Сигиал, проходящий через любое радиоэлектронное устройство (приемник, усилитель и др.), подвергается различным искажениям (линейным, нелинейным, интермодуляционным и пр.). Поэтому при настройке радиоэлектронной аппаратуры возникает необходимость измерения ее характеристик.
Обобщенная структура типичного усилителя (не только звуковых частот) приведена на рис.1.
ИС — это источник сигнала, ВхУ — входное устройство, предназначенное для согласования источника с усилителем (например, эмиттерный повторитель для получения большого входного сопротивления). ПУ — предварительный усилитель, осуществляющий "разгон" сигнала и его обработку (тонкоррекцию, регулировку громкости, тембра и пр.). УМ — усилитель мощности, предназначенный для формирования необходимого для работы нагрузки сигнала (требуемой величины и мощности). ВУ — выходное устройство (для передачи сигнала от УМ в нагрузку).
В целом, для усилителей существуют следующие основные характеристики:
1. Амплитудная характеристика (АХ) — зависимость амплитуды или действующего значения напряжения сигнала на выходе от амплитуды или действующего значения напряжения сигнала на входе. Амплитудная характеристика (рис.2) имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, а ее наклон (точнее, угол наклона) определяет коэффициент усиления усилителя. У реального усилителя АХ не проходит через начало координат, а изгибается при малых входных напряжениях, пересекая вертикальную ось в точке иш, поскольку при отсутствии входного напряжения выходное равно напряжению шумов (не "шумит" лишь идеальный усилитель). Ну, и при слишком больших входных напряжениях реальная АХ также изгибается вследствие перегрузки каскадов усилителя.
Для измерения АХ собирают схему, приведенную на рис.3. На вход испытуемого устройства подают гармонический (синусоидальный) сигнал от генератора, а к выходу подключают нагрузку, на которую должно работать это устройство (для усилителя звуковых частот — громкоговоритель или эквивалентное сопротивление). С помощью электронных вольтметров PV1 и PV2 измеряют входное и выходное напряжения. Плавно увеличивают напряжение генератора и фиксируют показания вольтметров. По полученным данным строят АХ (рис.4), линейность которой сохраняется до точки "а".
2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — это графическое изображение зависимости коэффициента усиления (К) от частоты (f). 
По вертикальной оси откладывается выходное напряжение (или коэффициент усиления) в линейном или логарифмическом масштабе, соответствующее неизменному входному, по горизонтальной оси — частота (опять же, в линейном или логарифмическом масштабе). Для идеального усилителя АЧХ — прямая, параллельная горизонтальной оси (рис.5а) В реальном усилителе наблюдается спад АЧХ на низких и высоких частотах (рис.5б).
Для измерения АЧХ используют схему на рис.3, но изменяют частоту генератора, сохраняя неизменным его выходное напряжение. По результатам измерений строят график АЧХ, причем обычно используют логарифмическую шкалу частотной оси (специальную координатную бумагу с логарифмической сеткой). Полосу пропускания (верхнюю и нижнюю граничные частоты fB и fH) определяют по спаду АХЧ на -3 дБ (0,707 раз) по напряжению (рис.6).
3. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) — это зависимость угла сдвига фазы ф между входным и выходным напряжениями от частоты. Идеальный вид ФЧХ — прямая линия, типичная ФЧХ усилителя показана на рис.7. Ухо человека не реагирует на изменения фазы гармонических сигналов, поэтому ФЧХ редко используется для описания электроакустических усторойств. Но реальные звуковые сигналы более сложные, нежели гармонические, и искажения фазы могут привести к искажению формы колебаний, т.е. к заметному изменению звучания.
4. Под переходной характеристикой (ПХ) понимают реакцию устройства (сигнал на его выходе) на подачу испытательного сигнала в виде прямоугольного импульса. 
Спектр прямоугольного импульса содержит много частотных составляющих, поэтому поступление импульса можно расценивать как одновременную подачу на вход устройства нескольких гармонических сигналов. К выходу устройства подключают осциллограф, и по искажениям импульса судят об АЧХ. Этот метод достаточно чувствителен даже к небольшим изменениям АЧХ.
Время установления переходной характеристики и выброс на ней зависят от формы АЧХ ус-тройства в области вы-соких частот (рис.8а), Чем шире полоса пропускания устройства, тем меньше время установления (длительность фронта) выходного импульса. Наличие выброса определяется крутизной спада АЧХ: при пологом спаде выброса нет. При ограничении АЧХ в области низких частот появляется спад вершины импульса (рис.8б).
Искажения сигнала
Линейные искажения не нарушают амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале. При наличии в усилителе линейных искажений амплитудная характеристика не претерпевает изменений. Тем не менее, они изменяют усиливаемый сигнал. Эти искажения связаны с неравномерностью амплитудно-частотной и нелинейностью фазо-ча-стотной характеристик усилителя, поэтому линейные искажения часто называют частотными. Главной особенностью линейных искажений является то, что они не вызывают появления в спектре выходного сигнала новых составляющих. В результате влияния линейных искажений могут лишь изменяться уровни его отдельных спектральных (частотных) составляющих (например, изменение тембра звука).
При возникновении нелинейных искажений в спектре сигнала появляются дополнительные составляющие. Степень искажений гармонического сигнала характеризуют коэффициентом гармоник
где U1, U2, U3... — действующие (эффективные) значения гармоник сигнала.
У идеальной синусоиды высшие гармоники отсутствуют, поэтому Кг=0. Чем меньше Кг, тем ближе реальная синусоида к теоретической. Но на практике измерить Кг достаточно сложно, поскольку трудно выделить основную гармонику U1 И обычно измеряют другой параметр — коэффициент нелинейных искажений Кни:
где U — действующее значение всего сигнала.
Эти коэффициенты обычно выражают в процентах (иногда в децибелах), и они связаны между собой соотношением:
Измерить Кни можно с помощью заградительного (режекторного) фильтра, настроенного на частоту основной гармоники, который включают на выходе испытуемого устройства (рис.9).
Сначала фильтр отключают (переключатель S1 — в положении 1) и вольтметром измеряют выходное напряжение, которое содержит все составляющие спектра (U). Затем включают фильтр (переключатель S1 — в положении 2). Теперь вольтметр измеряет действующее значение напряжения высших гармоник. Рассчитывают Кни, пользуясь формулой (2).
На рис.10 приведена схема фильтра для выделения высших гармоник (вплоть до 12-й гармоники) основной частоты сигнала, равной 1000 Гц (±3 %), при использовании конденсаторов и резисторов с разбросом параметров в пределах ±2...5 %. При этом возможно достоверное измерение коэффициента гармоник, начиная с 0,05%. Это улучшение характеристик стало возможным за счет добавления к Т-образному мосту корректирующей цепочки C4-R5-L1, что позволило дополнительно ослабить выходное напряжение основной частоты примерно на 10 дБ и, тем самым, избежать необходимости очень тщательного подбора номиналов. Катушка L1 имеет индуктивность 380 мГн. Милливольтметр, используемый с этим фильтром, должен иметь входное сопротивление не менее 1 МОм и входную емкость не более 50 пФ.
При измерении коэффициента гармоник высококачественных усилителей ЗЧ требуются генераторы, с собственным коэффициентом гармоник около сотых долей процента. На рис.11 показана схема фильтра, с помощью которого можно уменьшить уровень второй и третьей гармоник основной частоты 1000 Гц на выходе генератора ЗЧ примерно на 65 дБ, а более высоких - на 50 дБ (рис.12). Используя такой фильтр, можно получить источник сигнала с коэффициентом гармоник 0,001...0,002%. Резонансные частоты контуров L1-C2 и L2-C3 (рис. 11) составляют соответственно 2 и 3 кГц. Входное и выходное сопротивления фильтра - 600 Ом. Для изготовления катушек индуктивности можно использовать кольцевые сердечники из феррита с начальной магнитной проницаемостью 600 и внешним диаметром 35 мм. Катушка L1 содержит 253 витка, L2 - 226 витков провода в эмалевой изоляции диаметром 0,2 мм.
Приблизительно о нелинейных искажениях можно судить по форме сигнала, наблюдаемого на экране осциллографа. Если искажения формы гармонического сигнала на экране незаметны, можно считать, что Кни ≤5%.
Логарифмические единицы
В практике измерении достаточно часто используются логарифмические единицы. Логарифмический масштаб позволяет изобразить закономерности процесса при большом диапазоне изменения интересующей величины, причем как малые, так и большие значения представляются достаточно наглядно Как единицу обычно используют бел (русское обозначение — Б. международное — В). Бел имеет два значения:
1 Для 'энергетических" величин, пропорциональных мощности:
при Р1 = 10 Р2.
2 Для "силовых" величин, пропорциональных силе тока или напряжения:
Это сделано для сохранения значении, выраженных в логарифмических единицах, при переходе от энергетических величин к силовым, и наоборот. Значению 1 Б соответствует весьма большое изменение величины, поэтому на практике используют десятую часть бела — децибел (обозначается дБ или dB) Фактически децибел — это относительная величина(как проценты)
Для децибела, соответственно, имеем:
В некоторых вольтметрах переменного напряжения предусмотрена возможность измерения уровня напряжения непосредственно в децибелах. Для этого имеется специальная шкала (рис.13). Градуировка шкалы соответствует одному из низковольтных пределов измерения (для электронных вольтметров серий "ВЗ-ХХ" и "В7-ХХ" — это предел 1 В). Этот предел определить очень легко: значению 0 дБ должно соответствовать напряжение 0,775 В Шкала децибел весьма неравномерна, и погрешность отсчета по ней обычно больше чем по шкале, проградуированной в вольтах
Если измерение выполняется на другом пределе измерений, то для определения абсолютного уровня напряжения UdB к отсчету по шкале децибел UodB необходимо добавлять постоянное значение UmdB. определяемое пределом измерения:
UdB=UodB+UmdB
Значения UmdB указываются в паспорте прибора, а иногда их наносят на самой шкале прибора. Если паспорта нет под рукой, UmdB можно рассчитать по следующей формуле:
где Um — предел измерений, на котором выполняется измерение.
Uom — предел измерения, соответствующий шкале децибел.
Раньше в технике связи использовали другую логарифмическую единицу — непер (обозначения Нп или Np). Непер определяется через натуральный логарифм и также имеет два значении:
В настоящее время непер как единица измерения не
применяется, однако еще встречается в литературе или при градуировке шкал некоторых старых приборов. Значения, выраженные в децибелах (Ас©) и в неперах (Anp). связаны между собой соотношениями:
AdB=0,115 ANp;
ANp=8,685-AdB.
Децибел не является официальной единицей в системе СИ. хотя по решению Генеральной конференции по мерам и весам допускается его применение без ограничении совместно с СИ. Сложению (вычитанию) значений в децибелах со-ответствует умножение (деление) самих отношений.
При измерении мощности изменению на +1 дБ (+1 дБ "по мощности") соответствует приращение мощности примерно в 1,26 раза, изменению на -3,0 дБ — снижение мощности в 2 раза
При измерении напряжения (силы тока) изменению на +1 дБ (+1 дБ по напряжению" или "по току") соответствует приращение напряжения (силы тока) в 1.12 раза, при изменении на -3,0 дБ напряжение (сила тока) снизится на 1/√2=0.707 от своего исходного значения.
Для выполнения операций с децибелами 'по мощности" полезно помнить несложные соотношения
- на 1 дБ — в 1,25 раза;
- на 3 дБ — в 2 раза;
- на 10 дБ — в 10 раз.
Отсюда, раскладывая 'более сложные значения" на составные", получаем:
- на 6 дБ = 3 дБ + 3 дБ — в 2х2 = в 4 раза
- на 9 дБ = 3 дБ + 3 дБ + 3 дБ — в 2х2х2 = в 8 раз,
- на 12 дБ = 4х3 дБ — в 2х2х2х2 = в 16 раз;
- на 13 дБ = 10 дБ + 3 дБ — в 10х2 = в 20 раз;
- на 20 дБ = 10 дБ + 10 дБ — в 10х10 = в 100 раз.
Зачем вообще применять децибелы и оперировать логарифмами, если, в принципе, можно обойтись более привычными процентами или долями? Тому есть ряд причин.
Во-первых, характер отображения в органах чувств человека и животных течения многих физических и биологических процессов пропорционален не амплитуде входного воздействия. а его логарифму ("живая природа живет по логарифму!"). Например, музыкальная равномерно темперированная шкала частот является одной из таких логарифмических шкал
Во-вторых, логарифмическая шкала удобна в тех случаях, когда приходится одновременно оперировать величинами, различающимися в разы и, тем более, на несколько порядков.
В-третьих, "обозримость* графического отображения величин, изменяющихся в очень широких пределах
Для различных физических величин одному и тому же числовому значению, выраженному в децибелах, могут соответствовать разные уровни сигналов (вернее, разности уровней). Поэтому, во избежание путаницы, такие "конкретизированные" единицы измерения обозначаются теми же буквами "дБ", но с добавлением индекса (обозначения измеряемой физической величины). Например, "дБВ" — децибел относительно вольта или "дБмкВ" — децибел относительно микровольта, "дБВт" — децибел относительно ватта и т.п.
Хотя децибел служит для определения отношения двух величин, нет ничего удивительного в том, что децибел используют и для измерения абсолютных значений. Для этого достаточно условиться, какой уровень измеряемой физической величины принять за опорный уровень (условный 0 дБ).
Опорный уровень указывается в виде "добавки", следующей за символами "дБ" (например, 'дБм"), либо опорный уровень должен быть ясен из контекста (дБ относительно 1 мВт). На практике наиболее распространены следующие опорные уровни и специальные обозначения для них:
- дБм (dBm) — опорный уровень
— мощность в 1 мВт. Мощность обычно определяется на номинальной нагрузке (в профессиональной технике для частот менее 10 МГц
— обычно 10 кОм, для радиочастотной техники — 50 или 75 Ом). Например, "выходная мощность усилительного каскада составляет 13 дБм" означает что мощность, выделяющаяся на номинальной для этого усилительного каскада нагрузке, составляет 20 мВт,
- дБВ (dBV) — опорное напряжение 1 В на номинальной нагрузке (для бытовой техники —обычно 47 кОм). Например, стандартизованный уровень сигнала для бытового аудио-оборудования составляет -10 дБВ т.е. 0.316 В на нагрузке 47 кОм;
- дБмкВ (dBpV) — опорное напряжение 1 мкВ.
В случае затруднения во избежание путаницы достаточно указать опорный уровень явно. Например, запись -20 дБ (относительно 0.775 В на нагрузке 50 Ом) исключает двойное толкование.
Логарифмические единицы особенно часто применяются при измерении акустических величин Громкость звука характеризуют его интенсивностью — звуковой мощностью на единицу площади (измеряется в Вт/м2) или звуковым давлением (измеряется в паскалях — Па)
Для характеристики относительных и абсолютных уровней звука используют децибелы. Для абсолютных уровней в качестве опорных выбраны следующие значения: - звуковое давление — 20 мкПа; -интенсивность звука— 10~12Вт/м2 Рассмотренные единицы громкости относятся к звукам определенной частоты (чистым музыкальным тонам) или к звукам с одной преобладающей гармоникой Характеризовать громкость шума сложнее, т к звуки различных частот при одном и том же звуковом давлении вызывают звуковое ощущение различной громкости.
На рис.14 приведены характеристики восприятия звука человеком (кривые равной громкости*') в зависимости от частоты
Для характеристики субъективного восприятия громкости (в том числе шума) введена специальная единица, которая называется фон 1 фон — это уровень громкости, для которого уровень звукового давления равногромкого" с ним стандартного чистого тона (частотой 1000 Гц) равен 1 дБ
Для частотных интервалов также применяются логарифмические единицы: октава (интервал с отношением крайних частот, равным 2) или декада (интервал с отношением крайних частот 10)
Источники информации
1. Радиолюбитель, 1999, №№4-6.
2 Радиолюбитель, 1999. №7. С.8
3.
4
5 http.www vsegta ru
6 http;//sergey-tlt.narod.ru
7.
Материал подготовил В.Новиков (Радиомир, №№ 5-6 2011г)
