Принцип дії

Атоми кожного хімічного елемента мають певні резонансні частоти, внаслідок чого саме на цих частотах вони випромінюють або поглинають світло. Це призводить до того, що в спектроскопі на спектрах видимі лінії (темні або світлі) в певних місцях, характерних для кожної речовини. Інтенсивність ліній залежить від кількості речовини і її стану. У кількісному спектральному аналізі визначають зміст досліджуваної речовини по відносній або абсолютній інтенсивності ліній або смуг у спектрах.

Якщо вузький пучок білого світла спрямувати на бічну грань тригранної призми, то, по-різному заломлюючись у склі, промені, з яких складається біле світло, дадуть на екрані райдужну смужку, що називається спектром. У спектрі всі кольори розміщені завжди в певному порядку. Світло поширюється у вигляді електромагнітних хвиль.

Кожному кольору відповідає певна довжина електромагнітної хвилі. Довжина хвилі світла зменшується від червоних проме­нів до фіолетових приблизно від 0,7 до 0,4 мкм. За фіолетовими променями у спектрі лежать ультрафіолетові промені, які невиди­мі для ока, але діють на фотопластинку. Ще меншу довжину хви­лі мають рентгенівські промені. За червоними променями знахо­диться область інфрачервоних променів. Вони невидимі, але сприй­маються приймачами інфрачервоного випромінювання, наприклад спеціальними фотопластинками.

Оптичний спектральний аналіз характеризується відносною простотою виконання, відсутністю складної підготовки проб до аналізу, незначною кількістю речовини (10—30 мг), необхідної для аналізу на велике число елементів. Атомарні спектри (поглинання або випуску) одержують переведенням речовини в пароподібний стан шляхом нагрівання проби до 1 000—10 000°C. Як джерела збудження атомів при емісійному аналізі електропровідних матеріалів застосовують іскру, дугу змінного струму; при цьому пробу розміщають у кратері одного з вугільних електродів. Для аналізу розчинів широко використовують полум'я або плазму різних газів.

Додаток

Введение

Анализ электрических сигналов необходим во многих областях науки и техники. Приборы для такого анализа включают ана­лизаторы спектра, анализаторы гармоник, измерители нелиней­ных искажений, анализаторы звука и измерители коэффициен­та модуляции. Последние три типа приборов используются пре­имущественно для акустических измерений и анализа систем связи и описаны в гл. 14 и 15. В данной главе рассмотрены принципы действия анализаторов гармоник и спектра, а также вопросы измерения шумов.

Все приборы для анализа сигналов измеряют основные час­тотные характеристики сигналов, но различными методами. В анализаторе спектра осуществляется сканирование по диапа­зону частот сигнала и на экране строится зависимость ампли­туды от частоты. Его рабочий диапазон простирается примерно от 0,02 Гц до 250 ГГц. Анализатор гармоник представляет со­бой селективный вольтметр, который можно перестраивать с высокой точностью и измерять амплитуду на отдельной частоте в полосе от 10 Гц до 40 МГц.

Измерители нелинейных искажений работают в диапазоне 5 Гц— 1 МГц и определяют долю энергии сигнала за предела­ми определенной полосы частот. Иначе говоря, прибор отстраи­вается от основной гармоники и регистрирует все высшие гар­моники. Анализатор звука подобен измерителю нелинейных искажений, но может выполнять и другие функции, например измерять шумы. Измерители коэффициента модуляции (моду- лометры) настраиваются на исследуемый сигнал и восстанав­ливают форму огибающей АМ-, ЧМ- или ФМ-сигнала, которая затем подается на дисплей или подвергается дальнейшему анализу.

Анализатор гармоник

Анализатор гармоник носит также названия селективного или частотно-селективного вольтметра или вольтметра несущей час­тоты. Он применяется для измерения амплитуды сложного сиг­нала на отдельной частоте, например для измерения амплитуды в присутствии шумов.

Существует два типа анализаторов гармоник в зависимости от диапазона частот. Для измерений в диапазоне звуковых час­тот сигнал ослабляется до необходимого уровня и усиливается. Затем он пропускается через узкополосный фильтр, который настраивается с целью выделения нужной частоты. Сигнал этой частоты усиливается и поступает на выходной индикатор. Ин­дикатор обычно состоит из аналогового измерителя, который определяет амплитуду на выделенной частоте, и механического или электронного цифрового отсчетного устройства, которое указывает выбранную частоту.

Прибор обладает очень узкой полосой—около 1% значения выделенной частоты.

Для измерений на частотах мегагерцевого диапазона приме­няют гетеродинный анализатор гармоник, схема которого изоб­ражена на рис. 11.1. Входной сигнал проходит через аттенюатор и усилитель, а затем смешивается с сигналом гетеродина. Гете­родин настраивается так, чтобы на выходе получался сигнал фиксированной частоты, соответствующей полосе усилителя промежуточной частоты. Затем этот сигнал смешивается с вы­ходным сигналом второго управляемого кварцевого генератора, частота которого выбирается так, чтобы центр полосы частот на выходе смесителя соответствовал нулевой частоте. С выхода смесителя сигнал поступает на активный фильтр с управляемой шириной полосы, который пропускает выделенную частоту к индикатору.

Хорошая стабильность частоты в анализаторе гармоник до­стигается с помощью синтезаторов частоты, которые имеют вы­сокие точность и разрешение, или методом автоматической под­стройки частоты (АПЧ). В системе с АПЧ гетеродин синхрони­зуется сигналом, что исключает дрейф между ними.

Анализатор спектра

Анализатор спектра — это анализатор гармоник с электронным сканированием частоты и представлением результатов на экра­не электронно-лучевой трубки. В этом разделе описаны прин­ципы работы и характеристики анализаторов спектра (спектро- анализаторов). Их применения рассмотрены в соответствующих главах части 3.

Рис. 11.2 иллюстрирует принципиальное различие между изображениями на экранах осциллографа и спектроанализато- ра. Осциллограф показывает зависимость амплитуды сигнала от времени, поэтому принято говорить, что он работает во вре­менной области. Спектроанализатор показывает зависимость амплитуды от частоты, т. е. работает в частотной области. При­бор разлагает сигнал на отдельные частотные компоненты и

представляет их на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) в виде ряда вертикальных линий. Положение каждой линии на экране соответствует ее частоте, а длина линии отражает ам­плитуду сигнала на данной частоте. Преимущество анализатора спектра перед осциллографом видно на рис. 11.2. Осциллограф показывает, что форма сигнала близка к синусоидальной, на экране анализатора каждая составляющая спектра видна от­дельно, что позволяет более точно измерить искажения.

Спектроанализатор, работающий в реальном времени.

Анализаторы, работающие в реальном времени, бывают много­канальными или на основе преобразования Фурье.

Многоканальный анализатор, работающий в реальном вре­мени, содержит набор фильтров с фиксированной полосой про­пускания (рис. 11.3), причем скаты соседних фильтров пересекаются на уровне 3 дБ. Входной сигнал подается одновременно на все фильтры, которые выделяют из него отдельные частот­ные компоненты. Электронное сканирующее устройство пооче­редно выделяет выходной сигнал каждого детектора и подает его на пластины вертикального отклонения ЭЛТ синхронно с сигналом, который управляет сканирующим устройством и по­дается также на пластины горизонтального отклонения. В ре­зультате амплитуды частотных составляющих образуют на экране ЭЛТ последовательность, определяемую сеткой частот.

Разрешение многоканального анализатора в реальном вре­мени ограничивается шириной полосы пропускания фильтров, а полный диапазон частот представляет собой полосу, которая перекрывается всеми фильтрами. Иначе говоря, он равен про­изведению числа фильтров на полосу пропускания каждого из них. Такой анализатор относительно'дорог, поскольку он содер­жит много фильтров, и не отличается гибкостью, так как каж­дый фильтр обладает фиксированным разрешением. Его пре­имущество состоит в том, что сигнал одновременно поступает на все фильтры, поэтому легко исключить влияние переходных процессов. Многоканальный анализатор имеет также более высокие характеристики, чем перестраиваемый по частоте при­бор, на постоянном токе и низких звуковых частотах, посколь­ку полосу пропускания фильтра можно сделать очень узкой для повышения разрешения. Если это сделать в сканирующем при­боре, придется уменьшить скорость сканирования частоты.

Анализатор с преобразованием Фурье определяет амплитуду и фазу каждой частотной составляющей с помощью серии по­следовательных измерений входного сигнала. В основу его ра­боты положена математическая операция преобразования Фурье, которая разлагает кривую на сумму синусоидальных гармоник. По результатам измерения вариаций сигнала -во времени рас­считываются амплитуды отдельных синусоид и косинусоид и строится график зависимости амплитуды от частоты. Матема­тическая формулировка преобразования Фурье имеет вид

Сканирующие логические анализаторы. Существует два основных типа сканирующих анализаторов: с перестройкой высокой частоты и супергетеродинные. Оба этих типа анализа­торов описаны ниже.

Блок-схема сканирующего анализатора спектра с перестрой­кой высокой частоты изображена на рис. 11.5. В нем применен фильтр с электронной перестройкой и очень узкой полосой пропускания. Фильтр управляется от генератора развертки, Рис. 11.5. Блок-схема сканирующего анализатора спектра с перестройкой вы­сокой частоты. который генерирует пилообразное напряжение. При этом цент­ральная частота фильтра сканирует от миниРисьного до макси­Рисьного значения. Гармоника входного сигнала проходит через фильтр, лишь если его полоса пропускания настроена на частоту этой гармоники, так что входная цепь выделяет поочередно каждую из гармоник. Сигнал, прошедший через фильтр, детек­тируется, усиливается и затем подается на пластины вертикаль­ного отклонения электронно-лучевой трубки. Частота, соответ­ствующая амплитуде сигнала в определенный момент времени, задается генератором развертки, который подключен к пласти­нам горизонтального отклонения ЭЛТ. Это позволяет получить на экране зависимость амплитуды входного сигнала от частоты.

Сканирующий анализатор спектра с перестройкой высокой частоты относительно дешев и чаще всего используется для из­мерений на сверхвысоких частотах, поскольку узкополосные перестраиваемые фильтры получили широкое распространения.