Электронные анализаторы спектров

Как уже упоминалось, электрический сигнал может быть дан в спектральном представлении. Наибольший интерес для практических целей представляет спектр амплитуд или заменяющий его спектр мощ­ности гармонических составляющих .

Знание спектра амплитуд или мощности гармоник позволяет су­дить о распределении мощности сигнала по частоте, определять необ­ходимые полосы пропускания электронных устройств, которые должны работать со сложными по форме сигналами, находить частоты и ускоре­ния наиболее опасных составляющих вибраций конструкций и т. д.

Устройства, предназначенные для аппаратурного нахождения спект­ра амплитуд или мощности, называют анализаторами спектров или ана­лизаторами гармоник.

Для спектрального анализа применяют два основных метода, при­чем оба используют частотно-избирательные фильтры.

При использовании метода последовательного анализа выделение каждой гармонической составляющей спектра производится путем последовательной перестройки узкополосного фильтра, имеющего соответствующую амплитудно-частотную характеристику, а измерение их максимумов — путем подключения к вы­ходу фильтра пикового вольтметра. Частоты гармонических составляю­щих определяются по шкале настройки фильтра.

При применении метода парал­лельного анализа используется прибор, состоящий из большого числа узкополосных фильтров, настроенных на разные достаточно близкие частоты f_1, f_2, f_{3, ...} f_n. Максимум каждой гармонической составляющей измеряется собственным пиковым вольтметром. Приборы, работающие по методу параллельного анализа, более громоздки, но позволяют исследовать нестационарные процессы, поэтому они применяются в основном в специальной аппаратуре.

Наибольшее распространение получили анализаторы последовательного анализа. Однако вместо перестраиваемого фильтра они строятся на основе одного узкополосного фильтра с фиксированной настройкой и гетеродинного метода преобразования частоты. Если исследуемое напряжение u (t) содержит гармоники f_1, 2f_1, 3f₁ и т.д. частота гетеродина, плавно перестраиваясь, последовательно принимает значения f_г = f_ф + nf₁, то на вход фильтрв эти моменты будет поступать напряжение с частотой f_ф = f_г - nf₁ и амплитудой, пропорцио­нальной амплитуде соответствующей гармоники исследуемого напряже­ния.

Для графического представления результатов анализа очень часто используется электронно-лучевая трубка. В этом случае представляется возможным автоматизировать процесс гармонического анализа, если частоту гетеродина перестраивать (например с помощью реактивной лампы) пилообразным напряжением, которое одновременно отклоняет луч ЭЛТ по горизонтали. При линейной зависимости между частотой гетеродина и напряжением развертки ось Х наэкране ЭЛТ превращается в ось частот, поэтому можно наблюдать изображение спектра в виде всплеска на частоте f_р.

Для маркировки оси частот анализатора в его состав вводят калибратор частоты — автогенератор соответствующего диапазона частот.

При практическом использовании анализаторов спектра осциллографического типа с автоматической перестройкой частоты гетеродина следует иметь в виду следующее. При непрерывном изменении частоты сигнала, поступающего на избирательный фильтр, действительная ре­зонансная характеристика фильтра, получившая название динамиче­ской, отличается от статистической характеристики этого фильтра, полу­чаемой при очень медленном (обычно дискретном) изменении частоты измерительного сигнала.

Динамическая характеристика фильтра отличается от статической меньшей высотой (меньшим коэффициентом передачи фильтра) на резо­нансной частоте, смещением резонансной частоты и расширением полосы пропускания фильтра. Эти отличия тем больше, чем быстрее перестраи­вается частота гетеродина. Таким образом, при неправильно выбранной (излишне высокой) скорости перестройки гетеродина снижается чувст­вительность анализатора и значительно искажается картина спектра.

Второе явление, с которым приходится считаться, — зеркальное изображение спектра, аналогичное зеркальной помехе в супергетеродин­ных радиоприемниках. Оно может появиться в том случае, когда через входные цепи анализатора спектров пройдут на смеситель спектраль­ные составляющие исследуемого сигнала при настройке гетеродина на частоту f_г = nf₁ - f_ф. Получение зеркального изображения спектра приводит к искаженному представлению о спектре и неправильному определению частот его спектральных составляющих (поскольку гра­дуировка шкал анализатора проведена в предположении использования соотношения f_г = f_ф + nf₁)_.

Зеркальное изображение в анализаторах спектров исключают так же, как исключают или ослабляют зеркальную помеху в радиоприемни­ках: выбором достаточно высокой промежуточной частоты f_ф и одно­временной сопряженной перестройкой входных цепей и гетеродина ана­лизатора.

Анализаторы спектров могут быть использованы также и для из­мерения частоты гармонических колебаний. При этом точность определе­ния значения частоты зависит от разрешающей способности применен­ного анализатора спектров и точности градуировки его шкалы (оси) частот.

Точность определения значения измеряемой частоты может быть по­вышена, если использовать вспомогательный образцовый генератор и метод сравнения исследуемого напряжения с напряжением образцо­вого генератора. Для этого на вход анализатора подают оба напряже­ния - исследуемое и образцового генератора - и перестраивают частоту образцового генератора до совмещения изображений. При точ­ном совмещении изображений частота исследуемого напряжения абсо­лютно равна частоте образцового генератора.