Нелинейные искажения

Опубликовано 25.11.2010 Ведущий Филипп Болгов

Нелинейные искажения - это искажения вызванные нелинейностью системы обработки и передачи сигнала, которые вызывают появление в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих во входном сигнале.
Они могут возникнуть при неисправностях усилителей (нарушениях нормальных режимов работы его усилительных элементов), а также при перегрузках, когда на вход устройства подаются напряжения, превышающие расчетные. В этих случаях основной причиной возникновения нелинейных искажений в усилителях является работа на криволинейных участках характеристик электронных ламп или транзисторов, а в трансформаторах - нелинейная зависимость магнитной индукции в сердечнике трансформатора от тока в его первичной обмотке.
Физическая сущность нелинейных искажений может быть наглядно объяснена при переходе к спектральному представлению сигнала как совокупности частот. Например, при подаче "чистого" синусоидального тона на элемент схемы, имеющий нелинейную характеристику, на его выходе появляются отсутствовавшие на входе высшие гармоники, т.е. колебания с частотами, в целое число раз большими, чем частота основного колебания. Эти гармоники складываются с основным, "чистым" тоном, меняют его форму и придают звучанию новый тембр.
Еще более неприятным следствием нелинейности являются появление комбинационных частот или интермодуляционные искажения, которые начинают возникать, когда на вход нелинейной системы подается не одно, а два или несколько синусоидальных колебаний. Тогда на выходе, кроме образующихся гармоник всех проходящих колебаний, появляются, в результате, так называемых "биений", комбинационные частоты, равные суммам и разностям всех близких друг к другу частот.
Нелинейные искажения - явление, в общем, сложное и не однозначное, его числовое описание затруднено, а иногда и невозможно. Количественно же нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник. На практике коэффициент нелинейных искажений определяют по отношению к каким-либо чистым тонам. Типовыми значениями для чистого тона являются: 0 % - синусоида; 3 % - форма, близкая к синусоидальной; 5 % - форма, приближенная к синусоидальной (отклонения формы уже заметны на глаз); до 21 % - сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы; 43 % - сигнал прямоугольной формы.
Для его определения на вход испытуемого устройства (например, усилителя) подают от звукового генератора синусоидальное напряжение с определенной частотой, и измеряют величину его напряжения на выходе усилителя. Затем включают на выходе усилителя специальный фильтр, который подавляет основное колебание, но хорошо пропускает все колебания с более высокими частотами. Вольтметр, подключенный на выход фильтра, регистрирует напряжение, создаваемое гармониками, вновь появившимися из-за нелинейности усилителя. Отношение напряжения этих гармоник к напряжению основного сигнала и есть мера нелинейных искажений. Так как при одной передаваемой частоте комбинационные тона отсутствуют и поэтому не учитываются, этот коэффициент не точно соответствует полному коэффициенту нелинейных искажений. Но для практических целей, зная его величину, можно достаточно определенно судить о степени нелинейности усилителя.