Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрология и измерения в телекоммуникационных системах. Учебное пособие
.pdf
Параллельный анализ
Ф
1
Д
1
РУ
1
Ф
2
Д
2
РУ
2
Ф
n
Д
n
РУ
n
U(t)
K()
S()
D
ф
D
р
1
2
3
4
∆ωф – мера разрешающей способности;
∆ωр – частотный интервал между соседними
составляющими.
∆ωр ≤ ∆ωф – даст одну спектральную линию.
Прибор должен обладать частотной избирательностью, т.е. уметь различать
различные воздействующие на него частоты. Схема такого прибора показана на
рис. 121, где Ф
РУ
– регистрирующие устройства. Характерным для параллельных анализаторов
i
– фильтры, настроенные на различные частоты; Дi – детекторы;
i
является наличие n-каналов.
Напряжение на выходе фильтров определяется составляющими спектра
исследуемого сигнала. Погрешность при параллельном анализе определяют
следующие основные факторы: а) конечность времени установления колебаний на
выходе фильтра и зависимость её от полосы пропускания; б) различные характе-
ристики фильтров, настроенных на разные частоты.
Рисунок 121 - Параллельный анализ спектра
Важнейшей характеристикой анализатора спектра является его разрешающая
способность (способность разделить две соседние спектральные линии)
(рис. 122).
Рисунок 122 - Теоретическая разрешающая способность
101
1 2 3 4 5
0
2
3
Ф РУ
S()
f
Входной
блок
Смеситель
Генератор
УПЧ Детектор Прибор
Uвх(f)
ff
прf1fг1
f2f
г2
f
пр
f
пр
диапазон
Реальные характеристики.
Рисунок 123 - Разрешающая способность при реальных условиях
В реальных условиях – даст отклик на двух фильтрах (рис. 123). Анализаторы такого типа применяются в основном для анализа спектров одиночных
импульсов.
Последовательный анализ
Анализ производится за счёт перестройки фильтра последовательно на частотные составляющие спектра (рис. 124).
Рисунок 124 - Последовательный анализ спектра
Сам принцип последовательного анализа пригоден для анализа лишь периодических сигналов, для одиночных импульсов данный принцип не пригоден. В
широком диапазоне частот построить фильтр с хорошей избирательностью достаточно сложная задача. Поэтому способ последовательного анализа видоизменяют
так, чтобы не перестраивать частоту контура, а перемещать по шкале частот весь
спектр исследуемого сигнала: fпр = fг – fс, т.е. с помощью селективного вольтметра
(рис. 125).
Рисунок 125 - Работа селективного вольтметра
102
Осциллографический анализатор спектра
Калибратор
Смеситель
1
Преселектор УПЧ
1
Смеситель
2
УПЧ
2
Детектор Усилитель
Генератор Модулятор
Гетеродин
2
ГКЧ
ГПН ЭЛТ
YX
Анализатор
f
г1
f
г2
f
с
f
пч1
f
пч2
Рисунок 126 - Схема осциллографического анализатора спектра
Принцип работы
Входной высокочастотный сигнал после фильтрации в преселекторе поступает на первый смеситель, представляющий собой нелинейный элемент, где под
действием напряжения первого гетеродина (генератора вспомогательных колебаний) с частотой fг1 происходит процесс преобразования входного сигнала
(рис. 126). Частота, в которую преобразуется несущая частота принимаемого сигнала, называется промежуточной. Частота колебаний fг1 гетеродинного напряжения определяется настройкой контура гетеродина, который перестраивается под
действием генератора пилообразного напряжения (ГПН).
На выходе смесителя получается напряжение, состоящее из гармоник входных сигналов nfс и mfг1, а также комбинационные частоты вида |nfс ± mfг1|,
где n, m = 1, 2, 3.... При этом в анализаторе спектра, основанного на принципе
супергетеродинного приёмника с двойным преобразованием частоты, выделяют
первую гармонику комбинационных составляющих: n = m = 1, т.е. f
Преобразование частоты обуславливает особенности супергетеродинного
приёмника, которые проявляются прежде всего в образовании побочных каналов
приёма. Наибольшую опасность нормальному приёму представляет зеркальный
канал. Зеркальный канал – это такой канал приёма сигналов, который отличается
по частоте от частоты полезного сигнала на удвоенное значение промежуточной
частоты f
канала f
сигнал с промежуточной частотой, так же, как и полезный сигнал: f
и f
= f
пч1
= fс + 2f
зк1
, и попадая на вход смесителя, сигнал с частотой f
зк1
– f
зк1
. В этом случае устройство будет одновременно принимать оба
г1
= fг1 – fс.
пч1
. При наличии на входе полезного сигнала fс и зеркального
пч1
преобразуется в
зк1
= fг1 – fс
пч1
103
сигнала: fс – полезный сигнал и f
fс fг1 fзк1
f
fпч1fг2
fпч2
УПЧ
1
УПЧ
2
ФНЧ
fпч1fпч1
fпч2
A
– помеха, расположенных симметрично (зер-
зк1
кально) относительно частоты гетеродина.
Рисунок 127 - Принцип преобразования частоты осциллографическим
анализатором спектра
Для решения этой проблемы делают следующее. Первую промежуточную
частоту выбирают значительно выше второй: f
зеркального канала f
имеет высокое значение и эффективно подавляется в
зк1
>> f
пч1
. При этом частота
пч2
преселекторе с помощью ФНЧ (рис. 127).
Таким образом, в супергетеродинном приёмнике с двойным преобразованием частоты избирательность по первому зеркальному каналу обеспечивается
преселектором, избирательность по соседним каналам обеспечивает кварцевый
фильтр и УПЧ
.
2
Генератор развёртки управляет движением луча по оси Х на ЭЛТ и под влиянием ГПН луч движется слева направо. Генератор развёртки управляет ГКЧ
(генератор качающейся частоты) – устройство, частота на выходе которого
зависит от напряжения, приложенного к его входу. Частота на выходе ГКЧ
меняется от f
min
до f
(рис. 128): ∆f
max
гкч
= f
max
– f
min
.
Выходное напряжение с ГКЧ поступает на смеситель, на другой вход которого подается частота исследуемого сигнала. На выходе смесителя из комбинации
частот через УПЧ проходит сигнал fпч = fвх – f
фильтр. Усиленное напряжение U
подается на детектор, который выделяет её
упч
– на которую настроен УПЧ-
гкч
огибающую. В результате всех преобразований на экране получается изображение спектра исследуемого сигнала.
104
f
1
f
2
f
3
f
n
...
f
U
вх
f
г1
f
min
f
пч
f
г2fг3
f
гn
f
max
f
t t
U
вых
S()
U()
S()
U()
пч
пч
1 2
y
1
y
2
t
t
U
k
U
k
y1/y2 ≥ 2 – спектр
различим
Рисунок 128 - Процесс формирования спектра на экране ЭЛТ
Технические характеристики анализаторов спектра
1. Диапазон частот – диапазон, в котором работает данный прибор.
2. Чувствительность – способность реагировать на сигналы малой мощности.
3. Полоса обзора – определяет полосу анализируемых частот за один цикл пе-
рестройки генератора качающейся частоты.
4. Разрешающая способность.
Мерой разрешающей способности является полоса пропускания избирательного элемента, определяющая минимальное расстояние между составляющими спектра, позволяющая выделить их раздельно (рис. 129).
Рисунок 129 - Влияние полосы пропускания на разрешающую способность
105
При последовательном анализе на резонансную систему воздействует сиг-
2 2 2
23
г
1
...
n
U U U
K
U
2 2 2 2 2 2
2 3 2 3
г1
2 2 2
12
... ...
...
nn
n
U U U U U U
K
U
U U U
г1
г
2
г1
1
K
KK
а – статическая разрешающая
способность;
б – динамическая
разрешающая способность.
б
U()
а
нал с плавно изменяющейся частотой. Огибающая колебаний, возникающих на
выходе контура, повторяет форму частотной характеристики резонансной цепи.
Разрешающая способность является лишь функцией параметров полосового
фильтра.
Динамическая разрешающая способность зависит от скорости изменения
частоты ГКЧ. При увеличении скорости перестройки напряжение на выходе усилителя промежуточной частоты не успевает изменяться в соответствии с изменением напряжения на входе, так как энергия, запасенная в избирательной системе,
не может измениться мгновенно. На рис. 130 изображены статическая и динамическая характеристики колебательного контура.
Рисунок 130 - Статическая и динамическая разрешающие способности
5. Время анализа.
а) продолжительность одновременного анализа обусловлена временем установления колебаний. Она обратно пропорциональна полосе пропускания ∆f одиночного полосового фильтра, т.е. t = A/∆f, где А – коэффициент, зависящий от
типа избирательной системы;
б) продолжительность последовательного анализа прямо пропорциональна
ширине исследуемого спектра F и обратно пропорциональна квадрату полосы
пропускания ∆f избирательной системы:
t
= AF/(∆f)2.
посл
Чем выше разрешающая способность, тем больше должно быть время анализа: (∆f)↓ – t
посл
↑.
Анализ нелинейных искажений
.
Анализ нелинейных искажений представляет собой отношение среднеквадратического значения всех гармоник напряжения искаженного сигнала, кроме
первой, к среднеквадратическому значению напряжения первой гармоники.
Метод «подавления основной частоты»:
При (Kг < 0,1): Kг и Kг1 отличаются меньше чем на 1%.
;
.
106
Режекторный
фильтр
Квадратичный
вольтметр
УсилительВходной блок
1
2
К
E
R
к
R
пр
R
x
К
Рисунок 131 - Анализатор нелинейных искажений
Прибор состоит из (рис. 131): входного устройства, которое развязывает
прибор с измеряемой цепью, режекторного фильтра, который должен отфильтровать первую гармонику, усилителя и квадратичного вольтметра.
Процесс измерения сводится к следующему: на вход прибора подают сигнал
с испытуемого устройства, переключатель в положении «1» («калибровка»), т.е.
на вольтметр через усилитель поступает весь сигнал. Регулируя коэффициент
усиления, добиваются показания 100%, т.е. единице будет равен знаменатель в
выражении для Kг1.
Устанавливают переключатель в положение «2» («измерение») и настройкой фильтра убирают первую гармонику – остаются гармоники, составляющие
продукт нелинейного преобразования синусоидального измерительного сигнала.
Эти нелинейные продукты поступают на вольтметр через усилитель с коэффициентом усиления, установленным при калибровке. Так как знаменатель в результате калибровки равен единице, то показание вольтметра (проградуированного в
процентах или децибелах) и будет Kг1.
IX. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМПОНЕНТОВ СХЕМ С
СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПОСТОЯННЫМИ (ИЗМЕРЕНИЕ R, L, C)
Наиболее распространенные методы
I. Непосредственной оценки на постоянном токе (измерение сопротивлений).
II. Сравнения с помощью мостовых схем.
III. Резонансный.
IV. Цифровой (метод дискретного счёта).
I, II, III выполняют как в аналоговом, так и в цифровом виде.
I. Непосредственной оценки на постоянном токе (измерение сопротивлений).
Наиболее простой и наименее точный.
Рисунок 132 - Метод непосредственной оценки на постоянном токе
107
к пр x
E
I
R R R
к пр пр
()
x
xx
ER
I
R R R R R
E
R
к
R
пр
R
x
К
- При подключении измеряемого резистора Rx к зажимам прибора в цепи на
рис. 132 протекает ток:
.
Значение тока, а следовательно, и угол отклонения стрелки прибора зависят
от Rx. Чем больше Rx, тем меньше отклонение стрелки. Таким образом омметр,
выполненный по данной схеме, имеет обратную шкалу, т.е. нулевому значению
сопротивления измеряемого резистора соответствует крайняя правая отметка
шкалы. В качестве источника тока обычно в омметрах используются сухие элементы (первичные элементы или элементы одноразового действия). Уменьшение
ЭДС источника питания приводит к изменению показаний прибора, поэтому в
схеме предусматривается включение калибровочного резистора Rк. Перед измерением прибор калибруют: замыкают переключатель и, изменяя Rк, достигают нулевого показания прибора. Поскольку зависимость тока, протекающего через
прибор, от измеряемого сопротивления нелинейна, то нелинейна и шкала омметра. Схема обычно используется для измерения больших сопротивлений. Добавочное сопротивление включается в схемы для того, чтобы при калибровке, когда
ключ К замкнут, не произошло короткого замыкания источника питания при
крайнем правом положении движка потенциометра. Кроме того, добавочное сопротивление позволяет изменять пределы измерений.
- Для измерения малых сопротивлений используют следующую схему
(рис. 133). Прибор калибруют при разомкнутом переключателе, при этом весь ток
протекает через прибор, и угол отклонения стрелки оказывается максимальным.
При подключении Rx часть тока ответвляется в параллельную цепь, и угол отклонения уменьшается. Таким образом, шкала омметра оказывается прямой и нелинейной. Ток через прибор определяется соотношением:
.
Рисунок 133 - Метод непосредственной оценки на постоянном токе
для измерения малых сопротивлений
108
2
вых
1
1
1
UR
U
R
K
( )
1
12
R
RR
2
вых
1
UR
U
R
1
3
2
x
R
RR
R
V
R
1
R
2
U
вых
U
~
–
- Электронные омметры выполняют на основе усилителя постоянного тока
(УПТ) с большим коэффициентом усиления, охваченного отрицательной обратной связью (рис. 134). Напряжение на выходе усилителя:
,
где K – коэффициент усиления УПТ без обратной связи;
– коэф-
фициент обратной связи.
Рисунок 134 - Метод непосредственной оценки на постоянном токе, выполненный
с отрицательной обратной связью
При достаточно большом коэффициенте усиления УПТ Kβ >> 1 выражение
принимает вид:
.
Если Rx = R2 – в цепи обратной связи, то шкалу можно градуировать в единицах сопротивлений. Шкала прямая, равномерная (измерения от Ом до МОм).
Погрешность – 2,5%. Если Rx = R1 – в тераомметрах, шкала обратная, δ до 10%
при измерениях Rx ≥ 1012 Ом.
II. Мостовые схемы
- Схема ординарного моста постоянного тока содержит четыре резистора
R1, R2, R3, R4, образующих четыре плеча (рис. 135). В одну из диагоналей мостовой схемы включен высокочувствительный гальванометр (индикатор нуля), в
другую – источник питания схемы. Изменяя сопротивления плеч моста, можно
добиться равенства потенциалов, а следовательно, отсутствия тока через гальванометр. Как известно, в этом случае R1∙R3 = R2∙R4. Состояние мостовой схемы, когда ток в цепи гальванометра отсутствует, называют балансом моста. Из соотно-
шения, если принять R4 = Rx, следует:
Резистор R4, включенный в плечо, смежное по отношению к измеряемому,
.
109
называют образцовым плечом сравнения. Он является основным элементом при
1 3 2 4
Z Z Z Z
k
j
k
Z Z e
1 3 2 4 1 3 2 4
, Z Z Z Z
R
1
R
2
R
3
R
4
E
Z
1
Z
2
Z
3
Z
4
U
определении сопротивления Rx и выполняется в промышленных приборах в виде
высокоточного пяти-, шестидекадного магазина сопротивлений. Отношение сопротивлений R1/R2 меняется скачкообразно с кратностью 10n. Это обеспечивает
широкие пределы измерений. Можно переходить от одного поддиапазона к
другому.
Рисунок 135 - Мост постоянного тока
- Измерительный мост переменного тока (рис. 136) отличается от рас-
смотренного тем, что в нём используется источник переменного тока и сопротивления его плеч являются комплексными. Индикатор баланса также рассчитан на
переменный ток. Можно в качестве индикатора использовать вольтметр, рассчитанный на переменный ток или головные телефоны. Обычно полагают Z1 неизвестным и подлежащим определению. Баланс моста соответствует условию:
,
, где Zk – модуль полного сопротивления; φk – фазовые
сдвиги между током и напряжением.
Рисунок 136 - Мост переменного тока
Измеряют:
2. Индуктивность катушки и её добротность (рис. 137б).
Условие баланса моста: наличие двух уравнений, определяющих условие
равновесия моста переменного тока – не менее двух регулируемых элементов.
1. Ёмкость и угол потерь конденсатора (рис. 137а).
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]