Лекция № 5.

Спектральный анализ колебаний. Последовательный анализ спектров с помощью гетеродинного преобразования. Структурная схема анализатора. Основные характеристики анализатора.

Последовательный анализ спектров чаще всего реализуют путем гетеродинного преобразования исследуемого колебания с помощью узкополосных фильтров. Последовательную настройку фильтров осуществляют изменением частоты гетеродина, т.е. смещением исследуемого спектра. Анализаторы такого типа применяют в широком диапазоне частот.

Структурная схема анализатора.

Рассмотрим работу гетеродинного анализатора спектра с помощью упрощенной структурной схемы представленной на рисунке 1. Генератор развертки G2 вырабатывает пилообразное напряжение up, которое воздействует на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ, вызывая отклонения луча по оси X. Кроме того, это же напряжение поступает на управляющий элемент UB ЧМ гетеродина G1.

Рис. 1

При линейной модуляционной характеристике частота колебаний линейно меняется во времени. Постоянное по амплитуде напряжение ЧМ гетеродина вместе с исследуемым колебанием подается на смеситель UZ.

Пусть спектр колебаний состоит из двух спектральных составляющих с амплитудами U1 и U2 на частотах и , причем по амплитуде эти составляющие много меньше напряжения ЧМ гетеродина. Тогда в области частот, меньших , ток смесителя будет содержать составляющие разностных частот и с амплитудами, пропорциональными U1 и U2. При перестройке гетеродина эти составляющие также будут смещаться по частоте по линейному закону. Колебания со смесителя попадают на усилитель промежуточной частоты А1. Выходной сигнал УПЧ после детектирования детектором UR и усиления усилителем А2 поступает на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.

В начальный момент времени не один из сигналов не попадет в полосу пропускания УПЧ, так что луч не отклоняется по оси Y. В момент времени сигнал с частотой начинает усиливаться УПЧ, вызывая некоторое отклонение луча по оси Y. Это отклонение достигает некоторого максимума, а затем спадает до нуля. На экране ЭЛТ возникает выброс, высота которого пропорциональна U1. Под действием сигнала разностной частоты процесс будет протекать аналогично и в другие моменты времени. Высота второго выброса будет пропорциональной U2. Следовательно, по высоте выбросов можно судить об амплитудах спектральных составляющих, а их частоты определить по положению выбросов по горизонтальной оси на экране ЭЛТ.

При исследовании спектра низкочастотных колебаний для удобства отсчета спектральных линий минимальную частоту ЧМ гетеродина следует выбрать равной .

Тогда первый выброс, обусловленный напряжение ЧМ гетеродина происходит в начальный момент времени , а значения частот и отсчитываются по шкале, ноль которой совмещен с началом развертки.

Основные характеристики анализатора.

Для отсчета частот спектральных составляющих необходимо знать масштаб по оси X, определяемый как приращение частоты гетеродина, отнесенное к смещению луча по оси абсцисс. Поскольку смещение пропорционально изменению напряжения развертки , то масштаб пропорционален отношению . Но зависимость -модуляционная характеристика ЧМ гетеродина, поэтому масштаб обусловлен видом этой зависимости. Бели модуляционная характеристика линейна, то отношение постоянна и масштаб тоже линейный.

Линейный масштаб характерен для большинства анализаторов спектра. В этом случае модуляционная характеристика анализатора имеет вид:

где а-крутизна модуляционной характеристики. Напряжение развертки определяется отклонением луча по оси абсцисс . Под действием колебания с частотой отклонение луча по оси ординат:

таким образом, траектория, а следовательно и наблюдаемые на экране ЭЛТ выбросы, в некотором масштабе соответствуют форме амплитудно- частотной характеристики КП(f).

Необходимо заметить что траектория луча не зависит от закона изменения напряжения во времени. Следовательно развертка в принципе может отличатся от линейной. Отклонение развертки от пилообразной приведет к изменению скорости перемещения луча по оси X, но сама траектория не изменится. Однако линейная развертка все же предпочтительней. Этот случай характерен для статического режима. В динамическом же режиме непостоянство скорости приводит к искажению спектра: колебания постоянной амплитуды вызывают выбросы различной высоты в зависимости от частоты.

Разрешающую способность анализатора спектра оценивают удвоенной полосой пропускания УПЧ. В динамическом режиме полоса пропускания УПЧ расширяется, что ухудшает разрешающую способность. При правильном подборе времени анализа динамическая полоса пропускания лишь незначительно превышает статическую. Но уменьшение времени анализа приводит к ухудшению разрешающей способности.