Zkreslení signálu

TEORIE

Zkreslení (ve starší lit. skresleni) signálu je změna tvaru signálu. Tato změna může být způsobena zpracováním signálu, ale také signálove vedení muže deformovat tento signál. Ve většině aplikací je zkreslení nežádoucí a snažíme se jej minimalizovat, například zavedením záporné zpětné vazby u zesilovačů.

Zkreslení většinou určujeme na zesilovačích, abychom určili jejich kvalitu. Tato zktreslení ovlivnují věrnost zesilovaného signálu. Zkreslení zozdělujeme na lineární nebo nelieární.  

Nelieární:

• harmonické
• intermodulační

Lineární:

• frekvenční
• fázové
• přechodové

Harmonické zkreslení

Je způsobeno nelinearitou voltampérové charakteristiky zesilovacích nebo magnetických prvků elektrického obvodu. K základnímu signálu se přimíchavají další frekvence, které signál ovlivnují. Dnes je toto zkreslení označováno zkratkou THD (anglicky Total harmonic distortion). Velikost zkreslení vyjadřuje tzv. činitel tvarového (harmonického) zkreslení. Výpočet je založen na rozkladu pomocí Fourierovy řady, což je poměr vyšších harmonických k celkovému, popřípadě základnímu, signálu.

\( k_h=\frac{\sqrt{U_2^2+U_3^2+\cdots+U_N^2}}{\sqrt{U_1^2+U_2^2+U_3^2+\cdots+U_N^2}}\cdot100 \;(\%)\)

  

Jestliže U₁²>>U₂²+U₃²+...+U_N², pak:

\(k_h=\frac{\sqrt{U_2^2+U_3^2+\cdots+U_N^2}}{U_1}\cdot100\;(\%)\)

U₁ – napětí základní harmonické
U₂ až U_N – napětí vyšších harmonických

Intermodulační zkreslení

Vzniká v zesilovačích působením alespoň dvou signálů s různou fekvencí na jeho vstupu. V zelisovačích vlivem nelinearity voltampérové charakteristiky elektronických součástek vznikají součtové a rozdílové složky, jako i vyšší harmonické složky, takže možných kombinací složek je mnoho. Tomuto procesu říkáme modulace. Hodnota je vyjádřena činitelem intermodulačního zkreslení. Toto zkreslení je řádově 3 až 4krát rušivější než zkreslení harmonické.

Frekvenční zkreslení

Je způsobeno závislostí napěťového zesilení A_u na frekvenci f vstupního signálu. Bývá znázorněno v amplitudově-frekvenční charaktreristice (tzv. útlumové charakteristiky).

Činitel frekvenčního zkreslení je vyjádřen poměrem zesílení A_f0 při referenčním kmitočtu f₀ ke zesilení A_f při měřeném kmitočtu:

\(k_f=\frac{A_{f_0}}{A_f} \; (-)\)

 

Fázové zkreslení

Definuje se jako fázový rozdíl mezi fází výstupního a vstupního signálu. Činitel fázového zkreslení k_φ je vyjádřen:

\(k_\varphi=\varphi_{výst}-\varphi_{vst} \; (°) \)

 

Přechodové zkreslení

Vzniká v zesilovačích se signálem, který skokově mění napěťovou úroveň (pravoúhlý signál – obdelník). Dochází ke změnám na čelech či týlech impulzu, které jsou většinou způsobené kapacitami nebo indukčnostmi v zesilovači.

 Měření

Zkreslení můžeme měřit několika způsoby:

• poslechem – nejlevnější a nejběžnější metoda
• pomocí osciloskopu – zde můžeme zkreslení vidět a tedy i změřit většinu zkreslení
• pomocí spektrálního analýzátoru – tak můžeme určit především harmonické zkreslení
• zkresloměřem – měření harmonického zkreslení

Měření pomocí osciloskopu

Osciloskop zobrazuje časový průběh napětí. Díky tomu můžeme vidět všechny typy zkreslení. Touto metodou nejsme schopni určit příliš malá zkreslení. Je to způsobeno několika faktory (například nedokonalostí lidského oka, setrvačností obrazu atp.).

Měření pomocí spektrálního analyzátoru

Spektrální analyzátor nám zobrazí celé frekvenční spektrum (některé typy digitálních osciloskopů mají tuto funkci). Na ose x jsou jednotlivé frekvence a na ose y je vynesen napěťový přenos v dB. Je tedy jednoduché určit "čistotu" signálu. Metoda slouží k určení harmonického (tvarového) zkreslení a používá se omezeně, protože spektrální analýzátory jsou velmi drahé.

Měření pomocí zkresloměru

Standardní měření harmonického zkreslení. Zkresloměr se skládá ze tří částí:

1. Vstupní zesilovač
2. Wienův most
3. Zesilovač vyšších harmonických a měřící systém

Vstupní zesilovač (popř. napěťový dělič) upravuje vstupní signál na požadovaný. Wienův most potlačuje vyladěný (základní) kmitočet asi o 80 dB, ostatní kmitočty však propuští dál. Měřením tohoto zbytku a určení poměru k potlačené základní složce se určuje jeho procento zkreslení.

 

Zdroje:

1. http://amapro.cz/datove_zdroje/knihy/vkv/vkv_295.php (9. února 2015)
2. Návod ke zkresloměrům BM224 a BM543

---

Přidal Vojtěch Šotola. Naposledy upravil Vojtěch Šotola dne 2016-08-05 20:29:35.