DE2649264C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung von nichtlinearen Verzerrungen quasilinearer Systeme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Messung von nichtlinearen Verzerrungen quasilinearer Systeme.

In der Nachrichtentechnik spielen lineare Schaltungen und die aus diesen aufgebauten linearen Systeme eine wichtige Rolle.

Der Zusammenhang zwischen einer an den Eingang irgendeines Systems geführte Anregung X und den am Ausgang des Systems erscheinenden Antwort Y wird durch einen Operator Opbestimmt:

Y=Op\X\

Bei linearen Systemen 'St der Operator Op neben allen Werten von X im Arbeitsbereich von der Anregung unabhängig. Die linear geplanten Systeme können aber in der Praxis nur in erster Näherung als linear betrachtet werden, da der das System kennzeichnende Operator wenigstens in einem Teil des Pegelbereiches von der Anregung abhängt, d. h. das System hat eine bestimmte Nichtlinearität.

Zur Ermittlung der Nichtlinearität quasilinearer Systeme sind drei Meßmethoden üblich: Die Messung der Linearität, der Dynamikverminderung und die Messung der Verzerrung. Das Meßsignal für diese drei Meßmethoden ist deterministisch, im allgemeinen sinusförmiges Signal.

Für die Messung der Linearität und der Dynamikverminderung sind einfache Meßgeräte nötig. Diese Meßmethoden sind für die Ermittlung einer verhältnismäßig großen Nichtlincarität geeignet. Eine kleinere Nichtlinearität kann nur durch Verzerrungsmessung ermittelt werden.

Bei sämtlichen zur Zeit üblichen Methoden wird das Frequenzspektrum des Meßsignals durch die Nichtlinearität des quasilinearen Systems verzerrt. Bei vorhandener Verzerrung erscheinen im Ausgangsspektrum Oberwellen, die im Eingangsspektrum nicht vorhanden sind.

Für die Messung der Verzerrung sind zwei Meßmethoden üblich: Die Messung des Klirrfaktors und die Messung der Intermodulation. Für die Messung des Klirrfaktors wird ein einziges Sinussignal verwendet und die Amplitude der am Ausgang erscheinenden Oberwellen werden mit der Amplitude der Grundwelle verglichen, welches Verhältnis den Klirrfaktor gibt. (Vgl. US-PS 25 61 234.) Ein weiteres Maß für die Nichtlinearität ist die Oberwellendämpfung die durch das Verhältnis der Grundwelle und der Oberwellen bestimmt und in Dezibel oder Neper ausgedrückt wird.

Zur Messung der Intermodulation werden zwei Sinusmeßsignale verwendet, wobei dip \mplituden der am Ausgang erscheinenden Kombinationsprodukte und die Amplitude einer der Grundwellen verglichen werden.

Der Vorteil der Verzerrungsmessung besteht d^rin, daß sie für die Messung von sehr kleinen Nichtlinearitäten geeignet ist.

Die Nachteile sind die folgenden:

— a) für die Messung sind besondere Meßgeräte (Klirrfaktormesser, oder Selektiv-Voltmeter) nötig,

— b) das Gerät muß bei jeder Messung der Meßfrequenz entsprechend abgestimmt werden,

— c) die Auswertung der Meßergebnisse ist langwierig (man muß rechnen),

— d) die Messung kann — infolge der in Punkten b) und c) erwähnten Nachteile — nur schwer automatisiert werden,

— e) der ermittelte Wert der Verzerrung charakterisiert die Nichtlinearität nicht eindeutig, falls das System zur Übertragung von nicht-sinusoidalen Signalen dient.

Der mit sinusoidalen Signalen gemessene Klirrfaktor kennzeichnet die durch die Nichtlinearität des quasilinearen Systems entstehende Verzerrung stochastischer Signale (sowie Sprach-, Musik-, Bildsignal usw.) nicht

4> ausreichend. Das stochastische Signal kann nämlich infolge der Nichtlinearität auf ganz andere Weise verzerrt werden, als ein sinusoidales Signal mit dem gleichen Effektivwert, da die Verzerrung der Systeme frequenz- und pegelabhängig ist. In einem von dem sinusförmigen Signa:¹ abweichenden stochastischen Signal sind im Effektivwert wesentlich (z. B. drei- oder viermal) größere Amplituden vorhanden und dieses Signal Kann über ein sehr breites Frequenzspektrum verfügen. Es wird deshalb für vorteilhaft gehalten, quasilineare Systeme statt sinusförmigen Signalen mit stochastischen Signalen zu messen.

Wegen der Reproduzierbarkeit der Messungen können nur ergodisrhe, stationäre, stochastische Signale angewandt werden. Daneben ist es noch wichtig, daß das Meßsignal einfach erzeugt werden kann. Für diesen Zweck ist vor allem das bandbegrenzte weiße Rauschen mit Gauss-Verteilung zweckmäßig. Solche Signale erzeugen die bekannten sog. Pseudo-Zufalls-Rauschgeneratoren.

h> Infolge der vielen Vorteile der Messung mit stochastischen Signalen erschienen in den letzten Jahren in der Nachrichtentechnik immer wieder mit stochastischen Sienalen arbeitende Intermodulations-

Verzerrungsmesser. Diese werden aber für besondere Zwecke (z. B. Übersprechverzerrung) gebaut, und sie sind aufwendig.

Ziel der Erfindung ist eine Messung der Verzerrung quasilinearer Systeme, welche die praktischen Forderungen besser erfüllt als die bekannten.

Dazu war vor allem zu untersuchen, welche Merkmale des bandbegrenzten weißen Rauschens mit Gauss-Verteilung durch die Nichtlinearität des quasilinearen Systems geändert werden, die einfach und genau meßbar sind. Die Untersuchungen haben bewiesen, daß dem obigen entsprechend die eindimensionale Amplitudenverteilung des stochastischen Meßsignals ermittelt werden soll. Diese Feststellung steht im Zusammenhang mit der bekannten Tatsache, daß die Nichtlinearität der quasilinearen Systeme neben der Verzerrung des Frequenzspektrums des Meßsignals auch die Verhältnisse der Amplituden verändert, wenn das McMsignal

besteht, d. h. die Nichtlinearität verzerrt die Amplitudenverteilung. Bei den zufällig veränderten doch ergodischen stationären Meßsignalcn ist die Amplitudenverteilung des stochastischen Signals (auch bei Gauss-Signalen) von der Zeit unabhängig, deshalb ist das Frgebnis der Verteilungsmessung immer reproduzierbar.

Die Amplitiidenverteilung des stochastischen Meßsignals kann durch die Amplituden-Verteilungsfunktion und durch deren Ableitung, d. h. durch die Amplitudendichtefunktion sowie deren Moment gekennzeichnet werden.

Die Amplituden-Verteilungsfunktion FJ ν | — kurz Verteilungsfunktion — zeigt, wie groß die Wahrscheinlichkeit dafür ist. daß der Momentanwert des Signals unter einen gegebenen Wert von X fällt (oder mit diesem gleich ist)

Fv! = /'[v| f| φ λ]

Der folgende Zusammenhang aus Fig. i ist auch für die Messung verwendbar

ι ι

Fx

= lim

τ ■ '

Die Amplitude-Dichtefunktion /! \ | — kurz Dichtefunktion — gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an. daß der Momentanwert des Signals in den Bereich Jx um den gegebenen Wert von X fällt, wenn Jv- 0. Dementsprechend ist

/ χ Iv = P [\_n < .Vl < ν - I v]

f'.x =

= Fx + I .v -F'.v. = IF

ti FJ.V^
d.x" '

Der Zusammenhang aus der Fig. 2 ist auch für die Messung verwendbar

f.x =

— lim

I .ν τ - ·

ν If, ' T

Die Dichtefunktion der Signale mil Gauss-Verteilung ist

exp -

- mV

2-r²

und ergibt die bekannte Gauss'sche Kurve in (F i g. J).

Die Streuung α der Verteilung bei ergodischen Signalen ist mit dem Fffektivwerl der Wechselkomponcnie des Signals gleich und der Erwartungswert m iTiit der CJIeichkomponente dos Signals. So kann geschrieben u eitlen.

wobei

L

der quadratische Mittelwert des Signals (die Leistung lies Signals an einem Einheitswiderstand) up.!
τ

!"« Λ f

χ ί dl

die Gleichkomponente des Signals ist.

Bei den gewöhnlichen Rauschgeneratoren ist x]T\ = 0.

Bei den folgenden Untersuchungen nehmen wir diese Bedingung immer an.

Werin die Verteilungsfunktion bei einem Gauss-Signal.v| i| = Oist. dann wird

wobei '/' TT in der Mathematik als Fchleriniegral

bekannt ist. Diese Funktion ist tabelliert gegeben (F ig. 4).

Sie gibt an. wie groß die Wahrscheinlichkeit dafür ist daß der Momentanwert des Signals kleiner als der gegebene Wert von X» = /to ist.

Die Überschreitensw ahrscheinlichkeit ist folglich

Dieser Zusammenhang wird bei der Messung verwendet.

Wenn ein Signal gauss'scher Verteilung in einenlinearen System übertragen wird, dann bleibt di« Amplitudenverteilung (der gauss'sche Charakter) un verändert. Wenn aber das System eine gewisse Nichtlinearität hat, dann verzerrt sich die Verteilung.

Wenn die Verteilungsfunktion eines über ein quasili neares System laufenden, auf ein kleineres Band als die Übertraglingsbandbreite begrenzten Signals gauss' scher Verteilung ermittelt wird, ergibt sich, daß dei Effektivwert des Signais infoige der durch die Nichtlinearität verursachten Verminderung des Ampli tudenverhältnisses auf der Kurve FIaI nach unter

verschoben wird. Demzufolge erhöht sich die zu dem z. B. neuen Effektivwert gehörende Überschreitenswahrscheinlichkeit η,. Angenommen, daß sich die den Werten von +-Yund — X zugeordneten Kurventeile gleichartig verzerren, genügt es nur die Hälfte der Kurve zu ermitteln (F i g. 5).

Wenn das Signal, dessen Effektivwert durch die Verzerrung vermindert wurde, auf den Effektivwert des unverzerrten Signals gebracht wird, ergibt sich die Funktion F\\\ der zwei Signale nach F i g. 6. Es ist ersichtlich, daß die Überschreiienswahrscheinlichkeiten der Signale mit verzerrter und unverzerrter Verteilung und mit gleichem Effektivwert bei .Vo<r) verschieden sind. Der Unterschied wachst proportional der Verzerrung

l/ = Ί. —

um die Messung zu vereinfachen, ist es zweckmäßig die Verteilungsfunktion und damit die Überschreitenswahrscheinlichkeiten auf den Effektivwert des momentanen Signals zu normalisieren. Dadurch wird gesichert, daß die gemessene Überschreitenswahrscheinlichkeit bei unver/errter Verteilungsfunktion auch dann stetig bleibt, wenn der Pegel des Meßsignals geändert wird. Die Normalisierung kann einfach dadurch erzielt werden, daß der Prüfpegel Xi, proportional dem Effektivwert des Ausgangssignals geändert wird. d. h. die Gleichung X, = Aro», wird erfüllt.

Bei gegebenem Wert von Ar kann η,, berechnet werden, wobei eine feste Spannung U» zugeordnet werden kann, dadurch wird dann die Überschreitensdifferenz Δη unmittelbar meßbar.

Die Interpretierung des die Änderung der Verteilungsfunktion bedeutenden Verzerrungsfaktors hängt davon ab, was als maximale Verzerrung betrachtet wird. Es scheint zweckmäßig, die Verzerrung als 100% in einem System anzunehmen, das die Verteilung des Meßsignals in größtem Maß verzerrt, also wenn in dem Ausgangssignal nur zwei Amplitudenwerte (Binäres zufälliges Signal) vorhanden sind. Der Effektivwert eines solchen SienaK ist mit Ηργ jrpjrphpnpn AmnlitiiHp gleich. Die Funktionen F\ x\ eines verzerrten und eines unverzerrten Signals gauss'scher Verteilung sind in Fig. 7 dargestellt. Die Änderung der Überschreitenswahrscheinlichkeit, bezogen auf die oben definierte 100%-Verzerrung, ist

I w = 0,5 - _l/0 .
Der Verzerrungsfaktor ist

ι,

• 100 =

0,5 -

Wenn die Überschreitenswahrscheinlichkeit des Meßsignals ζ. B. bei dem Wert von ΛΌ=0,67 σ gemessen wird, dann ist 770=0,25, und

ί 11 = 4 I n

ist die Messung der Änderung des Momentes der Dichtefunktion. Um die Verzerrung möglichst empfindlich ermitteln zu können, wird nicht das Moment der gesamten Dichtefunktion ermittelt, sondern nur das Moment des Bereiches, in dem die Verzerrung zu erwarten ist, z. B. bei der Prüfung der Übersteuerung eines Vierpols in dem oberen Pegclbcrcich. also bei größerem Wert von α (F i g. 9).

Der Vorteil der Messung mittels stochastischen Signals — nach den obigen Überlegungen mit weißem Rauschen gauss'scher Verteilung — besteht darin, daß die Verzerrung des quasilinearen Systems durch eine einzelne Messung im ganzen Frequenz- und Amplitudenbereich festgestellt werden kann. Eine solche schnelle und zuverlässige Messung wird in der Nachrichtentechnik gefordert z. B. für die Messung des Übersteuerungspegels.

Falls die Verzerrung auch in Abhängigkeit von der Hrequenz festgestellt werden soll, kann statt des stochastischen Signals ein deterministisches, vorzugsweise sinusoidales Signal angewandt werden. Das beschriebene Meßprinzip kann auch in dem letzteren Fall angewandt werden, wobei die Verteilungsfunktion des Meßsignals bekannt sein muß.

Die eingangs angegebene Aufgabe bzw. der Zweck der Erfindung wird gelöst mit den Merkmalen der Patentansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dafür bestimmte Schaltungsanordnung beruhen auf den obigen Überlegungen. Unter dem Begriff "Meßsignal« wird ein beliebiges Signal verstanden, das entweder ein stochastisches oder ein deterministisches Signal sein kann, dessen Verteilungsfunktion aber bekannt sein muß.

Die nichtlinearen Verzerrungen können entweder unter Verwendung des Verteilungssignals Ueoder unter Verwendung eines Dichtesignals Us und schließlich auch unter Verwendung eines Momentsignals bestimmt werden. Alle diese Signale sind mathematisch definiert und lassen sich mathematisch ineinander überführen.

Ein grundlegender Unterschied zwischen dem Stand

Hpr Tpphnil· MnH

Die Nichtlinearitat der quasilinearen Systeme verzerrt auch die Dichtefunktion des Meßsignals gauss'scher Verteilung (F i g. 8). Das Maß der Verzerrung der Dichtefunktion ist auch charakteristisch für die Nichtlinearitat des Systems. Eine weitere Möglichkeit für die Verzerrungsmessung mit stochastischem Meßsignal, genauer mit weißem Rauschen gauss'scher Verteilung

prfinfltir*« Kecta[il Air'tn Λ2!? Vi

dem Stand der Technik ein Differenzsignal zwischen dem unverzerrten Meßsignal und dem verzerrten Ausgangssignal erzeugt wird, während erfindungsgemäß die beiden zu verlgeichenden Signale, d. h.. Bezugsspannung U, und das Signal t/v aus demselben, am Ausgang des Systems auftretenden Signal abgeleitet werden. Das hat den Vorteil, daß das an den Eingang des Systems gelegte unverzerrte Meßsignal für die Auswertung nicht mehr benötigt wird. Deswegen können erfindungsgemäß auch solche Systeme durchgemessen werden, bei denen Eingang und Ausgang in größerer Entfernung voneinander angeordnet sind. Da erfindungsgemäß eine Impulsreihe konstanter Amplitude erzeugt wird, ist letztlich auch eine gerätetechnische Vereinfachung möglich.

Die Erfindung wird nachstehend aufgrund mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

F i g. 10a die grundsätzliche Anordnung der Messung,

Fig. 10b und 11 die Signalformen der einzelnen Verfahrensschritte,

Fig. 12 das Blockschaltbild eines möglichen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei welcher die Verzerrung der Verteilungsfunktion gemessen wird,

Fig. 13 und 14 zwei weitere mögliche Ausführungs-

beispiele, mittels deren die Verzerrung der Dichtefunktion untersucht wird,

F i g. 15 eine weitere mögliche Schaltungsanordnung, in welcher die Verzerrung der Momentfunktion gemessen wird, >

Fig. 16 eine mögliche Schaltungsanordnung des in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verwendbaren Gleichrichters.

Die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in Fig. 10 und Il verfolgt werden, in Bei der in Fig. 10a dargestellten Zusammenstellung wird die Nichtlinearität quasilinearer Systeme mittels stochastischer Signale ermittelt, wobei am Eingang des Prüflings 21 ein Meßsignalgeber 20 liegt und an dem Ausgang des Prüflings 21 das Signal Übe erscheint, das π an den Eingang der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 22 gelangt. Aus dem Signal Uhc wird eine Bezugsspannung U, erzeugt. Die Größe der Bezugsspannung Uj ist dem Effektiv wen des Signais ungleich, oder einer dazu proportionalen Spannung. Das bedeutet, daß wenn der Pegel des Signals ίΛ,· am Ausgang des quasilineraren Systems geändert wird, sich auch die Bezugsspannung l/, ändert. Bei dem Verfahren, nach den Fig. 10 wird eine Impulsreihe aus der Bezugsspannung und aus dem Signal iAderart erzeugt, daß aus über 2j der Bezugsspannung U., erscheinenden Teilen des Signals ίΛν eine Impulsreihe Uk,,,,,,, erzeugt wird. Das bedeutet also, daß in den Zeitintervallen, wenn der Pegel des Signals Uhc der Bezugsspannung U₁, überschreitet, eine Impulsreihe ίΛ,>,>,/> entsteht, in der die m Breite der Impulse verschieden, ihre Amplituden aber gleich sind. Der Gleichspannungs-Mittelwert der Impulsreihe ίΛ,,,,,/, ist proportional der Wahrscheinlichkeit der Überschreitung über den Effektivwert des Signals ίΛ,· hinaus. Dementsprechend wird aus der ü Impulsreihe, ein dem Mittelwert proportionales Verteilungssignal ίΛ· erzeugt.

In dem Pegelbereich, indem die Amplitude des Signals Uhc unverzerrt ist, ist die Spannung des Verteilungssignals Uc stetig. Wenn aber das Signal ίΛν verzerrt ist, -to dann ändert sich die Spannung des Verteilungssignals / /. nrnnorlional Her Vpt7P> /ππρ.

Das angezeigte Verteilungssignal U₁- liefert daher Angaben über die Nichtlinerarität des geprüften quasilinearen Systems. _:

Fig. 11 zeigt eine Abänderung des erfindungsgemäßen Verfahrens, laut dem aus dem Signal Uhc ein Dichtesignal ίΛ erzeugt wird und dessen Änderung in der Abhängigkeit der Verzerrung des Signals ίΛ,· ermittelt wird.

Aus dem Signal Ui_x kann das Dichtesignal ίΛ nach den folgenden Verfahrensschritten erzeugt werden. Die dem Effektivwert des Signals Ui_x gleiche oder proportionale Bezugsspannung U₃ wird auch in diesem Fall erzeugt. Ihr wird aber ein Pegelbereich AU zugeordnet. Die Lage dieses Pegelbereiches A U kann gegenüber der Bezugsspannung U, beliebig sein; wichtig ist, daß dessen Lage immer mit der Bezugsspannung verändert wird.

Aus dem Signal Ui_x wird danach eine Impulsreihe derart erzeugt, daß ein Impuls in der Zeit entsteht, wenn das Signal ίΛν in den Pegelbereich A U fällt, außerhalb dieses Pegelbereichs A Uentstehen Impulsabstände. Der Gleichspannung-Mittelwert der derart entstandenen Impulsreihe ist das Dichtesignal ίΛ.

Die Verzerrung der Dichtefunktion des gemessenen Signals kann umso genauer und mit größerer Empfindlichkeit gemessen werden, je schmaler der Pegelbereich AU ist, welcher Pegelbereich auch als »Fenster« bekannt ist. In diesem Fall vermindert sich die Impulsbreite, weshalb sich die Spannung des Dichtesignals auch vermindert. Also lohnt es sich, den Pegelbereich A U so zu verändern, bis ein noch gut auswertbares Dichtesignal Wzur Verfügung steht.

Die Breite des Pegelbereiches AU hängt von der Bezugsspannung U₁, ab. Das oben beschriebene Dichtesignal ίΛ kann von dem Signal Ui_x unabhängig nur so erzeugt werden, daß die Breite des Pegelbereiches AU mit der Bezugsspannung oder proportional mit dieser geändert wird. Wenn die Breite des Pegelbereiches AU von der Bezugsspannung Uj unabhängig ist, dann vermindert sich der Gleichspannungs-Mittelwert der Impulsreihe (Λ,,,,,/, proportional der Erhöhung des Pegels des Signals Uhc- Um ein konstantes Dichtesignal ίΛ bei festem Pegelbereich AU und sich änderndem Pegel des Signals ίΛν erzeugen zu können, ist ein solches Signal zu erzeugen, das dem Produkt der Bezugsspannung Uj und der mit dem Gleichspannungs-Mittelwert der Impulsreihe Uk,,,,,,, proportionalen Spannung proportional ist, welches Signal mit dem Dichtesignal U, gleich ist.

Der Pegel des derart erzeugten Dichtesignals ίΛ ist in dem Pegelbereich stetig, in welchem das Signal ίΛ<· unverzerrt ist. Wenn aber das Signal Uhc verzerrt ist, dann wird auch die Spannung des Dichtesignals U, mit dem Maß der Verzerrung verändert. Um das Maß der Verzerrung auch numerisch auswerten zu können, wird dieses Dichtesignal ίΛ angezeigt.

Nach einer weiteren Abänderung des eriindungsgemäßen Verfahrens wird ein Momentsignal ίΛ,,, erzeugt, dessen Änderung in Abhängigkeit der Verzerrung ermittelt wird.

Das Momentsignal ίΛ,,, wird nach den folgenden Verfahrensschritten erzeugt:

Auch in diesem Fall wird die Bezugsspannung U, aus dem Signal ίΛ,- erzeugt, welche Bezugsspannung jetzt als Begrenzungspegel angewandt wird. Dementsprechend werden aus dem Signal Ui_x die Signalteile ausgeschnitten, die unter der Bezugsspannung U₁, liegen.

ΠρΓΠ7ΐιΡηΙσρ pnKtpht pinp ^ianajrpiKp I I Hip in F i a IQK gezeigt ist. Aus der Signalreihe ίΛ-wird der Gleichspannung-Mittelwert oder Effektivwert erzeugt. Dieser Mittel- oder Effektivwert wird mit dem Effektivwert des Signals Ui_x zusammen verändert. Das Momentsignal Usm wird aus dem Signal erzeugt, das aus dem Quotient der Bezugsspannung U₁, und des Gleichspannung-Effektivwertes der Signalreihe U₁ -gebildet wird.

Die Spannung des Momentsignals ίΛ,,, bleibt stetig in dem Pegelbereich, in dem das Signal ίΛ,. unverzerrt ist, verändert sich aber, wenn das Signal Übe durch das geprüfte quasilineare System verzerrt ist.

Um das MaB der Nichtlinearität unmittelbar anzeigen zu können, wird das gemäß dem oben beschriebenen Verfahren erzeugte Verteilungssignal U_c oder das Dichtesignal Us oder das Momentsignal U_%m mit einer Referenzspannung verglichen und ein dem Unterschied proportionales Signal erzeugt Der Unterschied bleibt null in dem Pegelbereich, in dem das Signal ίΛν unverzerrt bleibt, weicht aber von null ab, wenn das Signal ίΛν über das quasilineare System verzerrt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können pseudozufällige Signale oder stochastische Signale, -vorzugsweise bandbegrenztes weißes Rauschen angewandt werden. Für die Messung diskreter Frequenzen kann auch ein deterministisches Signal, vorzugsweise ein sinusförmiges Signal angewandt werden.

Eine mögliche Schaltungsanordnung zur Verwirklichung des prfindungsgemäßen Verfahrens ist in F i g. 12 dargestellt. Das an den Eingang der Schaltung geführte Signal Übe wird einerseits an den Eingang eines Gleichrichters 1, andererseits an den einen Eingang eines Komparators 2 geleitet. An dem Ausgang des Gleichrichters 1 erscheint die Bezugsspannung U„ die dem Effektivwert des durch das quasilineare System verzerrten Signals Übe proportional ist. Die Zeitkonstante des Gleichrichters 1 sichert die Erzeugung einer Gleichspannung in der dem Frequenzbereich des verwandten Rauschgenerators entsprechenden Bandbreite, welche Gleichspannung zweckmäßig dem Effekti vweri d?s Signals Übe gleich ist. Der Ausgang des Gleichrichters ist mit dem anderen Eingang des Komparators 2 unmittelbar oder über einen linearen Verstärker 13 oder über ein Dämpfungsglied verbunden. Die am Ausgang des Gleichrichters 1 erscheinende Bezugsspannung bestimmt die Schaltschwelle des Komparator? 2.

Am Ausgang des Komparators 2 erscheint jeweils ein Impuls einer Impulsreihe Ukomp, wenn der Momentanwert des am einen Eingang anliegenden Signals Übe die Schaltschwelle überschreitet. Am Ausgang des Komparators 2 entsteht also die Impulsreihe Ukomp, in welcher die Breite der verschiedenen Impulse verschieden, aber ihre Amplituden gleich sind, und deren Gleichspannung-Mittelwert der Überschreitenswahrscheinlichkeit entspricht. Bei der Prüfung mit einer.! unverzerrten Signal kunn dieser Gleichspannung-Mittelwert aus der idealen Verteilungskurve berechnet werden. Bei der Messung mit einem verzerrten Signal weicht die am Ausgang des Gleichrichters 1 erscheinende Bezugsspannung U-, von dem Sollwert ab, wie es bereits oben beschrieben wurde, und die Schaltschwelle wird proportional mit dem Wert von Δη verschoben (Fig.6). Dementsprechend erhöht sich der Gleichspannung-Mittelwert der am Ausgang des Komparators 2 entstehenden Impulsreihe ΙΛ,,«,_Γ proportional mit dem Wert von Δη.

Der Ausgang des Komparators 2 ist mit dem Eingang der Integrierstufe 3 verbunden. Das am Ausgang der

an das Anzeigesystem 6 geführt, an dem das Maß der Nichtlinearität oder der Verzerrung ablesbar ist. Das Verteilungssignal U₁- wird gleichzeitig an den einen Eingang einer Differenzschaltung 4 geleitet. An den zweiten Eingang der Differenzschaltung 4 ist die Referenzspannung ίΛτ/der Spannungsquelle 5 geschaltet. Diese Referenzspannung U_rcr entspricht der Überschreitenswahrscheinlichkeit des idealen unverzerrten Signals. Wenn das an den Eingang der Schaltungsanordnung gelangende Signal Übe unverzerrt ist, dann ist das am Ausgang der Integrierstufe erscheinende Verteilungssignal Ue mit der Referenzspannung U_ref der Spannungsquelle 5 gleich.

So entsteht eine Spannung am Ausgang der Differenzschaltung nur dann, wenn das Signal Übe durch das quasilineare System verzerrt wurde, und dadurch sich die Überschreitenswahrscheinlichkeit des Signals auch geändert hatte. Am Ausgang der Integrierstufe 3 steht also immer eine der Überschreitenswahrscheinlichkeit der Verteilungskurve des Signals Übe entsprechende Gleichspannung zur Verfügung. Die Übersteuerung des geprüften Vierpols kann mittels des Anzeigesystems 6 gemessen werden, weil das Anzeigesystem 6 . einen konstanten Wert zeigt, solange das Signal innerhalb des linearen Bereiches des geprüften Vierpols ist Die Anzeige ändert sich, wenn durch die Steigerung des Pegels das Signal in den Übersteuerungsbereich gelangt. Die Verzerrung oder die Übersteuerung kann also auch mittels des Anzeigesystems 6 ausgewertet werden. Sie können aber mit größerer Empfindlichkeit durch das hinter die Differenzschaltung 4 geschalteten Anzeigesystem 7 angezeigt weiden. Am Anzeigesystem 7 ist die Verzerrung oder Δη ablesbar.

Die Messung der Nichtlinearität kann auch mit der in Fig. 14 gezeigten Schaltungsanordnung durchgeführt

ίο werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird' die Verzerrung der Dichiefunktion des Signals Übe geprüft. Das zu prüfende Signal wird von dem Eingang der Schaltungsanordnung einerseits an den Eingang des Gleichrichters 1, andererseits an den einen Eingang des an sich bekannten Fensterkomparators 8 gelegt. Am Ausgang des Fensterkomparators 8 erscheint ein Signal in der Zeit, wenn der Pegel des an den zweiten Eingang des Fensterkomparators 8 geführten Signals in den bestimmten Pegelbereich Δ U, d. h. in das »Fenster« fällt.

Die Lage des Regelbereiches AU wird durch die am Ausgang des Gleichrichters 1 erscheinende Bezugsspannung Uu bestimmt. Für diesen Zweck ist der Ausgang des Gleichrichters 1 — mittelbar oder über den linearen Verstärker 13 — mit dem zweiten Eingang des Fensterkomparators verbunden.

Um die Genauigkeit der Messung zu sichern, ist die Fensterbreite, also der Komparations-Pegelbereich AU möglichst eng zu wählen. In diesem Fall entstehen aber am Ausgang des Fensterkomparators 8 zu schmale

μ Impulse, deren Gleichspannungs-Mittelwert deshalb zu klein ist. Es ist deshalb einen Kompromiß zwischen der Fensterbreite und dem Gleichspannung-Mittelwert einzugehen, um die gewünschte Wirkung zu erreichen. Der Ausgang des Fensterkomparators 8 ist in dem in

J5 Fig. 12 dargestellten Ausführung mit dem Eingang der Integrierstufe 3 verbunden, an deren Ausgang die mit dem Gleichspannung-Mittelwert gleiche oder proportionale Gleichspannung entsteht. Der Ausgang der Integrierstufe 3 ist an ilen einen Eingang einer Multiplizierstufe 9 geschaltet. Die Multiplizierstufe 9 kann auf an sich bekannter Weise, entweder analog oder A:\\

nblUV.ll.

digitalen Multiplizierstufe muß erst das analoge Signal in binäres Signal umgewandelt werden.

An den zweiten Eingang der Multiplizierstufe 9 ist der Ausgang des Gleichrichters 1 geschaltet. Die am Ausgang der Multiplizierstufe 9 erscheinende Spannung des Dichtesignals U_a ist in dem Pegelbereich stetig, in dem das Signal durch den geprüften Vierpol noch nicht

so verzerrt wurde. Der Ausgang der Multiplizierstufe 9 ist mit einem ersten Eingang der Differenzschaltung 4 verbunden. Zu dem zweiten Eingang derselben ist die Referenzspannung U_ref der Referenzspannungsquelle 5 geführt. Am Ausgang der Differenzschaltung 4 ist das Anzeigesystem 7 angeschlossen, das unmittelbar mr Anzeige der Verzerrung geeicht werden kann. Die Spannung der Spannungsquelle 5 ist mit der Spannung des unverzerrten Dichtesignals U_s gleich.

Eine weitere mögliche Ausführung der in Fig. 14

bo dargestellten, die Verzerrung des Dichtesignals U, ermittelnden Schaltungsanordnung ist in Fig. 13 gezeigt. Diese Ausführung weicht von den vorangehenden Ausführungen mit Fenster darin ab, daß der Pegelbereich AU des Fensterkomparators 8, d.h. die Fenster-

h5 breite mit dem Effektivwert des an den Eingang geleiteten Signals Übe proportional geändert wird. Für diesen Zweck ist der Eingang eines Dämpfungsgliedes 10 an den Ausgang des Gleichrichters 1 angeschlossen.

und der Ausgang des Dämpfungsgliedes 'O ist mit den Eingängen des Fensterkomparators 8 verbunden. Das Dämpfungsglied 10 ist in diesem Fall ein Spannungsteiler. In dieser Anordnung ist der Gleichspannung-Mittelwert der am Ausgang des Fensterkomparators 8 erscheinenden Impulsreihe U_iomp von dem Pegel des Signals U^ unabhängig und ändert sich nur in Abhängigkeit von der Verzerrung. Demzufolge kann die ziemlich verwickelt aufgebaute Multiplizierstufe 9 weggelassen werden. Die Integrierstufe 3 erzeugt unmittelbar das Dichtesignal t/„ das an den einen Eingang der Differenzstufe 4 geleitet werden kann. An denselben Punkt kann auch das Anzeigesystem 6 geschaltet werden.

Bei der Anwendung von stochastischen Signalen, vorzugsweise vom weißen Rauschen in gauss'scher Verteilung oesteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem Effektivwert und dem absoluten Mittelwert des Signals, weshalb bei der Messung von Signalen kleinerer Verzerrung als Gleichrichter ein einfacher rviiiieiweri-Gieichrichier verwendei werden kann. Dies ist auch darum gestattet, da bei kleinerer Verzerrung die Verteilung noch für Gaussisch betrachtet werden kann. Bei der Erhöhung der Verzerrung muß man aber damit rechnen, daO sich die Genauigkeit der Messung vermindert. In der Praxis bedeutet dies aber kein Problem, da die größere Genauigkeit im allgemeinen nur in dem Bereich kleinerer Verzerrung nötig ist

Durch die in Fig. 15 gezeigte Schaltungsanordnung wird die Verzerrung der Mome'itfunktion ermittelt. Das an den Eingang der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung geführte Signal Ute gelangt einerseits an den Eingang des Gleichrichters 1, andererseits an den einen Eingang einer Begrenzerstufe 12, die den unter dem Begrenzungspegel liegenden Teil des Signals ausschneidet. Der zweite Eingang der Begrenzerstufe 12 ist mit dem Ausgang des Gleichrichters I verbunden, so daß der Begrenzungspegel durch den Effektivwert de: Signals Uubestimmt wird. Der Ausgang der Begrenzer stufe 12 ist über die Integrierstufe 3 mit dem erster Eingang einer Dividierschaltung 11 verbunden. An der zweiten Eingang der Dividierschaltung 11 ist dei Ausgang des Gleichrichters 1 geschaltet Am Ausgang der Dividierschaltung 11 entsteht das Momentsignal dessen Spannung bei unverzerrtem Signal Uu- stetig isi und sich mit der Erhöhung der Verzerrung ändert. Da;

to Momentsignal wird in der schon beschriebenen Weise zu der Differenzschaltung 4 geführt, an deren Ausgang ein der Verzerrung proportionales Signal entsteht

Als Begrenzerstufe 12 kann vorzugsweise eir vorgespannter Gleichrichter verwendet werden.

F i g. 16 zeigt eine mögliche Schaltungsanordnung des Gleichrichters 1. Diese Schaltung besteht aus einen-Komparator 14, einer Integrierstufe 15 sowie aus einei Differenzschaltung 16. Der Eingang des Gleichrichters 1 ist der erste Eingang des !Comparators 14. Der Ausgang des !Comparators 14 ist mit dem Eingang dei inlegrierslufe 15 verbunden. Der Ausgang der integrierstufe 15 ist an den einen Eingang der Differenzschaltung 16 angeschlossen. Der Ausgang der Differenzschaltung 16 bildet den Ausgang des Gleichrichters

1. Dieser Ausgangspunkt ist an den zweiten Eingang des !Comparators 14 rückgekoppelt An den zweiten Eingang der Differenzschaltung 16 ist der Ausgangspunkt einer die Referenzspannung abgebenden Spannungsquelle 17 geschlossen. Die Spannung der Spannungsquelle 17 ist gleich oder proportional dem Effektiv- oder Mittelwert des an den Eingang des Gleichrichters 1 geführten Signals.

Die Spannung der Spannungsquelle 17 ist gleich oder proportional einem Verteilungswert, der zu dem Effektiv- oder Mittelwert des an den Eingang des Gleichrichters 1 geführten verzerrungsfreien Signals gehört.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Verfahren zur Messung vor. nichtlinearen Verzerrungen quasilinearer Schaltungen, bei dem ein Meßsignal bekannter Verteilungsfunktion an den Eingang des zu messenden Systems gelegt wird, und am Schaltungsausgang erscheinende Signale meßtechnisch verwertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine einem Pegelmittelwert des am Ausgang der Schaltung (21) entstehenden Signals (Übe) proportionale Bezugsspannung (U₃) erzeugt wird, durch Vergleich des Momentanwertes des Signals (Übe) und der Bezugsspannung (U₃) eine Impulsreihe (Ukomp) konstanter Amplitude derart erzeugt wird, daß immer dann, wenn das Signal (Übe) größer als die Bezugsspannung (U₃) ist, ein Impuls entsteht, und aus dieser Impulsreihe (Ukomp) ein deren Mittelwert proportionales Verteilungssignal (Uc) erzeugt und dessen Wert angezeigt wird.

   2. Verfahren zur Messung von nichtlinearen Verzerrungen quasilinearer Schaltungen, bei dem ein Meßsignal bekannter Verteilungsfunktion an den Eingang des zu messenden Systems gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine einem Pegelmittelwert des am Ausgang der Schaltung (21) entstehenden Signals (Übe) proportionale Bezugsspannung (Ua) erzeugt wird, aus dem Signal (Übe) eine Impulsreihe (Ukomp) konstanter Amplitude derart erzeugt wird, daß immer dann, wenn der Momentanweri des Signals (Übe) in einen der Bezugsspannung (U₃) überlagf .ten Spannungsbereich (AU)fällt, ein Impuls entsteht, wobei die Breite dieses Spannungsbereiches (AU} proportional mit der Pegeländerung der Bezugsspannung (U₃) geänden wird und aus der Impulsreine (Uk_omp)tm deren Mittelwert proportionales Dichtesignal (U_s) erzeugt und dessen Wert angezeigt wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsbereich (AU) auf konstantem Wert gehalten wird und das Dichtesignal (U,) durch Multiplikation der Bezugsspannung (U₃) mit dem Mittelwert der Impulsreihe (Ukomp) erzeugt wird.

   4. Verfahren zur Messung von nichtlinearen Verzerrungen quasilinearer Schaltungen, bei denen ein Meßsignal bekannter Verteilungsfunktion an den Eingang der zu messenden Schaltung gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine einem Pegelmittelwert des am Ausgang der Schaltung (21) entstehenden Signals (Übe) proportionale Bezugsspannung (UJerzeugt wird, wonach die unter dieser Bezugsspannung (U.,) als Schwellwert liegenden Teile des Signals (Uu) ausgeschnitten werden, die über den Schwellwert liegenden Signalteile eine « Signalreihe (U,) bilden, und dann mit dem Quotient einer mit dem Mittel- oder Effektivwert der Signalreihe (UJproportionalen Gleichspannung und der Bezugsspannung (U₃) ein Momentsignal erzeugt und dessen Wert angezeigt wird. sn

   5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Differenz, des Verteilungssignals (U₁) oder des Dichtesignals (U) oder des Momentsignals (U,,,) und einer Referenzspannung (U_Kr) e\nc Fehlerspan- f» nung (Uh)crzeugt wird, deren Wert angezeigt wird.

   6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßsignal stochastisches oder pseudo-zufälliges Signal angewandt wird.

   7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als stochastisches Signal ein bandbegrenztes weißes Rauschsignal angewandt wird.

   8. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßsignal ein deterministisches, vorzugsweise sinusförmiges Signal angewandt wird.

   9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung (U₃) eine dem Effektivwert des Signals (Übe) gleiche oder proportionale Gleichspannung ist

   10. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung (U₃) eine dem quadratischen oder arithmetischen Mittelwert des Signals (Ui_x) gleiche oder proportionale Gleichspannung ist.

   11. Schaltungsanordnung zur Verwirklichung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, deren Eingang an den Ausgang der zu messenden quasilinearen Schaltung angeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Schaltungsanordnung einerseits an den Eingang eines Gleichrichters (1), andererseits an den einen Eingang eines !Comparators (2) geschaltet ist, der Ausgang des Gleichrichters unmittelbar oder über einen linearen Verstärker (13) oder über ein Dämpfungsglied mit dem anderen Eingang des !Comparators (2) verbunden ist, der Ausgang des !Comparators (2) an den Eingang einer Integrierstufe (3), und der Ausgang der Integrierstufe (3) an ein Anzeigesystem (6) geführt ist.

   12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator ein Fensterkomparator (8) ist.

   13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied (10) aus einem Spannungsteiler besteht, dessen Ausgangsklemmen an die zwei Eingänge des Fensterkomparators (8) geschaltet sind.

   14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß statt des !Comparators (2) eine das Signal unter einem Schwellenwert ausschneidende Schwellenwertstufe (12) verwendet ist, deren zur Schwellenspannung gehörender Eingang mit derr. Ausgang des Gleichrichters (1) unmittelbar oder über einen linearen Verstärker (13) oder über ein Dämpfungsglied verbunden ist, der andere Eingang der Schwellenwertstufe (12) mit dem Eingang der Schaltungsanordnung zusammengeschaltet ist, der Ausgang der Schwellenwertstufe (12) mit dem Eingang der Integrierstufe (3) verbunden ist, der Ausgang der Integrierslufe (3) an einen Eingang einer Dividierschaltung (11) anschließt, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Gleichrichters (1) verbunden ist und der Ausgang der Dividierschaltung an ein Anzeigesystem (6) geführt ist.

   15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwellenwertstufe (12) ein vorgespannter Gleichrichter angewandt ist.

   !6. Schaltungsanordnung nach Anspruch I!, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Integrierstufe (3) statt eines Anzeigesystems (6) der eine Eingang eines Multiplizierers (9) geschaltet ist, der andere Eingang des Multiplizjerers (9) mit dem

   Ausgang des Gleichrichters (1) verbunden ist, wobei der Komparator (8) ein Fensterkomparator mit festem Fensterbereich (A LJ)ist.

   J7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche von 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Integrierstufe (3) statt des Anzeigesystems (6) ein Eingang einer Differenzschaltung (4) geschaltet ist, an den anderen Eingang der Differenzschaltung (4) eine eine Referenzspannung (Unt) abgebende Spannungsquelle (5) angeschlossen ist, und der Ausgang der Differenzschaltung (4) an ein Anzeigesyslem (7) geführt ist.

   18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zum einen Eingang der Differenzschaltung (4) ein Anzeigesystem (6) parallelgeschaltet ist

   19. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichrichter (1) ein Effektivwertgleichrichter angewandt ist

   20. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (1) aus einem Komparator (14), einer an dessen Ausgang geschalteten Integrierstufe (15) und aus einer an den Ausgang der Integrierstufe (15) mit ihrem Eingang anschließenden Differenzschaltung (16) besteht, wobei an den anderen Eingang der Differenzschaltung (16) eine Spannungsquelle mit dem Pegel des unverzerrten Meßsignals proportionaler Spannung (17) anschließt, der Ausgang der Differenzschaltung (16) den Ausgang des Gleichrichters (1) bildet, der auf den anderen Eingang des Komparators (14) rückgekoppelt ist.