6.3. Средства измерений характеристик спектра. Классификация, основные характеристики

Приведенные выше методы измерений характеристик спектра аппаратурно реализуются различными измерительными приборами, основными из которых являются анализаторы спектра, которые рассматриваются далее.

Основная масса существующих анализаторов спектра реализует второй из изложенных методов, причем реализация идет по пяти направлениям: анализ спектра набором полосовых фильтров (параллельный анализ), анализ спектра с помощью перестраиваемого фильтра или гетеродинированием (последовательный анализ), анализ спектра с помощью дисперсионных линий задержки, анализ на цифровом фильтре и псевдопараллельный анализ.

Бурное развитие в настоящее время получают вычислительные анализаторы благодаря их определенным достоинствам при анализе спектров низких частот. Такие вычислительные анализаторы основаны на вычислении дискретного или быстрого преобразования Фурье.

Кроме того, все анализаторы в зависимости от способа измерения разделяют на приборы последовательного и одновременного анализа (анализаторы, работающие в реальном масштабе времени). Первые содержат фильтр, а анализ спектра производится путем перестройки фильтра по частоте или гетеродинного преобразования исследуемого спектра. При этом изменяется частота гетеродина, а анализатор по своей структуре подобен супергетеродинному приемнику. Приборы второго типа отличаются тем, что спектр анализируемого процесса на определенном участке частот, определяемом «окном», воспроизводится почти одновременно (за время много меньшее длительности анализируемого процесса). К последним анализаторам относятся анализаторы параллельного и псевдопараллельного действия, дисперсионные анализаторы спектра и ряд вычислительных анализаторов в определенном диапазоне частот.

Рассмотрим принцип работы и характеристики перечисленных выше анализаторов.

6.3.1Анализаторы спектра параллельного действия

В этих приборах анализ спектра производится с помощью фильтров с перекрывающимися частотными характеристиками (рис. 5.7, а). Выходные напряжения фильтров после детектирования (рис. 5.7,б) поочередно с помощью коммутатора подаются на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Коммутатором управляет ступенчатое напряжение генератора развертки. За время действия от t₀ до t₁ первой ступеньки (рис. 5.7,в) к вертикально отклоняющим пластинам ЭЛТ подключен детектор 1, за время действия от t₁ до t₂ (второй ступеньки) — детектор 2 и т. д. По истечении периода развертки все фильтры будут поочередно подключены к вертикально отклоняющим пластинам ЭЛТ.

Пусть анализируемое колебание содержит две спектральные составляющие с амплитудами U₂ и U₂, а частоты составляющих f₁ и f₂ совпадают с центральными частотами фильтров 2 и 4. Как следует из рис. 5.7,б, под действием входного колебания на выходе фильтров 2 и 4 возникнут напряжения, пропорциональные U₂ и U₂ а на выходе фильтров 1,3 и 5 — напряжения значительно меньшей амплитуды. На экране ЭЛТ возникнут пять выбросов, несущих информацию об исследуемом спектре (рис. 5.7, г). Отсчет спектральных составляющих производится обычно только по амплитудам двух наибольших выбросов, а остальные три являются нежелательными. Нежелательные выбросы становятся тем меньше, чем ближе форма частотных характеристик фильтров к прямоугольной, так как при прямоугольной форме под действием спектральной составляющей появляется напряжение на выходе только одного фильтра.

Важнейшей характеристикой анализатора является его разрешающая способность.

Рис. 5.21. Структурная схема анализатора спектра параллельного действия и принцип его работы.

количественно определяемая как минимальная разность частот двух спектральных составляющих, при которой эти составляющие можно наблюдать на экране ЭЛТ раздельно. Как следует из рис. 5.7, д, для фильтров с прямоугольной частотной характеристикой К (f) (идеальных фильтров) разрешающая способность Δf_p = 2Δf_ф.

Однако частотную характеристику прямоугольной формы невозможно реализовать на практике, и в анализаторах используют фильтры с частотной характеристикой, близкой к прямоугольной. Надежного разделения спектральных составляющих достигают при большой разности частоты, и разрешающую способность приблизительно оценивают удвоенной полосой пропускания фильтра:

Δf_p = 2(2Δf_ф) (5.19)

Для получения постоянной разрешающей способности во всем диапазоне анализируемых частот фильтры следует делать с постоянной полосой пропускания. Это требование легко выполнить в том случае, когда отношение максимальной анализируемой частоты к минимальной не превышает нескольких единиц. Но даже в звуковом и инфразвуком диапазонах необходимо вести анализ от долей герца до единиц килогерц, при этом полоса пропускания фильтра на нижней границе частот должна быть 0,01 Гц и меньше. Сохранение такой полосы во всем диапазоне невозможно, поскольку на частоте 1 кГц фильтр должен иметь эквивалентную добротность 10⁵. Кроме того, число фильтров для анализа сигналов в звуковом диапазоне с такой разрешающей способностью столь велико, что реализовать такое устройство практически невозможно. Во избежание этого фильтры выполняют с одинаковой эквивалентной добротностью, а их полоса пропускания выбирается кратной октаве (обычно 1/3 и 1/2 октавы).

Фильтрам анализатора свойственна инерционность, которую принято оценивать временем установления τ_у напряжения на выходе фильтра от 0,1 до 0,9 установившегося значения (значения 0,1 и 0,9 приняты условно и в ряде конкретных случаев могут быть другими).

Как известно, для фильтров с различной формой частотной характеристики

τ_у = А/2Δf_ф (5.20)

где А — постоянный коэффициент, зависящий от типа применяемого фильтра. Так, для одиночного контура А = 0,73, для системы связанных контуров с критической связью А = 0,72. Для приближенных расчетов можно принять А = 1.

Очевидно, что спектральные составляющие можно измерить по истечении интервала времени, большего или равного τ_у. Этот интервал характеризует время анализа

Т_а = τ_у 1/2Δf_ф (5.21)

Если фильтры имеют разные полосы пропускания, то время анализа определяется наименьшей полосой.