Суммарный коэффициент гармонических искажений (THD). Коэффициент нелинейных искажений Коэффициент нелинейных искажений усилителя

В отдельных случаях при проведении ремонта радиоэлектронных устройств требуется расчет коэффициента гармоник. Данная характеристика может быть измерена и оценена с помощью относительно несложных математических расчетов. О процессах измерениях и часто применяемых формулах рассказывается в нашем прикладном обзоре. Он сможет вам помочь, если вы захотите установить дополнительные устройства в медиасистему автомобиля. Для этого потребуется наверняка коэффициент гармоник усилителя.

Учитывайте параметр, если подразумевается подключение к системе наушников. Современные магнитолы позволяют их интегрировать через Bluetooth. Измеритель поможет оценить работу.

Оценка нелинейных помех – что это, порядок расчета и измерений

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) является математическим инструментом, «сверткой», позволяющим оценить в количественной форме нежелательные изменения сигнала. Искажением является, в свою очередь, характеристика, описывающая несовпадение сигнала, описываемого теоретической или идеальной системой и реальными условиями. КНИ также используется для оценки качества проводки, характеристик подключенных устройств, которые в совокупности генерируют помехи.

Основная задача при сборке состоит в минимизации параметра линейных помех. Достичь идеальных параметров невозможно, но можно к ним приблизиться и обеспечить либо стабильное напряжение, либо чистый и красивый звук, в зависимости от задач. Это реализуется при подключении усилителей, основным условием которого считается необходимость снижения помех.

Чтобы понять, о чем идет речь в совокупности, стоит упомянуть возможные виды изменений:

нелинейные;
фазовые;
частотные;
динамические;
перекрестные;
взаимомодуляционные;
краевые.

Некоторые из перечисленных являются комплексной характеристикой, в совокупности которые можно оценить при помощи того же параметра нелинейных помех. По сути, данная характеристика является универсальной для всех радиоэлектронных и электрических систем и сетей. С помощью предложенной методики вы сможете оценить коэффициент гармоник напряжения.

Основные формулы

КНИ является безмерной величиной. Представляет собой соотношение среднеквадратичной суммы спектральных характеристик выходного сигнала, которые отсутствуют во входном спектре, и среднеквадратичной суммы всех компонент спектра входного сигнала (первой гармонической составляющей). Проще говоря, параметр оценивает отношения спектральных помех, появившихся в выходном сигнале, но отсутствующих во входящем, ко всему спектру. Чем меньше помех, тем меньше будет КНИ.

Если в технической документации приводится КНИ, то можно оценить качество и характер сборки прибора. Характеристику также можно измерить, она позволит оценить величину помех в оцениваемой системе. Иными словами – можно достаточно точно определить влияющие помехи.

Отметим, что наряду с КНИ используется и другой оценочный параметр гармонических искажений (КГИ). Его же часто упоминают как коэффициент высших гармоник, так как он выражается соотношением среднеквадратичным напряжением суммы высших гармоник сигнала, за исключением первой, к напряжению первой гармоники при синусоидальном воздействии. Иными словами, оцениваются скачки сигнала.

В свою очередь есть характеристика, оценивающая в процентах «связность» КНИ с КГИ и их соотношение. Нужно отметить, что при малых помехах они практически равны, но помогают оценить более сильные помехи и их характер.

Расчет КНИ и КГИ

Измерение коэффициента гармоник основано на том, что для получения характеристики могут использоваться экспериментальные и оценочные данные. Для многих систем могут быть оценены аналитически, так как известны начальные и конечные условия. Многие начинающие радиолюбители могут возразить или удивиться, но это действительно так. КНИ и КГИ закладывается как характеристика в момент проектирования любой схемы устройств. То есть помехи подразумеваются, как решением, так и используемыми компонентами.

Например:

для меандра или симметричного прямоугольного сигнала КНИ приравнивается к 48,3 %;

пилообразный сигнал, приближенный к идеальному имеет КГИ 80,3%;

симметричный треугольный – 12,1%.

Соответственно, отличия от этих значений являются ненормативными и оцениваются как помехи тока, требующие устранения.

Для удобства расчетов имеется еще один параметр μ , который характеризует несимметричный прямоугольный импульсный сигнал с соотношением длительности импульса к периоду:

КГИ достигает минимума в 0,483 при μ=0.5 и сигнал становится близким к синусоидальному меандру. По этому принципу не только изменяют с помощью фильтрации типы сигналов, но и устраняют нежелательные изменения, что особенно актуально для усилительной и аудиоаппаратуры.

Оценка КНИ и КГИ позволяет оценить чистоту спектра сигнала любого устройства, включая усилители, ПЛИСы, микроконтроллеры, наушники и гарнитуры. КГИ позволяет контролировать алгоритмы многих радиоэлектронных и цифровых компонентов, передающих аналоговые сигналы.

Оценка проводится с помощью цифровых осциллографов. Перед использованием оценивается с помощью расчета КГИ по спектру и получаются данные на измерителе, чтобы определить его пригодность для экспериментов.

В домашних условиях это можно сделать двумя способами с помощью косвенных измерителей:

подать выходное напряжение и масштабированное входное на вычитатель и оценить на осциллографе, включая шумы и наводки тока;
использовать перестраиваемый резонансный усилитель и выделить необходимый участок для оценки.

Первый вариант является более простым, но связан больше с эвристической оценкой. Но лучший измеритель коэффициента гармоник – это цифровой осциллограф, подключенный к компьютеру, выдающий окончательный показатель значения параметров тока и напряжения, в том числе, оценивающий высшие гармонические пики в численном виде.

Цель работы: Научиться измерять коэффициент гармоник с помощью измерителя коэффициента нелинейных искажений.

1.Оборудование:

1.1 Аудиокомплекс TR-0157

1.2 Исследуемый УНЧ

1.3 Осциллограф С1-73 (С 1 -112)

1.4 Соединительные кабели

1.5 Технические описания к приборам

Краткие теоретические сведения.

Нелинейные искажения обусловлены наличием в схемах радиоустройств элементов с нелинейными характеристиками (лампы, транзисторы, микросхемы и др.). Нелинейные искажения характеризуются коэффициентом гармоник (Кг), (характеризует отличие формы периодического сигнала от гармонического), который определяется как отношение действующего значения напряжения всех высших гармоник исследуемого напряжения, начиная со второй, к действующему значению первой, т.е. основной гармоники.

Эта формула используется при исследовании качественных усилителей, у которых Кг составляет (0,2...2)%. В менее качественных усилителях (Кг=2...7%) измерители нелинейных искажений измеряют не коэффициент гармоник, а коэффициент близкий к нему по приближенной формуле

где U K -напряжение входного сигнала.

Если коэффициент гармоник Кг<10%, то Кг и К"г практически совпадают, реализация устройств для измерения К"г значительно упрощается.

Упрощенная структурная схема измерителя нелинейных искажений приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема измерителя нелинейных искажений

Наиболее распространенным методом измерения коэффициента нелинейных искажений является метод подавления напряжения основной частоты, т.е. метод сравнения действующего значения напряжения высших гармоник с действующим значением исследуемого сигнала.

Принцип действия измерителя нелинейных искажений см, Б.П. Хромой и Ю.Г. Моисеев «Электроизмерения», М. «Радио и связь», 1985, стр. 252-255 и в техническом описании на прибор.

Порядок проведения работы.

3.1 Собрать схему измерения коэффициента гармоник (рисунок 2)

Рисунок 2. Схема подключения приборов

3.2 Заземлить приборы.

3.3 Включить питание.

3.4 Подготовить приборы к работе:

3.4.1 Регуляторы «ВЧ», «НЧ» стенда УНЧ установить в среднее положение;

3.4.2 На аудиокомплексе TR-0157 нажать кнопки “MAINS” и “~U”;

3.4.3 Используя регулятор “FREQUENCY” и кнопки “FREQ. RANGE” блока “AUDIO GENERATOR” комплекса TR-0157 установить частоту выходного сигнала 1250 Гц;

3.4.4 Используя ручку “ATTENUATOR dB” (ступенчато, плавно) установить напряжение на выходе стенда 1 В.

Контроль проводить по вольтметру комплекса используя шкалу “~” и учитывая положения переключателя пределов (красная шкала);

3.4.5 Органами управления осциллографа добиться устойчивой осциллограммы без видимых искажений сигнала (должно отсутствовать видимое ограничение).

3.5 Произвести измерение Кг для 3-5 значений выходного напряжения УНЧ указанных в таблице 1. Напряжения устанавливать ручками “ATTENUATOR dB” (ступенчато, плавно) комплекса TR-0157.

Таблица 1 - Результаты измерений Кг

U вых, В
Кг, %

Для измерения Кг выполнить следующее:

3.5.1 Нажать кнопку “DIST.” Комплекса TR-0157

3.5.2 Установить ручку “RANGE %” блока “DIST. METER” в крайнее правое положение (“100 CAL.”)

3.5.3 Выполнить калибровку прибора по уровню, для этого нажать кнопки “125 Hz” и “X100” (“FREQU. SELECTOR”) блока “DIST. METER” (в этом положении исключается влияние фильтра на исследуемый сигнал). Вытянуть ручку “CALL” блока “DIST. METER”и с её помощью установить стрелку вольтметра комплекса на максимум показаний (при необходимости переключить предел измерений вольтметра);

3.5.4 Настроить прибор на частоту измеряемого сигнала, для этого нажать кнопку и “X10” (“FREQU. SELECTOR”) блока “DIST. METER”. Регуляторами “∆f “ и “BALLANCE” блока “DIST. METER” добиться минимальных показаний вольтметра комплекса. При этом необходимо постепенно уменьшать предел измерений ручкой “RANGE %” блока “DIST. METER”.

3.5.6 Повторить измерения для всех значений напряжения, указанных в таблице 1. Для установки необходимого значения напряжения выполнить пп 3.4.4 и 3.4.5, предварительно нажав на кнопку “~U”. После этого вновь повторить калибровку комплекса (пп 3.5.1 – 3.5.6.).

4.1 Наименование и цель работы.

4.2 Перечень используемого оборудования.

4.3 Таблица результатов измерений.

4.4 Вывод о соответствии значения нелинейных искажений Кг усилителя НЧ требованиям ТУ.

5. Контрольные вопросы.

5.1 Чем обусловлены нелинейные искажения в радиосхемах?

5.2 Дайте определение коэффициента гармоник.

5.3 Приведите структурную схему измерителя нелинейных искажений, поясните принцип её работы.

5.4 Каким образом можно измерить коэффициент нелинейных искажений при помощи анализатора гармоник?

Лабораторная работа №11

Входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала

texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): K_\mathrm{H} = \frac{ \sqrt{U_2^2 + U_3^2 + U_4^2 + \ldots + U_n^2+ \ldots } }{ \sqrt{U_1^2+U_2^2 + U_3^2 + \ldots + U_n^2+ \ldots }}

КНИ - безразмерная величина и выражается обычно в процентах. Кроме КНИ, уровень нелинейных искажений часто выражают и через коэффициент гармонических искажений (КГИ или K Г ) - величину, выражающую степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.) и равную отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала.

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): K_{\Gamma} = \frac{ \sqrt{U_2^2 + U_3^2 + U_4^2 + \ldots + U_n^2+ \ldots } }{U_1}

КГИ, так же, как и КНИ, выражается в процентах и связан с ним соотношением

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): K_{\Gamma} = \frac{K_\mathrm{H}}{\sqrt{1 - K^2_\mathrm{H}}}

Очевидно, что для малых значений КГИ и КНИ совпадают в первом приближении. Интересно, что в западной литературе обычно пользуются КГИ, тогда как в отечественной литературе традиционно предпочитают КНИ.

Важно также отметить, что КНИ и КГИ - это лишь количественные меры искажений , но не качественные. Например, значение КНИ (КГИ), равное 3% ничего не говорит о характере искажений, т.е. о том, как в спектре сигнала распределены гармоники, и каков, например, вклад НЧ или ВЧ составляющих. Так, в спектрах ламповых УМЗЧ обычно преобладают низшие гармоники, что часто воспринимается на слух как «тёплый ламповый звук», а в транзисторных УМЗЧ искажения более равномерно распределены по спектру, и он более плоский, что часто воспринимается как «типичный транзисторный звук» (хотя спор этот во многом зависит от личных ощущений и привычек человека).

Примеры расчёта КГИ

Для многих стандартных сигналов КГИ может быть подсчитан аналитически. Так, для симметричного прямоугольного сигнала (меандра)

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): K_{\Gamma} \,= \,\sqrt{\frac{\,\pi^2}{8}-1\,}\approx \, 0.483\,=\,48.3\%

Идеальный пилообразный сигнал имеет КГИ

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): K_{\Gamma} \,= \,\sqrt{\frac{\,\pi^2}{6}-1\,}\approx \, 0.803\,=\,80.3\%

а симметричный треугольный

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): K_{\Gamma} \,= \,\sqrt{\frac{\,\pi^4}{96}-1\,}\approx\,0.121\,= \, 12.1\%

Несимметричный прямоугольный импульсный сигнал с соотношением длительности импульса к периоду, равному μ обладает КГИ

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): K_{\Gamma}\,(\mu)=\sqrt{\frac{\mu(1-\mu)\pi^2\,}{2\sin^2\pi\mu}-1\;}\,\qquad 0<\mu<1 ,

который достигает минимума (≈0.483) при μ =0.5, т.е. тогда, когда сигнал становится симметричным меандром. Кстати, фильтрованием можно добиться значительного снижения КГИ этих сигналов, и таким образом получать сигналы, близкие по форме к синусоидальным. Например, симметричный прямоугольный сигнал (меандр) с изначальным КГИ в 48.3%, после прохождения через фильтр Баттерворта второго порядка (с частотой среза, равной частоте основной гармоники) имеет КГИ уже в 5.3%, а если фильтр четвёртого порядка - то КГИ=0.6%. Следует отметить, что чем более сложный сигнал на входе фильтра и чем более сложный сам фильтр (а точнее, его передаточная функция), тем более громоздкими и трудоёмкими будут вычисления КГИ. Так, стандартный пилообразный сигнал, прошедший через фильтр Баттерворта первого порядка, имеет КГИ уже не 80.3% а 37.0%, который в точности даётся следующим выражением

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): K_{\Gamma} \,= \, \sqrt{\frac{\,\pi^2}{3} - \pi\,\mathrm{cth}\,\pi\,}\,\approx\,0.370\,= \, 37.0\%

А КГИ того же сигнала, прошедшего через такой же фильтр, но второго порядка, уже будет даваться достаточно громоздкой формулой

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): K_{\Gamma}\,= \sqrt{\pi\,\frac{\,\mathrm{ctg}\,\dfrac{\pi}{\sqrt{2\,}}\cdot\,\mathrm{cth}^{2\!}\dfrac{\pi}{\sqrt{2\,}} -\,\mathrm{ctg}^{2\!}\dfrac{\pi}{\sqrt{2\,}}\cdot\,\mathrm{cth}\,\dfrac{\pi}{\sqrt{2\,}} -\,\mathrm{ctg}\,\dfrac{\pi}{\sqrt{2\,}} - \,\mathrm{cth}\,\dfrac{\pi}{\sqrt{2\,}}\;} {\sqrt{2\,}\left(\mathrm{ctg}^{2\!}\dfrac{\pi}{\sqrt{2\,}} +\,\mathrm{cth}^{2\!}\dfrac{\pi}{\sqrt{2\,}}\!\right)} \,+\,\frac{\,\pi^2}{3} \,-\, 1\;} \;\approx\;0.181\,= \, 18.1\%

Если же рассматривать вышеупомянутый несимметричный прямоугольный импульсный сигнал, прошедший через фильтр Баттерворта p -ого порядка, то тогда

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): K_{\Gamma}\,(\mu, p)= \csc\pi\mu\,\cdot \!\sqrt{\mu(1-\mu)\pi^2-\,\sin^2\!\pi\mu\, -\,\frac{\,\pi}{2}\sum_{s=1}^{2p} \frac{\,\mathrm{ctg}\,\pi z_s}{z_s^2} \prod\limits_{\scriptstyle l=1\atop\scriptstyle l\neq s}^{2p}\!\frac{1}{\,z_s-z_l\,}\, +\,\frac{\,\pi}{2}\,\mathrm{Re}\sum_{s=1}^{2p} \frac{e^{i\pi z_s(2\mu-1)}}{z_s^2\sin \pi z_s} \prod\limits_{\scriptstyle l=1\atop\scriptstyle l\neq s}^{2p}\!\frac{1}{\,z_s-z_l\,}\,}

где 0<μ <1 и

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): z_l\equiv \exp{\frac{i\pi(2l-1)}{2p}}\, \qquad l=1, 2,\ldots, 2p

подробности вычислений - см. Ярослав Благушин и Эрик Моро .

Измерения

В низкочастотном (НЧ) диапазоне для измерения КНИ применяются измерители нелинейных искажений (измерители коэффициента гармоник).
На более высоких частотах (СЧ, ВЧ) используют косвенные измерения с помощью анализаторов спектра или селективных вольтметров .

Типовые значения КНИ и КГИ

Ниже приведены некоторые типовые значения для КНИ, и в скобках, для КГИ.

См. также

Напишите отзыв о статье "Коэффициент нелинейных искажений"

Литература, ссылки, примечания

Справочник по радиоэлектронным устройствам : В 2-ух томах; Под ред. Д. П. Линде - М.: Энергия,
Горохов П. К. Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины - М: Рус. яз.,

Дополнительные ссылки

Отрывок, характеризующий Коэффициент нелинейных искажений

Я застыла в настоящем шоке. Почему-то такой невероятный факт никак не хотел укладываться в моей ошарашенной голове...
– Бабушка?.. – только и смогла произнести я.
Стелла кивнула, очень довольная произведённым эффектом.
– Как же так? Поэтому она и помогла тебе их найти? Она знала?!.. – тысячи вопросов одновременно бешено крутились в моём взбудораженном мозгу, и мне казалось, что я никак не успею всего меня интересующего спросить. Я хотела знать ВСЁ! И в то же время прекрасно понимала, что «всего» мне никто не собирается говорить...
– Я наверное потому его и выбрала, что чувствовала что-то. – Задумчиво сказала Стелла. – А может это бабушка навела? Но она никогда не признается, – махнула рукой девчушка.
– А ОН?.. Он тоже знает? – только и смогла спросить я.
– Ну, конечно же! – рассмеялась Стелла. – А почему тебя это так удивляет?
– Просто она уже старенькая... Ему это должно быть тяжело, – не зная, как бы поточнее объяснить свои чувства и мысли, сказала я.
– О, нет! – опять засмеялась Стелла. – Он был рад! Очень-очень рад. Бабушка дала ему шанс! Никто бы не смог ему в этом помочь – а она смогла! И он увидел её опять... Ой, это было так здорово!
И тут только наконец-то я поняла, о чём она говорит... Видимо, бабушка Стеллы дала своему бывшему «рыцарю» тот шанс, о котором он так безнадёжно мечтал всю свою длинную, оставшуюся после физической смерти, жизнь. Ведь он так долго и упорно их искал, так безумно хотел найти, чтобы всего лишь один только раз мог сказать: как ужасно жалеет, что когда-то ушёл... что не смог защитить... что не смог показать, как сильно и беззаветно их любил... Ему было до смерти нужно, чтобы они постарались его понять и смогли бы как-то его простить, иначе ни в одном из миров ему незачем было жить...
И вот она, его милая и единственная жена, явилась ему такой, какой он помнил её всегда, и подарила ему чудесный шанс – подарила прощение, а тем же самым, подарила и жизнь...
Тут только я по-настоящему поняла, что имела в виду Стеллина бабушка, когда она говорила мне, как важен подаренный мною «ушедшим» такой шанс... Потому что, наверное, ничего страшнее на свете нет, чем остаться с не прощённой виной нанесённой обиды и боли тем, без кого не имела бы смысла вся наша прошедшая жизнь...
Я вдруг почувствовала себя очень усталой, как будто это интереснейшее, проведённое со Стеллой время отняло у меня последние капельки моих оставшихся сил... Я совершенно забыла, что это «интересное», как и всё интересное раньше, имело свою «цену», и поэтому, опять же, как и раньше, за сегодняшние «хождения», тоже приходилось платить... Просто все эти «просматривания» чужих жизней являлись огромной нагрузкой для моего бедного, ещё не привыкшего к этому, физического тела и, к моему великому сожалению, меня пока что хватало очень ненадолго...
– Ты не волнуйся, я тебя научу, как это делать! – как бы прочитав мои грустные мысли, весело сказала Стелла.
– Делать, что? – не поняла я.
– Ну, чтобы ты могла побыть со мной дольше. – Удивившись моему вопросу, ответила малышка. – Ты живая, поэтому тебе и сложно. А я тебя научу. Хочешь погулять, где живут «другие»? А Гарольд нас здесь подождёт. – Лукаво сморщив маленький носик, спросила девочка.
– Прямо сейчас? – очень неуверенно спросила я.
Она кивнула... и мы неожиданно куда-то «провалились», «просочившись» через мерцающую всеми цветами радуги «звёздную пыль», и оказались уже в другом, совершенно не похожем на предыдущий, «прозрачном» мире...
* * *

Ой, ангелы!!! Смотри, мамочка, Ангелы! – неожиданно пропищал рядом чей-то тоненький голосок.
Я ещё не могла очухаться от необычного «полёта», а Стелла уже мило щебетала что-то маленькой кругленькой девчушке.
– А если вы не ангелы, то почему вы так сверкаете?.. – искренне удивившись, спросила малышка, и тут же опять восторженно запищала: – Ой, ма-а-амочки! Какой же он красивый!..
Тут только мы заметили, что вместе с нами «провалилось» и последнее «произведение» Стеллы – её забавнейший красный «дракончик»...

Светлана в 10 лет

– Это... что-о это? – аж с придыхом спросила малышка. – А можно с ним поиграть?.. Он не обидится?
Мама видимо мысленно её строго одёрнула, потому что девочка вдруг очень расстроилась. На тёплые коричневые глазки навернулись слёзы и было видно, что ещё чуть-чуть – и они польются рекой.
– Только не надо плакать! – быстро попросила Стелла. – Хочешь, я тебе сделаю такого же?
У девочки мгновенно засветилась мордашка. Она схватила мать за руку и счастливо заверещала:
– Ты слышишь, мамочка, я ничего плохого не сделала и они на меня совсем не сердятся! А можно мне иметь такого тоже?.. Я, правда, буду очень хорошей! Я тебе очень-очень обещаю!
Мама смотрела на неё грустными глазами, стараясь решить, как бы правильнее ответить. А девочка неожиданно спросила:
– А вы не видели моего папу, добрые светящиеся девочки? Он с моим братиком куда-то исчез...
Стелла вопросительно на меня посмотрела. И я уже заранее знала, что она сейчас предложит...
– А хотите, мы их поищем? – как я и думала, спросила она.
– Мы уже искали, мы здесь давно. Но их нет. – Очень спокойно ответила женщина.
– А мы по-другому поищем, – улыбнулась Стелла. – Просто подумайте о них, чтобы мы смогли их увидеть, и мы их найдём.
Девочка смешно зажмурилась, видимо, очень стараясь мысленно создать картинку своего папы. Прошло несколько секунд...
– Мамочка, а как же так – я его не помню?.. – удивилась малышка.
Такое я слышала впервые и по удивлению в больших Стеллиных глазах поняла, что для неё это тоже что-то совершенно новенькое...
– Как так – не помнишь? – не поняла мать.
– Ну, вот смотрю, смотрю и не помню... Как же так, я же его очень люблю? Может, и правда его больше нет?..
– Простите, а вы можете его увидеть? – осторожно спросила у матери я.
Женщина уверенно кивнула, но вдруг что-то в её лице изменилось и было видно, что она очень растерялась.
– Нет... Я не могу его вспомнить... Неужели такое возможно? – уже почти испуганно сказала она.
– А вашего сына? Вы можете вспомнить? Или братика? Ты можешь вспомнить своего братика? – обращаясь сразу к обеим, спросила Стелла.
Мама и дочь отрицательно покачали головами.
Обычно такое жизнерадостное, личико Стеллы выглядело очень озабоченным, наверное, никак не могла понять, что же такое здесь происходит. Я буквально чувствовала напряжённую работу её живого и такого необычного мозга.

Коэффицие́нт нелине́йных искаже́ний (КНИ или K Н ) - величина для количественной оценки нелинейных искажений .

Определение [ | ]

Коэффициент нелинейных искажений равен отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала , отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала

K H = U 2 2 + U 3 2 + U 4 2 + … + U n 2 + … U 1 2 + U 2 2 + U 3 2 + … + U n 2 + … {\displaystyle K_{\mathrm {H} }={\frac {\sqrt {U_{2}^{2}+U_{3}^{2}+U_{4}^{2}+\ldots +U_{n}^{2}+\ldots }}{\sqrt {U_{1}^{2}+U_{2}^{2}+U_{3}^{2}+\ldots +U_{n}^{2}+\ldots }}}}

K Γ = U 2 2 + U 3 2 + U 4 2 + … + U n 2 + … U 1 {\displaystyle K_{\Gamma }={\frac {\sqrt {U_{2}^{2}+U_{3}^{2}+U_{4}^{2}+\ldots +U_{n}^{2}+\ldots }}{U_{1}}}}

КГИ, так же, как и КНИ, выражается в процентах и связан с ним соотношением

K Γ = K H 1 − K H 2 {\displaystyle K_{\Gamma }={\frac {K_{\mathrm {H} }}{\sqrt {1-K_{\mathrm {H} }^{2}}}}}

Примеры расчёта КГИ [ | ]

K Γ = π 2 8 − 1 ≈ 0.483 = 48.3 % {\displaystyle K_{\Gamma }\,=\,{\sqrt {{\frac {\,\pi ^{2}}{8}}-1\,}}\approx \,0.483\,=\,48.3\%}

Идеальный пилообразный сигнал имеет КГИ

K Γ = π 2 6 − 1 ≈ 0.803 = 80.3 % {\displaystyle K_{\Gamma }\,=\,{\sqrt {{\frac {\,\pi ^{2}}{6}}-1\,}}\approx \,0.803\,=\,80.3\%}

а симметричный треугольный

K Γ = π 4 96 − 1 ≈ 0.121 = 12.1 % {\displaystyle K_{\Gamma }\,=\,{\sqrt {{\frac {\,\pi ^{4}}{96}}-1\,}}\approx \,0.121\,=\,12.1\%}

K Γ (μ) = μ (1 − μ) π 2 2 sin 2 ⁡ π μ − 1 , 0 < μ < 1 {\displaystyle K_{\Gamma }\,(\mu)={\sqrt {{\frac {\mu (1-\mu)\pi ^{2}\,}{2\sin ^{2}\pi \mu }}-1\;}}\,\qquad 0<\mu <1} ,

K Γ = π 2 3 − π c t h π ≈ 0.370 = 37.0 % {\displaystyle K_{\Gamma }\,=\,{\sqrt {{\frac {\,\pi ^{2}}{3}}-\pi \,\mathrm {cth} \,\pi \,}}\,\approx \,0.370\,=\,37.0\%}

K Γ = π c t g π 2 ⋅ c t h 2 π 2 − c t g 2 π 2 ⋅ c t h π 2 − c t g π 2 − c t h π 2 2 (c t g 2 π 2 + c t h 2 π 2) + π 2 3 − 1 ≈ 0.181 = 18.1 % {\displaystyle K_{\Gamma }\,={\sqrt {\pi \,{\frac {\,\mathrm {ctg} \,{\dfrac {\pi }{\sqrt {2\,}}}\cdot \,\mathrm {cth} ^{2\!}{\dfrac {\pi }{\sqrt {2\,}}}-\,\mathrm {ctg} ^{2\!}{\dfrac {\pi }{\sqrt {2\,}}}\cdot \,\mathrm {cth} \,{\dfrac {\pi }{\sqrt {2\,}}}-\,\mathrm {ctg} \,{\dfrac {\pi }{\sqrt {2\,}}}-\,\mathrm {cth} \,{\dfrac {\pi }{\sqrt {2\,}}}\;}{{\sqrt {2\,}}\left(\mathrm {ctg} ^{2\!}{\dfrac {\pi }{\sqrt {2\,}}}+\,\mathrm {cth} ^{2\!}{\dfrac {\pi }{\sqrt {2\,}}}\!\right)}}\,+\,{\frac {\,\pi ^{2}}{3}}\,-\,1\;}}\;\approx \;0.181\,=\,18.1\%}

Если же рассматривать вышеупомянутый несимметричный прямоугольный импульсный сигнал, прошедший через фильтр Баттерворта p -го порядка, то тогда

K Γ (μ , p) = csc ⁡ π μ ⋅ μ (1 − μ) π 2 − sin 2 π μ − π 2 ∑ s = 1 2 p c t g π z s z s 2 ∏ l = 1 l ≠ s 2 p 1 z s − z l + π 2 R e ∑ s = 1 2 p e i π z s (2 μ − 1) z s 2 sin ⁡ π z s ∏ l = 1 l ≠ s 2 p 1 z s − z l {\displaystyle K_{\Gamma }\,(\mu ,p)=\csc \pi \mu \,\cdot \!{\sqrt {\mu (1-\mu)\pi ^{2}-\,\sin ^{2}\!\pi \mu \,-\,{\frac {\,\pi }{2}}\sum _{s=1}^{2p}{\frac {\,\mathrm {ctg} \,\pi z_{s}}{z_{s}^{2}}}\prod \limits _{\scriptstyle l=1 \atop \scriptstyle l\neq s}^{2p}\!{\frac {1}{\,z_{s}-z_{l}\,}}\,+\,{\frac {\,\pi }{2}}\,\mathrm {Re} \sum _{s=1}^{2p}{\frac {e^{i\pi z_{s}(2\mu -1)}}{z_{s}^{2}\sin \pi z_{s}}}\prod \limits _{\scriptstyle l=1 \atop \scriptstyle l\neq s}^{2p}\!{\frac {1}{\,z_{s}-z_{l}\,}}\,}}}

где 0<μ <1 и

z l ≡ exp ⁡ i π (2 l − 1) 2 p , l = 1 , 2 , … , 2 p {\displaystyle z_{l}\equiv \exp {\frac {i\pi (2l-1)}{2p}}\,\qquad l=1,2,\ldots ,2p}

подробности вычислений - см. Ярослав Благушин и Эрик Моро .

Измерения [ | ]

В низкочастотном (НЧ) диапазоне для измерения КНИ применяются измерители нелинейных искажений (измерители коэффициента гармоник).
На более высоких частотах (СЧ, ВЧ) используют косвенные измерения с помощью анализаторов спектра или селективных вольтметров .

Основным параметром электронного усилителя является коэффициент усиления К. Коэффициент усиления мощности (напряжения, тока) определяется отношением мощности (напряжения, тока) выходного сигнала к мощности (напряжению, току) входного и характеризует усилительные свойства схемы. Выходной и входной сигналы должны быть выражены в одних и тех же количественных единицах, поэтому коэффициент усиления является безразмерной величиной.

В отсутствие реактивных элементов в схеме, а также при определенных режимах ее работы, когда исключается их влияние, коэффициент усиления является действительной величиной, не зависящей от частоты. В этом случае выходной сигнал повторяет форму входного и отличается от него в К раз только амплитудой. В дальнейшем изложении материала речь пойдет о модуле коэффициента усиления, если нет особых оговорок.

В зависимости от требований, предъявляемых к выходным параметрам усилителя переменного сигнала, различают коэффициенты усиления:

а) по напряжению, определяемый как отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения к амплитуде переменной составляющей входного, т. е.

б) по току, который определяется отношением амплитуды переменной составляющей выходного тока к амплитуде переменной составляющей входного:

в) по мощности

Так как , то коэффициент усиления по мощности можно определить следующим образом:

При наличии реактивных элементов в схеме (конденсаторов, индуктивностей) коэффициент усиления следует рассматривать как комплексную величину

где m и n - действительная и мнимая составляющие, зависящие от частоты входного сигнала:

Положим, что коэффициент усиления К не зависит от амплитуды входного сигнала. В этом случае при подаче на вход усилителя синусоидального сигнала выходной сигнал также будет иметь синусоидальную форму, но отличаться от входного по амплитуде в К раз и по фазе на угол .

Периодический сигнал сложной формы согласно теореме Фурье можно представить суммой конечного или бесконечно большого числа гармонических составляющих, имеющих разные амплитуды, частоты и фазы. Так как К - комплексная величина, то амплитуды и фазы гармонических составляющих входного сигнала при прохождении через усилитель изменяются по-разному и выходной сигнал будет отличаться по форме от входного.

Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями. В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (характеризующие изменение модуля коэффициента усиления К в полосе частот за счет влияния реактивных элементов в схеме); фазовые (характеризующие зависимость сдвига по фазе между выходным и входным сигналами от частоты за счет влияния реактивных элементов).

Частотные искажения сигнала можно оценить с помощью амплитудно-частотной характеристики, выражающей зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты. Амплитудно-частотная характеристика усилителя в общем виде представлена на рис. 1.2. Рабочий диапазон частот усилителя, внутри которого коэффициент усиления можно считать с известной степенью точности постоянным, лежит между низшей и высшей граничными частотами и называется полосой пропускания. Граничные частоты определяют уменьшение коэффициента усиления на заданную величину от своего максимального значения на средней частоте .

Введя коэффициент частотных искажений на данной частоте ,

где - коэффициент усиления по напряжению на данной частоте, можно с помощью амплитудно-частотной характеристики определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот усилителя.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеем на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах, т. е.

где - соответственно коэффициенты усиления по напряжению на высшей и низшей граничных частотах.

Обычно принимают , т. е. на граничных частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до уровня 0,707 значения коэффициента усиления на средней частоте. При таких условиях полоса пропускания усилителей звуковой частоты, предназначенных для воспроизведения речи и музыки, лежит в пределах 30-20 000 Гц. Для усилителей, применяемых в телефонии, допустима более узкая полоса пропускания 300-3400 Гц. Для усиления импульсных сигналов необходимо использовать так называемые широкополосные усилители, полоса пропускания которых располагается в диапазоне частот от десятков или единиц герц до десятков или даже сотен мегагерц.

Для оценки качества усилителя часто пользуются параметром

Для широкополосных усилителей , поэтому

Противоположностью широкополосных усилителей являются избирательные усилители, назначение которых состоит в усилении сигналов в узкой полосе частот (рис. 1.3).

Усилители, предназначенные для усиления сигналов со сколь угодно малой частотой, называются усилителями постоянного тока. Из определения ясно, что низшая граничная частота полосы пропускания такого усилителя равна нулю. Амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока дана на рис. 1.4.

Фазочастотная характеристика показывает, как меняется угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами при изменении частоты и определяет фазовые искажения.

Фазовые искажения отсутствуют при линейном характере фазочастотной характеристики (пунктирная линия на рис. 1.5), так как в этом случае каждая гармоническая составляющая входного сигнала при прохождении через усилитель сдвигается по времени на один и тот же интервал . Угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами при этом пропорционален частоте

где - коэффициент пропорциональности, определяющий угол наклона характеристики к оси абсцисс.

Фазочастотная характеристика реального усилителя представлена на рис. 1.5 сплошной линией. Из рис. 1.5 видно, что в пределах полосы пропускания усилителя фазовые искажения минимальны, однако резко возрастают в области граничных частот.

Если коэффициент усиления зависит от амплитуды входного сигнала, то имеют место нелинейные искажения усиливаемого сигнала, обусловленные наличием в усилителе элементов с нелинейными вольт-амперными характеристиками.

Задавая закон изменения можно проектировать нелинейные усилители с определенными свойствами. Пусть коэффициент усиления определяется зависимостью , где - коэффициент пропорциональности.

Тогда при подаче на вход усилителя синусоидального входного сигнала выходной сигнал усилителя

где - амплитуда и частота входного сигнала.

Первая гармоническая составляющая в выражении (1.6) представляет собой полезный сигнал, остальные являются результатом нелинейных искажений.

Нелинейные искажения можно оценить с помощью так называемого коэффициента гармоник

где - амплитудные значения соответственно мощности, напряжения и тока гармонических составляющих.

Индекс определяет номер гармоники. Обычно учитывают только вторую и третью гармоники, так как амплитудные значения мощностей более высоких гармоник сравнительно малы.

Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.

Амплитудная характеристика четырехполюсников, состоящих только из линейных элементов, при любом значении теоретически является наклонной прямой. Практически же максимальное значение ограничивается электрической прочностью элементов четырехполюсника. Амплитудная характеристика усилителя, выполненного на электронных приборах (рис. 1.6), в принципе нелинейна, однако может содержать участки ОА, где кривая носит приблизительно линейный характер с большой степенью точности. Рабочий диапазон входного сигнала не должен выходить за пределы линейного участка (ОА) амплитудной характеристики усилителя, иначе нелинейные искажения превысят допустимый уровень.