9.8. Анализаторы спектра частот
Разложение в ряд Фурье сигнала сложной формы позволяет представить его в виде суммы гармоник, каждая из которых имеет свое максимальное значение, частоту и фазу. Совокупность этих гармоник определяет спектр сигнала. Наиболее полное представление о спектральном составе сигнала дает распределение амплитуд или мощности по частотам (между амплитудой гармоник и ее мощностью существует однозначная зависимость). Экспериментальный анализ спектра сигнала проводится с помощью анализаторов — высокочастотных и низкочастотных.
Различают два метода анализа спектров: одновременный (параллельный) и последовательный.
При одновременном анализе спектра используют совокупность идентичных узкополосных фильтров, каждый из которых настроен на разные достаточно близкие частоты f1, f2, ....При одновременном воздействии исследуемого сигнала на все фильтры каждый фильтр выделяет соответствующую его настройке составляющую спектра. Максимум каждой гармоники измеряют селективным пиковым вольтметром, их частоту — по шкале настройки фильтра. Анализаторы, работающие по методу одновременного анализа, громоздки, но обладают более высокой скоростью анализа, поэтому их можно применять для анализа спектра одиночных импульсов в области низких частот.
При последовательном анализе спектра исследуемый сигнал воздействует на один узкополосный фильтр, который последовательно перестраивается в широкой полосе частот. При каждой настройке фильтр выделяет очередную гармонику и селективный пиковый вольтметр измеряет ее амплитуду. В качестве перестраивающихся фильтров обычно применяют Т-образные RC-мосты. Наибольшее распространение получили осциллографические анализаторы спектра, в которых вместо перестраиваемого фильтра используется один узкополосный фильтр с фиксированной настройкой и гетеродинный принцип преобразования частоты. Гетеродин представляет собой маломощный генератор перестраиваемой (качающей) частоты, позволяющий весь спектр частот исследуемого сигнала перемещать по отношению к фиксированной частоте фильтра.
Рис. 9.19. Схема анализатора спектра
Схема анализатора спектра представлена на рис. 9.19, где осциллографическии анализатор спектра представляет собой панорамное устройство, с помощью которого можно наблюдать спектр частот исследуемого сигнала на экране ЭЛТ в прямоугольной системе координат в виде вертикальных линий. Абсциссы определяют частоту гармоник, а высота вертикальных линий (ординат) соответствует максимальным значениям напряжения или мощности.
Исследуемый периодический сигнал сложной формы через аттенюатор, ограничивающий его амплитуду, поступает на смеситель, ко второму входу которого подводится напряжение генератора качающей частоты. Линейное изменение частоты во времени (качание частоты) производится изменением напряжения генератора развертки, подаваемого одновременно на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Вследствие перемещения электронного луча по горизонтали пропорционально частоте горизонтальная ось является осью частот.
В результате взаимодействия частоты исследуемого сигнала с частотой /г генератора качающей частоты исследуемый сигнал преобразуется в сигнал разностной промежуточной частоты fф=fг—fc. Узкополосный фильтр, настроенный на фиксированную промежуточную частоту fф, имеет узкую полосу пропускания. Гармоники, частота которых лежит в полосе пропускания узкополосного фильтра fф ±Δf, усиливаются и после детектирования в квадратичном детекторе (см. гл. 6) и усиления в видеоусилителе поступают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Отклонение луча по вертикали пропорционально амплитуде определенной узкой полосы спектра исследуемого сигнала от fф - Δf до fф + Δf. Амплитуда каждой составляющей спектра пропорциональна ее мощности (при использовании квадратичного детектора) или напряжению (при использовании линейного детектора).
Так как горизонтальная развертка луча происходит синхронно с изменением частоты гетеродина под действием одного и того же пилообразного напряжения, на экране ЭЛТ будет наблюдаться графическое изображение спектра частот исследуемого сигнала. Количество наблюдаемых полосок определяется числом сигналов, поступающих в анализатор за время одного периода развертки Тр осциллографа (цикла качания частоты ).
Анализатор содержит калибратор частоты, состоящий из генератора, идентичного генератору качающей частоты, и модулятора. Для создания калибровочных частотных меток калибровочный гетеродин работает на частоте fклб, близкой к средней частоте основного гетеродина. Его колебания модулируются по амплитуде колебаниями частоты Fмoд, создаваемыми модулятором и образующими спектр частот fклб±n Fмoд (где n = 1, 2, ...), расстояние между которыми равно частоте Fмoд модулирующего напряжения. Колебания калибратора через собственный аттенюатор, позволяющий регулировать амплитуду меток, воздействуют на смеситель. При совпадении частоты основного генератора качающей частоты с частотой калибратора возникают нулевые биения, приводящие к появлению всплесков (меток) на кривой спектра через выбранные частотные интервалы Fмoд
Основные характеристики анализатора спектра:
рабочий диапазон частот — диапазон частот, в котором анализируются спектры сигналов, определяемый диапазоном перестройки генератора качающей частоты;
разрешающая способность — минимальное расстояние по оси частот между двумя составляющими спектра, при котором могут быть выделены отдельные линии и измерены их уровни. Разрешающая способность в основном определяется шириной полосы пропускания усилителя промежуточной частоты и диаметром светового пятна на экране. Чем меньше At, тем большее число спектральных составляющих можно различать на экране.
Фиксированную промежуточную частоту /ф выбирают таким образом, чтобы при минимальной длительности исследуемого импульса ta изображение спектра, получаемое по зеркальному каналу приемника, не накладывалось на спектрограмму основного канала;
время анализа — время, в течение которого получают изображение исследуемого спектра на экране анализатора. За это время частота напряжения гетеродина изменяется от минимального до максимального значения. Время анализа обратно пропорционально квадрату разрешающей способности.
Промышленностью выпускаются осциллографические анализаторы спектра СЧ-27; СЧ-28, предназначенные для исследования спектра повторяющихся радиоимпульсов и непрерывных периодических сигналов с диапазоном рабочих частот 0,01—39,6 ГГц; анализаторы спектра СЧ-30; СЧ-31; СЧ-32 — для исследования спектра повторяющихся радиоимпульсов непрерывных периодических колебаний с рабочей фиксированной частотой соответственно 30, 60, 26 МГц; анализатор спектра СЧ-46 —для визуального наблюдения и относительного измерения спектральных составляющих спектра непрерывных периодических сигналов и формы спектра стационарных шумов с рабочим диапазоном частот 0,1—270 МГц.
Для подавления возможного проникновения в канал УПЧ составляющих «зеркальной помехи» анализаторы спектра реализуются с двух- или трехкратным преобразованием частоты.
ЗАДАЧИ
9.1. Изобразить осциллограмму, которая должна получиться на экране осциллографа, если частота / исследуемого сигнала синусоидальной формы равна 5 кГц, а частота fP линейно изменяющегося напряжения развертки идеальной формы равна 4 кГц.
9.2. Как определить экспериментально нелинейность развертывающего напряжения осциллографа? ■
9.3. Какова должна быть скорость развертки универсального моноблочного осциллографа для наблюдения прямоугольного импульса длительностью /И=Ш не и частотой следования f=100 кГц по всей длине рабочей части экрана 36X60 мм? Полученное значение скорости развертки сравнить со скоростью развертки стробоскопического осциллографа, приняв шаг считывания At= 1 не.
Ответ: 6000 км/с, 0,6 км/с.
9.4. Какова скорость развертки, если диапазон длительности развертки в осциллографе изменяется от 50 мс/дел. до 0,2 мке/дел (1 дел.=6 мм)?
Ответ: 0,12 м/с; 30 км/с.
9.5. При подаче сигнала на открытый вход осциллографа на экране получилась осциллограмма, изображающая сигнал при двух-полупериодном выпрямлении (см. гл. 6). При реализации закрытого входа осциллограмма опустилась на три деления. Определить максимальное значение сигнала, если коэффициент отклонения по вертикали равен 0,2 В/дел.
Ответ: 0,9 В.