Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Преобразователь частоты

Детектор

генератор

Управля-элемент

Генератор 4.~j

развертки


5) t K(f)

Рис. 14.8. Структурная схема гетеродинного анализатора спектра последовательного анализа и принцип его работы

меньше напряжения l/p ЧМ генератора (рис. 14.8, в). Тогда в области частот, меньших частоты генератора /г, ток смесителя будет содержать составляющие разностных частот /г - /i и /г - /г с амплитудами, пропорциональными I/, и l/j. При перестройке генератора эти составляющие также будут смещаться по частоте по линейному закону, как показано на рис. 14.8, б. Колебание со смесителя попадает на усилитель промежуточной частоты УПЧ - высокоизбирательное устройство, настроенное на частоту /р с ам.плитудно-частотной характеристикой К(/) (рис. 14.8.6).

Построение траектории светящегося пятна на экране ЭЛТ показано на рис. 14.8,6. При перестройке генератора сигналы I/, и U2 последовательно на экране ЭЛТ воспроизводят форму АЧХ УПЧ. Высота выбросов на экране ЭЛТ пропорциональна Vi и V2 (рис. 14.8, г). Следовательно, по высоте выбросов можно судить об амплитудах спектральных составляющих, а их частоты определять по положению выбросов по горизонтальной оси на экране ЭЛТ и частоте /г.

При исследовании спектра для удобства отсчета спектральных линий минимальную частоту ЧМ генератора /,„;„ следует выби-

рать равной /ф. Тогда первый выброс, обусловленный напряжением ЧМ генератора, происходит в момент времени а значения частот /, и /2 отсчитываются по шкале, ,нуль которой совмещен с началом развертки (рис. 14.8, д).

Для отсчета частот спектральных составляющих необходимо знать масштаб по оси X, определяемый как приращение Д/г частоты генератора, отнесенное к смещению АХ пятна по оси абсцисс. Поскольку смещение ДХ пропорционально изменению напряжения развертки ДС/раз, масштаб пропорционален отношению Д/г/ДСраз, но зависимость /г (t/раз) - модуляционная характеристика ЧМ генератора, поэтому характер масштаба определяется видом этой зависимости. Если модуляционная характеристика линейна, то отношение Д/г/Д1/раз постоянно и масштаб тоже линейный.

Линейный масштаб свойствен большинству анализаторов спектра. В этом случае модуляционная характеристика ЧМ генератора имеет вид /г = + с С/раз, где а - крутизна модуляционной характеристики. Напряжение развертки определяет отклонение пятна по оси абсцисс ЛГ=51/раз- Под действием колебания с частотой /г - /j отклонение пятна по оси ординат

Y = SyK„pV,K{fr-f,)K, (14.22)

где Кпр и Хд - коэффициенты передачи преобразователя и детектора.

Исключив из приведенных соотношений Up33, получим уравнение траектории светящегося пятна:

Y = SyKK,pU,K (/„i„ -Л -I- аВД.

(14.23)

Отсюда ясно, что вид этой зависимости в некотором масштабе соответствует форме АЧХ УПЧ. Следовательно, наблюдаемые на экране ЭЛТ выбросы отображают зависимость К if).

Ранее полагали, что напряжение на выходе УПЧ пропорционально его коэффициенту передачи на частоте воздействующего на него колебания. Такой подход справедлив только в статическом режиме, когда частота ЧМ генератора изменяется с настолько малой скоростью, что переходные процессы в УПЧ успевают полностью закончиться. На практике приходится учитывать влияние переходных процессов, за счет которых частотная характеристика может сильно деформироваться. На экране ЭЛТ при этом наблюдают динамическую частотную характеристику УПЧ. Вид динамиче-




10 20-Гу/Гд

Рис. 14.9. Динамические искажения анализатора спектра. Связь параметров сигнала с характеристиками прибора

ской частотной характеристики определяется статической частотной характеристикой УПЧ и скоростью изменения частоты воздействующего на УПЧ сигнала (рис. 14.9).

На рис. 14.9, а по оси ординат отложено отношение амплитуды напряжения 1/к.дин на контуре в динамическом режиме к резонансному напряжению 1/рез, а по оси абсцисс - обобщенная расстройка t,. Параметром семейства является отношение ty/Тд, где То - время пребывания в пределах полосы пропускания УПЧ спектральной составляющей. Как следует из рис. 14.8,6, скорость смещения частоты сигнала ЧМ генератора равна (/max-/m.«)/Ta, где fi/iax - максимальная частота ЧМ генератора; Та - время анализа спектра, определяемое длительностью прямого хода развертки. Очевидно, что

То = 2Д/фТа/(/„„;с - fmin)- (14.24)

Поскольку Ту 1/2Д/ф, то

ty/to = {/пшх - /™«)/Та(2Д/ф)

обусловлена биениями между внешним сигналом изменяющейся частоты и собственными колебаниями контура. Анализ показывает, что росту отношения Ту/То соответствует расширение полосы пропускания динамической характеристики 2Д/дин, как показано на рис. 14.9,6.

В анализаторах спектра нет необходимости точно воспроизводить частотную харак-тфистику УПЧ, так как информация о спектре заложена в положении выбросов по оси X и в их амплитуде. Здесь вполне допустимо небольшое отклонение формы выбросов от формы АЧХ УПЧ, поэтому для анализатора спектра можно принять ТуДо = 1. Тогда время анализа вычисляется из соотношения

Та = W„„.v - /т.>,)/(2Д/ф) (14.26)

и может достигать десятков секунд, поэтому в анализаторах спектра используют трубки с послесвечением. Из рис. 14.9, а видно, что при переходе с одной скорости развертки на другую изменяется отношение 1/к,д„„/1/рез, поэтому для точного измерения амплитуды составляющих спектра при таком переходе необходимо каждый раз проводить калибровку прибора.

Разрешающую способность анализатора спектра оценивают удвоенной полосой пропускания УПЧ. В динамическом режиме полоса пропускания УПЧ расширяется, что ухудшает разрешающую способность. Это ухудшение можно оценить по графику, приведенному на рис. 14.9,6, из которого следует, что, например, значению Ту/То = 20 соответствует пятикратное расширение полосы. С переходом в динамический режим разрешающая способность ухудшается. На практике всегда используется динамический режим, поэтому анализатор характеризуется динамической разрешающей способностью Д/р.дин, определяемой из формулы

(14.25)

А/р.ди„ = 2(2Д/д„„).

(14.27)

Кривая, соответствующая Ху/Тд=0, является резонансной кривой контура УПЧ. При увеличении скорости развертки частотные характеристики деформируются. Максимумы характеристик смещаются вгфа-во от резонанса, гфичем смещение возрастает с увеличением скорости нарастания частоты. Это объясняется тем, что на частотах, меньших резонансной, из-за инерционности контура амплитуда колебания не успевает нарасти до установившегося значения и при дальнейшем увеличении частоты гфодолжает увеличиваться. Форма спадающего участка динамической частотной характеристики

Если время анализа выбрано из (14.21), то динамическая полоса пропускания УПЧ 2Д/дин лишь незначительно превышает статическую полосу. Уменьшение времени анализа приводит к ухудшению разрешающей способности.

Ранее указывалось, что форма напряжения развертки может быть любой. При нелинейной развертке скорость изменения частоты ЧМ генератора непостоянна в разных точках экрана. В динамическом режиме это приводит к искажению спектра: колебание постоянной амгшитуды будет вызывать выбросы разной высоты в зависимости от по-



ложения на экране, т. е. от частоты исследуемого колебания. Поскольку для анализаторов спектра характерен динамический режим, развертка всегда должна быть линейной.

Иногда приходится анализировать спектр последовательности импульсов с большой скважностью. Спектры таких импульсов содержат число составляюших, гфи-мерно равное скважности, а их раздельное наблюдение потребовало бы очень большого времени. Поэтому при анализе подобных спектров задача обычно состоит в вьщелении не отдельных спектральных составляюших, а огибаюшей спектра. Соответственно изменяются и требования к разрешающей способности: полосу пропускания УПЧ выбирают значительно уже лепестка спектра. При такой полосе постоянная времени контура УПЧ оказывается намного меньше периода повторения исследуемых импульсных сигналов. По окончании каждого импульса, воздействующего на контур, в последнем происходят свободные колебания, полностью затухающие к моменту гфихода очередного импульса. Следовательно, ход пропесса в контуре не изменяется, если рассматривать воздействие на него не периодической последовательности импульсов, а ряда одиночных импульсов со сплошным спектром.

При рассмотрении принципа работы анализатора предполагалось, что в полосу пропускания УПЧ попадает лишь сигнал с разностной частотой вида /г - /с = /п- Однако в полосу пропускания УПЧ попадает также сигнал с частотой fi = fc + fn (рис. 14.10),

Чтобы анализ спектра осуществлялся на частоте /с, необходимо вьшолнение неравенства

2/п > А/эф,

(14.28)


Рис. 14.10. Основной и зеркальный каналы приема. Исключение побочных каналов приема

где д/эф - эффективная ширина исследуемого спектра, в пределах которой заключена подавляющая часть энергии импульса.

Как известно, эффективная ширина спектра связана с длительностью импульса t„ соотношением д/эф = ХДи, где К - коэффи-" циент, зависящий от формы импульса, способа определения его длительности и отношения энергии, заключенной в пределах д/эф, к общей энергии импульса. Так, для импульса прямоугольной формы гфи X = 6 в полосе частот д/эф сосредоточено 95% энергии импульса.

Для сигналов с широкими спектрами приходится выбирать высокую промежуточную частоту. Полоса пропускания УПЧ может оказаться чрезмерно широкой, а разрешающая способность недостаточной. В этих случаях применяют двойное или тройное преобразование с понижением частоты. Узкополосная фильтрация сигнала происходит в УПЧ, следующим за последним смесителем.

В анализаторах спектра ось частот калибруется с помощью частотных меток либо с помощью маркера.

В простейшем случае для создания метки маркера используется генератор гармонического напряжения, частота которого устанавливается оператором и считывается со шкалы генератора. Это напряжение поступает на вход анализатора и вызывает выброс на экране ЭЛТ - частотную метку. Совмещая метку с выбросами, соответствующими спектральным составляющим, можно измерить частоты последних.

Погрешность измерения частоты зависит от неточности совмещения, погрешности определения частоты по шкале генератора и ширины полосы пропускания УПЧ. Определяющими являются две последние составляющие, так как первую можно исключить многократным повторением измерений.

Измерение частоты составляющих в широкополосном спектре удобнее производить по частотным меткам, получаемым от генератора импульсов, дающих дискретный спектр. Высоту выбросов можно измерять по масштабной сетке, помещенной перед экраном. При этом различают два вида анализаторов спектра, приборы, измеряющие отношение спектральных составляющих, и приборы для измерения абсолютного уровня. Появление анализаторов спектра, измеряющих абсолютный уровень, способствовало сокращению парка измерительных приемников, функции которых они заменили. В настоящее время все выпускаемые анализаторы спектра последовательного типа явля-



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


0.0168