6-2. АНАЛИЗАТОРЫ СПЕКТРА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

Анализаторы спектра последовательного действия применяются для исследования любых сигналов, спектр которых не изменяется за время измерения (анализа). Простейший анализатор (рис. 6-1) состоит из смесителя См, на один вход которого поступает исследуемый сигнал а на второй — сигнал с линейно изменяющейся частотой от генератора качающейся частоты Изменение частоты генератора по закону перемещает спектр сигнала относительно центральной настройки усилителя промежуточной частоты УПЧ с полосой пропускания и на выходе последнего последовательно выделяются составляющие спектра сигнала при выполнении условия (рис. 6-2), где номера гармоник. Спектральные составляющие поступают на детектор и затем на вертикально отклоняющие пластины осциллографического индикатора. Отклонение луча по горизонтали осуществляется генератором развертки синхронно с качанием частоты благодаря чему линия развертки соответствует оси частот спектрограммы.

Рис. 6-1. Простейшая схема анализатора спектра последовательного действия

Если развертка калибрована в единицах частоты, а коэффициент передачи анализатора спектра от его входа до экрана индикатора известен, то полученная осциллограмма будет точно соответствовать амплитудному спектру сигнала.

Имеются анализаторы спектра, генератор которых перестраивают вручную, а в качестве индикатора используют

стрелочный измеритель напряжения сигнала после детектора; такие приборы называют анализаторами гармоник.

Они подобны селективным вольтметрам и постепенно вытесняются ими.

Основными характеристиками анализаторов спектра являются разрешающая способность, время анализа, динамический диапазон и погрешность измерения частоты и амплитуды.

Рис. 6-2. К анализу спектра: а — гармонические составляющие сигнала; б - напряжение на выходе УПЧ

Разрешающая способность определяется минимальным расстоянием по оси частот (рис. 6-3), при котором можно выделить и измерить с заданной погрешностью две соседние составляющие спектра. Разрешающая способность прямо пропорциональна полосе пропускания фильтра усилителя промежуточной частоты:

где

Время анализа определяется полосой обзора, т. е. разностью частот генератора и полосой пропускания фильтра. Время анализа в полосе пропускания фильтра равно а в полосе обзора увеличивается в раз и составляет Очевидно, что стремиться к сверхузкополосным фильтрам нецелесообразно, так как при Гц время анализа слишком велико. Это обстоятельство соответственно ограничивает частотный диапазон анализаторов снизу значением 10 Гц, а полосу пропускания фильтра — 3 Гц.

Рис. 6-3. К определению разрешающей способности анализатора спектра

Динамический диапазон анализатора спектра характеризует его работу в линейном режиме. Нельзя допускать перегрузку смесителя анализатора, так как она может вызвать в выходном спектре сигналы на комбинационных

частотах. Цинамический диапазон

где максимальный допустимый уровень исследуемого сигнала, поступающего на сместитель, при котором напряжение составляющих комбинационных частот соизмеримо с напряжением собственных шумов входной цепи анализатора.

Рис. 6-4. Статическая и динамическая характеристики фильтра

Погрешность измерения уровней сигнала состоит из многих составляющих: погрешности калибровки чувствительности; неравномерности амплитудно-частотной характеристики тракта; погрешности шкал аттенюаторов; погрешности шкалы индикатора; влияния собственных шумов.

В конкретных случаях возможно исключение некоторых частных погрешностей. Например, если уровень выходного сигнала определяется методом сравнения с уровнем сигнала вспомогательного генератора, то погрешность анализатора будет определяться только погрешностью шкалы индикатора и установки уровня вспомогательного генератора. Если исследуемый сигнал значительно превышает уровень шумов, то их можно не учитывать.

Во время анализа на усилитель промежуточной частоты поступает напряжение, частота которого непрерывно меняется. В фильтре с полосой пропускания возникают переходные процессы, искажающие его резонансную характеристику: смещается и уменьшается ее максимум, расширяется полоса пропускания. Степень искажений зависит от скорости изменения частот генератора

На рис. 6-4 приведены характеристики фильтра: статическая 1 и динамическая 2. По оси ординат отложен квадрат коэффициента передачи фильтра К, а по оси абсцисс — обобщенная расстройка где резонансная частота фильтра, текущая частота, затухание фильтра. Искажения вычисляются по следующим формулам: смещение максимума уменьшение максимума приращение относительной ширины полосы где А зависит от типа фильтра.

Скорость изменения частоты генератора ГКЧ

При правильном выборе полосы обзора и времени анализа, которое равно длительности прямого хода луча, искажения резонансной кривой фильтра не вносят заметных искажений в спектрограмму.

Анализатор спектра представляет собой супергетеродинный приемник, в котором при неправильно выбранной промежуточной частоте возможно прохождение сигналов зеркального канала, отстоящего от основного на удвоенную промежуточную частоту (рис. 6-5). При исследовании спектра импульса, длительность которого можно ограничиться тремя боковыми лепестками.

Рис. 6-5. К выбору промежуточной частоты 1 — основной канал; 2 — зеркальный канал

Рис. 6-6. Структурная схема анализатора спектра последовательного действия

Ширина основного лепестка равна а каждого из боковых Таким образом, для исключения перекрытия спектров необходимо, чтобы Полоса обзора определяется шириной спектра исследуемого сигнала. При трех лепестках она должна быть больше Частота развертки равна и определяет число циклов качания частоты генератора в секунду.

В качестве примера рассмотрим полную структурную схему анализатора спектра последовательного действия (рис. 6-6). Периодический сигнал сложной формы

поступяет через пробник или через входной аттенюатор и фильтр нижних частот на смеситель на второй вход которого подводится напряжение генератора качающейся частоты ГКЧ. Линейное изменение частоты во времени производится изменением пилообразного напряжения генератора развертки С выхода смесителя переменный по частоте сигнал поступает на первый усилитель промежуточной частоты УПЧ. Когда частота сигнала совпадает с частотой настройки на его выходе появляются составляющие спектра с полосой частот С помощью гетеродина и смесителя они подвергаются второму преобразованию с понижением частоты. Это облегчает трудную задачу создания узкой полосы пропускания во втором усилителе промежуточной частоты УПЧ. В качестве избирательного устройства в нем используются LC-фильтры или кварцевые резонаторы. Ширина полосы пропускания этих устройств определяет разрешающую способность и другие параметры анализатора.

После регулировки аттенюатором проходящие через фильтр составляющие детектируются, усиливаются и поступают на пластины электронно-лучевой трубки индикатора, образуя спектрограмму в виде светящихся вертикальных полосок, высота которых пропорциональна амплитудам составляющих сигнала. Для увеличения яркости осциллограммы сигнал с УПЧ подают на блок подсвета где он детектируется, формируется в прямоугольный импульс для воздействия на модулятор трубки.

Калибратор предназначен для создания на экране трубки частотных меток. Он представляет собой генератор с частотной модуляцией и модулятор вырабатывающий модулирующее синусоидальное напряжение. В спектре высокочастотного сигнала генератора при частотной модуляции появляются составляющие боковых частот, расстояния между которыми равны частоте модулирующего колебания. Частота генератора и боковые полосы создают на экране трубки опорные частотные метки с известными фиксированными значениями частоты и интервалов между ними.

Промышленность выпускает анализаторы последовательного действия, перекрывающие диапазон частот от 10 Гц до с полосой пропускания фильтров от единиц герц в низкочастотных анализаторах до и больше в анализаторах СВЧ. Динамический диапазон Время анализа Погрешность измерения частоты амплитуды —