Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Для измерения спектральной функции S(co) по этой схеме (рис. 14.5) напряжение на выходах схемы отсчитывают после окончания процесса f{t). Анализируя особенности измерений текущего спектра по этой схеме и абстрагируясь от технической реализации идеальных одиночных резонансных контуров, можно подсказать пути упрощения схемы в тех случаях, когда не нужно измерять аргумент текущего спектра. После отключения процесса / (t) от схемы переменное напряжение на идеальных контурах не меняется и для измерения модуля текущего спектра достаточно измерить переменное напряжение на контуре, т. е. достаточна схема с одним идеальным контуром.

Модуль спектральной функции закон-чивщегося процесса можно измерить в одно-канальной схеме с идеальным контуром без ключа, поскольку после окончания процесса переменное напряжение на контуре не зависит от времени (а = 0) и положения ключа, так как нет внещних воздействий.

Практически аппаратурный частотный спектр не соответствует ни полному (14.1), ни текущему (14.2) спектрам, так как реализовать бесконечные пределы интегрирования невозможно.

Практически для анализа непрерывных процессов используют весовые функции («окна»), которые ограничивают процесс, подвергаемый анализу. Используются прямоугольные «окна», «окна» Тьюки, Хэмминга, Бартлега, Парзена и др.

Анализ с использованием весовой функции («окна») выполняется согласно (14.11):

1/(х)= J f{t)h{z-t)dt = = i /(Ой(х-Ое""*""Л =


Рис. 14.6. Наложение весовой функции a(t)

на процесс /(г): 1 - весовая функция; 2 - процесс/(/),3 - a{t)f(i) - взвешенный процесс f(t)

= е>< j f{t)a(x-t)e-J"dt, (14.18)

где a(t - t) -весовая функция, которая как бы вырезает часть процесса f{t) (рис. 14.6).

Применение фильтров с ограниченной полосой пропускания и конечной длительностью окна приводит к определенным по-грещностям, которые можно учитывать.

Уменьшение полосы пропускания анализирующего фильтра при увеличении протяженности «окна» приближает спектральную функцию взвешенного участка процесса f{t)a{x - t) к спектральной функции процесса fit), и при Тф » Тпрц (Тпрц - длительность процесса) они совпадут.

Разновидностью первого метода является метод вычисления коэффициентов Фурье (14.7) как суммы выборочньк значений сигнала, взятьк через промежутки времени At на интервале - Т/2 < t < Г/2 и умноженньк на sin и cos аргумента кюх, с последующим вычислением амплитуды и фазы спектральных составляющих.

Разновидностью второго метода является дисперсионный анализ, где роль анализирующих фильтров выполняет дисперсионная линия задержки.

14.3. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК СПЕКТРА. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИМЕНЕНИЕ

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.



Измерете параметров спектра радиосигналов

Таким образом, аппаратурная реализация анализаторов спектра идет по семи направлениям. 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.

14.3.1. АНАЛИЗАТОРЫ СПЕКТРА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

В этих приборах анализ спектра производится с помощью фильтров с перекрывающимися частотными характеристиками (рис. 14.7, а). Вькодные напряжения фильтров после детектирования (рис. 14.7,6) поочередно с помощью коммутатора подаются на

вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Коммутатором управляет ступенчатое напряжение генератора развертки. За время действия от to до t, первой ступеньки (рис. 14.7, в) к вертикально отклоняющим пластинам ЭЛТ подключен детектор 1, за время действия от t, 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 I/, и 1/2, а частоты составляющих /, и /2 совпадают с центральными частотами фильтров 2 и 4. Как следует из рис. 14.7,6, под действием входного колебания на вьпюде фильтров 2 и 4 возникнут напряжения, пропорциональные Ui и U2, а на вьаоде фильтров 1, 3 и 5 - напряжения значительно меньшей амплитуды. На экране ЭЛТ возникнут пять выбросов, несущих информацию об исследуемом спектре (рис. 14.7, 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.

Детектор 1

Детектор 2

Детектор п


J I I L.

Генератор ступенчатого напряжения

0 1 *г *г

Ке&) Кз&) K(f) Ш


S) г) - е)

Рис. 14.7. 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. 14.7, й, для фильтров с прямоугольной частотной характеристикой К (/) (идеальных фильтров) разрешающая способность Д/р = 2Д/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:

Д/р = 2(2Д/ф).

(14.19)

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 ин-фразвуковом 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 всим диапазоне невозможно, поскольку на частоте 1 кГц фильтр должен иметь эквивалентную добротность 10. 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).

Как отмечалось в § 14.2, фильтрам анализатора свойственна инерционность, которую принято оценивать временем установления Ту напряжения на вькоде 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

Ту = у4/2Д/ф,

(14.20)

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=\.

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

Та = Ту;«1/2Д/ф.

(14.21)

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

Анализаторы спектра с набором полосовых фильтров не получили широкого распространения, главньгм образом, из-за сложности систем фильтров, их большой стоимости, невозможности анализа в широкой полосе частот при хорошей разрешающей способности. Достоинством этих приборов является малое время измерения по сравнению с другими видами анализаторов спектра, что в ряде случаев является определяющим.

14.3.2. ГЕТЕРОДИННЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ СПЕКТРА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ТИПА

Как уже отмечалось, в большинстве случаев достаточно иметь информацию об амплитуде и частоте составляющих спектра сигналов, а фазовый спектр не представляет интереса. Для измерения амплитудного спектра в большинстве случаев используют анализаторы спектра последовательного типа. С помощью приборов этого класса можно исследовать периодические и другие виды сигналов, спектры которых практически не изменяются за время измерения. Такие приборы получили наибольшее распространение.

Рассмотрим работу гетеродинного анализатора спектра по упрощенной структурной схеме (рис. 14.8, а).

Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение 1/раз, которое воздействует на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ, вызывая отклонение луча по оси X. Кроме того, это же нагфяжение поступает на управляющий элемент частотно-модулированного генератора (ЧМ генератора). При линейной модуляционной характеристике частота колебаний линейно меняется во времени (рис. 14.8,6). Постоянное по амплитуде напряжение ЧМ генератора вместе с исследуемым колебанием подается на смеситель. Пусть спектр колебания состоит из двух спектральных составляющих с амгшиту-дами I/, и l/j на частотах и f, причем по амплитуде эти составляющие много



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 [142] 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.015