Аналоговые фильтровые последовательные анализаторы спектра

Среди аналоговыханализаторов значительна доля фильтровых последовательных анализаторов спектра. Их основным узлом является полосовой фильтр с АЧХ, близкой к прямоугольной.

На вход полосового фильтра подается исследуемый сигнал, состоящий из совокупности гармонических составляющих. На выходе этого фильтра, в принципе, будут все эти же составляющие, но с измененным соотношением амплитуд (и начальных фаз).

Центральную частоту полосы пропускания полосового фильтра задают равной частоте одной из гармонических составляющих исследуемого сигнала: . Эта составляющая пройдет на выход фильтра с некоторым коэффициентом передачи (примем его условно равным 1). При достаточно узкой полосе пропускания фильтра другие гармонические составляющие сигнала с частотами в нее не попадают и проходят на выход с коэффициентом передачи << 1. Тогда на выходе полосового фильтра будет доминировать только одна составляющая с частотой . Если теперь вольтметром измерить напряжение на выходе фильтра, то полученное значение будет соответствовать амплитуде (или среднеквадратическому значению) гармонической составляющей с частотой .

Для определения уровня другой гармонической составляющей нужно настроить полосовой фильтр на ее частоту и затем измерить уровень напряжения на его выходе. Поочередно настраивая полосовой фильтр на частоты других составляющих можно определить амплитудный спектр исследуемого колебания.

Примечание. Следует отметить, что с наибольшими погрешностями будет определяться уровень составляющей с малой амплитудой, если исследуемый сигнал будет еще содержать составляющую, близкую к ней по частоте, и, к тому же, большой амплитуды. В этом случае полосовой фильтр должен будет ослабить эту «соседнюю» составляющую до выходного уровня, существенно меньшего выходного уровня измеряемой составляющей. Решается эта задача использованием достаточно узкополосного фильтра с повышенным коэффициентом прямоугольности АЧХ, что может быть технически трудно реализуемо.

Среди фильтровых анализаторов спектра наиболее простыми аппаратно являются последовательные анализаторы. В них один узкополосный фильтр последовательно во времени настраивается на частоты гармонических составляющих и определяется уровень каждой из них в отдельности. Недостатком таких анализаторов является большое время анализа, т.к. на каждой частоте настройки полосового фильтра необходимо дождаться окончания переходного процесса в нем и только потом проводить измерение уровня составляющей на его выходе.

Поскольку длительность переходного процесса в полосовом фильтре определяется, в основном, его полосой пропускания (а не добротностью!), то при использовании фильтра с узкой полосой пропускания время анализа в необходимой полосе частот может оказаться значительным.

Последовательные фильтровые анализаторы спектра имеют, как правило, режим автоматической перестройки центральной частоты фильтра в полосе частот анализа. Возможное изображение на экране такого фильтрового анализатора спектра показано на рисунке П4.1.

Рисунок П4.1

Из этого изображения следует, что в полосу обзора анализатора спектра попало 4 гармонических составляющих, каждая из которых отобразилась в виде колоколообразного импульса (каждый такой импульс – отображение частотной характеристики полосового анализирующего фильтра). Абсцисса максимума каждого импульса характеризует частоту соответствующей ему гармонической составляющей, ордината – ее амплитуду (или среднеквадратическое отклонение).

Технически очень трудно (если вообще возможно) реализовать узкополосный фильтр, перестраиваемый в широкой полосе частот и сохраняющий при этом постоянный коэффициент передачи в полосе пропускания и высокую прямоугольность АЧХ. Поэтому в последовательных фильтровых анализаторах спектра широко применяются преобразователи частоты, осуществляющие сдвиг спектра исследуемого сигнала в область полосы пропускания неперестраиваемого узкополосного фильтра (центральную частоту его полосы пропускания часто называют промежуточной частотой). Медленно меняя величину сдвига добиваются поочередного попадания составляющих исследуемого сигнала в полосу пропускания фильтра – можно сказать, что исследуемый спектр медленно «проплывает» (по оси частот) мимо узкополосного фильтра с фиксированной АЧХ, и его составляющие поочередно попадают в его полосу пропускания. Величина сдвига спектра по оси частот определяется частотой вспомогательного гармонического напряжения, вырабатываемого специальным генератором, который часто называют гетеродином. Поэтому для осуществления последовательного спектрального анализа нужно медленно изменять во времени частоту колебания гетеродина (обычно по линейному закону). Технически это реализовать достаточно просто.

Например, в используемом в лабораторной работе последовательном фильтровом анализаторе спектра СК4-56 с полосой анализируемых частот 10 Гц … 60 кГц применен узкополосный кварцевый фильтр с центральной частотой полосы пропускания 122 кГц. Полосу пропускания этого фильтра можно задать равной 300 Гц, 100 Гц, 30 Гц, 10 Гц или 3 Гц (!).

Для исследования спектра в полосе частот, например, от 5 до 15 кГц частоту напряжения гетеродина изменяют от 127 до 137 кГц.

Разрешающая способность анализатора спектра – минимальная разность частот двух гармонических колебаний равных амплитуд, при которой сумма этих колебаний дает на экране анализатора спектра спектрограмму в виде двугорбой кривой с «провалом» в середине, равном 0,5 от её максимума.

Примечание. Могут быть и другие определения разрешающей способности, диктуемые спецификой конкретной решаемой технической задачи.

Приложение 5

Параметры последовательного фильтрового анализатора спектра СК4‑56
и рекомендации по их выбору

При выполнении лабораторной работы используется последовательный фильтровой анализатор спектра СК4‑56. До начала измерений оператору необходимо выбрать положения его органов управления, определяющих важнейшие параметры анализа:

- полосу обзора;

- частоту настройки;

- полосу пропускания анализирующего фильтра;

- время анализа;

- коэффициент ослабления исследуемого колебания во входном аттенюаторе.

Полоса обзора – ширина полосы частот от нижней до верхней частотных границ спектра, отображаемая на экране анализатора спектра. При этом частота соответствует крайней левой вертикали экрана, а частота – крайней правой вертикали экрана. Устанавливаемая должна быть равна или больше требуемой полосы обзора.

У анализатора спектра СК4-56 полоса обзора может изменяться только ступенчато с помощью переключателя ОБЗОР kHz/ДЕЛЕН.

Частота настройки – частота, соответствующая центральной вертикальной линии экрана. Так как у СК4-56 масштаб спектральной диаграммы по горизонтали может быть только линейным, то

.

У анализатора спектра СК4-56 она устанавливается ручками «Частота».

Полоса пропускания анализирующего фильтра – ширина полосы пропускания узкополосного анализирующего фильтра. Чем меньше разность частот двух соседних спектральных составляющих, которые на экране должны быть показаны раздельно, тем меньше должна быть . Она также должна быть еще уменьшена, если амплитуды разделяемых спектральных составляющих существенно различны, и необходимо определить уровень составляющей с меньшей амплитудой.

У анализатора спектра СК4-56 полоса пропускания анализирующего фильтра изменяется переключателем ПОЛОСА Hz.

Время анализа – время, за которое анализатор спектра «просмотрит» заданную полосу частот (). Обычно в анализаторах спектра анализирующий фильтр автоматически перестраивается в полосе обзора с постоянной скоростью (герц в секунду), называемой скоростью анализа. При этом время анализа .

Следует иметь в виду, что должно выполняться условие: , где – максимально допустимая скорость перестройки анализирующего фильтра, определяемая выбранным значением полосы пропускания анализирующего фильтра. Если задать V _а > V _{а max}, то полученная спектрограмма будет иметь динамические искажения, обусловленные переходными процессами в анализирующем фильтре. Например, время нахождения спектральной составляющей в полосе пропуская анализирующего фильтра столь мало, что переходной процесс в нем не успеет завершиться, и наибольшая амплитуда напряжения на выходе фильтра будет меньше, чем должна была быть. Другой вариант: в полосу пропускания анализирующего фильтра следующая спектральная составляющая попадает столь быстро, что переходной процесс от предыдущей составляющей в нем еще не завершился – в фильтре возникает биение двух колебаний, искажающее получаемую спектральную диаграмму.

Так как длительность переходных процессов в этом фильтре тем больше, чем меньше его , то при уменьшении будет уменьшаться и, как следствие, увеличиваться минимально необходимое время анализа .

Следует также иметь в виду, что если уменьшить в k раз, то увеличится в k ² раз! Поэтому для сокращения времени анализа спектра необходимо выбирать максимально допустимую (для решения поставленной задачи) полосу пропускания анализирующего фильтра. С учетом заданных и нужно обеспечить . Обычно полагают, что динамические погрешности достаточно малы при .

В анализаторе спектра СК4-56 скорость анализа устанавливается переключателем S/ДЕЛ. Этот переключатель задает время анализа частотных составляющих, расположенных в одном делении оси частот, т.е. 1/10 общего времени T _а (горизонтальная ось экрана анализатора спектра разбита на 10 отрезков - делений).

Коэффициент ослабления исследуемого колебания во входном аттенюаторе должен выбираться исходя из следующих соображений.

Во-первых, он должен быть небольшим, чтобы отношение «исследуемые гармонические составляющие / собственный шум анализатора спектра» было возможно б о льшим.

Во-вторых, он не должен быть слишком малым, так как большой уровень исследуемого напряжения может привести к перегрузке внутренних узлов анализатора спектра. Из-за этого исследуемое напряжение может исказиться по форме и, соответственно, спектру внутри самого анализатора. В результате на экране может быть получен спектр, отличающийся от спектра входного сигнала.

Поэтому общим правилом является установка коэффициента ослабления исследуемого колебания во входном аттенюаторе сначала максимального с последующим уменьшением его до значения, при котором исследуемый спектр еще не искажен, а уровни спектральных составляющих на экране существенно превосходят собственные шумы анализатора спектра.

Анализатор спектра СК4-56 имеет высокую чувствительность, поэтому необходимо следить, чтобы он не был перегружен по входу. Максимальное среднеквадратическое отклонение входного исследуемого гармонического напряжения – 80 мВ.

Приложение 6