Filtr pasmowozaporowy do pomiaru zawartości harmonicznych

106 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2010 NOTATNIK KONSTRUKTORA Współczynnik zawartości harmo- nicznych wzmacniaczy Hi?Fi jest mały (np. 0,2%), więc przy jego pomiarze źródło wzorcowego, sinusoidalnego sygnału wej- ściowego wzmacniacza musi mieć znacz- nie niższy poziom zniekształceń. Dlatego zestaw pomiarowy powinien umożliwiać zmierzenie THD rzędu co najmniej set- nych części procentu. Oscyloskopy cyfrowe zazwyczaj są wy- posażone w  funkcję wyświetlającą spek- trum przebiegu, ale dla uzyskania zadawa- lających dokładności przy tak niewielkich zniekształceniach trzeba raczej korzystać z innego relatywnie drogiego sprzętu. Jed- nak, gdy potrzeba pomiaru zniekształceń zdarza się rzadko, można posłużyć się opi- sanym niżej filtrem, tanim i nieskompliko- wanym w realizacji i eksploatacji. W  analogowych zestawach pomiaro- wych współczynnika zniekształceń nie- liniowych stosuje się filtry pasmowoza- porowe usuwające z  badanego przebiegu składową o  częstotliwości podstawowej, natomiast przenoszące praktycznie bez tłu- mienia składowe harmoniczne. W praktyce wystarcza sprawdzanie zniekształceń tyl- ko przy wybranych częstotliwościach np. 40 Hz, 1 kHz i 5 kHz. W wielu przypadkach nie ma możliwości dostrajania badanego sy- gnału do częstotliwości rezonansowej filtru, a więc częstotliwość ta musi być zmieniana przynajmniej w niewielkim przedziale. W literaturze proponuje się do wytłu- mienia składowej o  częstotliwości pod- stawowej zastosowanie mostka Wiena w  konwencjonalnym układzie lub czwór- Filtr pasmowozaporowy do pomiaru zawartości harmonicznych Zniekształcenia nieliniowe są jednym z  głównych parametrów charakteryzujących jakość sprzętu elektronicznego przeznaczonego do pracy w  paśmie częstotliwości akustycznych, np. wzmacniaczy. Profesjonalne przyrządy do pomiaru zniekształceń są bardzo drogie. Zazwyczaj umożliwiają pomiar współczynnika zniekształceń nieliniowych THD albo sprawdzenie zawartość harmonicznych za pomocą analizy spektralnej badanego przebiegu. W  artykule zaprezentowano tani filtr, który użyty z  odpowiednim generatorem może być głównym członem prostego zestawu do pomiaru współczynnika zniekształceń nieliniowych. nika podwójne T. Jednak strojenie tych układów jest kłopotliwe, a nawet w przy- padku czwórnika T szczególnie trudne. W  zwykłym mostku Wiena częstotliwość filtru trzeba zmieniać równocześnie dwo- ma rezystorami, a w czwórniku podwójne T każda zmiana wartości elementu R lub C wpływa na częstotliwość filtru i  jego tłumienie. Tymczasem dla łatwego prze- prowadzania pomiaru istotne jest, aby regulacje częstotliwości i  tłumienia były niezależne. Wyróżnianie wymienionych układów RC można uznać za niefortunne, gdyż ist- nieje kilka innych mostkowych lub sześcio- elementowych (np. ulepszony przesuw- nik fazowy opisany w EP 4/08 na str. 89), w  których jest możliwa zmiana częstotli- wości przez zmianę wartości tylko jednej rezystancji, bez wpływu na tłumienie. Układy te mają na ogół ograniczony zakres przestrajania (np. w  stosunku 1:4), gdyż przy szerszej zmianie częstotliwości po- garszają się ich właściwości. Jednak w tym przypadku znakomicie spełniają wszystkie wymagania filtru. Jednym z  takich ukła- dów jest odmiana mostka Wiena przed- stawiona na rysunku 1. Mostek Wiena jest uzupełniony dodatkowym rezystorem pR, którym można zmieniać jego częstotliwość rezonansową. W części selektywnej most- ka, rezystory i  pojemności są jednakowe, a wtedy dla uzyskania równowagi mostka (tzn. Uwy =0) przy częstotliwości rezonan- sowej oraz zachowaniu tej równowagi pod- czas przestrajania, także dzielnik napię- cia mostka powinien składać się z  trzech rezystorów o  jednakowej rezystancji r. Po wstawieniu do mostka rezystora pR, trzy rezystory R, pR i  tR są połączone w  trój- kąt, przy czym t=r/R. Działanie takiego układu może być wyjaśnione przez zastą- pienie go równoważnym układem gwiaz- dy. Zilustrowano to na rysunku 2. Zmia- na wartości jednej rezystancji w  układzie trójkąta jest równoważna zmianie trzech rezystancji w układzie gwiazdy: R1 =R12 R13 / (R12 +R13 +R23 ), R2 =R12 R23 /(R12 +R13 +R23 ), R3 =R23 R13 /(R12 +R13 +R23 ). Z  podanych wzorów wynika, że stosunek rezystancji R2 /R3 =R12 /R13 jest stały i  nie zależy od rezystancji R23 . W  zastępczym układzie gwiazdy otrzymujemy zamiast rezystancji R i r odpowiednio rezystancje pR/(1+p+t) i  ptR/(1+p+t). Wraz ze zmianą rezystan- cji w  części selektywnej mostka zmienia się więc także częstotliwość rezonansowa Rysunek 1. Rezystancją pR dodatkowego rezystora wstawionego do mostka Wiena zmienia się częstotliwość rezonansową Rysunek 2. Rezystory połączone w trójkąt i równoważny układ gwiazda 107ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2010 Filtr pasmowozaporowy do pomiaru zawartości harmonicznych układu są połączone wspólnym węzłem, a więc sygnał wyjściowy nie jest odbierany z  przekątnej mostka. Sprzężenie zwrotne (ok. 75% napięcia wyjściowego) potrzebne do powiększenia dobroci wprowadza się za pośrednictwem wzmacniacza operacyjnego pracującego jako wtórnik. Rezystory R7 i R8 tworzące dzielnik napięcia mogłyby być częścią rezystora R2 filtru. W ten sposób da się zaoszczędzić jeden wzmacniacz opera- cyjny, ale w bilansie takie rozwiązanie nie jest korzystne. Dobranie elementów most- ka jest bardzo ułatwione, gdyż nie tylko C1=C2, R1=R2, ale także R3=R4=R5. Przy selekcji jednakowych wartości rezystancji i 0,99. Dlatego rezystancja pR powinna być złożona z części stałej ok. 100 kV i zmien- nej ok. 50 kV. Filtr mostkowy z  rys.  1 może usunąć praktycznie całkowicie składową częstotli- wości podstawowej, ale ma zbyt małą do- broć Q (ok. 0,3) i wytłumia znacznie także składowe częstotliwości harmoniczne. Dla poprawnego przenoszenia tych składowych dobroć filtru powinna być o rząd większa. Na rysunku 3 przedstawiono aktywny filtr pasmowo-zaporowy z mostkiem Wiena we- dług rysunku  1. Wzmacniacz operacyjny umożliwia nie tylko powiększenie dobroci filtru, ale także sprawia, że wejście i wyjście układu, ale stosunek rezystancji t=r/R po- zostaje stały i  równowaga mostka jest za- chowana. Spadek napięcia na trzecim rezy- storze układu gwiazdy zmniejsza napięcie wejściowe mostka i ma wpływ na właści- wości układu. Dla zminimalizowania tego wpływu należy przyjmować r<