Messung des Koeffizienten der nichtlinearen Verzerrung. Gesamte harmonische Verzerrung (THD) Gesamte harmonische Verzerrung 3 Leistung

des Eingangssignals, zur Effektivsumme der Spektralkomponenten des Eingangssignals, manchmal wird ein nicht standardisiertes Synonym verwendet - klarer Faktor(aus dem Deutschen entlehnt). SOI ist eine dimensionslose Größe, die normalerweise als Prozentsatz ausgedrückt wird. Zusätzlich zum SOI kann der Grad der nichtlinearen Verzerrung durch ausgedrückt werden harmonischer Verzerrungsfaktor.

Harmonische Verzerrung- ein Wert, der den Grad der nichtlinearen Verzerrung des Geräts (Verstärker usw.) ausdrückt, gleich dem Verhältnis der Effektivspannung der Summe der höheren Harmonischen des Signals, mit Ausnahme der ersten, zur Spannung des erste Harmonische, wenn am Eingang des Geräts ein sinusförmiges Signal anliegt.

Der harmonische Koeffizient wird wie der THD in Prozent ausgedrückt. Harmonischer Koeffizient ( KG) hängt mit SOI zusammen ( K N) Verhältnis:

Messungen

• Im Niederfrequenzbereich (LF) (bis 100–200 kHz) werden zur Messung des SOI nichtlineare Verzerrungsmessgeräte (Harmonische Koeffizientenmessgeräte) eingesetzt.
• Bei höheren Frequenzen (MF, HF) werden indirekte Messungen mittels Spektrumanalysatoren oder selektiven Voltmetern durchgeführt.

Typische THD-Werte

• 0 % – die Wellenform ist eine perfekte Sinuswelle.
• 3 % – die Wellenform ist nicht sinusförmig, aber die Verzerrung ist für das Auge nicht wahrnehmbar.
• 5 % – die Abweichung der Wellenform von der Sinuskurve ist im Oszillogramm mit bloßem Auge erkennbar.
• 10 % - Standardniveau Verzerrung, bei der die Wirkleistung (RMS) UMZCH berücksichtigt wird.
• 21 % – zum Beispiel ein trapezförmiges oder stufenförmiges Signal.
• 43 % – zum Beispiel ein Rechtecksignal.

siehe auch

Literatur

• Handbuch elektronischer Geräte: In 2 Tonnen; Ed. D. P. Linde - M.: Energie,
• Gorokhov P.K. Wörterbuch in der Funkelektronik. Grundbegriffe- M: Rus. lang.,

Links

• HAUPTELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN DES SCHALLÜBERTRAGUNGSKANALS

Wikimedia-Stiftung. 2010 .

Sehen Sie, was „“ in anderen Wörterbüchern ist:

THD- THD Ein Parameter, der es ermöglicht, den Einfluss von Harmonischen und Kombinationskomponenten auf die Signalqualität zu berücksichtigen. Numerisch definiert als das Verhältnis der Leistung einer nichtlinearen Verzerrung zur Leistung eines unverzerrten Signals, normalerweise ausgedrückt als Prozentsatz. [L.M. Newdjajew ...

THD- 3,9 Gesamtverzerrungsverhältnis des Effektivwerts der im Eingangssignal nicht vorhandenen Spektralkomponenten des Ausgangssignals eines akustischen Kalibrators zum Effektivwert ... ...

THD- netiesinių iškreipių faktorius statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. nichtlinearer Verzerrungsfaktor vok. Klirrfaktor, m rus. Koeffizient der nichtlinearen Verzerrung, m pranc. Taux de Distortion Harmonique, m … Fizikos terminų žodynas

THD des USV-Eingangsstroms Zeigt Abweichungen der Wellenform des USV-Eingangsstroms von einer Sinuswellenform an. Je größer der Wert dieses Parameters ist, desto schlechter ist es für Geräte, die an dasselbe Stromnetz und das Stromnetz selbst angeschlossen sind. In diesem Fall verschlechtert es sich ... ... Handbuch für technische Übersetzer

THD der USV-Ausgangsspannung. Charakterisiert die Abweichung der Ausgangsspannungsform von einer Sinuskurve, die üblicherweise für Linearmotoren (manche Typen) angegeben wird Leuchten) und nichtlineare Last. Je höher der Wert, desto schlechter die Qualität... ... Handbuch für technische Übersetzer

Gesamtverzerrung des Verstärkers- - [L. G. Sumenko. Englisch-Russisches Wörterbuch der Informationstechnologien. M.: GP TsNIIS, 2003.] Themen Informationstechnologie im Allgemeinen EN-Verstärker-Klirrfaktor … Handbuch für technische Übersetzer

Lautsprecher-THD- 89. Der Koeffizient der nichtlinearen Verzerrung des Lautsprechers Der Koeffizient der nichtlinearen Verzerrung Ndp. Harmonische Verzerrung Die in Prozent ausgedrückte Quadratwurzel des Verhältnisses der Summe der Quadrate der Effektivwerte der von ... ... emittierten Spektralkomponenten. Wörterbuch-Nachschlagewerk mit Begriffen der normativen und technischen Dokumentation

Nichtlinearer Verzerrungsfaktor des Laryngofons- 94. Der Koeffizient der nichtlinearen Verzerrung des Laryngophons. Der Wert der Quadratwurzel, ausgedrückt als Prozentsatz, des Verhältnisses der Summe der Quadrate der Effektivwerte der Harmonischen der elektromotorischen Kraft, die von der entwickelt werden Laryngophon während der harmonischen Luftbewegung, um ... ... Wörterbuch-Nachschlagewerk mit Begriffen der normativen und technischen Dokumentation

zulässiger Koeffizient nichtlinearer Verzerrungen- - [L. G. Sumenko. Englisch-Russisches Wörterbuch der Informationstechnologien. M.: GP TsNIIS, 2003.] Themen Informationstechnologie im Allgemeinen EN harmonische Toleranz ... Handbuch für technische Übersetzer

- (Harmonischer Koeffizientenmesser) ein Gerät zur Messung des nichtlinearen Verzerrungskoeffizienten (harmonischer Koeffizient) von Signalen in funktechnischen Geräten. Inhalt ... Wikipedia

Bei der Verstärkung elektrischer Signale können nichtlineare Frequenz- und Phasenverzerrungen auftreten.

Nichtlineare Verzerrung stellen eine Änderung der Form der Kurve verstärkter Schwingungen dar, die durch die nichtlinearen Eigenschaften des Stromkreises verursacht wird, den diese Schwingungen durchlaufen.

Der Hauptgrund für das Auftreten nichtlinearer Verzerrungen im Verstärker ist die Nichtlinearität der Eigenschaften der Verstärkerelemente sowie der Magnetisierungseigenschaften von Transformatoren oder Kerndrosseln.

Das Auftreten von Wellenformverzerrungen, die durch die Nichtlinearität der Eingangseigenschaften des Transistors verursacht werden, ist in der Grafik in Abb. 1 dargestellt. Angenommen, am Eingang des Verstärkers liegt ein sinusförmiges Testsignal an. Wenn man zum nichtlinearen Abschnitt der Eingangskennlinie des Transistors gelangt, verursacht dieses Signal Änderungen im Eingangsstrom, deren Form sich von der Sinusform unterscheidet. In diesem Zusammenhang ändern der Ausgangsstrom und damit die Ausgangsspannung ihre Form im Vergleich zum Eingangssignal.

Je größer die Nichtlinearität des Verstärkers ist, desto stärker verzerrt er die am Eingang anliegende Sinusspannung. Es ist bekannt (Theorem von Fourier), dass jede nicht-sinusförmige periodische Kurve durch die Summe harmonischer Schwingungen und höherer Harmonischer dargestellt werden kann. Aufgrund nichtlinearer Verzerrungen treten daher am Verstärkerausgang höhere Harmonische auf, d.h. völlig neue Schwingungen, die nicht am Eingang waren.

Der Grad der nichtlinearen Verzerrung des Verstärkers wird üblicherweise anhand des Wertes geschätzt Koeffizient der nichtlinearen Verzerrung(harmonischer Koeffizient)

Wo
- die Summe der elektrischen Leistungen, die der Last durch Oberschwingungen zugewiesen werden, die infolge der nichtlinearen Verstärkung entstanden sind; - elektrische Energie erste Harmonische.

In Fällen, in denen der Lastwiderstand für alle harmonischen Komponenten des verstärkten Signals den gleichen Wert hat, wird der harmonische Koeffizient durch die Formel bestimmt

,

Wo -
usw. - Effektiv- oder Spitzenwerte des ersten, zweiten, dritten usw. Stromharmonische am Ausgang;
usw. Effektiv- oder Spitzenwerte der Ausgangsspannungsharmonischen.

Der harmonische Koeffizient wird normalerweise als Prozentsatz ausgedrückt, also als der durch die Formeln ermittelte Wert
sollte mit 100 multipliziert werden. Der Gesamtbetrag der nichtlinearen Verzerrung, die am Ausgang des Verstärkers auftritt und von den einzelnen Stufen dieses Verstärkers erzeugt wird, wird durch die Näherungsformel bestimmt:

Wo -
nichtlineare Verzerrung, die durch jede Stufe des Verstärkers verursacht wird.

Der zulässige Wert des harmonischen Koeffizienten hängt vollständig vom Verwendungszweck des Verstärkers ab. Bei Verstärkern von Steuer- und Messgeräten der zulässige Wert des harmonischen Koeffizienten
beträgt Zehntel Prozent.

Frequenz genannt Verzerrung , aufgrund der Änderung des Verstärkungswertes bei verschiedenen Frequenzen. Der Grund für die Frequenzverzerrung ist das Vorhandensein reaktiver Elemente im Stromkreis – Kondensatoren, Induktivitäten, Zwischenelektrodenkapazitäten von Verstärkungselementen, Montagekapazität usw.

Für ein Beispiel in Abb. 2 zeigt die Amplituden-Frequenz-Charakteristik des ULF.

Reis. 2. Amplitudenfrequenz 3. Phasenantwort

ULF-Charakteristik. Verstärker.

Bei der Konstruktion der Amplituden-Frequenz-Kennlinien ist es bequemer, die Frequenz entlang der Abszissenachse nicht linear, sondern logarithmisch darzustellen. Tatsächlich wird für jede Frequenz der Wert entlang der Achse aufgetragen lgF , und der Häufigkeitswert ist vorzeichenbehaftet.

Der Grad der Verzerrung bei einzelnen Frequenzen wird ausgedrückt Frequenzverzerrungsfaktor M, gleich dem Verhältnis der Verstärkung bei einer bestimmten Frequenz

Typischerweise treten die größten Frequenzverzerrungen an den Grenzen des Frequenzbereichs auf F n und F V. Die Koeffizienten der Frequenzverzerrung betragen in diesem Fall

,

Wo ZU N Und ZU c – jeweils die Verstärkungen bei den unteren und oberen Frequenzen des Bereichs.

Für Niederfrequenzverstärker ist der ideale Frequenzgang eine horizontale Gerade (Linie AB in Abb. 2).

Wo ZUN Und ZUV- jeweils die Verstärkungen bei den unteren und oberen Frequenzen des Bereichs. Aus der Definition des Frequenzverzerrungsfaktors folgt Folgendes: if M> 1, dann weist der Frequenzgang im Bereich dieser Frequenz eine Blockade auf, und wenn M < 1, - то подъем. Для усилителя низкой частоты идеальной частотной характеристикой является горизонтальная прямая (линия АВ на рис. 12.5).

Der Frequenzverzerrungskoeffizient eines mehrstufigen Verstärkers ist gleich dem Produkt der Frequenzverzerrungskoeffizienten der einzelnen Stufen

M = M1 M 2 M 3 . ..MN.

Daher können Frequenzverzerrungen, die in einer Stufe des Verstärkers auftreten, in einer anderen kompensiert werden, sodass der gesamte Frequenzverzerrungsfaktor den angegebenen Wert nicht überschreitet. Der Frequenzverzerrungsfaktor sowie die Verstärkung werden praktischerweise in Dezibel ausgedrückt:

M DB = 20lg M.

Im Falle eines mehrstufigen Verstärkers

M DB = M 1 dB + M 2 dB + M3 DB +…+ MN DB

Der zulässige Wert der Frequenzverzerrung hängt vom Einsatzzweck des Verstärkers ab. Bei Instrumentenverstärkern beispielsweise wird die akzeptable Verzerrung durch die erforderliche Messgenauigkeit bestimmt und kann Zehntel oder sogar Hundertstel Dezibel betragen.

Es ist zu beachten, dass Frequenzverzerrungen im Verstärker immer mit dem Auftreten einer Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen einhergehen, d.h. Phasenverzerrung. In diesem Fall bedeuten Phasenverzerrungen normalerweise nur Verschiebungen, die durch die reaktiven Elemente des Verstärkers erzeugt werden, und die Phasendrehung durch das verstärkende Element selbst wird nicht berücksichtigt.

Phasenverzerrung, Die vom Verstärker eingeführten Spannungen werden anhand seiner Phasen-Frequenz-Kennlinie geschätzt, die ein Diagramm der Abhängigkeit des Phasenverschiebungswinkels φ zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung des Verstärkers von der Frequenz in Abb. 1 ist. 3. Es gibt keine Phasenverzerrung im Verstärker, wenn die Phasenverschiebung linear zur Frequenz ist. Die ideale Phasen-Frequenz-Kennlinie ist eine gerade Linie, die im Ursprung beginnt – der gepunkteten Linie in Abb. 3. Die Phasen-Frequenz-Kennlinie eines realen Verstärkers hat die in Abb. gezeigte Form. 3. durchgezogene Linie.

Nichtlinearer Verzerrungsfaktor (THD)​

Irina Aldoshina

Alle elektroakustischen Wandler (Lautsprecher, Mikrofone, Telefone etc.) sowie Übertragungskanäle führen eigene Verzerrungen in das übertragene Audiosignal ein, das heißt, das wahrgenommene Audiosignal ist immer nicht identisch mit dem Original. Die Ideologie der Schaffung von Tongeräten, die in den 60er Jahren als High-Fidelity, „hohe Wiedergabetreue“ für Live-Sound, bezeichnet wurde, hat ihr Ziel weitgehend nicht erreicht. In diesen Jahren Verzerrungsniveaus Tonsignal in der Anlage immer noch sehr hoch, und es schien, dass es ausreichte, sie zu senken – und der durch die Anlage wiedergegebene Ton wäre praktisch nicht vom Original zu unterscheiden.

Doch trotz der Fortschritte in Design und Technologie, die zu einer deutlichen Reduzierung aller Arten von Verzerrungen in Audiogeräten geführt haben, ist es immer noch nicht schwierig, natürlichen Klang von reproduziertem Klang zu unterscheiden. Deshalb wird derzeit in verschiedenen Ländern in Forschungsinstituten, Universitäten und produzierenden Unternehmen gearbeitet großes Volumen Derzeit wird daran gearbeitet, die auditive Wahrnehmung und die subjektive Beurteilung zu untersuchen verschiedene Sorten Verzerrung. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studien werden zahlreiche wissenschaftliche Artikel und Berichte veröffentlicht. Fast alle AES-Kongresse präsentieren Vorträge zu diesem Thema. In diesem Artikel werden einige moderne Ergebnisse der letzten zwei bis drei Jahre zu den Problemen der subjektiven Wahrnehmung und Bewertung nichtlinearer Verzerrungen eines Audiosignals in Audiogeräten vorgestellt.

Bei der Aufnahme, Übertragung und Wiedergabe von Musik- und Sprachsignalen durch Audiogeräte kommt es zu Verzerrungen der zeitlichen Struktur des Signals, die in lineare und nichtlineare unterteilt werden können.

Lineare Verzerrung verändern die Amplituden- und Phasenbeziehungen zwischen den verfügbaren Spektralkomponenten des Eingangssignals und verzerren dadurch dessen zeitliche Struktur. Solche Verzerrungen werden subjektiv als Verzerrungen der Signalklangfarbe wahrgenommen, weshalb den Problemen ihrer Reduzierung und subjektiven Einschätzungen ihres Pegels von Fachleuten während der gesamten Entwicklungszeit der Tontechnik große Aufmerksamkeit geschenkt wurde.

Die Anforderung an das Fehlen einer linearen Signalverzerrung in Audiogeräten kann wie folgt formuliert werden:

Y(t) = K x(t - T), wobei x(t) das Eingangssignal und y(t) das Ausgangssignal ist.

Diese Bedingung erlaubt nur eine Änderung des Signals in der Skala mit einem Koeffizienten K und dessen zeitliche Verschiebung um den Betrag T. Sie definiert einen linearen Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangssignal und führt zu der Forderung, dass die Übertragungsfunktion H(ω) , worunter das frequenzabhängige Verhältnis komplexer Amplituden des Signals am Ausgang und am Eingang des Systems unter harmonischen Einflüssen verstanden wird, war im Absolutwert konstant und wies eine lineare Abhängigkeit des Arguments (also der Phase) auf Häufigkeit | H(ω) | \u003d K, φ (ω) \u003d -T ω. Da die Funktion 20·lg | H(ω) | wird als Amplituden-Frequenz-Charakteristik des Systems (AFC) bezeichnet, und φ(ω) ist die Phasen-Frequenz-Charakteristik (PFC), wodurch in Mikrofonen ein konstantes Niveau des Frequenzgangs im reproduzierbaren Frequenzbereich gewährleistet wird (wodurch dessen Ungleichmäßigkeit verringert wird). akustische Systeme usw. ist die Hauptvoraussetzung für die Verbesserung ihrer Qualität. Methoden zu ihrer Messung sind in allen internationalen Normen, beispielsweise IEC268-5, enthalten. Ein Beispiel für den Frequenzgang eines modernen Marantz-Steuergeräts mit einer Ungleichmäßigkeit von 2 dB ist in Abbildung 1 dargestellt.

Frequenzgang des Marantz-Referenzmonitors

Es ist anzumerken, dass diese Reduzierung des Frequenzgangs einen enormen Fortschritt im Audiodesign darstellt (z. B. hatten die auf der Brüsseler Ausstellung 1956 vorgestellten Referenzmonitore eine Flachheit von 15 dB), der durch den Einsatz neuer Technologien, Materialien und Designs ermöglicht wurde Methoden.

Die Auswirkung eines ungleichmäßigen Frequenzgangs (und PFC) auf die subjektiv wahrgenommene Verzerrung der Klangfarbe wurde ausreichend detailliert untersucht. Wir werden versuchen, die wichtigsten Ergebnisse in Zukunft zu überprüfen.

Nichtlineare Verzerrung zeichnen sich durch das Auftreten neuer Komponenten im Signalspektrum aus, die im Originalsignal fehlen und deren Anzahl und Amplitude von der Änderung des Eingangspegels abhängen. Das Auftreten zusätzlicher Komponenten im Spektrum ist auf die nichtlineare Abhängigkeit des Ausgangssignals vom Eingang zurückzuführen, also auf die Nichtlinearität der Übertragungsfunktion. Beispiele für eine solche Abhängigkeit sind in Abbildung 2 dargestellt.

Verschiedene Arten nichtlinearer Übertragungsfunktionen in Hardware

Nichtlinearität kann durch Design und technologische Merkmale elektroakustischer Wandler verursacht werden.

Bei elektrodynamischen Lautsprechern (Abbildung 3) sind die Hauptursachen beispielsweise:

Aufbau eines elektrodynamischen Lautsprechers

Nichtlineare elastische Eigenschaften der Aufhängung und der Zentrierscheibe (ein Beispiel für die Abhängigkeit der Flexibilität der Aufhängungen im Lautsprecher vom Wert der Verschiebung der Schwingspule ist in Abbildung 4 dargestellt);

Federungsflexibilität im Vergleich zur Schwingspulenverschiebung

Nichtlineare Abhängigkeit der Schwingspulenverschiebung von der Größe der angelegten Spannung aufgrund der Wechselwirkung der Spule mit dem Magnetfeld und aufgrund thermischer Prozesse in den Lautsprechern;
- nichtlineare Schwingungen der Membran mit einem großen Wert der wirkenden Kraft;
- Vibrationen der Körperwände;
- Doppler-Effekt bei der Interaktion verschiedener Emitter im akustischen System.
Nichtlineare Verzerrungen treten in fast allen Elementen des Audiopfads auf: Mikrofone, Verstärker, Frequenzweichen, Effektprozessoren usw.
Der in Abbildung 2 dargestellte Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen (z. B. zwischen angelegter Spannung und Schalldruck bei einem Lautsprecher) kann als Polynom angenähert werden:
y(t) = h1 x(t) + h2 x2(t) + h3 x3(t) + h4 x4(t) + … (1).
Wenn ein harmonisches Signal auf ein solches nichtlineares System angewendet wird, d. h. x(t) = A sin ωt, dann enthält das Ausgangssignal Komponenten mit den Frequenzen ω, 2ω, 3ω, ..., nω usw. Wenn wir beispielsweise Beschränken wir uns auf nur einen quadratischen Term, dann werden zweite Harmonische auftreten, da
y(t) = h1 A sin ωt + h2 (A sin ωt)² = h1 A sin ωt + 0,5 h2 A² sin 2ωt + const.
Bei realen Wandlern können beim Anlegen eines harmonischen Signals Harmonische zweiter, dritter und höherer Ordnung sowie Subharmonische (1/n) ω (Abbildung 5) auftreten.

Um diese Art von Verzerrung zu messen, ist die Messung des Pegels zusätzlicher Harmonischer im Ausgangssignal (normalerweise nur der zweiten und dritten) die am weitesten verbreitete Methode.
Gemäß internationalen und nationalen Standards wird der Frequenzgang der zweiten und dritten Harmonischen in reflexionsarmen Kammern aufgezeichnet und der harmonische Verzerrungskoeffizient der n-Ordnung gemessen:
KГn = pfn / pср 100 %
Dabei ist pfn der RMS-Wert des Schalldrucks, der der n-harmonischen Komponente entspricht. Es berechnet die gesamte harmonische Verzerrung:
Kg \u003d (KG2² + KG3² +KG4² +KG5² + ...) 1/2
Beispielsweise sollte gemäß den Anforderungen der IEC 581-7 für Hi-Fi-Lautsprecher der Gesamtklirrfaktor im Frequenzbereich von 250 ... 1000 Hz 2 % und im Bereich über 2000 Hz 1 % nicht überschreiten . Beispiel für THD für einen 300-mm-Tieftöner (12 Zoll) im Vergleich zur Frequenz für verschiedene Werte Die Eingangsspannung variiert zwischen 10 und 32 V und ist in Abbildung 6 dargestellt.

THD im Verhältnis zur Frequenz für verschiedene Eingangsspannungen

Es ist zu beachten, dass das Hörsystem äußerst empfindlich auf das Vorhandensein nichtlinearer Verzerrungen in akustischen Wandlern reagiert. Die „Wahrnehmbarkeit“ harmonischer Komponenten hängt von ihrer Reihenfolge ab, insbesondere reagiert das Gehör am empfindlichsten auf ungerade Komponenten. Bei wiederholtem Hören verstärkt sich die Wahrnehmung nichtlinearer Verzerrungen, insbesondere beim Hören einzelner Musikinstrumente. Der Frequenzbereich der maximalen Hörempfindlichkeit gegenüber dieser Art von Verzerrungen liegt im Bereich von 1 bis 2 kHz, wobei die Empfindlichkeitsschwelle bei 1 bis 2 % liegt.
Eine solche Methode zur Schätzung der Nichtlinearität ermöglicht jedoch nicht die Berücksichtigung aller Arten nichtlinearer Produkte, die bei der Umwandlung eines realen Audiosignals entstehen. Daher kann es vorkommen, dass ein Lautsprechersystem mit 10 % THD aufgrund des Einflusses höherer Harmonischer subjektiv als besser in der Klangqualität beurteilt werden kann als ein System mit 1 % THD.
Daher wird ständig nach anderen Möglichkeiten gesucht, nichtlineare Verzerrungen und deren Korrelation mit subjektiven Bewertungen zu bewerten. Dies ist besonders wichtig in der heutigen Zeit, in der die Pegel nichtlinearer Verzerrungen erheblich zurückgegangen sind. Um sie weiter zu reduzieren, ist es seit der Reduzierung nichtlinearer Verzerrungen in Geräten erforderlich, die tatsächlichen Hörschwellen zu kennen erfordert erhebliche wirtschaftliche Kosten.
Neben der Messung harmonischer Komponenten werden in der Praxis des Entwurfs und der Bewertung elektroakustischer Geräte auch Methoden zur Messung von Intermodulationsverzerrungen eingesetzt. Die Messtechnik wird in GOST 16122-88 und IEC 268-5 vorgestellt und basiert darauf, zwei sinusförmige Signale mit den Frequenzen f1 und f2, wobei f1, zum Sender zu bringen< 1/8·f2 (при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f2 ± (n - 1)·f1, где n = 2, 3.
Der gesamte Iist in diesem Fall definiert als:
Kim = (ΣnKimn²)1/2
wo kim=/pcp.
Die Ursache der Intermodulationsverzerrung ist der nichtlineare Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Eingangssignal, also die nichtlineare Übertragungscharakteristik. Wenn am Eingang eines solchen Systems zwei harmonische Signale angelegt werden, dann enthält das Ausgangssignal Harmonische höherer Ordnung und Summendifferenztöne unterschiedlicher Ordnung.
Die Form des Ausgangssignals unter Berücksichtigung von Nichtlinearitäten höherer Ordnung ist in Abbildung 5 dargestellt.

Harmonische Verzerrungsprodukte in Lautsprechern

Die Eigenschaften des Inüber der Frequenz für einen Niederfrequenzlautsprecher mit Schwingspulen unterschiedlicher Länge sind in Abbildung 7 dargestellt (a – für eine längere Spule, b – für eine kürzere).

I(IMD) über der Frequenz für einen Lautsprecher mit langer (a) und kurzer (b) Spule

Wie oben erwähnt, werden in Übereinstimmung mit internationalen Standards nur die Koeffizienten der Intermodulationsverzerrung zweiter und dritter Ordnung in den Geräten gemessen. Intekönnen aussagekräftiger sein als harmonische Messungen, da sie ein empfindlicheres Kriterium für Nichtlinearität darstellen. Allerdings konnte, wie die durchgeführten Experimente im Werk von R. Gedds (Bericht auf dem 115. AES-Kongress in New York) zeigten, kein eindeutiger Zusammenhang zwischen den subjektiven Beurteilungen der Qualität akustischer Wandler und dem Grad der Intermodulation hergestellt werden Verzerrung – die Streuung der erhaltenen Ergebnisse ist zu groß (wie aus Abbildung 8 ersichtlich).

Der Zusammenhang subjektiver Einschätzungen mit dem Wert des Intermod(IMD)

Als neues Kriterium zur Beurteilung nichtlinearer Verzerrungen in elektroakustischen Geräten wurde eine Mehrtonmethode vorgeschlagen, deren Geschichte und Anwendungsmethoden in den Arbeiten von A. G. Voishvillo et al. ausführlich untersucht wurden (es gibt Artikel in JAES und Berichte auf AES-Kongressen). In diesem Fall ist das Eingangssignal ein Satz von Harmonischen vom 2. bis zum 20. mit einer willkürlichen Amplitudenverteilung und einer logarithmischen Frequenzverteilung im Bereich von 1 bis 10 kHz. Die harmonische Phasenverteilung ist optimiert, um den Crest-Faktor eines Mehrtonsignals zu minimieren. Die Gesamtansicht des Eingangssignals und seine zeitliche Struktur sind in den Abbildungen 9a und 9b dargestellt.

Spektrale (a) und zeitliche (b) Ansicht eines Multitonsignals

Im Ausgangssignal werden harmonische und Intermodulationsverzerrungen aller Ordnungen unterschieden. Ein Beispiel für eine solche Verzerrung für einen Lautsprecher ist in Abbildung 10 dargestellt.

Häufige Produkte nichtlinearer Verzerrung beim Anlegen eines Mehrtonsignals

Ein Mehrtonsignal ist in seiner Struktur viel näher an echten Musik- und Sprachsignalen, ermöglicht die Auswahl viel unterschiedlicherer Produkte nichtlinearer Verzerrungen (hauptsächlich Intermodulation) und korreliert besser mit subjektiven Einschätzungen der Klangqualität akustischer Systeme. Mit einer Zunahme der Anzahl der Komponentenharmonischen diese Methode ermöglicht es Ihnen, mehr zu bekommen genaue Information, aber dies erhöht den Rechenaufwand. Die Anwendung dieser Methode erfordert weitere Forschung, insbesondere die Entwicklung von Kriterien und zulässige Normen zu den ausgewählten Produkten nichtlinearer Verzerrungen unter dem Gesichtspunkt ihrer subjektiven Einschätzung.
Andere Methoden wie die Voltaire-Reihe werden ebenfalls zur Bewertung nichtlinearer Verzerrungen in akustischen Wandlern verwendet.
Allerdings liefern sie nicht alle einen klaren Zusammenhang zwischen der Beurteilung der Klangqualität von Wandlern (Mikrofone, Lautsprecher, akustische Systeme usw.) und dem Grad der nichtlinearen Verzerrungen in ihnen, gemessen mit einer der bekannten objektiven Methoden . Daher ist das neue psychoakustische Kriterium, das im Bericht von R. Gedds auf dem letzten AES-Kongress vorgeschlagen wurde, von großem Interesse. Er ging von der Überlegung aus, dass jeder Parameter in objektiven Einheiten oder in subjektiven Kriterien bewertet werden kann, beispielsweise kann die Temperatur in Grad oder in Empfindungen gemessen werden: kalt, warm, heiß. Die Lautstärke des Tons kann anhand des Schalldruckpegels in dB oder in subjektiven Einheiten abgeschätzt werden: Hintergrund, Schlaf. Die Suche nach ähnlichen Kriterien für nichtlineare Verzerrungen war das Ziel seiner Arbeit.
Wie aus der Psychoakustik bekannt ist, Hörgerät ist ein grundsätzlich nichtlineares System und seine Nichtlinearität manifestiert sich sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Signalpegeln. Die Gründe für die Nichtlinearität sind hydrodynamische Prozesse in der Cochlea sowie eine nichtlineare Signalkompression aufgrund eines speziellen Mechanismus der Verlängerung der äußeren Haarzellen. Dies führt dazu, dass beim Hören harmonischer oder totaler harmonischer Signale subjektive Harmonische und Kombinationstöne auftreten, deren Pegel 15 ... 20 % des Eingangssignalpegels erreichen kann. Daher ist die Analyse der Wahrnehmung der Produkte nichtlinearer Verzerrungen, die in elektroakustischen Wandlern und Übertragungskanälen in einem so komplexen nichtlinearen System wie einem Hörgerät erzeugt werden, ein ernstes Problem.
Eine weitere grundsätzlich wichtige Eigenschaft des Hörsystems ist der Maskierungseffekt, der darin besteht, die Hörschwellen eines Signals bei Vorhandensein eines anderen zu verändern (Masker). Diese Eigenschaft des Hörsystems wird häufig genutzt moderne Systeme Kompression fundierte Informationen wenn es über verschiedene Kanäle übertragen wird (MPEG-Standards). Die Fortschritte bei der Reduzierung der übertragenen Informationsmenge durch Komprimierung unter Ausnutzung der Eigenschaften der auditorischen Maskierung legen nahe, dass diese Effekte auch für die Wahrnehmung und Bewertung nichtlinearer Verzerrungen von großer Bedeutung sind.
Aufgrund der etablierten Gesetze der Hörmaskierung können wir Folgendes feststellen:
- Die Maskierung hochfrequenter Komponenten (oberhalb der Frequenz des Signalmaskierers) ist viel stärker als in Richtung niedriger Frequenzen.
- Die Maskierung ist bei den nächstgelegenen Frequenzen stärker ausgeprägt (lokaler Effekt, Abbildung 11);
- Mit zunehmendem Pegel des Maskierungssignals erweitert sich sein Einflussbereich, er wird immer asymmetrischer und verschiebt sich in Richtung hoher Frequenzen.

Daraus lässt sich schließen, dass bei der Analyse nichtlinearer Verzerrungen im Hörsystem folgende Regeln beachtet werden:
- nichtlineare Verzerrungsprodukte oberhalb der Grundfrequenz sind für die Wahrnehmung weniger wichtig (sie werden besser maskiert) als niederfrequente Komponenten;
- Je näher die Produkte nichtlinearer Verzerrungen am Hauptton liegen, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie unsichtbar werden und keinen subjektiven Wert haben.
- Zusätzliche nichtlineare Komponenten, die sich aus der Nichtlinearität ergeben, können für die Wahrnehmung bei niedrigen Signalpegeln viel wichtiger sein als bei hohen. Dies ist in Abbildung 11 dargestellt.

Maskierungseffekte

Tatsächlich erweitert sich mit zunehmendem Pegel des Hauptsignals der Bereich seiner Maskierung und es fallen immer mehr Verzerrungsprodukte (Harmonische, Gesamt- und Differenzverzerrungen usw.) hinein. Bei niedrigen Pegeln ist dieser Bereich begrenzt, sodass Verzerrungsprodukte höherer Ordnung besser hörbar sind.
Bei der Messung nichtlinearer Produkte auf einem reinen Ton erzeugen die Wandler hauptsächlich Harmonische mit einer Frequenz, die höher als das Hauptsignal n f ist. Allerdings können in Lautsprechern auch niedrige Harmonische mit Frequenzen (1/n)·f auftreten. Bei der Messung von Intermodulationsverzerrungen (sowohl mit zwei Signalen als auch mit Mehrtonsignalen) entstehen Ge– sowohl oberhalb als auch unterhalb der Hauptsignale m f1 ± n f2.
Unter Berücksichtigung der aufgeführten Eigenschaften der Hörmaskierung können wir folgende Schlussfolgerungen ziehen: Die Produkte nichtlinearer Verzerrungen höherer Ordnung können hörbarer sein als die Produkte niedrigerer Ordnung. Die Praxis des Lautsprecherdesigns zeigt beispielsweise, dass Obertöne über der Quinte als viel unangenehmer empfunden werden als die Zweite und Terz, selbst wenn ihr Pegel viel niedriger ist als der der ersten beiden Obertöne. Meist wird ihr Auftreten als Klappern wahrgenommen und führt zur Ablehnung von Lautsprechern in der Produktion. Das Auftreten von Subharmonischen bei halben Frequenzen und darunter wird vom Hörsystem auch bei sehr niedrigen Pegeln sofort als Oberton wahrgenommen.
Wenn die Ordnung der Nichtlinearität niedrig ist, können mit einem Anstieg des Eingangssignalpegels zusätzliche Harmonische im Hörsystem maskiert und nicht als Verzerrungen wahrgenommen werden, was durch die Praxis beim Entwurf elektroakustischer Wandler bestätigt wird. Lautsprechersysteme mit einer nichtlinearen Verzerrung von 2 % können von Zuhörern hoch bewertet werden. Gleichzeitig gute Verstärker sollte einen Verzerrungspegel von 0,01 % oder weniger haben, was offenbar darauf zurückzuführen ist Akustische Systeme erzeugen Verzerrungsprodukte niedriger Ordnung, und Verstärker erzeugen Verzerrungsprodukte viel höherer Ordnung.
Die bei niedrigen Signalpegeln auftretenden harmonischen Verzerrungsprodukte können deutlich stärker hörbar sein als bei hohen Pegeln. Diese scheinbar paradoxe Aussage kann auch von praktischer Bedeutung sein, da nichtlineare Verzerrungen in elektroakustischen Wandlern und Pfaden auch bei niedrigen Signalpegeln auftreten können.
Basierend auf den obigen Überlegungen schlug R. Gedds ein neues psychoakustisches Kriterium zur Bewertung nichtlinearer Verzerrungen vor, das folgende Anforderungen erfüllen musste: empfindlicher gegenüber Verzerrungen höherer Ordnung und von größerer Bedeutung für niedrige Level Signal.
Das Problem bestand darin zu zeigen, dass dieses Kriterium besser mit der subjektiven Wahrnehmung nichtlinearer Verzerrungen übereinstimmt als die derzeit akzeptierten Bewertungsmethoden: der harmonische Verzerrungsfaktor und der Ibei Zweiton- oder Mehrtonsignalen.
Zu diesem Zweck wurde eine Reihe subjektiver Untersuchungen durchgeführt, die wie folgt organisiert waren: Vierunddreißig Experten mit getesteter Hörschwelle (Durchschnittsalter 21 Jahre) nahmen an einer großen Versuchsreihe teil, um die Klangqualität von Musikpassagen zu bewerten (z. B. männlicher Gesang mit symphonischer Musik), in die verschiedene Arten nichtlinearer Verzerrungen eingeführt wurden. Dies geschah durch „Faltung“ des zu prüfenden Signals mit den nichtlinearen Übertragungsfunktionen, die den Wandlern innewohnen verschiedene Arten(Lautsprecher, Mikrofone, Stereotelefone usw.).
Zunächst wurden sinusförmige Signale als Reize verwendet, deren „Faltung“ mit verschiedenen Übertragungsfunktionen durchgeführt und der harmonische Verzerrungskoeffizient bestimmt. Dann wurden zwei Sinussignale verwendet und die Intermodberechnet. Abschließend wurde der neu vorgeschlagene Koeffizient Gm direkt aus den angegebenen Übertragungsfunktionen bestimmt. Die Abweichungen erwiesen sich als sehr erheblich: Beispielsweise beträgt der THD für die gleiche Übertragungsfunktion 1 %, Kim 2,1 %, Gm 10,4 %. Dieser Unterschied ist physikalisch erklärbar, da Kim und Gm viel mehr nichtlineare Verzerrungsprodukte höherer Ordnung berücksichtigen.
Hörexperimente wurden an Stereotelefonen mit einem Bereich von 20 Hz ... 16 kHz, Empfindlichkeit 108 dB, max. Schalldruck 122 dB. Die subjektive Bewertung wurde für jedes Musikstück auf einer siebenstufigen Skala vergeben und reichte von „viel besser“ als das Referenzstück (d. h. ein Musikstück „aufgerollt“ mit einer linearen Übertragungsfunktion) bis „viel schlechter“. Durch die statistische Verarbeitung der Ergebnisse der Hörbeurteilung konnte ein recht hoher Korrelationskoeffizient zwischen den Durchschnittswerten der subjektiven Beurteilungen und dem Wert des Gm-Koeffizienten ermittelt werden, der sich als 0,68 herausstellte. Gleichzeitig betrug er für SOI 0,42 und für Kim 0,34 (für diese Versuchsreihe).
Somit stellte sich heraus, dass der Zusammenhang des vorgeschlagenen Kriteriums mit subjektiven Beurteilungen der Klangqualität deutlich höher war als bei anderen Koeffizienten (Abbildung 12).

Zusammenhang zwischen dem Gm-Koeffizienten und subjektiven Einschätzungen

Die experimentellen Ergebnisse zeigten auch, dass ein elektroakustischer Wandler mit einem Gm-Gehalt von weniger als 1 % hinsichtlich der Klangqualität als durchaus zufriedenstellend angesehen werden kann, da nichtlineare Verzerrungen darin praktisch nicht hörbar sind.
Natürlich reichen diese Ergebnisse noch nicht aus, um das vorgeschlagene Kriterium durch die in den Standards verfügbaren Parameter wie den harmonischen Verzerrungskoeffizienten und den Intermodzu ersetzen. Wenn sich die Ergebnisse jedoch in weiteren Experimenten bestätigen, ist dies möglicherweise genau der Fall was wird passieren.
Auch die Suche nach anderen neuen Kriterien wird aktiv fortgesetzt, da die Diskrepanz zwischen bestehenden Parametern (insbesondere dem Klirrfaktor, der nur die ersten beiden Harmonischen bewertet) und der subjektiven Klangqualität immer deutlicher wird, je besser sich die Gesamtqualität der Audiogeräte verbessert.
Offenbar werden weitere Wege zur Lösung dieses Problems in Richtung Schaffen gehen Computermodelle Hörsystem unter Berücksichtigung nichtlinearer Prozesse und Maskierungseffekte darin. Auf diesem Gebiet arbeitet das Institut für Kommunikationsakustik in Deutschland unter der Leitung von D. Blauert, worüber bereits in einem Artikel zum 114. AES-Kongress berichtet wurde. Mithilfe dieser Modelle wird es möglich sein, die Hörbarkeit verschiedener Arten nichtlinearer Verzerrungen in echten Musik- und Sprachsignalen zu bewerten. Die Beurteilung von nichtlinearen Verzerrungen in den Geräten wird jedoch, obwohl sie noch nicht erstellt wurden, mit vereinfachten Methoden erfolgen, die den realen Hörvorgängen möglichst nahe kommen.

Nichtlineare Verzerrungen werden aufgrund der Nichtlinearität der Beziehung zwischen Sekundär- und Primärsignalen als Signalverzerrungen bezeichnet stationärer Modus. Als Ergebnis nichtlinearer trägheitsloser Verzerrungen des Eingangssignals in Sinusform wird ein Ausgangssignal mit komplexer Form erhalten y = y0 + v1x + v2x2 + v3x3 + ... wobei: x - Eingangswert; y0 - konstante Komponente; v1 – lineare Verstärkung; v2, v3 ... - Koeffizienten nichtlinearer Verzerrungen.

In einem System mit nichtlinearer Übertragungscharakteristik entstehen Spektralkomponenten, die nicht am Eingang lagen – die Produkte der Nichtlinearität. Wenn ein Signal mit einer einzelnen Frequenz f1 an den Eingang eines solchen Systems angelegt wird, erscheinen am Ausgang Komponenten mit den Frequenzen f1, 2f1, 3f1 usw. Wird am Eingang ein Signal bestehend aus mehreren Frequenzen f1, f2, f3, ... angelegt, so stehen am Ausgang des Systems zusätzlich zu den harmonischen Komponenten die sogenannten „Kombinationskomponenten“ mit den Frequenzen n1f1 ± n2f2 zur Verfügung Zusätzlich erscheint ± n3f3 ± ..., wobei n=1, 2, 3, ... Bei der Anwendung von Tönen mit einem kontinuierlichen Spektrum erhält man ebenfalls ein kontinuierliches Spektrum, jedoch mit einer veränderten Form der Spektrumhüllkurve.

Es ist üblich, nichtlineare Verzerrungen anhand des Koeffizienten nichtlinearer Verzerrungen zu bewerten, der das Verhältnis der Effektivwerte der Harmonischen zum Effektivwert des gesamten Ausgangssignals darstellt und in Prozent gemessen wird. Dabei sind An die Amplituden der Komponenten mit der Frequenz nf. Die nebenstehende vereinfachte Formel gilt für Fälle, in denen die Verzerrungen gering sind (K<=10%). Различают два типа нелинейности: степенную и нелинейность из-за ограничения амплитуды. Последняя делится на ограничение сверху и ограничение снизу (центральное). При первом виде ограничения искажаются только громкие сигналы, при втором - все сигналы, но более слабые искажаются сильнее, чем громкие. Нелинейность искажения гармонического вида и комбинационных частот ощущается как дребезжание, переходящее в хрипы при значительном искажении на высоких частотах. Нелинейные искажения в виде разностных комбинационных частот вызывают ощущение модуляции передачи. При сужении полосы частот нелинейные искажения становятся менее заметными. Линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между имеющимися спектральными компонентами сигнала и за счет этого искажают его временную структуру. Такие изменения воспринимаются как искажения тембра или «окрашивание» звука.
Bei der Schallübertragung müssen die primären Beziehungen zwischen den Frequenzkomponenten des Schalls erhalten bleiben. In diesem Zusammenhang wird die Qualität eines beliebigen Abschnitts des Audiokanals anhand seiner Amplituden-Frequenz-Charakteristik (abgekürzt Frequenz) geschätzt, die oft mit der Abkürzung AFC bezeichnet wird. Unter dem Frequenzgang versteht man ein Diagramm der Abhängigkeit des Übertragungskoeffizienten von der Frequenz der Signale, die dem Eingang eines bestimmten Kanalabschnitts oder eines separaten Audiogeräts zugeführt werden. Die Verstärkung ist das Verhältnis der Größen der Signale am Eingang des Verstärkers und an seinem Ausgang.
Der Frequenzgang der Übertragungsstrecke (Frequenzabhängigkeit der Verstärkung) verändert das Verhältnis zwischen den Amplituden der Frequenzkomponenten. Dies führt zu einem subjektiven Gefühl der Veränderung der Klangfarbe. Ein Indikator für den Grad der Frequenzverzerrung, die in einem Gerät auftritt, ist die Ungleichmäßigkeit seiner Amplituden-Frequenz-Charakteristik. Ein quantitativer Indikator für eine bestimmte Frequenz des Signalspektrums ist der Frequenzverzerrungskoeffizient.

Nichtlineare Verzerrungen werden durch die Nichtlinearität des Signalverarbeitungs- und Übertragungssystems verursacht. Diese Verzerrungen verursachen Komponenten im Frequenzspektrum des Ausgangssignals, die im Eingangssignal nicht vorhanden sind. Nichtlineare Verzerrungen sind Änderungen in der Form von Schwingungen, die durch einen Stromkreis (z. B. durch einen Verstärker oder Transformator) laufen und durch Unverhältnismäßigkeiten zwischen den momentanen Spannungswerten am Eingang dieses Stromkreises und an seinem Ausgang verursacht werden. Dies tritt auf, wenn die Ausgangsspannungskennlinie nicht linear zur Eingangsspannung ist. Quantitativ werden nichtlineare Verzerrungen durch den Koeffizienten nichtlinearer Verzerrungen oder den harmonischen Koeffizienten geschätzt. Typische THD-Werte: 0 % – Sinus; 3 % – eine nahezu sinusförmige Form; 5 % – eine nahezu sinusförmige Form (Formabweichungen sind bereits für das Auge sichtbar); bis zu 21 % - ein trapezförmiges oder stufenförmiges Signal; 43 % ist ein Rechtecksignal.

Wenn am Eingang des Verstärkers eine sinusförmige Spannung angelegt wird, ist die verstärkte Spannung am Ausgang nicht sinusförmig, sondern komplexer. Es besteht aus einer Reihe einfacher Sinusschwingungen – der Grundschwingung und den höheren Harmonischen. Somit fügt der Verstärker zusätzliche Harmonische hinzu, die am Eingang des Verstärkers nicht vorhanden waren.

Abb.2 – Nichtlineare Verzerrungen

Abbildung 2 zeigt die sinusförmige Spannung am Eingang des Verstärkers Uin und die verzerrte nicht-sinusförmige Spannung am Ausgang Uout. In diesem Fall führt der Verstärker die zweite Harmonische ein. Im Uout-Spannungsdiagramm zeigt die gestrichelte Linie die nützliche erste Harmonische (Grundschwingung), die die gleiche Frequenz wie die Eingangsspannung hat, und die schädliche zweite Harmonische mit der doppelten Frequenz. Die Ausgangsspannung ist die Summe dieser beiden Harmonischen.
Verzerrungen in Form verstärkter Schwingungen, d.h. Das Hinzufügen überschüssiger Harmonischer zur Grundwellenform wird als nichtlineare Verzerrung bezeichnet. Sie äußern sich darin, dass der Ton heiser und rasselnd wird. Zur Beurteilung der nichtlinearen Verzerrung wird der Koeffizient der nichtlinearen Verzerrung kH verwendet, der angibt, wie viel Prozent aller unnötigen Harmonischen vom Verstärker selbst im Verhältnis zur Grundschwingung 1 erzeugt werden
Wenn kn weniger als 5 % beträgt, d. h. wenn die vom Verstärker hinzugefügten Harmonischen nicht mehr als 5 % der ersten Harmonischen ausmachen, nimmt das Ohr die Verzerrung nicht wahr. Bereits bei einem nichtlinearen Klirrfaktor von mehr als 10 % trüben Heiserkeit und Rasseln den Eindruck künstlerischer Übertragungen. Über 20 % kH sind Verzerrungen nicht akzeptabel und sogar Sprache wird unverständlich.
Nichtlineare Verzerrungen treten auch auf, wenn Schwingungen komplexer Form bei der Übertragung von Sprache und Musik verstärkt werden. In diesem Fall wird auch die Form der verstärkten Schwingungen verzerrt und es kommen zusätzliche Harmonische hinzu. Komplexe Schwingungen bestehen selbst aus Harmonischen, die vom Verstärker korrekt reproduziert werden müssen. Sie sollten nicht mit den zusätzlichen Harmonischen verwechselt werden, die der Verstärker selbst erzeugt. Die Harmonischen der Eingangsspannung sind nützlich, da sie die Klangfarbe des Klangs bestimmen, und die vom Verstärker eingebrachten Harmonischen sind schädlich. Sie erzeugen nichtlineare Verzerrungen.
Die Ursachen für nichtlineare Verzerrungen in Verstärkern sind: die Nichtlinearität der Eigenschaften von Lampen und Transistoren, das Vorhandensein von Steuergitterstrom in Lampen und die magnetische Sättigung der Kerne von Transformatoren oder Niederfrequenzdrosseln. Auch in Lautsprechern, Telefonen, Mikrofonen und Tonabnehmern entstehen erhebliche nichtlineare Verzerrungen.
3. Andere Arten von Verzerrungen. Das Vorhandensein von Blindwiderständen im Verstärkergerät führt zum Auftreten von Phasenverzerrungen. Phasenverschiebungen zwischen verschiedenen Schwingungen am Ausgang des Verstärkers sind nicht die gleichen wie am Eingang. Bei der Wiedergabe von Tönen spielen diese Verzerrungen keine Rolle, da sie vom menschlichen Hörorgan nicht wahrgenommen werden, in manchen Fällen, beispielsweise im Fernsehen, wirken sie sich jedoch schädlich aus.
Jeder Verstärker erzeugt eine Verzerrung des Dynamikbereichs. Es wird komprimiert, d. h. das Verhältnis der stärksten Schwingung zur schwächsten am Ausgang des Verstärkers ist kleiner als am Eingang. Dadurch wird der natürliche Klang zerstört. Um solche Verzerrungen zu reduzieren, wird manchmal ein spezielles Gerät zur Erweiterung des Dynamikbereichs eingeführt, ein sogenannter Expander. Dynamikkompression kommt auch bei elektroakustischen Geräten vor.

Hauptparameter von Verstärkern

Jeder Verstärker zur Verarbeitung biomedizinischer Signale kann als aktiver Quadripol dargestellt werden (Abb. 1.1). An den Eingang des Verstärkers ist eine Signalquelle mit EMF Eux und Innenwiderstand Ri angeschlossen. Im Eingangskreis fließt ein Eingangsstrom Iin, dessen Wert vom Eingangswiderstand des Verstärkers Rin und dem Innenwiderstand der Signalquelle abhängt. Aufgrund des Spannungsabfalls am Innenwiderstand der Signalquelle unterscheidet sich die Eingangsspannung, die tatsächlich vom Verstärker verstärkt wird, von der EMK der Signalquelle:

Abbildung 1.1 – Ersatzschaltbild des Verstärkers

Der Ausgangsstrom des Verstärkers ist der Laststrom Rn. Der Wert dieses Stroms hängt von der Ausgangsspannung ab, die sich aufgrund des Ausgangswiderstands des Verstärkers von der Leerlaufspannung kUin unterscheidet

Um die Eigenschaften des Verstärkers zu bewerten, werden eine Reihe von Parametern eingeführt.
- Spannungs- und Stromverstärkungen

Diese Koeffizienten zeigen, wie oft sich die Spannungs- und Stromwerte am Ausgang im Vergleich zu den Eingangswerten ändern. Der Leistungsgewinn kann gefunden werden als

Jeder Verstärker hat K P >>1, während die Strom- und Spannungsverstärkungen weniger als eins betragen können. Wenn jedoch gleichzeitig K I<1 и K U <1, устройство не может считаться усилителем.
Es ist zu beachten, dass die meisten Verstärkerschaltungen reaktive Elemente (Kapazitäten und Induktivitäten) enthalten, daher ist die Verstärkerverstärkung im Allgemeinen komplex

Dabei bestimmt der Winkel das Ausmaß der Phasenverschiebung des Signals beim Übergang vom Eingang zum Ausgang.
Die Amplituden-Frequenz-Kennlinie (AFC) des Verstärkers bestimmt die Abhängigkeit der Verstärkung von der Frequenz des verstärkten Signals. Eine ungefähre Darstellung des Frequenzgangs des Verstärkers ist in Abb. 1.2 dargestellt. Für die Verstärkung K 0 nehmen Sie den Maximalwert des Koeffizienten bei der sogenannten „durchschnittlichen“ Frequenz. Zwei charakteristische Punkte im Frequenzgang definieren das Konzept der „Bandbreite“ des Verstärkers. Frequenzen, bei denen die Verstärkung um den Faktor 3 (oder um 3 dB) abnimmt, werden Grenzfrequenzen genannt. Auf Abb. 1,2 f 1 ist die untere Grenzfrequenz f H und f 2 ist die obere Grenzfrequenz des Boosts (f B). Unterschied:

F \u003d f B - f N

wird als Bandbreite des Verstärkers bezeichnet und bestimmt den Betriebsfrequenzbereich des Verstärkers.
Im Allgemeinen zeigt der Frequenzgang, wie sich die Amplitude des Ausgangssignals bei konstanter Amplitude des Eingangssignals im Frequenzbereich ändert, wobei davon ausgegangen wird, dass sich die Wellenform nicht ändert. Um die Änderung der Verstärkung bei einer Frequenzänderung abzuschätzen, wird das Konzept der Frequenzverzerrung eingeführt

M H \u003d M B \u003d. Frequenzverzerrungen werden als linear klassifiziert, d. h. deren Auftreten nicht zu einer Verzerrung der Form des Originalsignals führt.
Verstärker können je nach Art des Frequenzgangs in mehrere Klassen eingeteilt werden.
Gleichstromverstärker: f H \u003d 0 Hz, f B \u003d (103 3 - 108 8) Hz;
Audiofrequenzverstärker: f H \u003d 20 Hz, f B \u003d (15 - 20) 10 Hz;
Hochfrequenzverstärker: f H \u003d 20 * 103 Hz, f B \u003d (200 - 300) 103 3 Hz.
Schmalbandige (selektive) Verstärker. Letztere zeichnen sich dadurch aus, dass sie praktisch eine Harmonische des gesamten Signalfrequenzspektrums verstärken und ihr Verhältnis der oberen und unteren Grenzfrequenz beträgt:

Abbildung 1.2- Frequenzgang des Verstärkers

Die Amplitudencharakteristik des Verstärkers spiegelt die Merkmale der Änderung der Größe des Ausgangssignals wider, wenn sich der Eingang ändert. Wie aus Abb. ersichtlich ist. 1.3 Die Ausgangsspannung ist bei fehlender Eingangsspannung ungleich Null (UOUT min). Dies ist auf das interne Rauschen des Verstärkers zurückzuführen, wodurch der Mindestwert der Eingangsspannung, die an den Eingang des Verstärkers angelegt werden kann, begrenzt ist und dessen Empfindlichkeit bestimmt:

Ein deutlicher Anstieg der Eingangsspannung (Punkt 3) führt dazu, dass der Amplitudenverlauf nichtlinear wird und der weitere Anstieg der Ausgangsspannung stoppt (Punkt 5). Dies liegt an der Sättigung der Verstärkerstufen. Es wird ein akzeptabler Wert der Eingangsspannung betrachtet, bei dem die Ausgangsspannung UOUTmax nicht überschreitet, der, wie aus Abb. 1.3 ersichtlich, an der Grenze des linearen Abschnitts der Amplitudenkennlinie liegt. Der Amplitudenverlauf bestimmt den Dynamikbereich des Verstärkers:

Der Einfachheit halber wird der Dynamikbereich manchmal in Dezibel berechnet, wie folgt:

Abbildung 1.3 – Amplitudencharakteristik des Verstärkers

Der harmonische Verzerrungsfaktor (harmonische Verzerrung) eines Verstärkers bestimmt, wie stark die Wellenform einer Sinuswellenform bei der Verstärkung verzerrt wird. Signalverzerrungen führen dazu, dass in seinem Spektrum neben der Grundschwingung (erste Harmonische) auch Harmonische höherer Ordnung auftreten. Auf dieser Grundlage kann der Koeffizient der nichtlinearen Verzerrung wie folgt ermittelt werden:

wobei U i die harmonische Spannung mit der Zahl i>1 ist. Es ist leicht zu erkennen, dass K G = 0 ist, wenn im Ausgangssignal keine höheren Harmonischen vorhanden sind, d. h. ein sinusförmiges Signal vom Eingang zum Ausgang wird unverzerrt übertragen. Die Eingangs- und Ausgangsimpedanz haben einen ziemlich spürbaren Einfluss auf die Leistung des Verstärkers. Bei der Verstärkung wechselnder oder variabler Widerstandssignale finden sich beispielsweise:

Bei Gleichstrom können diese Parameter durch vereinfachte Formeln ermittelt werden

Bei der Bestimmung der Eingangs- und Ausgangswiderstände ist zu berücksichtigen, dass diese aufgrund der reaktiven Elemente der Schaltung in manchen Fällen komplex sein können. In diesem Fall kann es insbesondere im Hochfrequenzbereich zu erheblichen Frequenzverzerrungen des Signals kommen. Zellstärkung: Zellsignalverstärker GSM.

Betrachten Sie die Hauptmerkmale von Verstärkern.

Der Amplitudenverlauf ist die Abhängigkeit der Amplitude der Ausgangsspannung (Strom) von der Amplitude der Eingangsspannung (Strom) (Abb. 9.2). Punkt 1 entspricht der bei Vin=0 gemessenen Rauschspannung, Punkt 2 entspricht der minimalen Eingangsspannung, bei der das Signal am Verstärkerausgang vom Hintergrund des Rauschens unterschieden werden kann. Segment 2–3 ist der Betriebsbereich, in dem die Proportionalität zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung des Verstärkers aufrechterhalten wird. Ab Punkt 3 werden nichtlineare Verzerrungen des Eingangssignals beobachtet. Der Grad der nichtlinearen Verzerrung wird durch den nichtlinearen Koeffizienten geschätzt

Verzerrung (oder Harmonische):

,

Dabei sind U1m, U2m, U3m, Unm die Amplituden der 1. (Grundwelle), 2., 3. bzw. n-ten Harmonischen der Ausgangsspannung.

Wert charakterisiert den Dynamikbereich des Verstärkers.

Reis. 9.2. Amplitudengang des Verstärkers

Die Amplituden-Frequenz-Kennlinie (AFC) eines Verstärkers ist die Abhängigkeit des Verstärkungsmoduls von der Frequenz (Abb. 9.3). Die Frequenzen fn und fв werden als untere und obere Grenzfrequenz sowie deren Differenz bezeichnet

(fн–fв) – Verstärkerbandbreite.

Reis. 9.3. Frequenzgang des Verstärkers

Bei der Verstärkung eines harmonischen Signals mit ausreichend kleiner Amplitude kommt es zu keiner Verzerrung der Form des verstärkten Signals. Bei der Verstärkung eines komplexen Eingangssignals, das mehrere Harmonische enthält, werden diese Harmonischen vom Verstärker nicht gleichmäßig verstärkt, da die Reaktanzen der Schaltung unterschiedlich von der Frequenz abhängen, was zu einer Verzerrung des verstärkten Signals führt.

Solche Verzerrungen werden Frequenzverzerrungen genannt und durch den Frequenzverzerrungsfaktor charakterisiert:

Wobei Kf der Verstärkungsmodul bei einer bestimmten Frequenz ist.

Frequenzverzerrungskoeffizienten

Und sie werden als Verzerrungskoeffizienten bei der unteren bzw. oberen Grenzfrequenz bezeichnet.

Der Frequenzgang kann auch logarithmisch dargestellt werden. In diesem Fall heißt es LACHH (Abb. 9.4), die Verstärkung des Verstärkers wird in Dezibel ausgedrückt und auf der Abszissenachse sind die Frequenzen in einer Dekade (Frequenzintervall zwischen 10f und f) aufgetragen.

Reis. 9.4. Logarithmischer Frequenzgang

Verstärker (LACH)

Als Referenzpunkte werden üblicherweise Frequenzen gewählt, die f=10n entsprechen. Die LAFC-Kurven haben in jedem Frequenzbereich eine bestimmte Steigung. Sie wird in Dezibel pro Dekade gemessen.

Die Phasenfrequenzcharakteristik (PFC) eines Verstärkers ist die Abhängigkeit des Phasenwinkels zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung von der Frequenz. Ein typischer Phasengang ist in Abb. dargestellt. 9.5. Es kann auch im logarithmischen Maßstab aufgetragen werden.

Im Mittelfrequenzbereich sind zusätzliche Phasenverzerrungen minimal. Mit PFC können Sie Phasenverzerrungen bewerten, die in Verstärkern aus den gleichen Gründen wie Frequenzverzerrungen auftreten.

Reis. 9.5. Phasenfrequenzgang (PFC) des Verstärkers

Ein Beispiel für das Auftreten von Phasenverzerrungen ist in Abb. dargestellt. 9.6 zeigt die Verstärkung eines Eingangssignals bestehend aus zwei Harmonischen (gestrichelte Linie), die bei der Verstärkung Phasenverschiebungen erfahren.

Reis. 9.6. Phasenverzerrung im Verstärker

Das Einschwingverhalten eines Verstärkers ist die Abhängigkeit des Ausgangssignals (Strom, Spannung) von der Zeit bei einer abrupten Eingangsaktion (Abb. 9.7). Die Frequenz-, Phasen- und Übergangseigenschaften des Verstärkers stehen in eindeutiger Beziehung zueinander.

Reis. 9.7. Sprungantwort des Verstärkers

Der Hochfrequenzbereich entspricht einem Einschwingverhalten im Bereich kurzer Zeiten, der Bereich niedriger Frequenzen entspricht einem Einschwingverhalten im Bereich langer Zeiten.

Je nach Art der verstärkten Signale gibt es:

o Kontinuierliche Signalverstärker. Dabei werden die Prozesse der Etablierung vernachlässigt. Das Hauptmerkmal ist die Frequenzübertragung.

o Verstärker von Impulssignalen. Das Eingangssignal ändert sich so schnell, dass die Transienten im Verstärker entscheidend für die Bestimmung der Ausgangswellenform sind. Das Hauptmerkmal ist die Impulsübertragungscharakteristik des Verstärkers.

Je nach Verwendungszweck werden die Verstärker unterteilt in:

o Spannungsverstärker,

o Stromverstärker,

o Leistungsverstärker.

Sie alle verstärken die Leistung des Eingangssignals. Allerdings müssen und können die Leistungsverstärker selbst die spezifizierte Leistung mit einem hohen Wirkungsgrad an die Last liefern.

1. Kompilieren Sie Programmfragmente in Mnemocodes und Maschinencodes für die folgenden Operationen: