Измерение формы и спектра сигналов

Анализаторы гармоник

Анализатор гармоник представляет собой высокоизбирательное устройство, при помощи которого можно измерить амплитуду и частоту одной гармонической составляющей в присутствии всех других.

Рис. 10.2. Структурные схемы анализаторов гармоник последовательного действия: а – с избирательными контурами; б – гетеродинный

По схемным решениям анализаторы гармоник подразделяют на анализаторы с избирательными контурами и гетеродинные (рис. 10.2 рис. 10.2). В диапазоне низких частотах избирательные контуры выполняют в виде узкополосных фильтров, в диапазоне высоких частот используют колебательные контуры, на СВЧ – объемные резонаторы.

При параллельном анализе исследуемый сигнал после входного устройства поступает одновременно на n каналов, состоящих из узкополосных фильтров, настроенных на основную частоту и ее гармоники (рис. 10.3 рис. 10.3). Напряжения соответствующих гармонических составляющих после квадратичного детектирования через коммутирующее устройство попадают на индикатор, регистрирующий абсолютные или относительные значения напряжения гармоник. При малом числе каналов (например, 3 или 5) коммутатор не обязателен, можно использовать необходимое количество индикаторов.

Рис. 10.3. Структурная схема анализатора гармоник параллельного действия

Анализаторы гармоник применяются в основном для исследования гармонических составляющих несинусоидальных сигналов низкой частоты.

Анализаторы спектра

Анализатор спектра представляет собой панорамное устройство, при помощи которого можно наблюдать на экране электроннолучевой трубки спектр исследуемого сигнала. Наиболее распространенная структурная схема спектра представлена на рис. 10.4 рис. 10.4. Исследуемый периодический сигнал сложной формы поступает через входное устройство на смеситель, к которому подводится напряжение генератора качающейся частоты. Линейное изменение частоты во времени производится изменением напряжения генератора развертки. Вследствие этого отклонение электронного луча по горизонтали пропорционально отклонению частоты от среднего значения и горизонтальная ось является осью частот. На выходе смесителя образуются напряжения комбинационных частот. Составляющие, частота которых лежит в полосе пропускания усилителя промежуточной частоты усиливаются и после детектирования в квадратном детекторе и усиления в видео усилителе поступают на вертикально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Таким образом, отклонение луча по вертикали пропорционально мощности определенной узкой полосы спектра исследуемого сигнала (от до ), удовлетворяющему равенство

( 10.7)

В некоторых анализаторах спектра используют логарифмические усилители, которые дают возможность наблюдать составляющие спектра с большим отношением амплитуд (100:1 или 1000:1). В таких анализаторах логарифмический режим можно менять на линейный.

Рис. 10.4. Структурная схема анализатора спектра

Калибратор предназначен для создания на экране трубки частотных меток.

Основным недостатком анализаторов представленного действия является большая продолжительность анализа.

Диапазон качания частоты гетеродина определяется шириной исследуемого спектра. Для измерения основного или трех боковых лепестков диапазон качания должен быть равен . (рис. 10.5 рис. 10.5)

Частотна развертки определяет количество циклов качания частоты гетеродина в секунду. Минимальная величина периода развертки характеризуется временем последовательного анализа T_посл При анализе спектра периодических импульсных сигналов период развертки Т_раз связан с периодом следования сигналов T_c соотношением: , где m – число линий спектра, наблюдаемых на экране трубки.

Промежуточная частота анализатора спектра должна быть такой, чтобы при минимальной длительности исследуемого импульса ? изображение спектра, получаемое по зеркальному каналу, не накладывалось на спектрограмму основного канала (рис. 10.5 рис. 10.5).

Рис. 10.5. Прямое и зеркальное изображение спектра

Измерение нелинейных искажений

Нелинейным искажение гармонического сигнала называется изменение его формы, возникающее в результате прохождения сигнала через устройство, содержащее нелинейный элемент. Искаженный сигнал можно представить в виде суммы постоянной составляющей, первой гармоники с частотой f и высших гармоник к частотам .

Мерой нелинейного искажения гармонического сигнала является коэффициент гармоник, характеризующий отличие формы данного периодического сигнала от гармонического

( 10.8)

где A_i – амплитуда i-й гармоники сигнала.

Нелинейные искажения измеряют двумя методами: гармоническим и комбинационным. При гармоническом методе на вход испытуемого устройства подают один гармонический сигнал, при комбинированном – два (или три) сигнала разных частот. Существует статистический метод, при котором на вход подают шумовой сигнал.

Измерение нелинейных искажений гармоническим методом осуществляется при помощи прибора – измерителя нелинейных искажений. Входное устройство предназначено для согласования выходного сопротивления исследуемого объекта с входным сопротивлением измерителя нелинейных искажений. Широкополосный усилитель обеспечивает усиление сигнала до величины, удобной для отсчета и дальнейших вычислений. Полоса пропускания усилителя охватывает диапазон частот от нижней рабочей частоты до пятикратного значения верхней частоты, на которой измеряются нелинейные искажения.

Диапазон рабочих частот устанавливается переключением резисторов R, плавная настройка осуществляется сдвоенным блоком конденсаторов переменной емкости.

Для наблюдения формы сигнала или его высших гармоник предусмотрен выход на осциллограф. Выпускают для работы в диапазоне низких (звуковых частот).