Погрешности измерений. Измерение токов и напряжений. Приборы анализа электрических сигналов. Измерение напряженности поля и помех, страница 16

Спектроанализаторы

Основная задача определения спектра сигнала – опрделение амплитуд и частот его гармонических составляющих, что необходимо при изучении сигналов и помех. Математическая интерпретация спектроанализатора – это представление любого процесса в виде набора синусоид и косинусоид с опрделенными амплитудами, при этом спектральная функция сигнала определяется известным преобразованием Фурье  .

В реальных условиях измеряется в течении ограниченного интервала времени, поэтому значения  являются функциями не только частоты, но и времени наблюдения (текущий спектр).

Принципиально анализ спектра может производиться приборами (СА)

а) одновременного действия (параллельные спектроанализаторы);

б) последовательного действия (перестраивающиеся спектроанализаторы).

Параллельные СА, как говорит само название, представляет собой разветвитель с множеством отдельных (параллельных) фильтров, перекрывающих заданную полосу обзора . На выходе фильтров стоят соответствующие детекторы с оператционным запоминающим устройством, которое периодически опрашивается (рисунок 5.1) с помощью генератора ступенчатого напряжения.

                                          Рисунок 5.1

Если начертить характеристики всех полосно-пропускающих фильтров (ПФ) в полосе обзора, то они будут иметь вид такой, как на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2

При этом, если полоса пропускания отдельного фильтра , то , отсюда, чтобы получить погрешность измерения по частоте , необходимо иметь  фильтров!Параллельные спектроанализаторы имеют  и  и предназначены для анализа быстропротекающих или случайных электрических сигналов, которых в технике связи подавляющее большинство. При этом детекторы параллельного СА – это квадратичные детекторы (измерители мощности), так как амплитуда сигналов случайна и может лишь говорить о ее действующих значениях.

Последовательные СА могут быть представлены одним ПФ, который постепенно проходит всю полосу обзора. Однако сделать перестривающийся фильтр с неизменными характеристиками технически очень сложно,поэтому такие СА на практике создаются на базе одного ПФ с неизменной частотой, а затем гетеродинированием перестраивают входную частоту (рисунок 5.3).

                                                         Рисунок 5.3

На схеме генератор пилообразного напряжения запускает развертку ЭЛТ и изменяет также частоту генератора качающейся частоты (ГКЧ). В результате чего при неизменной полосе частот ПФ₁ происходит прием различных частот входного сигнала u(t).

Последовательные СА могут быть использованы только для детерминированных (тестовых) сигналов, время наблюдения которых может быть любым.

Однако, при последовательном анализе происходит быстрое перемещение отдельных спектральных линий по полосе пропускания фильтра. При этом наблюдаются переходные, динамические процессы в колебательной системе, которые приводят к расширению статической полосы пропускания на величину , где   - скорость перестройки по частоте за время обзора (Т_обз),  и  - затухание и резонансная частота контура, а также уменьшению значения максимума напряжения на контуре на величину . Величины S и В ограничивают величину скорости перестройки.

Выпускаемый промышленностью анализатор последовательного действия С4-46 имеет рабочий диапазон 0.1 -  270 МГц (перекрывается пятью поддиапазонами), его чувствительность – 10^-12 Вт и погрешность по амплитуде – 5% и частоте - 2%.

Цифровые методы спектрального анализа осуществляются путем операций над числами, представляющие в дискретной форме (по теореме Котельникова) анализируемый сигнал с помощью ЭВМ (или микропроцессоров), запрограммированных на вычисление u(kΔt), где k – ряд целых чисел. При этом алгоритм дискретного преобразования Фурье (ДПФ) имеет вид:

                                            ;