Приложение Е (обязательное). Импульсная характеристика измерительных приемников с детекторами пиковых и средних значений

Приложение Е
(обязательное)

Импульсная характеристика
измерительных приемников с детекторами пиковых и средних значений

Е.1 Отклик каскадов, предшествующих детектору

Площадь под огибающей выходного сигнала узкополосной схемы, которая имеет симметричную частотную характеристику и на вход которой подаются прямоугольные импульсы, не зависит от ширины полосы пропускания и задается формулой:

,

(Е.1)

где и - амплитуда и длительность прямоугольного импульса, соответственно, для которого ( - коэффициент усиления схемы на центральной частоте).

Данное утверждение справедливо только в случае огибающей, имеющей постоянный уровень (неосциллирующая огибающая). Колебательная (осциллирующая) огибающая присуща схемам с двойной настройкой и, если не используется чувствительный фазовый детектор, может понадобиться произвести компенсацию ошибки путем введения значения, вносимого осциллирующей огибающей.

В случае критической связи второй пик огибающей составляет приблизительно 8,3% первого.

Примечание - Отклик каскадов, предшествующих детектору, как указано в разделе А.2, носит колебательный характер. Следовательно, погрешность калибровки, вносимую осциллирующим откликом, следует компенсировать с допуском (+2,5 - минус 0,5) дБ (как указано в 6.4.1).

Пока импульсы на выходе усилителя промежуточной частоты не перекрываются, среднее значение их площади пропорционально частоте повторения импульсов n. Как следствие, среднее значение напряжения равно .

Исходя из уравнения (Е.1), определение эффективной ширины полосы для ИП с детектором средних значений не считается целесообразным.

Д.2 Коэффициент перегрузки

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Вместо "Д.2" следует читать "Е.2"

Для расчета коэффициента перегрузки при использовании ИП с пиковым детектором полезно определить величину, известную как "эффективная ширина импульсной полосы пропускания каскадов, предшествующих детектору " по формуле:

,

(Е.2)

где - выходной сигнал (с пиковой огибающей) каскадов усиления промежуточной частоты при подаче единичного импульса.

Из уравнений, приводящих к формуле (А.17) (приложение А), имеем:

или 1,31,

(Е.3)

где и определены в 3.2.

Для других типов настраиваемых схем отношение к можно оценивать из рисунка Е.1, если известно отношение к , где - ширина полосы на уровне 20 дБ.

Е.3 Соотношение между показаниями измерительных приемников с детекторами средних и квазипиковых значений

Значение площади импульса, необходимое для создания такого же показания ИП средних значений, как и показания при подаче на его вход немодулированного синусоидального сигнала на частоте настройки со среднеквадратическим значением 2 мВ от генератора, имеющего тот же выходной импеданс, что и генератор импульсов, при частоте повторения импульсов n, Гц, равно:

(мВс).

При частоте повторения 100 Гц это значение составляет 14 мкВс.

Тогда в соответствии с приложением А, пункт А.5, отношение к для получения одного и того же показания будет равно:

=32,9 дБ - для полосы частот от 0,15 до 30 МГц;

= 50,1 дБ - для полосы частот от 30 до 1000 МГц.

Вышеизложенное предполагает наличие требуемого коэффициента перегрузки при рассматриваемой частоте повторения и соответствие ширины полосы пропускания значениям, указанным в разделе 4.

При частоте повторения 1000 Гц соответствующие отношения будут 17,4 и 38,1 дБ.

Д.4# Измерительные приемники с пиковым детектором

Если в ИП используется измерительное устройство с непосредственным считыванием, требование к постоянным времени можно определить по кривой, приведенной на рисунке Е.2, на котором представлено процентное соотношение показания, отнесенного к реальному пиковому значению в зависимости от параметра, и в котором учтены коэффициент постоянных времени, ширина полосы и частота повторения импульсов. При использовании этой кривой необходимо иметь в виду, что

,

(Е.4)

где и - постоянные времени заряда и разряда.

Например при желании получить показание ИП не менее 90% реального пикового значения при частоте повторения 1 Гц необходимо иметь следующие соотношения постоянной времени разряда и постоянной времени заряда:

- в полосе частот от 0,15 до 30 МГц;

- в полосе частот от 30 до 1000 МГц.

Д.5# Соотношение между показаниями измерительных приемников с детекторами пиковых и квазипиковых значений

Значение площади импульса IS, необходимое для получения отклика ИП с пиковым детектором, эквивалентного отклику на немодулированный синусоидальный сигнал на частоте настройки со среднеквадратичным значением 2 мВ, равно

(мВс),

(Е.5)

где значение выражают в герцах.

В полосах частот, указанных в 4.2, таблица 1, на уровне 6 дБ значение , равно 1,05 (раздел Д.2). Значение и соответствующее значение IS, необходимые для ИП с пиковым детектором, будут равны:

в полосе частот А

, мВс,

, Гц;

в полосе частот В

, мВс,

, Гц;

в полосах частот С, D

, мВс,

, Гц = , Гц.

Тогда, используя значения а, мкВ/с, по 4.4.1, таблица 2, для квазипикового значения IS, получим, что отношение IS в квазипиковых значениях к IS в пиковых значениях для получения того же показания будет:

- для полосы частот А - 6,1 дБ (при частоте повторения импульсов 25 Гц);

- для полосы частот В - 6,6 дБ (при частоте повторения импульсов 100 Гц);

- для полос частот С и D - 12,0 дБ (при частоте повторения импульсов 1000 Гц).

"Рисунок E.2 - Коэффициент выпрямления импульсов Р (показания прибора в процентном отношении к реальному пиковому значению)"

Е.6 Параметры испытательных импульсов для полосы частот Е (1 - 18 ГГц)

Генераторов прямоугольных импульсов, имеющих равномерную спектральную плотность во всей полосе частот Е (до частоты 18 ГГц), не существует. В связи с этим при измерении импульсной характеристики ИП в полосе частот Е, используют импульсно-модулированную несущую с частотой, равной частоте настройки приемника. Длительность импульса должна быть не более 1/3; ее значение устанавливают с максимальной точностью для того, чтобы избежать недопустимо высокой погрешности устанавливаемого значения площади испытательных импульсов. Помимо традиционного измерения длительности импульса с помощью осциллографа, ее значение можно находить по расстоянию между минимумами спектральной плотности (см. рисунок Е.3).

Для ИП с пиковым детектором и шириной полосы , равной 1 МГц (см. примечание а) к таблице 6), требуемая площадь импульса 1,4/, мВс (см. 5.4) будет 1,4 нВс. Два варианта значений параметров импульса, имеющего площадь 1,4/, мВс, приведены в таблице Д.1#.

Таблица Е.1 - Параметры испытательного импульса площадью 1,4/

Ширина импульса , нc	Уровень несущей (ЭДС) , дБ(мкВ)
100	86
200	80

Для ИП с линейным детектором средних значений требуемая площадь импульса 1,4/n мВс, где n - частота повторения импульсов (см. 6.4.1) при n = 50 000 должна быть 28 нВс, т.е. на 26 дБ больше, чем для ИП с пиковым детектором при , равной 1 МГц.

Для ИП с детектором среднеквадратических значений требуемая площадь импульса должна составлять 44() мкВс (см. 6.4.1) при частоте повторения импульсов 1 кГц (см. 7.4.1). При ширине импульсной полосы пропускания , равной 1 МГц, соответствующее значение равно 700 кГц. Следовательно, необходимая площадь импульса будет равна 52,6 нВс, т.е. на 31,5 дБ больше, чем для ИП с пиковым детектором при , равной 1 МГц.

"Рисунок Е.3 - Спектрограмма импульсно-модулированного сигнала при ширине импульсов 200 мс"

Е.7 Измерение ширины импульсной полосы пропускания

Ширину импульсной полосы пропускания , МГц, определяют по формуле:

.

(Е.6)

где - пиковое значение, измеренное приемником, мкВ;

- спектральная плотность испытательного импульса, мкВ/МГц.

Обе величины, и D, принято калибровать в среднеквадратичных значениях немодулированного синусоидального сигнала измерительных приемников СИСПР.

Часто точное значение спектральной плотности импульса неизвестно. В этом случае появляется неопределенность в нахождении ширины . Для уменьшения этой неопределенности могут быть использованы методы, приведенные ниже.

В методах 1 и 2 для уменьшения неопределенности проводят не одно, а два измерения. В методе 3 для расчета значения используют кривую избирательности, так как является "шириной полосы напряжения" ИП (не следует путать с шириной полосы мощности или эквивалентной шириной полосы шума, которые определяют среднеквадратичное значение гауссовского шума при использовании ИП с детектором среднеквадратичных значений).

Ширина полосы напряжения шире , но коэффициента для определения соотношения между и (или ) в общем случае не существует.

Метод 1. Определение по откликам на импульсы с разной частотой повторения.

Данный метод используют при небольших длительностях импульсов (см. рисунок Е.4). Определение значения в данном методе строится на сравнении откликов на импульсы с высокой () и низкой () частотами повторения.

При высокой частоте повторения приемник можно настроить на частоту несущей, как показано на рисунке Е.5, а при низкой частоте повторения спектр будет иметь широкополосный вид, как показано на рисунке Е.6, со спектральной плотностью импульсов D = . Форма импульсов, т.е. амплитуда и длительность , не должны зависеть от частоты повторения импульсов. При = 1 МГц значение допускается выбирать равным 30 МГц, a - равным 30 кГц.

"Рисунок Е.4 - Импульсно-модулированный ВЧ сигнал, подаваемый на ИП"

"Рисунок E.5 - Фильтрация, когда намного меньше частоты повторения импульсов"

"Рисунок Е.6 - Фильтрация, когда значение намного больше частоты повторения импульсов"

При первом измерении (в случае ) можно ожидать, что амплитуда в среднеквадратичных значениях будет равна . Снизить неопределенность измерения можно, увеличив отношение сигнал/шум и обеспечив отсутствие перегрузки.

Во втором измерении (в случае ) можно ожидать, что максимальный отклик в среднеквадратичных значениях пика на переходный процесс будет

.

Если произведение при обоих измерениях одинаковое, то по результатам двух измерений (см. также рисунок Е.7) определяется как

.

(Е.7)

"Рисунок Е.7 - Расчет ширины импульсной полосы пропускания ИП"

Метод 2. Определение путем сравнения откликов на импульсный сигнал испытуемого и вспомогательного фильтров.

В случае отсутствия генератора импульсов, имеющего независимую от частоты повторения импульсов амплитуду и при относительно низких значениях этой частоты, допускается применять метод 2.

Метод базируется на том же принципе, что и метод 1, однако вместо изменения частоты повторения импульсов при втором измерении в этом методе проводится замена испытуемого фильтра на вспомогательный фильтр, ширина полосы которого намного меньше частоты повторения импульсов.

Спектральную плотность импульсов D по данному методу определяют как

,

где - измеренное напряжение спектральной линии (например частоты несущей, если сигнал представляет собой импульсно-модулированную несущую, или центральной линии при частоте приемника, на которой следует измерять );

- частота повторения импульсов. Значение должно быть намного больше самой узкой полосы и намного меньше подлежащей измерению полосы , т.е.

(примерные значения для = 1 МГц, 0 = 9 кГц и = 100 кГц).

Суть метода состоит в сравнении откликов узкополосного фильтра и испытуемого фильтра на немодулированный синусоидальный сигнал, поступающий на оба фильтра, и получении коэффициента коррекции с для расчета значения D (, где - значение при "узкополосном" фильтре, a - при "широкополосном").

При известном коэффициенте коррекции спектральную плотность можно найти как . Когда значение D определено, измеряют значение при пиковом детекторе и с помощью соотношения (Д.2) рассчитывают значение .

Метод 3. Определение интегрированием нормализованной линейной функции частотной избирательности.

Данный метод имеет среднюю точность и применяется при использовании фильтров (например цифровых) с абсолютно линейной функцией частотной избирательности U(f) и при условии, что ширина полосы видео в 10 или более раз превышает ширину импульсной полосы пропускания .

В этом случае импульсную ширину полосы измерительного приемника определяют как площадь нормализованной линейной функции избирательности U(f) при коэффициенте нормализации :

,

где - максимальное значение U(f).

Для измерения функции избирательности измерительные приемники, имеющие цифровое отображение высокой разрешающей способности, можно настроить на N шагов . Для корректного определения ширины импульсной полосы пропускания измерения проводят на 100 частотах (N = 101), взятых с равномерным шагом в пределах уровней до 60 дБ.

ИП с настройкой можно настроить так, чтобы начальная и конечная частоты совпали с точками 60 дБ кривой фильтра, а развертка позволяла получить значение амплитуды. Уровень подаваемого на вход фильтра испытательного синусоидального сигнала должен позволять отследить форму частотной характеристики испытуемого фильтра.

Значение находят по формуле

.

Пример нормализованной линейной функции избирательности приведен на рисунке Е.8.

"Рисунок Е.8 - Пример нормализованной линейной функции частотной избирательности"