Анализ спектров и нелинейных искажений, страница 3

В настоящее время применяются два типа анализаторов спектра: аналоговые и цифровые, однако с развитием вычислительной техники все большее значение приобретают цифровые анализаторы.

2. Аналоговые фильтровые анализаторы спектра

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

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

Для целей анализа спектра центральную частоту полосы пропускания полосового фильтра задают равной частоте одной из составляющих. Эта составляющая пройдет на выход фильтра с некоторым коэффициентом передачи (примем его условно равным 1). Полосу пропускания фильтра задают столь узкой, чтобы другие гармонические составляющие сигнала в нее не попали и проходили на выход с коэффициентом передачи  <<1. Тогда на выходе полосового фильтра будет доминировать только одна составляющая, и измеренное значение напряжения на выходе фильтра будет соответствовать ее амплитуде (или среднеквадратическому значению).

Для определения уровня другой гармонической составляющей полосовой фильтр нужно настроить 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 исследуемое колебание 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 фильтре 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 требуемой 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 рис. 2.

Рис. 2

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 не невозможно) 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 не перестраиваемого узкополосного фильтра (центральную частоту его полосы пропускания часто называют промежуточной частотой). Медленно меняя при этом 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 при этом частотой вспомогательного генератора гармонического напряжения (часто называемого гетеродином). Поэтому для осуществления последовательного спектрального анализа нужно медленно изменять во времени частоту колебания гетеродина по линейному закону. Технически это реализовать достаточно просто.