2.3. Работа в режиме анализатора спектра
2.3.1. Описание меню режима Spectrum Analyzer
В режиме анализатора спектра окно программы выглядит так как показано на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3. Окно программы PC-Lab2000 в режиме анализатора спектра.
В этом режиме становится возможным получение спектральной характеристики измеренного сигнала на экране програмы, а также получение 21 коэффициента быстрого преобразования Фурье.
Меню File и Edit в режиме анализатора спектра совпадают с этими меню в режиме осциллографа.
Полученный спектр сигнала можно сохранить в файл формата ASCII, результатом вывода в этот файл будет набор строк, в которых расположены данные по порядку: номер строки, частота спектральной составляющей, амплитуда спектральной составляющей. Номера строк пронумерованы целыми числами по порядку (первый столбец), частота записана в единицах, указанных в первой строке над вторым столбцом, а амплитуда в единицахdVm/V(третий столбец). Таким образом, построив зависимость данных третьего столбца от данных второго, пробегая данные последовательно и построчно можно получить графики с помощьювнешних программ, например Mathcad, MATLAB, Exel.
В меню Options становятся активными пункты FFTWindow и FFTOptions.
В пункте FFTWindow (рисунок 2.4.) задаются способы выбора окна быстрого преобразования Фурье:
- Rectangle - прямоугольное окно, дающее узкие пики, выделяющие синусоидальные составляющие сигнала и позволяющее работать при наличии белого шума;
- Bartlett –окно Бартлетта, дает узкие, быстрозатухающие пики спектра;
- Hamming - окно Хэмминга;
- Hanning – окно Хэннинга;
- Blackman – окно Блэкмэна дает широкие вершины пиков и быстрый спад этих пиков;
- Flat top – окно с плоской вершиной, дает хорошее амплитудное разрешение, однако низкое разрешение по частоте и размытые пики.
При этом по умолчанию выбрано окно Хэмминга.
Рисунок 2.4. Варианты выбора окна ограничения сигнала при быстром преобразовании Фурье.
Пункт меню FFT Options ( рисунок 2.5.) позволяет выбрать способ усреднения:
- Maximum – усреднение по максимальному значению;
- RSM Average – усреднение по среднеквадратическому (действующему) значению;
- Vector Average - усреднение по ввектору данных.
По умолчанию режимы усреднения отключены и спектрограмма постоянно обновляестя, однако наличие шумов преобразования и внешних наводок ведет к нестабильности спектрограммы.
Рисунок 2.5. Меню выбора вариантов усреднения сигнала при преобразовании Фурье
На рисунке 2.6. приведен пример расчитанной и построенной анализатором спектра АЧХ. Используя горизонтальные ползунки можно перемещаться по АЧХ от области самых нижних частот до области верхних частот. Выбор масштаба, при этом, производится нажатием на кнопки поля Frequency Range справа от окна Анализатора спектра.
2.3.2. Действия по определению спектра произвольного периодического сигнала методом бпф(fft)
Программные средства стенда позволяют анализировать сигнал не только во временной области, но и в частотной. Для этого в программе применяется метод быстрого преобразрования Фурье (fft).
Для измерения в частотного состава сигнала нужно:
Методами синхронизации сигнала по п.2.2.2 получить статическую кривую измеряемого сигнала
Включить кнопкой SpectrumAnalyzerанализатор спектраfft
Выбрать частотный диапазон сигнала FrequencyRange
Тип масштаба по оси частот линейный Linили логарифмическийLog
Тип окна анализа FFTWindow
С помощью курсоров измерить составляющие спектра
Рекомендации при настройке и измерении.
От выбора типа окна FFTWindowзависит точность определения частот гармонических составляющих спектра и их амплитуды. Окно снижает просачивание спектральных частот в спектр БПФ.
При выполнении быстрого преобразования Фурье предполагается, что временной сигнал повторяется бесконечно. Для целого числа циклов (1, 2, 3, ...) временной сигнал начинается и заканчивается на одном и том же уровне и в форме сигнала отсутствуют разрывы.
Рисунок - Применение к БПФ прямоугольного окна
При нецелом числе циклов сигнала во временной области начальная и конечная точки имеют разные уровни. Переход от начальной к конечной точке приводит в разрыву в форме сигнала, что в свою очередь вызывает появление высокочастотных составляющих переходного процесса.
Рисунок - Применение к БПФ окна Хеннинга.
Применение окна к сигналу во временной области изменяет форму сигнала таким образом, что начальное и конечное значение сближаются, в результате чего уменьшается величина разрыва.
Наиболее точно выделять частотные составляющие, и потому, обладающий наибольшим прореживанием, является прямоугольное окно Rectangle, однако оно дает самую большую погрешность по амплитуде для сильно отличающихся сигналов. Динамический диапазон его составляет -13 дБ по амплитуде, это значит, что измеряемые гармоники в сигнале с амплитудами ниже 13 дБ по отношению к амплитуде других более существенных гармоник, находящихся рядом, искажаются и не видны в спектре.
Из имеющихся в наличии режимов настройки окна самое точное разрешение по амплитуде дает окно Flat top, его динамический диапазон -69дБ, однако оно имеет самое плохое разрешение по частоте из всех окон в три раза хуже, чем прямоугольное, т.е. спектральные пики получаются размытым по частоте.
Средним по разрешающей способности по частотам и амплитудам является окно Hamming, динамический диапазон -42 дБ, и в два раза хуже по разрешению с прямоугольным.
Поэтому рекомендуется измерения рекомендуется проводить изменяя методы для поиска составляющих в спектре по частоте и амплитуде.
Увеличить разрешение по частоте можно, только увеличением количества периодов на экране, однако при этом возможно накладывание спектра сигнала на его зеркальное отражение в частотной области и появление на осциллографе так называемых зеркальных паразитных гармоник, которых в сигнале на самом деле нет. Фактические частоты этих гармоник выше частоты Найквиста, которая равна половине частоты дискретизации и которая обычно высвечивается на экране при измерении. На экране паразитные гармоники высвечиваются, отраженными относительно частоты Найквиста.
Рисунок – Погрешности при измерении спектра.
Кнопка FrequencyRangeс меньшим значением частоты позволяет точнее получать спектр сигнала (увеличить разрешение по частоте), однако при этом уменьшается максимальное значение анализируемой частоты
Рисунок 2.6. Пример работы Анализатора спектра – начальный участок АЧХ.
Программа PC-Lab2000 предоставляет также возможность изменять тип масштабирования АЧХ по частотной оси между линейным и логарифмическим, а также использовать увеличечение от 1 до 8 раз путем нажатия на кнопки в поле ZOOM.