2. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Анализаторы спектра можно разделить на анализаторы, действие которых основано на использовании принципа фильтрации и преобразования Фурье. Первая группа анализаторов может быть с непосредственной фильтрацией, с предварительным гетеродинированием, с временной компрессией. Различают анализаторы спектра параллельного и последовательного принципа действия [4, 11].

В ряде случаев используют анализаторы, содержащие задерживающие цепи с дисперсией фазовой скорости Если исследуемый сигнал подвергнуть линейной частотной модуляции, а затем подать на устройство с дисперсией, то на выходе последнего появляется сигнал, огибающая которого является спектральной плотностью исследуемого сигнала.

В связи с развитием микроэлектроники резко возрос интерес к применению цифровых анализаторов спектра. Использование цифровых фильтров позволяет относительно просто решить проблему перестройки анализатора, резко уменьшить его габариты и массу при высоких качественных показателях всего устройства Например, относительная ширина полосы пропускания 0,1-100 Гц в диапазоне частот 1 Гц — 1 мГц соответствует добротности фильтра до 107. При узкой полосе пропускания (0,1 Гц) для обеспечения автоматического слежения за сигналом в схеме цифровых анализаторов предусматривают цифровой контур автоматической подстройки частоты гетеродина.

Другое направление в области спектрального анализа связано с широким внедрением ЦВМ для расчета текущего спектра исследуемого сигнала. При этом используют дискретные значения сигнала, а его текущий спектр рассчитывают путем непосредственного применения дискретного преобразования Фурье и различных модификаций алгоритма быстрого преобразования Фурье.

Современные анализаторы спектра характеризуются широкой областью применения и универсальностью использования. Они могут заменить селективный вольтметр, частотомер, измеритель нелинейных искажений, использоваться в качестве корректирующего или избирательного усилителя. Схемные решения анализаторов спектра предусматривают наличие полосно-заграждающих фильтров, обеспечивающих эффективное подавление фиксированной частоты или полосы частот, специальных фильтров со стандартными частотными характеристиками, находящих применение при анализе спектрального состава виброакустических шумов.

В комплект анализаторов спектра включают специализированные устройства, облегчающие их эксплуатацию и обеспечивающие высокие метрологические характеристики. К таким устройствам относят индикаторы перегрузки входного и выходного усилителей, индикаторы среднего номинального значения частоты, встроенные устройства калибровки и нормализации сигналов от измерительных преобразователей, логарифмические преобразователи для прямого отсчета уровней составляющих спектра в децибелах, устройства автоматического переключения диапазона исследуемых частот и др

Частотомеры электронно-счетные предназначены для измерения частоты и периода электрических колебаний, интервалов времени, длительности импульсов, отношения частот и подсчета числа импульсов [19, 20]. Они могут быть использованы как источники колебаний высокостабильной частоты. Различают упрощенные, универсальные и специализированные частотомеры. Все они являются многофункциональными приборами, обладают высокой точностью и уровнем автоматизации измерений, отличаются высокой надежностью, имеют возможность дистанционного управления работой. Результаты измерений представляются в цифровой форме с помощью газоразрядных знаковых индикаторов с системой памяти и могут быть выведены в форме кодов в цифроиечатающую машину или цифроаналоговый преобраздратель. Предусмотрена возможность использования частотомеров в

автоматизированных системах измерения и управления. С этой целью совместно с частотомерами можно применять коммутаторы измерительные, коммутаторы кодов компараторы кодов и преобразователи кодов.

Измерители временных интервалов предназначены для точных измерений временных параметров периодических (повторяющихся) импульсов и сигналов синусоидальной формы, длительностей импульсов, фронтов и спадов, сдвигов между импульсами, периода следования, частоты. Различают осциллографические и цифровые измерители временных интервалов. Осциллографические измерители позволяют наблюдать исследуемый процесс на экране индикатора, производить измерения на любом уровне и участке сигнала по шкале времени [18, 19, 20]

Цифровые измерители обладают дополнительными функциональными возможностями. Они позволяют измерять временные параметры однократных процессов, регулировать промежуток времени между измерениями и запоминать результаты измерений за этот промежуток, осуществлять счет числа импульсов. Результат измерения получается с большой скоростью в цифровой форме, как правило, в коде 8—4—2—1 и может быть выведен на внешнее регистрирующее устройство, цифропечатающую машину, цифроаналоговый преобразователь и др.

Измерители разности фаз предназначены для измерения угла сдвига фаз между двумя непрерывными синусоидальными сигналами в диапазоне частот, а также позволяют индицировать знак фазы и получать сигнал, пропорциональный разности фаз для регистрации.

Для аппаратурного определения сдвига фаз используют три основных метода. Первый метод основан на прямом или косвенном измерении отношения временного интервала между характерными точками двух сигналов (например, переходами через некоторый заданный уровень, обычно нулевой) к периоду исследуемых сигналов [5, 21] Фазометры этого типа имеют относительно простую конструкцию и обеспечивают получение высокой точности измеряемого фазового сдвига при высоком соотношении сигнал/шум.

Второй метод состоит в получении коэффициентов Фурье для гармонических составляющих исследуемых сигналов, соответствующих частоте, на которой определяется фазовый сдвиг. Если получаемые коэффициенты разложения по синусной и косинусной функциям соответственно для первого и второго сигналов равны то фазовый сдвиг между сигналами

Этот метод целесообразнее использовать для определения спектра сигнала, так как могут быть одновременно получены амплитудный и фазовый спектры. Более подробно вопросы, связанные с построением аппаратуры, используемой для реализации метода, изложены в разделе, посвященном анализаторам спектров

Третий метод основан на определении коэффициента корреляции между исследуемыми сигналами с последующим вычислением оценки фазового сдвига по полученному коэффициенту корреляции в соответствии с выражением

где — корреляционный момент исследуемых сигналов; действующие значения входных сигналов.

Корреляционный метод измерения сдвига фаз целесообразно использовать при наличии на выходах первичных измерительных преобразователей кроме исследуемых сигналов значительных по сравнению с ними составляющих типа шумового сигнала и помех, не коррелированных между собой.