкостей и индуктивностей.

Частотные искажения относятся к искажениям линейного характера, так как они не зависят от нелинейных свойств элементов схемы, например, от нелинейности характеристик ламп и транзисторов.

Количественная оценка частотных искажений характеризуется коэффициентом частотных искажений М, который равен отношению коэффициента усиления по напряжению на средних частотах КСР к его значению данной частоте

Как правило, на крайних частотах коэффициент усиления уменьшается, следовательно, М >1. На средних частотах М = 1. Исследования показали, что человеческое ухо не ощущает искажений, если их величина не превышает 30−40%, то есть М = 1,3–1,4. Для многокаскадных усилителей коэффициент частотных искажений определяется выражением

где n–количество каскадов;

М1, М2 … –коэффициент частотных искажений первого, второго и т.д. каскадов.

Коэффициент частотных искажений может быть определен и в логарифмических единицах (децибелах)

Тогда для многокаскадного усилителя

Более полное представление о частотных свойствах усилителя при гармоническом входном сигнале можно получить по амплитудно-частотной характеристике усилителя (АЧХ) (рис.2.5).

Амплитудно-частотной характеристикой электронного усилителя называется зависимость коэффициента усиления напряжения (тока) усилителя от частоты гармонического входного сигнала.

Иногда АХЧ называется частотной характеристикой. Идеальной АЧХ является прямая линия параллельная оси частот (рис.2.5а), а реальная АЧХ (рис.2.5б) имеет «завалы» в областях нижних и верхних частот.

АЧХ может быть представлена и в системе координат, где по вертикальной оси отложен коэффициент усиления в относительных единицах

или в логарифмических единицах Y = –20 1gM[дБ], а по горизонтальной оси – частота.

Область Область Область

нижних средних верхних

частот частот частот

Рис.2.5. Амплитудно-частотная характеристика усилителя:

а) идеальная; б) реальная

Определение. Искажения, вызванные нарушением фазовых соотношений между отдельными спектральными составляющими сигнала при передаче по какой-либо цепи, называются фазовыми.

Эти искажения тесно связаны с частотными искажениями, так как причина их появления общая – наличие в схеме усилителя реактивных элементов. Фазовые искажения, как и частотные, не зависят от нелинейности характеристик усилительных элементов и поэтому являются линейными.

Человеческий слух практически не реагирует на фазовые искажения и поэтому при проектировании усилителей звуковой частоты эти искажения не учитываются.

При определении фазовых искажений учитываются только фазовые сдвиги, создаваемые реактивными элементами схемы (рис.2.6), и не учитываются повороты фазы, вызываемые УЭ. При прохождении через УЭ происходит запаздывание отдельных составляющих на одинаковое время Δt (рис.2.7). Фазовые свойства усилителя характеризуются его фазочастотной характеристикой. ФЧХ показывает зависимость разности фаз входного и выходного гармонических сигналов (φ) усилителя от частоты (f).

Определение. Фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) электронного усилителя называется зависимость аргумента передаточной функции усилителя от частоты гармоничного входного сигнала.

Идеальная фазочастотная характеристика (когда отсутствуют фазовые искажения) имеет вид прямой линии (рис.2.8а). Такая характеристика выражает пропорциональную зависимость угла сдвига фазы от изменения частоты. Реальная ФЧХ представлена на рисунке 2.8б. При оценке фазовых частот берутся не абсолютные значения фазовых сдвигов, а величина отклонения Δφ 0 реальной характеристики от идеальной.

Фазочастотную характеристику усилителя можно построить, используя соотношение, связывающее между собой частотные и фазовые искажения

UВХ 1-я гармоника UВХ 1-я гармоника

2-я гармоника 2-я гармоника

UВЫХ 1-я гармоника UВЫХ 1-я гармоника

2-я гармоника 2-я гармоника

Рис. 2.6. Фазовые сдвиги Рис.2.7. Поворот фазы сигнала

отдельных гармоник сигнала усилительным элементом

Рис.2.8. Фазочастотная характеристика:

а) идеальная; б) реальная

Величина фазовых искажений и требования, предъявляемые к фазочастотной характеристике, зависят от назначения усилителя. При этом для получения необходимой формы характеристики используются специальные корректирующие цепи.

В многокаскадном усилителе фазовый сдвиг равен сумме фазовых сдвигов отдельных каскадов

Определение. Искажения выходного импульса по сравнению с входным прямоугольным импульсом называются переходными искажениями.

Переходные искажения создаются за счет присутствия в схеме усилителя реактивных элементов (индуктивностей, емкостей). Эти искажения также относятся к линейным, так как не зависят от нелинейных элементов схемы.

Основной характеристикой импульсного сигнала является его форма. На рисунке 2.9а показан входной прямоугольный импульс, а на рисунке 2.9б выходной искаженный импульс.

В начале импульса (рис. 2.9б) происходит быстрое нарастание напряжения до амплитудного значения Um. В течение некоторого времени напряжение сравнительно медленно уменьшается на величину ΔUC, затем быстро падает. Можно выделить три части реального прямоугольного импульса: фронт, вершину (плоская часть) и спад. Кроме того, вследствие переходных процессов в конце фронта и спада импульса может возникнуть выброс напряжения или тока. После выброса наблюдаются затухающие паразитные колебания.

Рис. 2.9. Искажения прямоугольного импульса при усилении

а) входной прямоугольный импульс; б) выходной искаженный импульс

Для оценки искажений прямоугольного импульса используются следующие величины:

tф – длительность фронта,

Принято считать, что импульс имеет «активную» длительность, которая отсчитывается на некотором определенном уровне, обычно на уровне 0,1Um. Длительность фронта tф равна промежутку времени между моментами, когда напряжение или ток с уровня 0,1Um достигнет уровня 0,9Um.

Длительность импульса tИ определяется на уровне 0,1Um (0,1Іm ) или на уровне 0,5 Um (0,5Іm).Длительность спада, а также фронта, не должны превышать 0,1–0,3 длительности импульса tИ. Величина спада вершины импульса определяется выражением

При этом величина Δс не должна превышать 3–5%.

Величина выброса фронта определяется выражением

Эта величина также не должна превышать 3–5%.

Если усилитель многокаскадный, то вышеуказанные параметры прямоугольного импульса будут находиться так:

где n – количество каскадов усилителя.

Определение. Нелинейными искажениями называются искажения, проявляющиеся в появлении в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих в спектре входного сигнала.

Нелинейные искажения вызываются нелинейностью характеристик УЭ (ламп, транзисторов), а также нелинейностью намагничивания сердечников трансформатора усилителя.

Появление нелинейных искажений происходит следующим образом. На вход подан гармонический сигнал (рис.2.10а). На выходе усилителя за счет нелинейных искажений получается искаженный сигнал. На рисунке 2.10б он обозначен как «результат». Искаженный выходной сигнал, как и любой не гармонический сигнал, может быть представлен суммой гармонических сигналов с частотами f и 2f.

Таким образом, на выходе усилителя в сигнале появляются дополнительные частотные составляющие, отсутствующие на входе. При этом, чем больше нелинейности характеристик УЭ, тем больше искажается выходной сигнал, тем больше частотных составляющих появляются в его спектре.

Нелинейные искажения оцениваются с помощью коэффициента гармоник, который равен отношению среднеквадратического напряжения суммы гармоник сигнала, кроме первой, к эффективному значению напряжения первой гармоники, при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала

Иногда вместо значений напряжения могут использоваться значения тока

Рис.2.10. Искажение формы сигнала при усилении

Можно найти такой коэффициент второй, третьей и т.д. гармоник

В этом случае общий коэффициент гармоник также находится через коэффициент второй, третьей и т.д. гармоник

Общий коэффициент гармоник многокаскадного усилителя КГ ОБЩ определяется через коэффициенты гармоник отдельных каскадов

где КГ1, КГ2,…КГn – коэффициент гармоник первого, второго и т.д. каскадов усилителя.

Допустимая величины коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя. Так, в усилителях высокого класса КГ не должен превышать 1%, для среднего класса 5–7%.

Выводы по 2-му вопросу:

1. Рассмотренные искажения возникают практически во всех усилителях и задача инженеров сводится к их максимальному снижению.

2. Нелинейные искажения возникают во многих радиоэлектронных устройствах и играют, кроме того, важную роль в генерации сигналов и синтезе частот.

3. Усилители электрических сигналов являются основными функциональными элементами средств связи:

– радиопередающих устройств (РПДУ),

– радиоприемных устройств (РПУ),

– устройств обработки сигнала.

4. Усилитель отличается от других электрических цепей способностью увеличивать не только амплитуду напряжения (тока), но и увеличивать мощность сигнала.

5. Усилитель должен иметь в своем составе следующие составные части:

– источник входного сигнала,

6. Основные параметры усилителя могут изменяться в относительных или логарифмических единицах (децибелах). В случае многокаскадного усилителя относительные единицы перемножаются, а логарифмические складываются.

7. Любой усилитель искажает проходящий через него сигнал. Различаются частотные, фазовые, переходные, нелинейные искажения.

8. Величины допустимых искажений определяются назначением усилителя.

Данная лекция имеет важное значение в подготовке будущего офицера-связиста, инженера. Рассматриваемые в лекции вопросы отражают значимые для специалиста радиосвязи моменты: раскрыта физическая суть основных характеристик и параметров любого усилителя электрических сигналов. Стоит отметить, что указанные параметры характеризуют не только усилители, но и другие электронные устройства, а также и такие средства связи, как радиоприемник, радиопередатчик и др.

Знание основных параметров и характеристик усилителя во многом поможет быстрее и глубже разобраться в принципах построения и функционирования усилителей и других электронных устройств. При этом следует учитывать, что компетенция инженера во многом определяется способностью свободно оперировать техническими терминами.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Искажения в усилителях. Искажения могут быть: нелинейные, частотные и фазовые

Искажения могут быть: нелинейные, частотные и фазовые.

Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи усилителя (в основном из-за нелинейных характеристик транзистора).

Например, как появляются нелинейные искажения во входной цепи усилителя из-за транзистора:

На вход усилителя подан сигнал синусоидальной формы. Попадая на нелинейный участок входной характеристики транзистора, этот сигнал вызывает изменение входного тока, форма которого не синусоидальна. Значит и выходной ток и выходное напряжение изменяют свою форму.

Частотными называются искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах. Причина: наличие в усилителе реактивных элементов (конденсаторов, катушек индуктивности, емкости монтажа и др.).

Частотные искажения оцениваются по амплитудно-частотной характеристике или .

f 0 – средняя частота пропускания;

f н, f в – нижняя и верхняя граничные частоты.

В области средних частоткоэффициент усиления K не зависит от частоты.

Изменения коэффициента усиления K определяются частотными искажениями сигнала и оцениваются коэффициентом частотных искажений

где — модуль коэффициента усиления на некоторой частоте, лежащей за пределами области средних частот.

Фазовые искажения усилителя оцениваются по его фазочастотной характеристике: зависимости угла сдвига фазы j между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты .

Фазовые искажения отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты.

Искажения: как исказилось само понятие?

Много слов написано и сказано про искажения. Линейные, нелинейные — можно даже не продолжать, потому что уже здесь возникает предмет дискуссии.
Вот так это видят инженеры-радиотехники:
«Линейных искажений» не существует. Если функция передачи сигнала линейна, то искажений нет (они не изменяют сигнал по форме). Есть линейные преобразования — усиление, уменьшение сигнала и т.д. Все остальное — нелинейные искажения.

Менее радикальная позиция:
Под линейными искажениями понимается любое изменение характеристик выходного сигнала относительно входного, подчиняющееся линейной функции.
Под нелинейными – изменения сигнала при нелинейной функции передачи.

Вот, например, два усилителя напряжения, в синей рамке – с идеальной передаточной функцией, в оранжевой – с более реальной.

графики, переделанные в более наглядный вид, взяты с канала ensemb (с)

Видно, что при линейной зависимости (прямая линия) входной сигнал не изменяется по форме, а при нелинейной – изменяется.
В первом случае, если мы прибавим уровень на входе – на выходе получим тот же сигнал, но увеличенный по амплитуде на ту же величину, что прибавили. Все «линейно».
Во втором – получим нелинейные искажения сигнала, особенно при крайних значениях функции.
Например, изменится его форма. Так происходит в усилителях класса АВ и В:
на низких уровнях сигнала — искажения в виде «ступеньки»

При высоких уровнях – «насыщение» (клип):

К нелинейным искажениям относятся, в том числе, гармонические искажения, то есть появление в спектре новых частот, кратных основной частоте (гармоник).
Ступенька и клип – это примеры симметричных искажений сигнала по форме. Они являются причиной появления нечетных гармоник в спектре.
Также есть другая проблема. Элементам схемотехники любой аппаратуры свойственна асимметрия, и это приводит к асимметрии выходного сигнала по форме:

Такие изменения являются причиной появления четных гармоник в спектре.
Иллюстрации отсюда.
В диапазоне до 10% коэффициенты нелинейных искажений КНИ и гармонических КГИ практически совпадают, поэтому в инструкциях к аппаратуре указывается что-либо одно.

Линейные, нелинейные, гармонические…
А что такое искажения, кстати?
Почему-то, этим вопросом забывают задаваться. Зато часто говорят, например, что звук музыкальных инструментов – это звук искажений.
Это не совсем корректно, потому что искажение сигнала – это изменение характеристик сигнала относительно исходного.
Звучание музыкального инструмента – это сам по себе исходный сигнал, он не может быть искажением самого себя, по определению 🙂 До него сигнала не существовало 🙂
Искажение – это сравнительное понятие. Применительно к музыкальному инструменту, оно корректно, когда мы сравниваем разные инструменты между собой или воспроизведение записи — с живым исполнением.
Иначе – не повторяйте, пожалуйста, этот бред.
Другое дело – намеренное внесение искажений. Если вы на пути сигнала поставите, к примеру, «дисторшен», то по достижении определённого уровня в сигнале начнут появляться новые гармоники. И так как уровень выходного сигнала будет зависеть от входного нелинейно, то это — нелинейные искажения.

Однако, не все так однозначно. Как признаются сами инженеры, не каждый понимает эти искажения на слух, а не в теории:

Поэтому посмотрим с другой стороны – с позиции тех, кто, в первую очередь, слышит ушами. Вот как эти понятия определяют музыканты и звукорежиссеры:
Нелинейные искажения — это искажения, связанные с "вертикалью" сигнала, т.е. с изменением его амплитуды, в связи с чем сигнал искажается по форме и в него добавляются новые спектральные составляющие.
Эффекты, реализующие это — фузз, овердрайв, дисторшен, сатуратор.
Чтобы не были просто словами, различные виды «перегруза» электрогитары можно послушать и сравнить здесь:

К слову, о «фазовых искажениях».
Под этим подразумевается изменение так называемого угла сдвига фазы в выходном сигнале относительно исходного.

Так что это, угол —

На самом деле, временной сдвиг — это производная угла сдвига фазы:

Если ФЧХ линейна, то временной сдвиг (групповая задержка) постоянен, т.е. при изменении частоты сигнала задержка не меняется. Иначе говоря, линейная ФЧХ — это наличие линейной зависимости между фазовым (угол) и временным (мс) сдвигом. На что намекают инструменты настройки аудиопроцессоров:

Хотя, справедливости ради, эти инструменты тоже нелинейны…

Проблема совсем не в том, что тот или иной фильтр или компонент АС «крутит фазу». А в том, что в аппаратуре это происходит нелинейно — разные частоты приобретают разные фазовые сдвиги и соответственно разные временные задержки на выходе.

Кривая вместо прямой…

Таким образом, то, что в звукозаписи называется «линейными искажениями», при более детальном рассмотрении оказывается «нелинейным».

Осталось упомянуть еще так называемую «интермодуляцию».
Почему лишь упомянуть – потому что кто не слышал про интермодуляцию? И про, и саму интермодуляцию – все слышали.
Когда сигнал не просто синус 1 кГц, а состоит из нескольких составляющих, то на нелинейных участках функции возникают искажения, приводящие к появлению сложных комбинационных частот:

Без этого в любой аппаратуре тоже никак пока не получается.

Неприятность в том, что эти вновь образованные частоты не находятся в целочисленных (гармонических) соотношениях с исходными сигналами. Соответственно, они не маскируются исходными сигналами и (цитирую один комментарий с профильного форума) – «торчат, как ржавый гвоздь в ботинке…».
Я уже поднимал тему, что сами по себе гармонические искажения не так страшны, как их «малюют».
Как минимум, по трем причинам.
1) Вторая, третья гармоники вместе с основным тоном звучат всегда благозвучно. Проблемы могут создавать не они, а гармоники более высокого порядка. Про консонанс и диссонанс – здесь.
2) Уровень этих гармоник – какой? Давайте посмотрим:

измерения ACRO L1000 с помощью RightMark Audio Analyzer PRO

По сравнению с основной частотой, уровень второй гармоники минус 105 дБ, третьей — минус 130 дБ. В децибелах кажется не так много, а в разах? Уровень второй гармоники меньше основного сигнала почти в 200.000 раз… А третьей – в 3.000.000… Специально точки поставил, чтобы не запутаться…

3) Уровень гармонических искажений в наших «ушах» — на несколько порядков выше. То есть, если вторая гармоника в аппаратуре минус 105 дБ, то в ушах — минус 20-45 дБ, по разным данным. Иначе говоря, аппаратура воспроизводит дополнительную гармонику, в 200 тысяч раз меньшую по интенсивности, чем основная, а ухо – в 10-200 раз. Разница в три порядка. Если мы и слышим гармонику в данном случае – то свою, а не аппаратуры 🙂 Эффект маскирования ауральными гармониками доказан при соотношении гармоник 2>3>4 и т.д. Исследований пока очень мало, к сожалению.

Другое дело – интермодуляция. Которую, мы действительно и увы слышим. Которую, кстати, можно использовать и на благо. Например, фортепиано настраивается интервалами, на слух. Две ноты одновременно дают сложение спектров такое, что разность основных частот создает интермодуляционную новую частоту – и мы слышим так называемые «биения» на этой частоте. Это вам не микрофоном по Smaart настроить и денег взять, а реально большой труд.
Сегодня все поддерживают развитие «софта», «железа» и забывают про главное — что музыку нужно ещё уметь Слушать.
Сегодня — вообще время искажений… И пока мы спорим про спектры, фазу и прочее, мы не замечаем, как искажаем сам предмет спора.
Сегодня все кому ни лень говорят про «искажения», про «фчх» и каждый уверен, что понимает, о чем речь. Давайте начинать хотя бы с правильных и корректных определений, иначе мы говорим на разных языках, и часто – на придуманном из головы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *