53. Цифровые вольтметры, реализующие частотно-импульсный метод преобразования.

В этих вольтметрах измеряемая величина предварительно преобразуется в пропорциональное ей значение частоты . Затем частота непосредственно преобразуется в цифровой код. Таким образом, эти ЦВ, как и рассмотренные время-импульсные, относятся к вольтметрам прямого преобразования. Однако поскольку измерение частоты всегда производится за определенный интервал времени ( ), эти вольтметры всегда являются интегрирующими. Интегрирование в них является аналоговым, а при необходимости аналоговый интегрирующий ЦВ может быть дополнен устройством усреднения.Обобщенная структурная схема ИЦВ реализующего частотно-импульсный метод преобразования имеет следующий вид (рисунок 2.27):

Рисунок 2.27 – Структурная схема частотно-импульсного ИЦВ

Как видно из этой схемы, основными функциональными узлами ИЦВ являются преобразователь напряжение-частота (ПН-Ч) и цифровой частотомер. (Цифровые частотомеры мы подробно рассмотрим в теме «Измерение частоты и интервалов времени» поэтому сейчас рассмотрим только коротко ПН-Ч).В ПН-Ч измеряемое напряжение преобразуется в частоту, причем

, (2.43)где – коэффициент преобразования.

Затем измеряется цифровым частотомером за время и его показания будут . (2.44)

При показания частотомера N пропорциональны и получаем прямоотсчетный вольтметр.В настоящее время известно большое число схем ПН-Ч. В зависимости от метода преобразования в все схемы подразделяются на две группы: с непосредственным преобразованием и с косвенным преобразованием. В пределах каждой группы могут быть реализованы схемы с разомкнутым и замкнутым контурами, а при необходимости расширения диапазона может быть применено преобразование частоты.В ПН-Ч первой группы само непосредственно используется для формирования выходного сигнала частоты . Характерными представителями таких ПН-Ч являются преобразователи с циклическим интегрированием. В ПН-Ч второй группы влияет на параметр, определяющий частоту генератора с самовозбуждением (гармонического или релаксационного). Эти ПН-Ч имеют относительно невысокие метрологические характеристики. Поэтому основное применение получили ПН-Ч на основе интегрирующих звеньев с замкнутым контуром. Примером частотно-импульсного ИЦВ является универсальный вольтметр В7-25.

55 Общие сведения и классификация ас

Кроме временного анализа анализ сигналов проводится еще в частотной (спектральной) области. Этот анализ наиболее актуален для радиоэлектроники и связи, т.к. в них используются сигналы, имеющие сложную форму, которые наиболее полно могут быть охарактеризованы только их спектрами.

Анализ спектра может быть теоретическим (математическим) и экспериментальным (аппаратурным). Приборы, предназначенные для экспериментального анализа спектра, получили название анализаторов спектра (АС). АС являются сложными радиоизмерительными приборами и характеризуются системой основных и дополнительных параметров.

В основе спектральных методов анализа лежит преобразование Фурье для временной функции, описывающей исследуемый сигнал . Согласно теореме Фурье любой периодический сигнал может быть описан рядом Фурье и представлен в виде конечной или бесконечной суммы ряда гармонических колебаний с разными амплитудами, частотами и начальными фазами, т.е.

, (6.14)

где – спектр амплитуд, – спектр фаз.

В практике измерений чаще всего интересуются только спектром амплитуд, называя его просто спектром, и при экспериментальном анализе воспроизводят его в координатах – это энергетический спектр сигнала.

Как видно из (6.14) спектры периодических сигналов являются дискретными и образуются равноотстоящими спектральными линиями с частотным интервалом между соседними линиями, определяемым периодом сигнала . Форма огибающей спектра полностью определяется формой исследуемого сигнала и не зависит от .

При увеличении спектральные линии сближаются и в предельном случае когда ( ) образуют сплошной спектр. Этот случай соответствует непериодическому сигналу, для описания которого необходимо перейти от ряда Фурье (6.14) к интегралу Фурье (6.15):

, (6.15)

где называется комплексным аналитическим спектром и может быть представлен как (6.16)

откуда для спектра амплитуд непериодического сигнала справедливо выражение

,а для спектра фаз

Выражение (6.15) является так называемым обратным преобразованием Фурье, позволяющим по известным и или и восстановить исследуемый сигнал . Для определения комплексного спектра необходимо воспользоваться прямым преобразованием Фурье

(6.17)

Откуда (6.18)

В качестве примера зарисуем спектры амплитуд и фаз одиночного радиоимпульса прямоугольной формы:

Рисунок 6.16 – Спектры амплитуд (а) и фаз (б) одиночного радиоимпульса

Спектры периодических и непериодических сигналов бесконечны. Поэтому при их экспериментальном анализе ограничиваются определением ширины спектра, под которой понимают интервал частот, где сосредоточена основная часть энергии сигнала. Как видно из рисунка 6.16, для радиоимпульса прямоугольной формы основная часть энергии сосредоточена в главном лепестке. В реальных приборах обеспечивается возможность воспроизведения по крайней мере еще двух боковых лепестков спектра (верхнего и нижнего). Однако в любом случае экспериментальный анализ спектра ограничен во времени и вместо реального комплексного аналитического спектра или его составляющих мы можем определить только так называемый аппаратурный спектр и его составляющие и , получаемые заменой в (6.17) и (6.18) пределов интегрирования с ( ) на ( ), где – время анализа.

(6.19)

Таким образом, аппаратурный спектр (6.19) является функцией не только частоты, но и времени анализа, поэтому получил название текущего спектра. Отличие текущего спектра от спектра закончившегося процесса зависит от того, проявились ли за время анализа все характерные особенности сигнала, т.е. текущий спектр тем ближе к аналитическому, чем больше время анализа . Если исследуемый анализатором спектра сигнал периодический с периодом следования , то необходимо, чтобы при анализе >> .

Конечность (финитность) является источником так называемой погрешности финитности при экспериментальном анализе спектра. Это систематическая методическая погрешность.

АС образуют вид С4 и классифицируются в зависимости от метода анализа спектра и способа проведения анализа.

В зависимости от принятого метода анализа спектра все существующие типы АС можно подразделить на:

• анализаторы спектра, реализующие метод фильтрации – фильтровые АС;

• анализаторы спектра, реализующие дисперсионно-временной метод – дисперсионные АС;

• анализаторы спектра, реализующие рециркуляционный (интерференционный) метод – рециркуляционные АС;

• анализаторы спектра, реализующие алгоритмы дискретного преобразования Фурье (ДПФ) – цифровые АС.

Возможны три способа проведения анализа спектра: параллельный (одновременный), последовательный и комбинированный. Соответственно АС классифицируют на АС параллельного действия, АС последовательного действия и комбинированные АС.