Фильтровые анализаторы спектра

В настоящее время фильтровые анализаторы спектра являются одними из наиболее широко использующихся анализаторов. В фильтровых АС для выделения и анализа составляющих спектра сигнала используются селективные фильтры с узкой полосой пропускания, примерами которых являются резонансные системы (резонаторы).

Для анализа спектра возможно использование как совокупности фильтров, каждый из которых настроен на определенную частоту, так и одного фильтра с перестраиваемой частотой. В соответствии с этим строятся анализаторы спектра параллельного (параллельные АС) и последовательного (последовательные АС) действия.

Анализаторы спектра параллельного действия

Структурная схема АС параллельного типа приведена на рис. Рис. 5 .20. Исследуемый сигнал U(t) после входного устройства (ВУ), в качестве которого может выступать входной аттенюатор, одновременно поступает на n фильтров Ф₁,.., Ф_n , каждый из которых выделяет на узкую полосу частот ∆f_Ф1,.., ∆f_Фn . Напряжение с выходов фильтров может детектироваться в каждом канале детекторами Д₁,., Д_n (рис. Рис. 5 .20а) и фиксироваться соответствующими индикаторами И₁,., И_n, например, вольтметрами. При таком построении АС, кроме n фильтров, требуется иметь n детекторов и n индикаторов.

а	б
Рис. 5.20

В схеме, показанной на рис. Рис. 5 .20б, используется один детектор Д, который с помощью переключателя П поочередно подключается к фильтрам, и один индикатор И. Переключение каналов может осуществляться автоматически. В качестве индикаторов в параллельных АС может использоваться электронно-лучевая трубка, графопостроитель, самописец.

На рис. показана структурная схема АС параллельного типа с электронно-лучевой трубкой в качестве индикатора. Входной сигнал одновременно подается на все фильтры. С помощью блока синхронизации и развертки БСиР детектор поочередно выделяет выходной сигнал каждого фильтра и через усилитель УВО подает на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ синхронно с напряжением развертки, поступающим через усилитель горизонтального отклонения УГО на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. В результате амплитуды частотных составляющих образуют на экране ЭЛТ последовательность, определяемую сеткой частот.

Рис. 5.21

Время анализа Т_а будет определяться временем установления напряжений на выходах фильтров и временем съема показаний с индикаторов.

АС параллельного действия являются многоканальными анализаторами и позволяют проанализировать все составляющие спектра одновременно. Такой анализ производится без потери информации в реальном масштабе времени и эффективен как для периодических, так и для непериодических сигналов.

Одним из недостатков АС параллельного действия является то, что составляющая спектра, совпадающая с какой-либо частотой фильтра, например f_Ф2, одновременно (хотя и значительно меньшей величины) будет и на выходах фильтров Ф₁ и Ф₃, что искажает картину спектра. Другим недостатком является многоканальность, т.е. для выделения n составляющих спектра необходимо иметь n фильтров. Поэтому фильтровые АС параллельного действия не получили широкого применения.

Анализаторы спектра последовательного действия

Анализаторы спектра последовательного типа могут быть без преобразования и с преобразованием частоты. Структурная схема АС без преобразования частоты приведена на рис. . В АС составляющие спектра выявляются и анализируются последовательно (поочередно). Для выявления составляющих спектра перестраивается собственная частота фильтра во всем, анализируемом, диапазоне частот. Такой анализ эффективен только для периодических и квазипериодических сигналов (по сравнению с временем анализа), а также стационарных случайных сигналов. Анализаторы последовательного действия проще в аппаратном отношении по сравнению с параллельными анализаторами.

Рис. 5.22

Недостатком АС без преобразования частоты является узкодиапазонность, что обусловлено невозможностью перестройки фильтра в широком интервале частот. Кроме того, процесс анализа не автоматизирован и имеет длительное время анализа.

Большинство АС реализуются с преобразованием частоты. Структурная схема анализатора последовательного типа с двойным преобразованием частоты и использованием перестраиваемого гетеродина приведена на рис. .

Рис. 5.23

Входной сигнал U_ΒΧ поступает на входное устройство ВУ анализато­ра, где преобразуется до нужного значения. При подаче сигнала с выхода ВУ на смеситель См₁ (на рис. показано пунктирной линией) могут возникнуть помехи по зеркальному каналу. Это обусловлено тем, что фильтр Ф не сможет различить два сигнала, если выполняется условие

fГКЧ – fC1 = fC2 – fГКЧ < ∆f,

(5.21)

где f_ГКЧ и f_C – частоты ГКЧ и сигнала; ∆f – полоса пропускания фильтра.

Для ослабления помех по зеркальному каналу в анализаторах последовательного типа применяется двойное преобразование частоты (рис. ). Первое преобразование частоты осуществляется с помощью гетеродина Г, перестраиваемого вручную и имеющего точную шкалу, и смесителя См₂. Смеситель перемножает входной сигнал с частотой f_C и сигнал гетеродина Г c частотой f_Г. Сигнал с выхода См₂ поступает на усилитель промежуточной частоты УПЧ, полоса пропускания которого для подавления помехи по зеркальному каналу должна быть больше максимальной ширины исследуемого спектра, а промежуточная частота – больше верхней частоты спектра. Усиленный сигнал промежуточной частоты f₁ поступает на один из входов смесителя См₁, на второй вход которого поступает сигнал с генератора качающейся частоты ГКЧ. Частота ГКЧ с помощью модулятора М изменяется по линейному закону. Модулятор представляет собой генератор линейно изменяющегося напряжения. На выходе смесителя См₂ образуется сигнал разностной частоты f₂

(5.22)

который выделяется фильтром Ф, настроенным на фиксированную промежуточную частоту f_Ф и имеющим узкую полосу пропускания 2∆f. Гармоники, частоты которых лежат в полосе пропускания фильтра f_Ф ± ∆f, после детектирования детектором Д усиливаются усилителем вертикального отклонения УВО, подаются на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Одновременно с изменением частоты ГКЧ луч на экране ЭЛТ отклоняется по горизонтали, для чего напряжение модулятора подается на усилитель горизонтального отклонения УГО. Так как отклонение луча на экране ЭЛТ по вертикали пропорционально амплитуде (при использовании амплитудного детектора) гармоники, а по горизонтали – частоте гармоники, то на экране будет наблюдаться графическое изображение спектра частот входного сигнала.

Перестраиваемый по частоте гетеродин анализатора должен иметь широкий диапазон изменения частоты, стабильность диапа­зона частот и амплитуды, линейность модуляционной характерис­тики, малую паразитную амплитудную модуляцию, малые иска­жения формы кривой. Использование двух генераторов с изменяющейся частотой (гетеродина Г и генератора качающейся частоты ГКЧ) позволяет градуировать экран осциллографа по частоте, так как при изменении частоты первого гетеродина разметка шкалы не изменяется [9].

Рис. 5.24

В анализаторах спектра используют пиковые или среднеквадра­тичные детекторы, а иногда последовательное соединение средне­квадратичного и пикового детекторов. Для повышения точности анализаторов вместо электронно-лу­чевой трубки применяют регистрирующие приборы. Для получе­ния значений амплитуд спектра в логарифмическом масштабе (в дБ) перед регистрирующим прибором включают линейно-лога­рифмический преобразователь.

Примером анализатора спектра последовательного типа явля­ется анализатор С4-77 (рис. Рис. 5 .24), имеющий следующие характеристики: полоса анализируемых частот – 20 Гц... 600 кГц; полоса обзора – 50 Гц...200 кГц; полоса пропускания – 3 Гц...3 кГц; погрешность по амплитуде – ±0,8 дБ; погрешность по частоте – (10^-6f+ + Ω + 6) Гц, где f – измеряемая частота, Ω — полоса пропускания. Наличие цифровой памяти обеспечивает возможность запоминания и сравнения спектрограмм. Для повышения уровня автоматизации в приборе применены режимы связанных функций, ускоренного анализа и слежения, которые значительно повышают производительность измерений.

Комбинированные анализаторы спектра

В комбинированных АС сочетаются параллельный и последовательный способы анализа. Комбинированные анализаторы позволяют использовать быстродействие параллельного и простоту схемы последовательного анализаторов.

Один из распространенных вариантов построения комбинированных анализаторов спектра заключается в объединении нескольких АС последовательного действия на смежные участки общего диапазона частот в АС параллельного действия. На рис. Рис. 5 .25 приведена одна из схем комбинированного АС. Входной сигнал после входного устройства (ВУ) поступает на смеситель (См), на второй вход которого подается сигнал с гетеродина (Г). Смешанный сигнал промежуточной частоты анализируется фильтрами Ф₁ ... Ф_m. Выходное напряжение фильтров через коммутатор (К) поочередно подается на детектор (Д) и далее на регистрирующее устройство (РУ), развертывающее устройство которого синхронизируется с работой коммутатора и модулятора (М). Модулятор изменяет частоту гетеродина по определенному закону.

Рис. 5.25

Таким образом, в этой схеме все участки частотного диапазона просматриваются одновременно, а анализ спектра в каждом из них ведется последовательно [9].

Так как число каналов в комбинированных АС меньше, чем в схемах (рис. Рис. 5 .20 и рис. ), параллельных АС (m < n), то в целом структурная схема комбинированного анализатора спектра проще по сравнению с АС параллельного действия. По сравнению с АС последовательного действия комбинированные анализаторы характеризуются меньшим временем анализа, что обусловлено тем, что гетеродин перестраивается в пределах одного участка общего диапазона частот АС.