Анализаторы спектра частот


Разложение в ряд Фурье сигнала сложной формы позволяет представить его в виде суммы гармоник. Совокупность этих гармоник определяет полный спектр сигналов. Наиболее полное представление о спектральном составе сигнала даёт распределение амплитуд или мощностей по частотам. Экспериментальный анализ спектра сигналов проводится с помощью анализаторов (высокочастотных и низкочастотных). Различают 2 метода анализа спектра:

  • Одновременный (параллельный) – используют совокупность идентичных узкополосных фильтров, каждый из которых настроен на разные достаточно близкие частоты. При одновременном воздействии исследуемого сигнала на все фильтры каждый фильтр выделяет соответствующую его настройке составляющую спектра. Максимум каждой гармоники измеряют селективным пиковым вольтметром, а частоты – по шкале настройки фильтра. Анализаторы, работающие по методу одновременного анализа громоздки, но обладают более высокой скоростью анализа.
  • Последовательный – исследуемый сигнал воздействует на один узкополосный фильтр, который последовательно перестраивается в широкой полосе частот. При каждой настройке фильтр выделяет очередную гармонику и селективный пиковый вольтметр измеряет её амплитуду. В качестве перестраивающихся фильтров обычно применяют Т-образные RC –мосты. На практике наибольшее распространение получили осциллографические анализаторы спектра, где вместо перестраиваемого фильтра  используется один узкополосный фильтр с фиксированной настройкой  и гетеродинный принцип преобразования частоты. Гетеродин – это маломощный генератор перестраиваемой частоты, которая позволяет весь спектр частот исследуемого сигнала перемещать по отношению к фиксированной частоте фильтра.

Рис 1.

Осциллографический анализатор спектра представляет собой устройство, с помощью которого можно наблюдать спектр частот исследуемого сигнала  ЭЛТ. Абцисы определяют частоту гармоник, а высота вертикальных линий соответствует номинальному  напряжению или мощности. Исследуемый периодический сигнал сложной формы через аттенюатор поступает на смеситель, ко 2-му входа которого подводится напряжение … частоты (гетеродина). Средняя частота этого генератора близка к несущей частоте несущего сигнала.  Линейное изменение частоты во времени производится изменением напряжения генератора развёртки, подаваемого одновременно на горизонтально отклоняющую пластину. Горизонтальная ось является осью частот.

В результате взаимодействия частоты Fc с частотой Fг исследуемый сигнал преобразуется в сигнал  разностной промежуточной частоты. Узкополосный фильтр, настроенный на фиксированную промежуточную частоту Ff имеет узкую полосу пропускания ∆f. Гармоники, частота которых лежит в полосе пропускания узкополосного фильтра Ff+-∆f усиливаются и после детектирования в квадратичном детекторе и усиления поступают на пластины вертикального отклонения ЭЛТ. Отклонение вертикального луча по вертикали пропорционально амплитуде определённой узкой полосы спектра исследуемого сигнала от Ff-∆f до Ff+∆f.  Амплитуда каждой составляющей спектра пропорциональна её мощности (при использовании квадратичного детектора), или напряжению (при использовании линейного детектора). Количество наблюдаемых полос определяется числом сигналов, поступающих в анализатор за время одного периода развёртки Tr  осциллографа (цикла качания частоты).анализатор содержит генератор частоты, состоящий из генератора, идентичного генератору качающей частоты и модулятора. Колебания калибратора через собственный аттенюатор, позволяющее регулировать амплитуду меток воздействует на смеситель. При совпадении частоты основного генератора качающей частоты с частотой генератора возникают нулевые биения, приводящие к появлению всплесков (меток) на кривой спектра через выбранные частотные интервалы.

Основными характеристиками анализатора спектра являются:

  • Рабочий диапазон частот – это диапазон частот, в котором анализируется спектр сигналов. Он определяется, в основном, диапазоном перестройки генератора качающей частоты.
  • Разрешающая способность – это минимальное расстояние по оси частот между 2-мя составляющими спектра, при которой могут быть выделены отдельные линии и измерены их уровни. Разрешающая способность, в основном, определяется шириной полосы пропускания усилителя промежуточной частоты и диаметром светового пятна на экране.
  • Время анализа – это время, в течение которого получают изображение исследуемого спектра на экране анализатора. За это время происходит изменение частоты напряжения гетеродина от минимального до максимального значения. Время анализа обратно пропорционально квадрату разрешающей способности.

В промышленности выпускаются различные анализаторы спектра, предназначенные для исследования спектра сигналов с диапазоном рабочих частот от 0.01 до 40 МиллиГерц


Предыдущие материалы: Следующие материалы: