Анализаторы спектра параллельного действия

В этих приборах анализ спектра производится с помощью фильтров с перекрывающимися частотными характеристиками (рис. 14.7, а). Выходные напряжения фильтров после детектирования (рис. 14.7,б) поочередно с помощью коммутатора подаются на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Коммутатором управляет ступенчатое напряжение генератора развертки. За время действия от t ₀ до t ₁первой ступеньки (рис.14.7,в) к вертикально отклоняющим пластинам ЭЛТ подключен детектор 1, за время действия от t ₁ до t ₂ (второй ступеньки) — детектор 2 и т. д. По истечении периода развертки все фильтры будут поочередно подключены к вертикально отклоняющим пластинам ЭЛТ.

Пусть анализируемое колебание содержит две спектральные составляющие с амплитудами U ₁ и U ₂, а частоты составляющих f ₁ и f ₂ совпадают с центральными частотами фильтров 2 и 4. Как следует из рис. 14.7,б, под действием входного колебания на выходе фильтров 2 и 4 возникнут напряжения, пропорциональные U₁ и U₂, а на выходе фильтров 1,3 и 5 — напряжения значительно меньшей амплитуды. На экране ЭЛТ возникнут пять выбросов, несущих информацию об исследуемом спектре (рис. 14.7, г). Отсчет спектральных составляющих производится обычно только по амплитудам двух наибольших выбросов, а остальные три являются нежелательными. Нежелательные выбросы становятся тем меньше, чем ближе форма частотных характеристик фильтров к прямоугольной, так как при прямоугольной форме под действием спектральной составляющей появляется напряжение на выходе только одного фильтра.

Важнейшей характеристикой анализатора является его разрешающая способность, количественно определяемая как минимальная разность частот двух спектральных составляющих, при которой эти составляющие можно наблюдать на экране ЭЛТ раздельно. Как следует из рис. 14.7, д, для фильтров с прямоугольной частотной характеристикой К (f) (идеальных фильтров) разрешающая способность Δ f _p = 2Δ f _ф.

Однако частотную характеристику прямоугольной формы невозможно реализовать на практике, и в анализаторах используют фильтры с частотной характеристикой, близкой к прямоугольной. Надежного разделения спектральных составляющих достигают при большой разности частоты, и разрешающую способность приблизительно оценивают удвоенной полосой пропускания фильтра:

Δ f _р = 2(2Δ f _ф). (14.19)

Для получения постоянной разрешающей способности во всем диапазоне анализируемых частот фильтры следует делать с постоянной полосой пропускания. Это требование легко выполнить в том случае, когда отношение максимальной анализируемой частоты к минимальной не превышает нескольких единиц. Но даже в звуковом и инфразвуком диапазонах необходимо вести анализ от долей герца до единиц килогерц, при этом полоса пропускания фильтра на нижней границе частот должна быть 0,01 Гц и меньше. Сохранение такой полосы во всем диапазоне невозможно, поскольку на частоте 1 кГц фильтр должен иметь эквивалентную добротность 10⁵. Кроме того, число фильтров для анализа сигналов в звуковом диапазоне с такой разрешающей способностью столь велико, что реализовать такое устройство практически невозможно. Во избежание этого фильтры выполняют с одинаковой эквивалентной добротностью, а их полоса пропускания выбирается кратной октаве (обычно 1/3 и 1/2 октавы).

Как отмечалось в § 14.2, фильтрам анализатора свойственна инерционность, которую принято оценивать временем установления Ту напряжения на выходе фильтра от 0,1 до 0,9 установившегося значения (значения 0,1 и 0,9 приняты условно и в ряде конкретных случаев могут быть другими).

Как известно, для фильтров с различной формой частотной характеристики

τ_y = А/2Δ f _ф, (14.20)

где А — постоянный коэффициент, зависящий от типа применяемого фильтра. Так, для одиночного контура А = 0,73, для системы связанных контуров с критической связью

А = 0,72. Для приближенных расчетов можно принять А = 1.

Очевидно, что спектральные составляющие можно измерить по истечении интервала времени, большего или равного τ_у. Этот интервал характеризует время анализа

Т_а = τ_у≈1/2Δ f _ф. (14.21)

Если фильтры имеют разные полосы пропускания, то время анализа определяется наименьшей полосой.

Анализаторы спектра с набором полосовых фильтров не получили широкого распространения, главным образом, из-за сложности систем фильтров, их большой стоимости, невозможности анализа в широкой полосе частот при хорошей разрешающей способности. Достоинством этих приборов является малое время измерения по сравнению с другими видами анализаторов спектра, что в ряде случаев является определяющим.