Если вы когда-нибудь слушали, как ваш дядя играет на гитаре блюз или ваш друг бренчит на дешевой пластиковой укулеле, вы, вероятно, знаете, что такое гармоническое искажение. Это звучит как очень слабый гул, шипение или свист на фоне их исполнения. Это происходит потому, что эти инструменты не могут производить звуки без какого-либо искажения. В инженерных терминах это также известно как «нелинейность».
В этой статье мы рассмотрим, что такое гармоническое искажение, почему оно возникает и как предотвратить его появление в вашей домашней студии. Приступим!
Что такое гармонические искажения?
Гармонические искажения, также известные как «непроизвольная обратная связь», означают добавление новых частот к звуку. Это может произойти, когда сигнал возвращается в систему, через которую он воспроизводился. Этот новый сигнал может быть слышен как жужжание или свист. Гармонические искажения чаще всего встречаются в музыкальных инструментах и аудиооборудовании. Музыкальные инструменты не могут производить звуки без гармонических искажений. Аудиооборудование, однако, должно быть сконструировано таким образом, чтобы предотвращать гармонические искажения.
общее гармоническое искажение (THD)
Общее гармоническое искажение (THD) относится к дополнительным гармоническим компонентам выходного сигнала по сравнению с входным сигналом, вызванным нелинейными компонентами, когда аудиосигнал проходит через усилитель мощности. Гармоническое искажение вызвано тем, что система не является полностью линейной, и мы выражаем его в процентах от среднеквадратичного значения вновь добавленного общего гармонического компонента к среднеквадратичному значению исходного сигнала. Например, усилитель, который выдает 10 В при 250 Гц и 1 В при 500 Гц, будет иметь 10 % второго гармонического искажения. Сумма всех дополнительных гармонических уровней называется общим гармоническим искажением. Вообще говоря, общее гармоническое искажение на частоте 500 Гц является наименьшим, поэтому многие продукты используют искажение этой частоты в качестве индекса.
Формула для расчета общего гармонического искажения следующая:
Для гармоник напряжения TDH (%) — это полное гармоническое искажение, Vh — мощность каждой гармоники, а V1 — полное среднеквадратичное выходное напряжение (включая основную и гармонические составляющие).
Для гармоник тока TDH (%) — это полное гармоническое искажение, Ih — ток каждой n-й гармоники, а I1 — полное среднеквадратичное значение выходного тока (включая основную и гармонические составляющие).
Как возникают гармонические искажения?
На самом базовом уровне гармонические искажения возникают, когда входной звук слишком громкий и «возвращается» в систему через усилитель. Это может произойти в домашней студии звукозаписи, когда инструмент, подключенный к системе PA, начинает давать обратную связь. Самый простой способ понять, что происходит, — это представить себе две волны, сталкивающиеся друг с другом. Одна волна — это исходный аудиосигнал, другая — усиленный звук, который возвращается в систему через динамики. Эти две волны объединяются, образуя нечто новое. Исходный аудиосигнал по-прежнему присутствует, но к нему добавляются новые частоты, которые были добавлены обратной связью.
Метод измерения
Из формулы расчета общего гармонического искажения можно узнать, что значение общего гармонического искажения тесно связано с верхним пределом H гармонического порядка. Обычные приборы для измерения гармоник, такие как анализаторы гармоник, в основном подходят для измерения гармоник в электросетях, а верхний предел обычно находится в пределах 40-го порядка.
Для оборудования, выделяющего высшие гармоники, такого как преобразователи частоты, измерение общего гармонического искажения требует специального оборудования, способного измерять высшие гармоники, например, анализаторы мощности с переменной частотой или широкополосные анализаторы мощности. Кроме того, для высоковольтных систем с высоким током необходимо также обратить внимание на необходимую полосу пропускания используемых датчиков, таких как датчики мощности с переменной частотой.
Влияние гармонических искажений на печатные платы
Гармонические искажения являются важным фактором, который необходимо учитывать при проектировании печатных плат. Они могут вызывать проблемы с целостностью сигнала и приводить к повреждению компонентов. Существует несколько способов смягчить гармонические искажения, в том числе:
— Использование низкоимпедансных плоскостей
питания и заземления — Добавление обходных конденсаторов к критически важным
компонентам — Добавление индукторов для фильтрации высокочастотных помех
— Уменьшение длины сигнальных дорожек
Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, поэтому важно выбрать правильное решение для конкретной конструкции печатной платы.
Предотвращение гармонических искажений
Гармонические искажения являются одной из основных проблем, которые могут возникать при проектировании и изготовлении печатных плат. Они могут вызывать ряд проблем, в том числе проблемы с целостностью сигнала, перекрестные помехи и электромагнитные помехи (EMI).
Существует несколько способов уменьшить или устранить гармонические искажения. Один из них — использование дифференциальной передачи сигнала, которая может компенсировать многие гармоники. Другой — использование источников питания с низким выходным импедансом, что также может помочь уменьшить гармоники.
Дифференциальная передача сигналов — это техника, которая часто используется в высокоскоростных цифровых системах для уменьшения влияния шума и перекрестных помех. При дифференциальной передаче сигналов два сигнала передаются по отдельным проводам, причем один сигнал является обратным другому. Затем приемное устройство объединяет два сигнала, и любой синфазный шум гасится.
Источники питания с низким выходным импедансом также могут помочь уменьшить гармоники. Источник питания с низким импедансом будет иметь меньшее падение напряжения при отборе тока, что означает, что напряжение на нагрузке будет более стабильным. Это может помочь уменьшить или устранить многие проблемы, вызванные гармоническими искажениями.
