Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej, Zadanie 36 Przygotowanie i modernizacja programów studiów oraz materiałów dydaktycznych na Wydziale Elektrycznym Laboratorium projektowania skupionych i rozproszonych systemów pomiarowych Ćwiczenie Wyznaczanie charakterystyk częstotliwościowych czwórników Instrukcje do ćwiczenia i dodatkowe materiały przygotowano i zmodernizowano przy wykorzystaniu środków otrzymanych w ramach Zadania 36 Programu Rozwojowego Politechniki Warszawskiej Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
1.Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z charakterystykami częstotliwościowymi podstawowych członów dynamicznych. W trakcie ćwiczenia student pozna sposoby wyznaczania podstawowych charakterystyk częstotliwościowych układów dynamicznych oraz podstawowe parametry wzmacniacza mocy (w ćwiczeniu użyty został wzmacniacz akustyczny) i sposoby ich wyznaczania. W trakcie ćwiczenia nabędzie podstawowe informacje dotyczące charakterystyk częstotliwościowych i transmitancji układu oraz związku pomiędzy nimi. 2. Podstawy teoretyczne Jedną z podstawowych metod określania właściwości układów dynamicznych jest wyznaczanie ich charakterystyk czasowych i częstotliwościowych opisujących związek pomiędzy odpowiedzią układu a zadanym wymuszeniem. W przypadku charakterystyk częstotliwościowych stosuje się wymuszenie harmoniczne zmieniające się w zadanym przedziale częstotliwości. Charakterystyki czasowe służą do opisywania i porównywania właściwości dynamicznych układów a do ich wyznaczania używa się tych samych zestandaryzowanych sygnałów testowych. Charakterystyką czasową układu nazywamy przebieg w czasie odpowiedzi układu na określony sygnał wejściowy podany na wejście układu będącego w stanie równowagi (w którym nie zachodzą żadne procesy przejściowe). W zależności od zastosowanego sygnału wejściowego można wyróżnić następujące charakterystyki czasowe: charakterystyka skokowa charakterystyka impulsowa charakterystyka liniowo-czasowa Charakterystyka skokowa jest odpowiedzią układu h(t) na którego wejście podano sygnał skokowy opisany równaniem: przy zerowych warunkach początkowych. Rys. 1.1. Przykład sygnału skokowego. Drugą z wymienionych charakterystyk jest charakterystyka impulsowa będąca odpowiedzią układu na którego wejście podano sygnał w postaci impulsu Diraca opisanego równaniem: Znajomość odpowiedzi impulsowej pozwala przewidzieć odpowiedź układu na każde inne pobudzenie. Odpowiedź układu na dowolne pobudzenie jest bowiem splotem sygnału pobudzającego oraz odpowiedzi impulsowej układu. W akustyce często wyznacza się odpowiedź impulsową pomieszczenia poprzez nagranie w nim krótkiego i silnego impulsu dźwiękowego. Pozwala to na przetwarzanie innych nagrań (splatanie ich z odpowiedzią impulsową pomieszczenia) i otrzymanie efektu dźwiękowego polegającego na symulacji nagrania w danym pomieszczeniu. Wykorzystywane jest to w przemyśle filmowy w czasie podkładania dialogu do całości nagrania. str. 2
Rys.1.2.Przykład impulsu Diraca. Ostatnią charakterystyką używaną do porównywania właściwości dynamicznych jest charakterystyka liniowoczasowa będąca odpowiedzią układu na wejście którego podano sygnał liniowo zależny od czasu, opisany równaniem. Rys.1.3. Przykład sygnału liniowo narastającego. Jedną z podstawowych metod określania właściwości układów dynamicznych jest wyznaczanie ich charakterystyk częstotliwościowych opisujących związek pomiędzy odpowiedzią układu a zadanym wymuszeniem harmonicznym zmieniającym się w zadanym przedziale częstotliwości. Rys.1.4. Liniowy układ dynamiczny Jeżeli na wejście układu liniowego podane zostanie wymuszenie sinusoidalne o stałej pulsacji ω=2πf [rad/s] to na wyjściu tego układu po zaniknięciu procesów przejściowych otrzymamy również odpowiedź sinusoidalną o tej samej pulsacji ω co sygnał wyjściowy W ogólnym przypadku sygnał wyjściowy będzie posiadał inną amplitudę i będzie przesunięty w fazie względem sygnału wejściowego. str. 3
Rys.1.5. Okresowy sygnał wejściowy i wyjściowy. Charakterystyki częstotliwościowe opisują zachowanie się układu dla wszystkich wielkości pulsacji ω sygnału wejściowego. Jeżeli znany jest model matematyczny liniowego układu dynamicznego w postaci transmitancji operatorowej można wyznaczyć transmitancję widmową, która jest równa stosunkowi wartości zespolonej odpowiedzi układu, wywołanej wymuszeniem sinusoidalnym do wartości tego wymuszenia w stanie ustalonym. Przez transmitancję widmową rozumiemy: Wykres G(jω) nazywa się charakterystyką amplitudowo-fazową. Reprezentuje on przestrzeń geometryczną końców wektorów, których długość reprezentuje stosunek amplitud odpowiedzi do wymuszenia, a kąt odpowiada przesunięciu fazowemu pomiędzy odpowiedzią a wymuszeniem. str. 4
Rys. 1.6. Przykład charakterystyki amplitudowo-fazowej przedstawionej na płaszczyźnie zespolonej Transmitancja widmowa jest funkcją zmiennej zespolonej, której koniec wektora G(jω 1 ) o długości A(ω 1 ) i kącie nachylania do osi ox φ(jω 1 ) wyznacza na płaszczyźnie zespolonej punkty o współrzędnych P(ω 1 ) i Q(ω 1 ). Jeżeli pulsacja ω ulega zmianie, wówczas wektor G(jω) zmienia swoją wartość bezwzględną i obraca się gdyż jego argument φ(ω 1 ), także zależy od pulsacji. Koniec wektora G(jω) opisze krzywą będącą charakterystyką amplitudowo-fazową (Nyquista). Charakterystyki amplitudowo-fazowe układów rzeczywistych, dla których stopień wielomianu licznika transmitancji jest niższy od stopnia wielomianu mianownika, dążą do początku układu współrzędnych. W czasie wyznaczania charakterystyk częstotliwościowych układów dynamicznych jako sygnał testowy stosuje się najczęściej wymuszenie harmoniczne o częstotliwości zmieniającej się w określonym zakresie (teoretycznie zmiany częstotliwości powinny być w zakresie ). Sygnał sinusoidalny stosuje się także do określania parametrów i jakości wzmacniaczy mocy (np. akustycznych). Zastosowanie sygnału sinusoidalnego jako sygnału testowego wynika z kilku powodów. Najważniejszy z nich mówi, że odpowiedź stabilnego, liniowego układu dla dowolnego sygnału okresowego jest sumą odpowiedzi dla każdej składowej (sinusoidalnej) sygnału wejściowego (rozkład sygnału na szereg Fouriera). Ponadto każdy sygnał okresowy można wyrazić jako sumę sygnałów sinusoidalnych, a te z kolei są łatwe do wygenerowania. W praktyce zamiast charakterystyki amplitudowo-fazowej na płaszczyźnie zespolonej używa się dwóch oddzielnych charakterystyk częstotliwościowych niosących informacje o zachowaniu się układu dla różnych częstotliwości: charakterystyka amplitudowa, charakterystyka fazowa. Charakterystyka amplitudowa A(ω) jest to stosunek amplitudy sygnału wyjściowego do amplitudy sygnału wejściowego (wzmocnienie układu) w funkcji częstotliwości ω. Przy zdejmowaniu charakterystyki częstotliwościowej amplituda sygnału wejściowego jest zwykle utrzymywana na stałym poziomie Xm(ω)=Xm=const. str. 5
Rys.1.7. Przykład charakterystyki amplitudowej. Charakterystyka fazowa ϕ(ω) jest to przesunięcie fazowe (podawane w stopniach lub radianach) sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału wejściowego w funkcji częstotliwości ω: Jeżeli sygnał wyjściowy jest opóźniony w stosunku do wejściowego, to przesunięcie fazowe ϕ(w) ma wartość ujemną. Rys.1.8. Przykład charakterystyki fazowej. Pierwszym sposobem wykreślania charakterystyk częstotliwościowych jest zaprezentowany wcześniej wykres G(jω) często nazywany hodografem wektora G(jω) na płaszczyźnie zespolonej (przedstawiony na Rys.). Wykres często nazywany jest też wykresem Nyquista bądź charakterystyką widmową układu przedstawioną na płaszczyźnie zespolonej. Innym sposobem prezentacji charakterystyk amplitudowo-fazowej są wykresy Nicholsa w których na soi ox odkłada się przesunięcie fazowe a na osi oy wzmocnienie w skali logarytmicznej. W praktyce zamiast charakterystyki częstotliwościowej zaprezentowanej na płaszczyźnie zespolonej używa się dwóch oddzielnych charakterystyk zaprezentowanych w skali logarytmicznej: logarytmiczna charakterystyka amplitudowa jest logarytmicznym modułem wzmocnienia jest w decybelach [db], w logarytmicznej skali pulsacji ω. Wzmocnienie podawane logarytmiczna charakterystyka fazowa jest zależnością argumentu transmitancji widmowej wykreślonej w logarytmicznej skali pulsacji ω. często nazywanie charakterystykami Bodego. Zasadniczą zaletą charakterystyk logarytmicznych jest łatwość określania charakterystyki wypadkowej całego układu, gdzie transmitancja stanowi iloczyn transmitancji członów składowych. Wykonuje się to przez zastąpienie mnożenia transmitancji operacja sumowania. str. 6
2.1. Podstawowe człony dynamiczne Członem układu nazywa się urządzenie lub układ o wyodrębnionym wejściu i wyjściu będący częścią składową tego układu. W ćwiczeniu zajmujemy się czwórnikami (układami) dynamicznymi aniżeli układami automatyki. Istnieje ograniczona liczba liniowych członów podstawowych o jednym wejściu i jednym wyjściu oraz o prostych charakterystykach. Złożone liniowe układy dynamiczne można przedstawić jako ich połączenia. Schemat przedstawiający te połączenia nazywa się schematem strukturalnym (blokowym) układu złożonego. 2.1.1. Człon proporcjonalny. Rys. 1.9. Reprezentacja graficzna członu dynamicznego. Człon proporcjonalny (inaczej: bezinercyjny, wzmacniający) to człon, który na wyjściu daje sygnał y(t) proporcjonalny do sygnału wejściowego x(t). Na rysunku 2 został przedstawiony przykład członu proporcjonalnego oraz jego transmitancja. Współczynnik wzmocnienia k członu jest równy stosunkowi chwilowych wartości sygnału wyjściowego do wejściowego. Rys.1.10 Równanie członu proporcjonalnego. Rys. 1.11. Przykład realizacji członu proporcjonalnego. Charakterystyka Bode go dla skoku jednostkowego jest stała w czasie a jej wartość kształtuje się na poziomie L = 20 log(k). Przesunięcie fazowe jest stałe w całej szerokości pasma. Wynosi on zazwyczaj 0 dla współczynnika k dodatniego oraz 180 dla k mniejszego od zera. 2.1.2. Człon całkujący. Człon całkujący (idealny) to człon, który na wyjściu daje sygnał y(t) proporcjonalny do całki sygnału wejściowego x(t). Na poniższym rysunku został przedstawiony przykład idealnego członu całkującego oraz jego transmitancja. str. 7
Rys.1.12. Idealny człon całkujący oraz jego transmitancja. Rys. 1.13. Przykład realizacji układu członu całkującego oraz jego transmitancja. Człon inercyjny I rzędu często też zwany rzeczywistym członem całkującym jest opisany równaniem: Rys. 1.14. Człon całkujący oraz jego transmitancja. Jest to człon złożony z dwóch podstawowych członów: inercyjnego oraz całkującego idealnego. Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa członu inercyjnego stanowią krzywe mające początek w punkcie. Dla częstotliwości w pasmie przepustowym charakterystyki można aproksymować funkcją stałą o wartości. Po przekroczeniu częstotliwości granicznej krzywa zaczyna opadać z prędkością. Logarytmiczna charakterystyka fazowa ma kształt krzywej tangensoidalnej. Dal częstotliwości granicznej przesuniecie fazy wynosi -45. Wykres charakterystyki fazowej członu inercyjnego pierwszego rzędu nie zależy od współczynnika wzmocnienia k. Przykład charakterystyk częstotliwościowych członu inercyjnego I rzędu wraz z przykładowym schematem zastępczym przedstawiona na rysunku 7. Jest on filtrem dolnoprzepustowym. str. 8
2.1.3. Człon różniczkujący. Rys. 1.15. Przykładowe charakterystyki członu całkującego. Człon różniczkujący to człon, który na wyjściu daje sygnał y(t) proporcjonalny do pochodnej sygnału wejściowego x(t). Na slajdzie został przedstawiony przykład członu różniczkującego oraz jego transmitancja. Rys. 1.16. Człon różniczkujący idealny oraz jego transmitancja. Złożenie członu inercyjnego oraz różniczkującego idealnego powoduje powstanie członu rzeczywistego o transmitancji przedstawionej na rysunku 17. Rys. 1.17. Rzeczywisty człon różniczkujący oraz jego transmitancja. Przykład charakterystyk częstotliwościowych rzeczywistego członu różniczkującego wraz z przykładowym schematem zastępczym przedstawiony został na rysunku 10. Jest on filtrem górnoprzepustowym. str. 9
Rys. 1.18. Przykładowe charakterystyki członu różniczkującego. str. 10
2.2. Wzmacniacze mocy. Pierwszy wzmacniacz mocy malej częstotliwości powstał prawie 75 lat temu. Skonstruował go Lee De Foresta i było on oparty na lampie elektronowej. Era wzmacniaczy lampowych trwała przez ponad 40 lat. Następnym etapem było wykorzystanie do budowy wzmacniaczy elektroakustycznych elementów półprzewodnikowych. Jednakże zdarzają się obecnie konstrukcje oparte o lampy. Cechują się one niezwykłymi parametrami oraz konserwatywną budową. Wzmacniacze mocy są to wzmacniające układy elektroniczne, które dostarczają do obciążenia wymaganej dużej mocy wyjściowej przy małych zniekształceniach sygnału i możliwie dużej sprawności. W układach tego typu moc nie jest głównym kryterium. Podstawowym kryterium dla projektantów wzmacniaczy mocy jest uzyskanie małych zniekształceń w zakładanym paśmie częstotliwości oraz możliwie dużej sprawności oraz przede wszystkim dobre wykorzystanie możliwości granicznych elementów układów jak chodzi o moc, napięcie, czy natężenie prądu. W ćwiczeniu będziemy zajmować się wzmacniaczem małej częstotliwości wzmacniaczem akustycznym. Wzmacniacze m.cz. są urządzeniami wzmacniającymi sygnały elektryczne o częstotliwości akustycznej, zazwyczaj w zakresie 30Hz - 15kHz. W urządzeniach pomiarowych, regulacyjnych i akustycznych wymagane jest, aby wzmacniacz mocy pracował bez zniekształceń nieliniowych. Oznacza to że element wzmacniający musi pracować w obszarze prostoliniowej części charakterystyki. Każde wymagania powodują pewne ograniczenia a mianowicie paca wzmacniacza w obszarze prostoliniowej części charakterystyki powoduje ograniczenie mocy i sprawności wzmacniacza. Rys.1.19. Budowa wzmacniacza mocy. Wzmacniacz mocy składa się zazwyczaj z kilku stopni. W trakcie pracy wzmacniacza mocy małej częstotliwości sygnał wejściowy podawany jest na wejście wzmacniacza napięciowego (małej częstotliwości) z którego poprzez stopień sterujący jest odprowadzany do stopnia wyjściowego. Następnie sygnał podawany jest na odbiornik np. głośnik oraz poprzez pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego na wejście wzmacniacza napięciowego. Dzięki sprzężeniu zwrotnemu uzyskuje się stabilizacje punktów pracy tranzystorów a co za tym idzie minimalizację zniekształceń nieliniowych. Wzmacniacz akustyczny który jest przedmiotem badań w ćwiczeniu tak jak wzmacniacz mocy m.cz. składa się z kilku standardowych stopni: stopnia wstępnego, zwanego przedwzmacniaczem, który jest sterowany przez źródło sygnału, stopni pośrednich, sterowanych przez poprzedni stopień wzmocnienia; wzmacniacze te są zazwyczaj o jednakowym rozwiązaniu i są wzajemnie dopasowane, stopnia końcowego lub inaczej stopnia mocy, dostarczającego sygnały o dużym poziomie do urządzenia wyjściowego, np. głośnika. W akustycznych wzmacniaczach mocy poszczególne stopnie wzmocnienia mogą być sprzężone między sobą lub źródłem: bezpośrednio - we wzmacniaczach małej częstotliwości sprzężenie to jest rzadko stosowane ze względu na brak separacji poszczególnych stopni. pojemnościowo - sprzężenie pojemnościowe jest stosowane bardzo często we wzmacniaczach małej częstotliwości przede wszystkim ze względu na prostotę i bardzo niski koszt. transformatorowo jest ono stosowane przede wszystkim we wzmacniaczach małej częstotliwości dla sygnałów o małych amplitudach. Jest ono stosowane przede wszystkim do dopasowania impedancji wejściowej i wyjściowej oraz symetryzacji sygnałów. Wadą sprzężenia jest wysoki koszt transformatorów, ciężar i pogorszenie charakterystyki częstotliwościowej. 2.2.1. Klasa wzmacniacza W zależności od położenia punktu pracy tranzystorów wzmacniacze mocy dzieli się na klasy A, B, AB, C, T oraz pewne modyfikacje grup podstawowych AA, D, G, H: str. 11
Klasa A wzmacniacza mocy. Sygnał wejściowy podawany na dany stopień wzmacniający powoduje, że przez element aktywny tego wzmacniacza płynie prąd przez cały okres T sygnału sterującego bez względu na to czy podawany jest sygnał czy nie. Sprawność dla wzmacniaczy pracujących w klasie A wynosi max 50% i występują wszędzie tam gdzie poprzez tranzystory lub lampy stopnia końcowego zawsze płynie stosunkowo duży prąd. Klasa B wzmacniacza mocy: Sygnał wejściowy podawany na dany stopień wzmacniający powoduje, że element aktywny tego wzmacniacza przewodzi prąd tylko przez połowę okresu T trwania sygnału sterującego. Polaryzacja układu dobrana jest tak aby tranzystory w stanie spoczynku nie przewodziły prądu. Dzięki temu nie grzeją się a sprawność wynosi ok.78,5%. Najważniejszym problemem w tej klasie wzmacniaczy są zniekształcenia skrośne co powoduje że jako wzmacniacze akustyczne HI-FI raczej się nie nadają. Spotyka się je w zastosowaniach estradowych gdzie liczy się sprawność i moc. Klasa AB wzmacniacza mocy: Sygnał wejściowy podawany na dany stopień wzmacniający powoduje, że element aktywny tego wzmacniacza przewodzi prąd przez czas krótszy niż jeden okres T trwania sygnału sterującego, ale dłuższy niż pół okresu. Klasa AB charakteryzuje się sprawnością rzędu 50-70% z małymi zniekształceniami. We wzmacniaczach klasy AB w czasie spoczynku przepływa niewielki prąd co powoduje że przy słabych sygnałach wzmacniacz pracuje w klasie A a przy dużych w klasie B. W zależności od wartości prądu spoczynkowego mówi się o płytszej lub głębszej klasie AB. Czym większy prąd tym mniejsza sprawność ale i mniejsze zniekształcenia. Klasa C wzmacniacza mocy: Sygnał wejściowy podawany na dany stopień wzmacniający powoduje, że element aktywny tego wzmacniacza przewodzi prąd przez czas krótszy niż pół okresu T trwania sygnału sterującego. W klasie tej wykorzystuje się całą szerokość charakterystyki, także ta nieliniową. Wzmacniacze takie dają duża moc, lecz o bardzo dużych zniekształceniach. Małe sygnały praktycznie nie są wzmacniane. Wykorzystuje się je jedynie w układach generujących proste sygnały do celów np. alarmowych. Klasa T wzmacniacza mocy: Wzmacniacz klasy T jest procesorem sygnałowym sterującym wyjściowymi tranzystorami w sposób wyznaczony przez sygnał wejściowy i sygnał sprzężenia zwrotnego. Współczynnik zniekształceń nieliniowych poniżej 0,08%,sprawność wynosi w granicy 70-90% tym samym klasa T łączy ze sobą zalety klas A, AB, D. Klasa AA wzmacniacza mocy: Są to połączone wzmacniacze A i B, czyli dobrej jakości wzmacniacz malej mocy pracujący w klasie A oraz drugi pracujący w klasie B o dużej mocy. Oba wzmacniacze połączone są specjalnym mostkiem który w zależności od poziomu sygnału płynie załącza jeden wzmacniacz albo drugi. Wzmacniacze takie charakteryzują się niskimi zniekształceniami nieliniowymi i bardzo małymi przesunięciami fazowymi. Klasa D wzmacniacza mocy: Klasę tą charakteryzuje specyficzny wręcz impulsowy sposób sterowania tranzystorami przy wykorzystaniu odpowiednio dużej częstotliwości. Jest on albo całkowicie otwarty albo zamknięty. Jest to typowy wzmacniacz do pracy ze sprzętem akustycznym. Wykorzystuje się tutaj fakt iż głośniki dynamiczne mają pewną bezwładność a pole w cewce głośnika nie zanika w chwili przejścia tranzystorów w stan wyłączenia. Po zastosowaniu specjalnego filtru LC uzyskuje się niezniekształcony sygnał. Sprawność takiego wzmacniacza jest bardzo wysoka i wynosi 90-95%. Klasa G wzmacniacza mocy: Jest to wzmacniacz klasy AB o dwóch napięciach zasilania. Rozwiązanie to powstało w wyniku szukania oszczędności energii i lepszej sprawności wzmacniaczy. Idea pracy stopnia końcowego polega na zmniejszaniu zasilania przy małych sygnałach. Przy większych poborach mocy płynnie zwiększane jest napięcie zasilania. Wzmacniacze w tej klasie niczym nie różnią się od klasy AB poza pewną oszczędnością energii. Klasa H wzmacniacza mocy: Wzmacniacze klasy H są rozwinięciem klasy G i sa stosowane najczęściej w samochodowych układach audio. Podczas normalnej pracy wzmacniacz pracuje w klasie AB. Gdy jest zapotrzebowanie na chwilową znacznie większą moc, napięcie jest zwiększane za pomocą tak zwanego ładunku pomp. Jest to układ zawierający dodatkowe wzmacniacze i baterie kondensatorów. Można powiedzieć, że wzmacniacz sam wytwarza w szczytach wysterowania wyższe napięcie umożliwiające uzyskanie znacznie większej mocy. Warto zauważyć zę napięcie zasilające zwiększane jest w takt sygnału tylko w tym kanale i tylko wtedy gdy jest to konieczne. 2.2.2. Parametry wzmacniacza mocy. Wielkościami charakteryzującymi wzmacniacze małej częstotliwości są: wzmocnienie mocy, str. 12
moc wyjściowa P0 [ W ], wzmocnienie napięciowe Au [ db ], współczynnik zawartości harmonicznych (zniekształcenia nieliniowe) h [%], zniekształcenia częstotliwościowe ( liniowe ), impedancja wejściowa i wyjściowa, pasmo przenoszenia BW [ Hz ], sprawność energetyczna h0 [ % ], napięcie szumów na wyjściu [ mv ], spoczynkowy prąd zasilania ICCQ [ ma ]. Wzmocnieniem mocy wzmacniacza nazywa się iloraz mocy wydzielonej w jego obwodzie wejściowej do mocy dostarczonej przez źródło sygnału do obwodu wejściowego wzmacniacza. Moc wyjściowa jest to moc, którą wzmacniacz może wydzielić na znamionowej impedancji obciążenia przy danej częstotliwości lub w danym paśmie częstotliwości bez przekroczenia określonego współczynnika zniekształceń nieliniowych w przeciągu 10 minut. Moc wzmacniaczy audio wykorzystywanych w domach jest rzędu 10-200W. Parametr ten jest bardzo względny i zależy od warunków pomiarów. Najczęściej stosowaną normą pomiaru jest norma DIN określająca moc wyjściową ciągłą mierzoną przez 10 minut i oddawaną przez wzmacniacz na danym obciążeniu przy częstotliwości pomiaru 1kHz i osiągniętych zniekształceniach na poziomie 1% (próg przesterowania). Przy pomiarze dla pełnego pasma przenoszenia (20-20000Hz) i mniejszych zniekształceniach np. 0.05% podawana moc wzmacniacza będzie mniejsza. Zdarza się że producenci podają moc muzyczną przy silnym przesterowaniu wzmacniacza (zniekształcenia 10%) i moc ta jest ok. 50% nawet do 85% większa od znamionowej (dla normy DIN). Zdarzają się przypadki że producent podaje moc impulsową mierzoną na małym obciążeniu (typ. 2omy) która to jest większa od znamionowej o ponad 100%. Wzmocnieniem napięciowym wzmacniacza jednostopniowego nazywa się liczbę określającą, ile razy napięcie wyjściowe jest większe od napięcia wejściowego. Zniekształcenia nieliniowe polegają na powstawaniu sygnału o częstotliwościach harmonicznych i kombinowanych. Sygnał na wyjściu urządzenia zawiera dodatkowe składowe, których nie było w sygnale wejściowym. Zniekształcenia nieliniowe wzmacniacza akustycznego, jeśli nie przekraczają 10%, są praktycznie niezauważalne przez słuchającego. Zniekształcenia liniowe możemy podzielić na zniekształcenia tłumione (częstotliwościowe) które są wywołane nierównomiernym wzmocnieniem napięcia w funkcji częstotliwości oraz na zniekształcenia fazowe powstałe w wyniku niewłaściwych przesunięć kątów fazowych napięcia i prądu w funkcji częstotliwości. Pasmo przenoszenia zgodnie z normą PN-74/T-06251/07 dla wzmacniaczy Hi-Fi minimalne pasmo przenoszenia powinno wynosić 40Hz - 16kHz. Impedancja wejściowa wzmacniacza jest to impedancja, jaką przedstawia sobą wejście wzmacniacza dla znamionowych warunków pracy. Impedancja wyjściowa decyduje o wartości impedancji obciążenia, która może być dołączona przy określonej sprawności wzmacniacza.. Sprawność energetyczna jest bardzo ważnym kryterium oceny jakości wzmacniacza mocy którą definiuje się jako procentowy stosunek mocy użytecznej wzmacniacza do mocy dostarczonej. str. 13
3. Wyznaczanie charakterystyk amplitudowych i fazowych filtrów. Schemat poglądowy stanowiska laboratoryjnego do wyznaczenia charakterystyk amplitudowych i fazowych filtrów. Rys. 2.1. Schemat poglądowy stanowiska laboratoryjnego wersja z przyrządami autonomicznymi. W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzą następujące komponenty; Komputer PC wyposażony w kartę interfejsu IEC-625 oraz opcjonalnie w kartę dźwiękową. Generator funkcji Agilent 33120A Multimetr Agilent 34401A Licznik serii HP 53131A Zestaw filtrów. Oscyloskop serii HP-54600 (element dodatkowy) Ćwiczenie zostało wykonane w dwóch wersjach sprzętowych jedna przedstawiona powyżej wykorzystująca przyrządy autonomiczne podłączone do komputera z a pośrednictwem interfejsu pomiarowego. Poniżej przedstawiona została wersja z wykorzystaniem karty DAQ oraz karty dźwiękowej jako generatora sygnałów. Rys. 2.2. Schemat poglądowy stanowiska laboratoryjnego wersja z kartą DAQ. Przebieg ćwiczenia dla obu wersji jest taki sam z tym ze wersja z DAQ posiada 4 filtry które użytkownik może wybrać z poziomu wirtualnego przyrządu pomiarowego. Wersja z przyrządami autonomicznymi także umożliwia wybór filtru jeżeli jest on podłączony w systemie pomiarowym za pośrednictwem matrycy łączeniowej. W przeciwnym wypadku do dyspozycji jest jedynie filtr przyłączony przez obsługę stanowiska pomiarowego. Program badań: Wyznaczenie charakterystyki przejściowej, str. 14
Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych, Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych współczynnika tłumienna filtru, Identyfikacja modelu, Wyznaczanie przesunięcia fazowego za pośrednictwem oscylogramu Y-T lub XY, Wirtualny przyrząd pomiarowy umożliwiający ręczne przeprowadzenie badań wybranego filtru, Badanie filtru sygnałami testowymi. Rys. 2.3. Wirtualny przyrząd pomiarowy do badania filtrów. 3.1. Wyznaczanie charakterystyki przejściowej. Wykorzystując wirtualny przyrząd pomiarowy przedstawiony na rysunku 2.4 należy wyznaczyć charakterystykę przejściową (inaczej zwaną dynamiczną) układu przedstawiającą zmianę napięcia wyjściowego U o wzmacniacza w funkcji zmian napięcia na jego wejściach U o = f(u i ). Pomiary przeprowadzić dla napięcia stałego podawanego na wejście układu. str. 15
Rys.2.4. Wyznaczanie charakterystyki przejściowej. str. 16
3.2. Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych. Wykorzystując wirtualny przyrząd pomiarowy przedstawiony na rysunku 2.5 należy wyznaczyć charakterystyki częstotliwościowe (amplitudowe i fazowe) badanego filtru. Wykorzystując kursory należy wyznaczyć pasmo przenoszenia mieszczące się w granicach 0 db oraz -3 db. Rys.2.5. Pomiar charakterystyk częstotliwościowych. str. 17
3.3. Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych współczynnika tłumienna filtru. Wykorzystując wirtualny przyrząd pomiarowy przedstawiony na rysunku 2.6 należy wyznaczyć współczynnik tłumienia filtru. Rys.2.6. Pomiar współczynnika tłumienia filtru. str. 18
3.4. Wyznaczanie przesunięcia fazowego za pośrednictwem oscylogramu Y-T lub XY. Wykorzystując wirtualny przyrząd pomiarowy przedstawiony na rysunku 2.8 i 2.10 należy zdjąć charakterystykę filtra 1 metodą oscylogramu XY oraz filtra 3 metodą oscylogramu XT. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów należy wykreślić charakterystykę Nyquista. Określenie przesunięcia fazowego na podstawie oscylogramu XY (krzywe Lissajous). Rys.2.7. Sposób wyznaczania kąta przesunięcia fazowego z krzywej Lissajous. Rys. 2.8. Określenie przesunięcia fazowego na podstawie oscylogramu XY. Określenie przesunięcia fazowego na podstawie oscylogramu XT. str. 19
Rys. 2.9.. Określenie przesunięcia fazowego na podstawie oscylogramu XY. Wartość przesunięcia fazowego oblicza się ze wzoru: 3.5. Identyfikacja modelu. Rys.2.10. Określenie przesunięcia fazowego na podstawie oscylogramu XY. Wykorzystując wirtualny przyrząd pomiarowy przedstawiony na rysunku 2.11 należy przeprowadzić identyfikację modelu filtru. Na podstawie otrzymanych wyników określić rodzaj filtru. str. 20
2.11. WPP służący do identyfikacji modelu. Na podstawie wyznaczonej transmitancji przeprowadzić symulację układu w Matlabie. Należy obliczyć następujące charakterystyki: Logarytmiczną charakterystykę amplitudowo-fazową (wykresy Bodego) Charakterystykę amplitudowo-fazową przedstawioną na płaszczyźnie zespolonej (wykres Nyquista) Otrzymane wyniki symulacji należy porównać z wynikami otrzymanymi w drodze prowadzonych badań układu. str. 21
3.6. Badanie filtru sygnałami testowymi. Wykorzystując wirtualny przyrząd pomiarowy przedstawiony na rysunku 2.11 należy zaobserwować odpowiedź układu na sygnały testowe. Filtry zostały zaprojektowane na pasma mieszczące się w paśmie akustycznym. Dostępne w programie sygnały testowe są sygnałami dźwiękowymi. Rys.2.12. Sygnały testowe. Na podstawie otrzymanego modelu należy przetestować odpowiedź układu na sygnały testowe otrzymaną w programie Matlab z odpowiedziami z układu rzeczywistego. str. 22
4. Badanie wzmacniacza akustycznego. Schemat poglądowy stanowiska laboratoryjnego do pomiaru podstawowych parametrów wzmacniacza mocy. Rys.3.1.. Schemat poglądowy stanowiska laboratoryjnego. W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzą następujące komponenty; Komputer PC wyposażony w kartę interfejsu IEC-625 oraz opcjonalnie w kartę dźwiękową. Generator sygnałowy Tektronix AFG5101 Oscyloskop cyfrowy Tektronix OSC2224 Multimetr cyfrowy Tektronix DM5120 Akustyczny wzmacniacz mocy. Obciążenie zastępcze mierzonego wzmacniacza. Przystawki pomiarowe ułatwiające podłączenia i przełączenia. Program badań: Wyznaczenie charakterystyki przejściowej Wyznaczenie charakterystyki częstotliwościowej w funkcji wzmocnienia Wyznaczenie charakterystyki częstotliwościowej w zależności od ustawienia filtracji tonów niskich Wyznaczenie charakterystyki częstotliwościowej w zależności od ustawienia filtracji tonów wysokich Wyznaczenie charakterystyki częstotliwościowej w zależności od użytych filtrów contur I i contur II Pomiar podstawowych parametrów akustycznego wzmacniacza mocy. Pasmo przenoszenia (ograniczone do zakresu 10 Hz 100 khz). Moc znamionowa. Pomiary wykonywane są dla wartości 100W 4Ω. Współczynnik THD+N. Stosunek SNR. Dynamika. Czułość. Pomiary przeprowadzane są w zakresie 0.1 V do 1 V. Współczynnik tłumienia. Pomiar przesłuchu pomiędzy kanałami. str. 23
Rys.3.2. Wirtualny przyrząd pomiarowy do badania wzmacniacza akustycznego. str. 24
4.1. Pomiar charakterystyki przejściowej wzmacniacza akustycznego. Wykorzystując wirtualny przyrząd pomiarowy przedstawiony na rysunku 3.3 należy wyznaczyć charakterystykę przejściową (inaczej zwaną dynamiczną) układu przedstawiającą zmianę napięcia wyjściowego U o wzmacniacza w funkcji zmian napięcia na jego wejściach U o = f(u i ). Pomiary przeprowadzić dla napięcia stałego podawanego na wejście układu. Rys.3.3. Pomiar charakterystyki przejściowej wzmacniacza akustycznego. str. 25
4.2. Charakterystyka częstotliwościowa w funkcji wzmocnienia. Wykorzystując wirtualny przyrząd pomiarowy przedstawiony na rysunku 3.4 należy wyznaczyć charakterystykę częstotliwościową wzmacniacza w funkcji wzmocnienia. Pomiary przeprowadzić dla 3 wartości wzmocnienia. Zmierzone charakterystyki przedstawić na wspólnym wykresie. Rys.3.4.Charakterystyka częstotliwościowa w funkcji wzmocnienia. str. 26
4.3. Charakterystyka częstotliwościowa w zależności od ustawienia filtracji tonów niskich. Wykorzystując wirtualny przyrząd pomiarowy przedstawiony na rysunku 3.5 należy wyznaczyć charakterystykę częstotliwościową w zależności od ustawienia filtracji tonów niskich. Pomiary przeprowadzić dla 3 położeń pokrętła tonów niskich. Zmierzone charakterystyki przedstawić na wspólnym wykresie. Rys.3.5. Charakterystyka częstotliwościowa w zależności od ustawienia filtracji tonów niskich. str. 27
4.4. Charakterystyka częstotliwościowa w zależności od ustawienia filtracji tonów wysokich. Wykorzystując wirtualny przyrząd pomiarowy przedstawiony na rysunku 3.5 należy wyznaczyć charakterystykę częstotliwościową w zależności od ustawienia filtracji tonów wysokich. Pomiary przeprowadzić dla 3 położeń pokrętła tonów wysokich. Zmierzone charakterystyki przedstawić na wspólnym wykresie. Rys.3.6. Charakterystyka częstotliwościowa w zależności od ustawienia filtracji tonów wysokich. str. 28
4.5. Charakterystyka częstotliwościowa w zależności od użytych filtrów contur. Wykorzystując wirtualny przyrząd pomiarowy przedstawiony na rysunku 3.5 należy wyznaczyć charakterystykę częstotliwościową w zależności od użytych filtrów contur. Pomiary przeprowadzić dla 2 położeń pokrętła wzmocnienia i dla włączonego filtra Contour I i ContourII. Zmierzone charakterystyki przedstawić na wspólnym wykresie. Rys.3.7. Charakterystyka częstotliwościowa w zależności od użytych filtrów contur. str. 29
4.6. Pomiar podstawowych parametrów akustycznego wzmacniacza mocy. Wykorzystując dostępne przyrządy pomiarowe oraz wirtualny przyrząd pomiarowy należy wyznaczyć podstawowe parametry wzmacniacza: Pasmo przenoszenia (ograniczone do zakresu 10 Hz 100 khz) Moc znamionowa. Pomiary wykonywane są dla wartości 100W - 4Ω Współczynnik THD+N. Stosunek S/N. Dynamika. Czułość. Pomiary przeprowadzane są w zakresie 0.1 V do 1 V Współczynnik tłumienia. str. 30