Устройство для измерения коэффициентов нелинейности

 

Изобретение относится к радиотехническим измерениям и может быть использовано для измерения коэффициентов нелинейности четырехполюсников, например транзисторов, интегральных усилительных схем на транзисторах. Целью изобретения является повышение точности измерений. Устройство для измерения коэффициента нелинейности содержит генератор 1 испытательного сигнала, сумматор 2, умножитель 3 частоты на два, умножитель 4 частоты на три, фазовращатели 5 и 7, образцовый аттенюатор 8, ключи 9, 10, 16, третий фазовращатель 11, аттенюаторы 12 и 14, испытуемый объект 15, анализитор 17 гармоник. Устройство может работать в режиме калибровки и в режиме измерения. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) 1 1) 4,G 01 R 23/20

ВСЕОБ

@><Н Н0- TB

E. 1 БЛИЕ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPblTHRM

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4244986/24-21 (22) 15.05.87 (46) 30.11.89. Бюл. ¹ 44 (72) И.А.Тешев (53) 621.317(088.8) . (56) Кушнир Ф.В. Радиоизмерения. М.:

Связь, 1968, с. 262.

Там же, с. 268. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕЛИНЕЙНОСТИ (57) Изобретение относится к радиотехническим измерениям и может быть использовано для измерения коэффи2 циентов нелинейности четырехполюсников, например транзисторов, интегральных усилительных схем на транзисторах.

Целью изобретения является повышение точности измер ений. Устройство для измерения коэффициента нелинейности содержит генератор 1 испытательного сигнала, сумматор 2, умножитель 3 . частоты на два, умножитель 4 частоты на три, фазовращатели 5 и 7, образцовый аттенюатор 8, ключи 9, 10 и 16, третий фазовращатель 11, аттенюаторы

12 и 14, испьпуемый объект 15, анализатор 17 гармоник. Устройство может работать в режиме калибровки и в режиме измерения. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехческим измерениям и может быть исПользовано для измерения коэффициентов нелинейности (коэффициента третьей гармонии, коэффициента комбинационных составляющих, возникающих на нелинейностях третьего порядка) четыех полюсников (например, транзисто ов, интегральных усилительных схем на транзисторах).

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства для измере- 15 ния коэффициентов нелинейности.

Устройство для измерения коэффициентов нелинейности содержит генератор

1 испытательного сигнала, подключенный к первому входу сумматора 2 и 20 входам умножителя 3 частоты на два и умножителя 4 частоты на три. Выход умножителя 4 частоты на три через фазовращатель 5, аттеиюатор 6, а также через фазовращатель 7, образцовый ат" 25 тенюатор 8 и ключ 9 подключен соответственно к второму и третьему вход;и сумматора 2. Выход умножителя 3 частсты на два через ключ 10 подключен к четвертому входу сумматора 2, а также 30 .чеРез фазовращатель 11и аттенюатор 12 к первому входу сумматора 13. Выход сумматора 2 через аттенюатор 14 и параллельно включенные испытуемый объект 1 5 и ключ 16 подключен к второму входу сумматора 13. Выход сумматора

13 подключен к входу анализатора 17 гармоник.

Устройство работает в двух режимах: в режиме калибровки и в режиме изме- щ р ения.

Режим калибровки предусмотрен для компенсации третьей гармоники в испытательном сигнале сигналом, сформированным для этой цели в соответствующих блоках устройства. Контроль компенсации сигналов осуществляют анапизатором 17 гармоник . Поскольку испытуемые объекты слабо нелинейны, то уровень гармонических составляющих, в частности третьей, по которой определяют коэффициент нелинейности, испытательного сигнала должен быть очень мал (100-110) дБ по сравнению с уровнем первой гармоники. Генерирование синусоидального сигнала с малым уровнем — армонических составляющих требует специальных мер, направленных на усложнение конструкт и генератора. В предлагаемом устройстве используются компенсируюшие цепи, которые позволяют без усложнения конструкции генератора добиться необходи-мого уровня подавления третьей гармоники в испытательном сигнале генератора 1, при этом необходимо превести следующие операции. Ключ 16 замкнут, ключи 9 и 10 разомкнуты. С выхода генератора 1 испытательный сигнал поступает на первый вход сумматора 2. С выхода сумматора 2 через аттенюатор

14 и ключ 16 сигнал проходит на первый вход сумматора 13. Одновременно с выхода генератора 1 сигнал поступает на вход умножителя 3 частоты на два.

С выхода умножителя 3 сигнал с удвоенной частотой испытательного сигнала через фазовращатель 11, уравнивающий

его по фазе с испытательным сигналом. аттенюатор 12 поступает на второй вход сумматора 13. Суммируясь в сумматоре 13, указанные сигналы поступают на вход анализатора 17 гармоник, Перестраивая анализатор 17 гармоник с частоты первой гармоники на частоту второй гармоники испытательного сигнала и при этом используя его отсчетные устройства, аттенюатором 14 устанавливают уровень первой "àðìîíèêè, не превышающий его для испытуемого объекта 15,.а аттенюатором 12 устанавливают амплитуду сигнала с умноженной частотой в ГЗ раз меньше амплитуды первой гармоники испытательного сигнала: Суммирование испытательного

;сигнала с сигналом удвоенной частоты с необходимой фазой и амплитудой необходимо, чтобы устранить нелинейные искажения испьпатепьного сигнала в ниде третьей гармоники в нелинейных цепях анализатора 17 гармоник, кото-: рые могут существенно влиять на глу-. бину компенсации третьей гармоники испытательного сигнала. С выхоца ум=ножителя 4 сигнал с утроенной частотой испытательного сигнала через фазовращатель 5 и аттенюатор 6 поступает на второй вход сумматора 2, где суммируется с сигналом генератора 1, С выхода сумматора 2 суммарный сигнал через аттенюатор 14 и ключ 16 поступает на сумматор 13, где с ним суьяа руется еще один сигнал. Анытзатор 17 гармоник перестраивают на частоту третьей гармоники испытательного сигнала. Изменяя фазу фазоврашателем 5 и амплитуду аттенюатором 6 (2) (3) "э() " 4К в Пэ.

152561 сигнала с утроенной частотой испытательногб сигнала, добиваются компенсации этим сигналом третьей гармоники испытательного сигнала. Контроль компенсации осуществляют анализатором

17 гармоник. На этом операции по компенсации третьей гармоники в испыгательном сигнале заканчиваются. Далее ключ 10 замыкают, ключ 16 размыкают, 10 анализатор 17 гармоник перестраивают на частоту второй гармоники испытательного сигнала, с выхода умножителя 3 частоты сигнал с удвоенной частотой испытательного сигнала через 15 ключ 10, аттенюатор 14, испытуемый объект 15 поступает на первый вход сумматора 13, на второй вход сумматора 13 через фазовращатель 11 и аттенюатор 12 так же поступает сигнал с 20 выхода умножителя 3 частоты. Суммируясь в сумматоре 13, указанные сигналы поступают на вход анализатора 17 гармоник. Изменяя фазу фазовращателем 11 и амплитуду аттенюатором 12 сигнала, поступающего на второй вход сумматора 13, добиваются компенсации суммнрующихся сигналов на выходе сумматора 13. Контроль компенсации осуществляют анализатором 17 гармоник. ЗО

Далее фазовращателем 11 устанавливают сдвиг фазы сигнала относительно фазы исходного сигнала, при котором произошла компенсация сигналов †и . Ключ

10 размыкают. Перестраивая анализатор

17 гармоник с частоты первой гармони.ки на частоту второй гармоники испытательного сигнала и при этом используя его отсчетные устройства, аттенюатором 12 устанавливают амплитуду сигна- 0 ла на частоте второй гармоники в 13 раз меньше амплитуды первой гармоники испытательного сигнала. указанные операции необходимо производить каждый

1 раз при смене испытуемых объектов, 45 если они имеют различные амплитудно и фазочастотные характеристики.

Ключ 9 замыкают. Сигнал с устроенной частотой испытательного сигнала с выхода умножителя частоты через фазовращатель 7, образцовый аттенюатор 8 и ключ 9 поступает на третий вход сумматора 2, с выхода сумматора

2 через аттенюатор 14, испытуемый объект 15 и сумматор 13 сигнал с утроенной частотой поступает на вход анализатора 17 гармоник. Анализатор гармоник настраивают на частоту этого сигнала, и с помощью отсчетных устройств отмечают его уровень..

В режиме измерения с выхода генератора 1 испытательный сигнал, состоящий из двух гармоник (для простоты ограничимся первой и третьей гармониками), поступает на первый вход сумматора 2

U(t) = П sinGOt+U sin(3Qt+(P) f где U U — амплитуды 1-й и 3-й гар) Ф моники испытательного сигнала;

C0 — - круговая частота, Я вЂ” начальная фаза третьей гармоники.

Причем U< > U>. Начальную фазу первой гармоники принимаем равной нулю. Сигнал (1) с генератора 1 поступает также на вход умножителя частоты 4 на три, Благодаря кубической вольтамперной характеристике нелинейного элемента, входящего в состав умножителя частоты, I = В U с известным В и с уче-! f

I том того, что U< )) U, на его выходе образуется сигнал утроенной частоты.

При переходе от выражения для тока к выражению для напряжения этот сигнал можно представчть в виде!

U (Е) = — — В U3 з пЗЯс, 3 4

С выхода умножителя частоты 4 сигнал (2) проходит фазовращатель 5 и преобретает фазу, противоположную фазе третьей гармоники сигнала (1), далее проходит аттенюатор 6 и уравнивается по амплитуде с той же третьей гармоникой сигнала (1) . При суммировании сигналов (1) и (2) на выходе сумматора 2 происходит компенсация третьей гармоники сигнала (1) ° Необходимые фаза и амплитуда сигнала (2) устанавливается при калибровке устройства. С выхода умножителя 4 частоты сигнал (2) так же поступает на фазовращатель 7, где преобретает фазу Я, далее поступает на аттенюатор 8 с установленным .кьзффициентом ослабления К=1 и через ключ 9 поступает на сумматор 2 в виде

1525612 () = Ul/ 3 sin2(gt (7) П + gUs

+ 0 s in (3t0t+ g< ) (12) В сумматоре 2 сигнал (1) без третьей гармоники суммируется с сигналом (3) и на выходе сумматора 2 появляется s виде .

U,(t) * U single+ — — -sin(3Qt+Cg ). (4) В .Цз

9 4К

° М

С выхода сумматора 2 сигнал (4) через 10 аттенюатор 14 -поступает на испытуемый объект 15. В результате взаимодействия частотных составляющих сиг нала (3) на нелинейности вольтамперной характеристики объекта 15 образу- 15 ! ются комбинационные и нелинейные составляющие, в частности третья гармоника сигнала (4) самая значительная по уровню, по которой определяется коэффициент нелинейности объекта 15. 20

Остальными вновь возникшими частотными составляющими можно пренебречь, поскольку они гораздо ниже по уровню третьей гармоники и на точность измерения коэффициента нелинейности прак- 25 ! тическаго влияния не оказывают.

Испытуемые объекты обычно слабо нелинейны, поэтому уровень третьей ! гармоники, по которой определяется коэффициент нелинейности, может сос- 30

, тавлять от уровня первой гармоники (100-110) дБ. При взаимодействии первой и третьей гармоник с таким соотношением уровней на нелинейности испытуемого объекта .могут возникать комбинационные и нелинейные искажения с уровнем не более 100 дБ от, уровня третьей гармоники. Такой уро" вень комбинационных искажений не может оказать практического влияния на 40 точность уровня третьей гармоники.

С учетом изложенного сигнал (4) на вьмоде испытуемого объекта 15 можно записать в виде

g ù

U (t)=U sin(0t+ — sin(3Qt+ф,) +

Х1 4K

ll где U — амплитуда третьей гармони3 ки, возникшей после прохождения сигнала (4) объекта 15.

Запишем выражение (5) в более общем виде

0 (t) =U, зйп с+У з1пЗыс, (6)

3

Дпя простоты полагаем q = 0 и c1l<=

О.

С выхода объекта 15 сигнал (6) по-. дается на первый вход сумматора 13, на второй вход сумматора 2 с выхода умножителя 3 частоты через фазовращатель 11 и аттенюатор 12 подается сигнал с удвоенной частотой испытательного сигнала

Амплитуда и фаза сигнала (7) устанавливается при калибровке устройства.

В сумматоре 13 сигналы (6) и (7) суммируютсяя

U (t)=U singt + — -sin263t+U sin3Qt, (8) — у Ъ

С вьмода сумматора 13 сигнал (8) подается на вход анализатора 17 гармоник. Вольтамперная характеристика анализатора гармоник определяется вольтамперной характеристикой смесителя балансного типа, состоящего из двух встречно параллельно включенных диода, и описывается полиномом третьей степени

В современных анализаторах гармоник динамический диапазон по гармоническим искажениям (80-90) дБ, т.е. уровень нелинейности вольтамперной характеристики незначителен. Подстав". ляя (8) в,(9) и переходя от выражения для тока к выражению для напряжения, получаем, что, поскольку анализатор

17 гармоник настроен на частоту ЗЯ, все частотные составляющие сигнала, не совпадающие с частотой ЗЯ, отфильтровываются и анализатор 17 гармоник индицирует только частотную составляющую

g цз ю_#_ sin3gt=g — -"sin(3ot+g )+ з 4К

+ U sin(3Ni+P ) Изменяя фазовращателем 7 — ®,, а атц glUç тенюатором 8 - К при У = — — и® = можно добиться компенсапии третьей гармоники сигнала.

Контроль компенсации осуществляют анализатором 17 гармоник. формула изобретения

Составитель N. Каменский

Редактор Т. Парфенова Техред Л. Сердюкова Корректор З,Лончакова

Заказ 7219/40 Тираж 714 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101

9 1525б

Коэффициент нелинейности определя- ют из формулы

jl а"цэ р"ца

«з 201g =20lg д

U 4KU 4К

i

Произведение В U 1 известно для предлагаемого устройства, поскольку известно U и 8 изменяться может

I только К (коэффициент деления образцового аттенюатора 8) в зависимости от величины К„. Таким образом, уровень сигнала умножителя 4 частоты принят за уровень сигнала калибровки. 15

Устройство для измерения коэффициентов нелинейности, содержащее гене- 20 ратор испытательных сигналов, подключенный к первому входу сумматора, кпеммы для подключения испытуемого объекта и анализатор гармоник, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с це- 25 лью повыщения точности измерений, в

12 10 него дополнительно введены второй сумматор, умножитель частоты на два и на три три фазоврацателя, три вспомогательных и один образцовый аттенюаторы, два ключа, причем выход генератора испытательных сигналов через последовательно соединенные умножитель частоты на два, первый фазовращатель и первый аттенюатор подключен к первому входу второго сумматора, и через последовально соединенные умножитель частоты на три, второй фаэовращатель и второй аттенюатор к второму входу первого сумматора, выход умножителя частоты на три через третий фазовращатель, образцовый аттенюатор, первый ключ подключен к третьему входу первого сумматора, выход которого через третий аттенюатор и второй ключ подключен к второму входу второго сумматора, вход и выход второго ключа соединены с клеммами для подключения испытуемого объекта, выход второго сумматора соединен с входом анализатора гармоник.