Корганова, лекции

t
St f e j d	(2)
0

При большом времени анализа текущий спектр может быть достаточно хорошо приближен к истинному.

При построении анализаторов можно использовать (2)в чистом виде, т.е. произвести все математические операции над сигналом в соответствии с (2). Такой тип анализаторов довольно широко распространен. Однако чаще используются анализаторы с резонаторами.

Анализаторы частотных свойств сигналов подразделяются по назначению на анализаторы спектра (С4…) и анализаторы гармоник (С5…). Первые предназначены для анализа спектра одного физического источника сигнала, вторые – для выявления источников сигналов, работающих в заданном диапазоне спектра. Т.к. те и другие реализуют выражение (2), то это разделение условно, и они могут быть использованы для решения одних и тех же задач.

Анализ частотных свойств может быть последовательным или параллельным. В первом случае собственная частота резонатора изменяется во всем реализуемом диапазоне частот. Во втором случае имеется набор резонаторов, каждый из которых настроен на определенную частоту.

	Характеристики анализатора спектра
	Разрешающей способностью анализатора спектра называют
минимальный интервал по частоте между двумя гармоническими
сигналами, при котором они разделяются анализатором.
			U		m					Q=1
			m
i(t)
					1					Q=2
C	r	L			0.5					Q=5
			U	U
			max1	max2						Q=10
			1	2		0.5		1	1.5	2	x
				U
				min
Если на колебательный контур подана сумма двух
гармонических сигналов с одинаковой амплитудой,
		i t I m sin 1t sin 2 t ,
то если изменять частоту колебательного контура от 0 до											и
фиксировать максимальное напряжение на контуре, то получим
зависимость, представленную на рисунке. Разрешающей
способностью будет такая разность частот 2 1							, при которой
	U min	m	(m принимает от		1 до	1	).
	U max				2	2
											51

Разрешающая способность резонатора зависит от вида его частотной характеристики, т. е. от добротности. Для приведенного

контура добротность

контура

Q r . Для рассматриваемого колебательного

L

C

		1				1
m		x 2 Q 2 x 1					x 2 Q 2 x 1				, где x 2		2
		1 4x 2 Q 2				2x 1								1
													2		1

Для разрешающей способности при параллельном анализе найти аналитическое выражение сложно.

Качественно ее можно найти следующим образом. Пусть анализатор имеет семь фильтров, и на него воздействует сумма двух равных по амплитуде гармоник с частотами 1 и 2 (рис. а).

1	2
	a)
1	2

б)

Если соединить плавной кривой отклики различных фильтров, то получим двугорбую кривую (б), по которой устанавливаем разрешающую способность последовательного анализатора.

Важной характеристикой анализаторов спектра является время анализа, которое характеризует, настолько быстро можно провести анализ сигнала в определенном диапазоне частот. Время параллельного анализа зависит от времени установления колебаний

52

в резонаторе (т.к. напряжение
на	конденсаторе		не		может
нарастать скачкообразно).
	При последовательном					Aст
анализе		время зависит			от				Aдин
скорости		перестройки
частоты резонатора. При
перестройке				частоты			0ст		0дин
резонатор будет характеризоваться не статической, а динамической
разрешающей способностью.
	Полоса анализируемых частот – характеристика анализатора.
Она указывает частотный диапазон сигналов, которые могут быть
исследованы данным анализатором. Для увеличения полосы
анализируемых			частот			анализатор			спектра	выполняют
многодиапазонным.
	Анализатор		спектра				обладает		рядом	аппаратурных
погрешностей, из которых следует выделить погрешность по
амплитуде и погрешность по частоте. Погрешность по амплитуде
зависит от спектра исследуемого сигнала и определяется тем, что
реальный резонатор имеет						не идеальную АЧХ и напряжение на
выходе будет определяться всеми составляющими сигнала, а не
только составляющей с частотой, равной собственной частоте
резонатора.
	Погрешность по частоте показывает, с какой точностью может
быть определен интервал частот между составляющими спектра или
действительное значение частоты этих составляющих.
		Динамическая разрешающая способность
	Рассмотрим последовательный анализ спектра. При этом
вместо собственной частоты резонатора будем линейно изменять
частоту поданного воздействия.
	При линейном изменение частоты воздействия АЧХ
резонатора будет деформироваться по сравнению со статической
характеристикой, которая снимается при установившихся частотах.
Деформация			резонансной				кривой		характеризуется		рядом
параметров:
1) относительным изменением значения максимума
			A	Aдин Aст
					Aст
2)	относительным				смещением			максимума		динамической
характеристики			относительно					максимума		статической
характеристики
											53

0дин 0ст

0ст

3)относительным расширением полосы пропускания

дин ст , где 0 , полоса пропускания (

ст Q

на уровне 0,707); 0 - собственная частота колебания контура; Q - добротность контура. Эти оценки А , , зависят от скорости

изменения входной частоты и полосы пропускания контура . Исходя из допустимых значений A , , , выбирают скорость

анализа.

Структуры анализаторов спектра

Анализаторы параллельного типа.

При одновременном воздействии исследуемого сигнала на все “n”резонаторов каждый выделяет соответствующую его настройка составляющую спектра, например, третий резонатор выделяет

частоты		от	2	до	3 .
н	1
1	2		П
Uвх		1
		2
2	3	3	Д	РУ
		n

n-1 в

Напряжение с резонатора после прохождения через, переключатель П и детектор Д поступает на регистрирующее устройство РУ. Максимальное значение каждой составляющей измеряют вольтметром амплитудного значения, их частоту – по шкале настройки резонатора.

Анализаторы последовательного типа

	Анализаторы			Uвх
	последовательного	типа	могут		СМ	Резонатор	л.в.
	быть объяснены	с	помощью		UГ
	следующей схемы.
					Г	Г =
	Исследуемое напряжение U вх
						аr.
	пусть будет периодическим, тогда
	n
	U вх U i sin i t ,	(если	не периодическое,			то эта зависимость

i 1

будет выражаться через интеграл).

U вх поступает на первый вход смесителя “См”, на второй вход, которого поступает напряжение, от гетеродине “Г”.

54

2 f .

Смеситель – это элемент, в котором осуществляется перемножение сигналов, т.е.

			U см k1U вхU Г			n			n
					k1	Ui	sin i t U Г sin Г t k1 UiU Г sin i t sin Г t
						1			1
		1	n					n
	k1		U iU Г cos i		Г	t cos i Г t kсм U iU Г cos i Г				t
	2		1					1
			n	cos i Г t.
	kсм U iU Г
			1
	k1 коэффициент пропорциональности.
			Резонатор настроен на некоторую частоту .
			Изменяя частоту генератора “Г” можно добиться того, что при
	некоторых			частотах		Г	вольтметр	будет	иметь максимальное
	отклонение			стрелки.		Это	будет, когда i		Г var	частоте
	настройки резонатора. Зная Г и ,							можно судить о i .

Величину амплитуды данной составляющей можно узнать, из уравнения;

U см max kсмUiU Г

U Г - амплитуда напряжения генератора, kсм - коэффициент передачи смесителя.

Резонатор конструируется так, чтобы он пропускал только, например, разностные частоты и не пропускал бы суммарные, что затруднило бы анализ.

Теперь нетрудно представить конструкцию автоматического анализатора спектра, в котором в качестве индикатора используется электронно-лучевая трубка ЭЛТ, а в качестве гетеродина генератор качающейся частоты ГКЧ.

Uвх

Широко

Резона

Детек

СМ

полосн.

тор

тор

усил.

ГКЧ

ГПН

Напряжение от ГПН поступает на горизонтальную развертку ЭЛТ, а также на ГКЧ. Модулированное по частоте напряжение ГКЧ поступает на вход смесителя, на его выходе будет разностная частота, узкополосный резонатор, настроенный на фиксированную промежуточную частоту имеет узкую полосу пропускания Составляющие, частота которых лежит в полосе пропускание

55

f ген

резонатора fср f , после детектирования поступают на

широкополосный усилитель и пластины вертикального отклонения ЭЛТ. Если детектор квадратичный, то напряжение на выходе пропорционально мощности входного сигнала. Тогда на экране получают спектр мощности в полосе частот fф f . Если

необходимо получить не спектр мощности, а спектр амплитуд сигнала, то применяют линейный детектор. На экране ЭЛТ будет наблюдаться графическое изображение спектра частот входного сигнала.

Измерители нелинейных искажений (ИНИ)

ИНИ предназначены для измерения степени искажения формы кривой, т.е. отличая ее от синусоидальной формы. Качественно искажения оцениваются двумя коэффициентами.

			U 2	U 2	...		U		2	U	2	...
k	ни		2	3					2		3			- коэффициентом нелинейных
				U
							U12			U 22		...

искажений.

U1 ,U 2 ... действительные значения соответствующих гармоник.

			U 2 U 2			...
k Г		2		3			коэффициентом гармоник.
			U1
Соотношение между ними
k Г			k НИ		;
		1 k 2
			НИ
При малых искажениях kНИ k Г .
Определить						kНИ и k Г можно наиболее просто через

соотношения эффективных значений напряжения. Мощность “P”, выделяющаяся на некотором сопротивлении R, к которому подключено несинусоидальное напряжение, выражается

P	U эфф2		1	U 2	U 2	...
	R		R	1	2

U 2

Мощность первой гармоники P 1

R

Суммарная мощность высших гармоник

P	U в2		1	U 2	U 2	...
в	R		R	2	2

Используя эти уравнения, можно убедиться, что

k			U в	,	k			U в	.
	Г		U1			НИ		U

56

			ИУ
	Последняя формула дает алгоритм		2	П
	построения ИНИ. Сначала П ставится в
				В
	положение 1, и сопротивление регулируется		1
	так, чтобы получить полное
	отклонение 0 вольтметра В	Uвх	У
	эффективных значений.
	“В” построен по схеме квадратичного вольтметра. Отклонение его
	пропорционально эффектимному значению входного напряжения U.
	Затем “П “ ставится в положение 2. Тогда		U вх проходит	через

избирательный усилитель, отфильтровывающий первую гармонику. Новое отклонение “В “ пропорционально U в . Тогда

U в k ИН .

0 U

Принимая 0 1 шкалу вольтметра можно проградуировать в значениях k НИ .

Характериографы

Приборы для определения вольтамперных или амплитудночастотных характеристик электрических схем называют характериографами.

				6
генер.	смес.		фильтр	широк.	атте-		Uвых
		2	ниж.част. 3	пол.усил. 4	нюатор 5
1
модул. 7	генер. 8			9			объект
							13
	усил.			усил.	дете-		Uвх
	гор.отк. 10					12
				вер.отк.11	ктор
							Uвх

Устройство характериографов можно рассмотреть на примере измерителя АЧХ (ИАЧХ). Здесь обозначено:

1,8-генераторы, 2-смеситель,7-модулятор, 3-фильтр нижних частот, 4-широкополосный усилитель, 5-аттенюатор, 6-цепь автоматической регулировки усиления, 13исследуемый четырехполюсник, 10усилитель горизонтального отклонения, 11-усилитель вертикального отклонения, 12-детектор.

Генератор 1 настроен на фиксированную частоту, а генератор 8, управляемый модулятором, дает напряжения линейно изменяющейся частоты. Эти два напряжения, поступая на смеситель, дают на его выходе напряжение суммарных и разностных

57

частот. Фильтр нижних частот 3 пропустит только разность частот генераторов 1 и 8. С фильтра напряжение падается на широкополюсный усилитель 4, выходной сигнал которого стабилизируется цепью автоматической регулировки усиления 6. После аттенюатора (ослабитель мощности в известное число раз) 5 напряжение поступает на вход исследуемого четырехполюсника, выход которого соединяется либо через детектор 12 либо непосредственно с усилителем вертикального отклонения 11 ЭЛТ. Горизонтальная развертка осуществляется через усилитель 10.

Разметка АЧХ по частоте осуществляется узлом меток, который создает всплески на кривой АЧХ при определенных частотах выходного напряжения.

В качестве модулятора может служить генератор, т.к. частота генератора 8 и отклоняющее по горизонтали напряжение изменяются по одному и тому же закону, и амплитуда постоянна U вых , то на экране ЭЛТ будет иметь место зависимость

напряженияU вх от частоты, т.е. АЧХ. Если блок 12 незадействован,

то кривая симметрична относительно горизонтальной оси. В противном случае - несимметрична.

Основными характеристиками ИАЧХ являются:

1)Рабочий диапазон частот, в котором погрешность ИАЧХ не превышает заданную.

2)Максимальная и минимальная полосы качения частоты. В ИАЧХ предусматривается отдельная регулировка средней частоты выходного сигнала и диапазона качения частоты. Узкую или широкую полосу качения выбирают в зависимости от вида исследуемого четырехполюсника.

3)Входное и выходное сопротивления. Обычные характеристики электронных приборов.

Погрешность ИАЧХ по амплитуде определяется неравномерностью выходного напряжения в полосе качения, нелинейностью детектора и усилителя вертикального отклонения, погрешностью отсчета амплитуды.

Для уменьшения нелинейности частотного масштаба применяют специальные методы улучшения линейности модуляционной характеристики генератора линейно изменяющейся частоты (ГЛИЧ).

В качестве таких генераторов используют LC-генераторы, RCгенераторы и релаксационные генераторы. Наиболее широко используются LC-генераторы, у которых изменение частоты осуществляется изменением L или C контура.

58

L изменяют за счет подмагничивания модулирующим током, ферромагнитного сердечника катушки индуктивности. Такой способ применим в диапазоне звуковых частот. Генераторы имеют достаточно линейную модуляционную характеристику, малые нелинейные искажения, высокую стабильность средней частоты. Недостатком их является сложность конструкции.

Изменять “C” можно, используя варикапы (диод, применяемый как нелинейная емкость). Используемая емкость запертого p-n перехода, которая изменяется при изменении напряжения и вариконды (сегнетокерамический конденсатор, емкость которого изменяется при изменении приложенного напряжения). Эти генераторы просты, но имеют большую нелинейность.

Релаксационные генераторы (в которых нет колебательного контура). Здесь энергия постоянного источника преобразуется в энергию колебаний с помощью накопительных элементов: C или L и нелинейного элемента.

RC генераторы в общем случае дают несинусоидальные колебания.

Существуют разнообразные методы улучшения линейности модуляционной характеристики ИАЧХ.

Например, использование отрицательной обратной связи. В качестве звена обратной связи может быть использован частотный детектор.

U м

	УПТ				ГЛИЧ		U вых
			ЧД

Т.к. характеристики схемы определяются в основном звеном обратной связи, то к частотному детектору предъявляются требования высокой стабильности и линейности в диапазоне качения частоты.

Пониженные требования предъявляются к частотному детектору в схеме с линией задержки.

При линейном изменении частоты U вых со смесителя выходит

постоянная разностная частота, определяемая временем задержки. Она может быть выбрана

										U вых
			УПТ		ГЛИЧ
_
			ЧД		См					Л.З.

59

достаточно низкой по сравнению с частотой выходного напряжения.

За счет нелинейности модуляционной характеристики, изменяется разностная частота, и ее изменения передаются частотным детектором на вход. ЧД работает на сравнительно низкой частоте при небольшом диапазоне ее изменения.

Примером характериографа служит прибор Х1-38, который обеспечивает исследование и регулировку АЧХ узкополосных и широкополосных четырехполюсников.

Рабочий диапазон частот 0,1-100 МГц состоит из трех диапазонов. Минимальная полоса качения на самом низкочастотном диапазоне 0,3 кГц, максимальная-100 МГц. Качение осуществляется изменением емкости варикапов.

Погрешность изменения частоты f на экране индикатора при полосе качения 10 кГц не превышает 13 10 4 f 0,05 .

Регистрирующие приборы

Для записи величин, изменяющихся во времени, широко применяют электромеханические регистрирующие приборы - самопишущие электроизмерительные приборы и светолучевые осциллографы.

Регистрирующие приборы имеют следующую струк

		x
x	BW		ИМ		РУ
	ИЦ

ОУ

ИЦ - измерительная цепь, ИМ - измерительный механизм,

РУ - регистрирующее устройство, ОУ - отсчетное устройство.

Назначение ИЦ в том, чтобы преобразовать входную величину x в x , непосредственно воздействующую на ИМ.

РУ – включает в себя регистрирующий орган, носитель, механизм для перемещения носителя.

Регистрирующие приборы построены по разомкнутой схеме регулирования. В них ИМ непосредственно перемещает регистрирующий орган, используя для этого энергию входного сигнала, поэтому они потребляют значительную мощность, и имеют низкую чувствительность. Получили распространение регистрирующие вольтметры, амперметры, ваттметры, фазометры, частотомеры, в них используются магнитоэлектрические,

60