Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
Диапазон частот характеризует граничные значения частотного интервала, в котором анализируются спектры сигналов. В случае анализа спектра радиоимпульсов эта характеристика даёт представление о диапа- зоне несущих частот сигналов, спектры которых могут быть исследованы прибором. При сопоставлении характеристик прибора и исследуемого ра- диоимпульса следует учитывать и ширину спектра, так как последняя ино- гда получается значительной. Рабочий диапазон частот определяется главным образом диапазоном перестройки частоты колебаний гетеродина (или средней частоты полосо- вого фильтра). Практически область рабочих частот анализатора может быть расширена в результате использования гармоник гетеродина. Разрешающая способность определяет минимальное расстояние по оси частот между двумя составляющими спектра, при котором могут быть Глава 8. Измерение спектров 307 выделены отдельные линии и измерены их уровни. При анализе сплошных спектров от разрешающей способности зависит ширина «вырезаемого» участка спектра. Строго говоря, полное разделение соседних составляющих недости- жимо. Оно всегда в какой-то мере условно. Это видно на примере анализа спектра, состоящего из двух линий (рис. 8.8, а). В резонаторе одновременно возбуждаются колебания двух частот и возникают биения с разностной час- тотой. Напряжение, фиксируемое индикатором, имеет вид двугорбой кривой. а б Рис. 8.8. График разрешающей способности анализатора спектра Разрешающую способность, являющуюся функцией лишь парамет- ров полосового фильтра, называют статической. От неё отличают дина- мическую разрешающую способность, которая зависит не только от пара- метров избирательной системы, но и от времени. Динамическая разре- шающая способность, являющаяся истинной разрешающей способностью анализатора, определяется динамической характеристикой (резонансной кривой) избирательной системы прибора. Обычная статическая резонансная кривая характеризует свойства ре- зонатора в установившемся режиме, наступающем по окончании переход- ных процессов, возникающих в начале возбуждения. Теоретически пере- ходные процессы заканчиваются через t = ∞ после момента включения. Практически время установления – величина конечная и, как известно, прямо пропорциональна добротности избирательной системы или обратно пропорциональна ее полосе пропускания Δf, т. е. t у = А / ∆f (A – коэффици- ент, зависящий от типа избирательной системы). Так как системы, приме- няемые в анализаторах, принципиально имеют высокую добротность (уз- кую полосу), то время установления в них значительно и нередко может превышать время действия сигнала или промежуток, на который полосо- вой фильтр «останавливается» у данной составляющей. Отсюда следует, что резонансная кривая резонатора неодинакова в различные моменты времени: она тем острее, чем больше время действия или продолжительнее ω 2 ω 1 ω 2 ω 1 ω ω/ω 0 1 2 U/U 0 Раздел 2. Измерительная техника 308 «остановка». Поэтому вводят понятие динамической резонансной кривой, характеризующей зависимость модуля коэффициента передачи системы от воздействия на нее сигнала, частота которого изменяется линейно с неко- торой конечной скоростью. Продолжительность анализа. При одновременном анализе его продолжительность определяется временем установления колебаний, ко- торое обратно пропорционально полосе пропускания Δf одиночного поло- сового фильтра. В случае последовательного анализа его продолжитель- ность прямо пропорциональна ширине исследуемого спектра F и обратно пропорциональна квадрату полосы пропускания избирательной системы. Таким образом, продолжительность последовательного анализа по- лучается в n = F / ∆f раз большей, чем одновременного, и ее можно опреде- лить по формуле посл 2 A F F t A f f f (8.14) Если в анализаторе спектра применён гетеродин качающейся часто- ты, то время t поcл определяет период качания (период развертки в осцилло- графическом анализаторе). Скорость анализа. Во многих случаях исследования спектра требует- ся высокая скорость последовательного анализа. Однако при увеличении скорости изменения частоты разрешающая способность падает, так как ста- новятся значительнее отличия динамической характеристики2(рис. 8.8, б) анализатора от статической 1. Основные отличия заключаются в следующем: уменьшается коэффициент передачи и тем значительнее, чем бы- стрее изменяется частота; получается сдвиг максимума резонансной кривой как по частоте, так и по времени, увеличивающийся при возрастании скорости изменения частоты; происходит расширение резонансной кривой, вызванное тем, что при подходе к резонансу амплитуда нарастает плавно, а убывает с убыст- ряющимися с течением времени колебаниями; это обусловлено биениями между свободными колебаниями фильтра и возбуждающими его колеба- ниями; получается более тупая резонансная кривая, причем избиратель- ность ухудшается при увеличении скорости изменения частоты. Чувствительность. Анализаторы спектра являются приборами с высокой чувствительностью, так как часто применяются для исследования слабых сигналов. Чувствительность низкочастотных осциллографических анализаторов выражают в милливольтах. Чувствительность анализаторов СВЧ характеризуют такими же величинами, как чувствительность приемни- Глава 8. Измерение спектров 309 ков СВЧ. У различных анализаторов она составляет 10 –7 …10 –11 Вт. В пас- порте обычно указывают чувствительность по отношению к монохромати- ческим сигналам. При исследовании спектров импульсных сигналов чув- ствительность значительно меньше и зависит от длительности импульса. Это объясняется тем, что при монохроматическом сигнале, представляю- щем собой одну спектральную линию, вся энергия сигнала проходит пол- ностью через узкую полосу приемника. В случае импульсного сигнала его энергия распределена по всему спектру, а через приёмник проходит только узкий участок, составляющий небольшую часть ширины спектра. Количественный анализ показывает, что при колоколообразной ха- рактеристике УПЧ чувствительность анализатора к импульсным сигналам меньше чувствительности к монохроматическим колебаниям в р раз, где 2 2 и 4 9 p f (8.15) Промежуточную частоту УПЧ выбирают такой, чтобы при мини- мальной длительности исследуемого импульса τ и изображение спектра, получаемое по зеркальному каналу приёмника, не накладывалось на спек- трограмму основного канала. Так как ширина основного лепестка спектра прямоугольного радиоимпульса равна 2 / τ и , а боковых лепестков 1 / τ и , то для наблюдения трех боковых лепестков без перекрытия необходимо вы- полнить условие f пр > 4τ и / τ и . Так, при τ и = 0,1 мкстребуется f пр > 40 МГц. Диапазон качания частоты гетеродина определяется шириной анали- зируемого спектра. Так, для наблюдения основного лепестка и трёх боко- вых с каждой стороны спектра прямоугольного радиоимпульса требуется диапазон качания (удвоенная девиация частоты) 2f д = f г max – f г min ≈ 8 / τ и (8.16) Частота развёртки представляет собой величину, обратную продол- жительности анализа, и характеризует число циклов качания частоты гете- родина в секунду. При анализе спектров импульсных колебаний частоту развёртки выбирают такой, чтобы обеспечить достаточно большое число m светящихся линий в изображении спектра. Частота развертки р F (период развертки р Т ), число линий m и частота повторения импульсов F п (период повторения Т п ) связаны соотношением р F = F п / m или T р = m · Т п (8.17) Расстояние между соседними линиями при ширине изображения В составляет p п F B B F . Изображение удобно для наблюдения, если в его Раздел 2. Измерительная техника 310 основном лепестке и двух боковых с каждой стороны содержится пример- но 40–60 линий. Иногда для получения такого числа линий приходится применять низкие частоты развертки, что приводит к мерцанию изображе- ния. В подобных случаях прибегают к фоторегистрации спектрограмм. Скорость развёртки задаёт одновременно скорость изменения ЧМ- гетеродина, т. е. скорость анализа. Следовательно, максимальный предел скорости развертки ограничивается наибольшей допустимой величиной скорости анализа. В данной главе изложены основные способы спектрального анализа – фильтрация спектральных составляющих и дискретное преобразование Фу- рье исследуемого сигнала. Ограниченное применение имеет дисперсионно- временнóй метод. Метод фильтрации основан на выделении спектральных составля- ющих узкополосными фильтрами одновременно с помощью системы фильтров с перекрывающимися АЧХ или последовательно с помощью од- ного фильтра. Наиболее распространен метод последовательного анализа, заклю- чающийся в гетеродинном преобразовании исследуемого спектра с пере- страиваемым по частоте гетеродином и в выделении спектральных состав- ляющих УПЧ. Разрешающая способность, в статическом режиме равная удвоенной полосе пропускания УПЧ, возрастает при увеличении скорости перестрой- ки частоты. Время анализа детерминированных сигналов может составлять десятки секунд и возрастает при анализе случайных процессов. При анализе импульсов с большой скважностью наблюдаемые на эк- ране ЭЛТ выбросы являются откликами на отдельные импульсы. Спектральный анализ с помощью дисперсионных линий задержки основан на возрастающей или убывающей с частотой задержке спектраль- ных составляющих подведенного к линии радиоимпульса. Импульс дол- жен подвергаться ЛЧМ, причем скорость изменения частоты должна иметь противоположный знак по сравнению со скоростью изменений частоты в импульсной характеристике линии. Анализаторы спектра с дисперсионными линиями задержки характе- ризуются очень малым временем анализа, равным полной задержке сигна- ла в линии. Спектральный анализ на основе дискретного преобразования Фурье состоит в дискретизации участка исследуемого колебания и в расчёте спектра с помощью быстрого преобразования Фурье. Режим спектрального анализа предусмотрен в цифровых осциллографах и анализаторах спектра. Глава 8. Измерение спектров 311 Контрольные вопросы 1. Для каких целей используется спектральный анализ сигналов? 2. Какой физический смысл лежит в основе прямого и обратного преобразований Фурье? 3. Как аналитически записывают прямое и обратное преобразования Фурье? 4. На чем основан параллельный и последовательный анализ спектра исследуемых сигналов? 5. Какова связь между дискретным преобразованием Фурье и гармо- ническими составляющими сигнала? Как это используется в цифровых анализаторах? 6. В чем состоит суть быстрого преобразования Фурье? 7. Как выглядит упрощенная структурная схема анализатора парал- лельного действия? 8. Что называется разрешающей способностью анализатора? 9. Как разрешающая способность связана с полосой пропускания фильтра анализатора? 10. Какова упрощенная структурная схема анализатора спектра по- следовательного типа? 11. Как связана скорость анализа с полосой пропускания анализатора? 12. Чему равно время анализа в схемах последовательного типа? Раздел 2. Измерительная техника 312 Глава 9. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ 9.1. Назначение и классификация электронно-лучевых осциллографов. Области применения Электронный осциллограф является прибором для визуального наблюдения, регистрации и измерения параметров электрических сигна- лов. Так, наблюдая на экране осциллографа импульсные сигналы, можно определить их амплитуду, длительность, период следования, искажения формы и т. д. Обладая универсальностью, осциллограф как измеритель- ный прибор не отличается высокой точностью и предназначен для оце- ночных измерений. С помощью осциллографа можно наблюдать периодические непре- рывные и импульсные сигналы, непериодические и случайные сигналы, одиночные импульсы и оценивать их параметры. Чаще всего с помощью осциллографа наблюдают зависимость напряжения от времени, причем, как правило, осью времени является ось абсцисс, а по оси ординат откла- дывается уровень сигнала. По изображениям, получаемым на экране ос- циллографа, могут быть измерены амплитуда, частота и фазовый сдвиг, параметры модулированных сигналов, временны́е интервалы и ряд других параметров. На базе осциллографа созданы приборы для исследования пе- реходных, частотных и амплитудных характеристик различных радиотех- нических устройств. В зависимости от назначения и электрических характеристик осцил- лографы разделяются на универсальные, широкополосные (скоростные и стробоскопические), запоминающие и специальные. Наибольшее рас- пространение получили универсальные осциллографы. Осциллографы универсальные (С1-) – предназначены для воспроизве- дения формы и измерения параметров различных электрических сигналов в широком диапазоне амплитуд, частот повторения и длительностей. Совре- менные универсальные осциллографы имеют полосу пропускания до 1 ГГц, обеспечивают чувствительность 5 мВ/дел (в ограниченном диапазоне частот от десятков до сотен килогерц высокочувствительные универсальные осцил- лографы имеют минимальный коэффициент отклонения 10 мкВ/дел). Универсальные осциллографы бывают моноблочными и со сменными блоками. При этом осциллографы со сменными блоками наиболее точно отвечают термину «универсальные» в связи с тем, что функциональные возможности осциллографа возрастают при увеличении числа сменных блоков. В состав сменных блоков входят высокочувствительные логариф- мические усилители, блоки с различными видами разверток, с вольтметра- Глава 9. Электронно-лучевые осциллографы 313 ми и частотомерами. При определенных наборах сменных блоков такой осциллограф превращается в логический анализатор, цифровой осцилло- граф, стробоскопический осциллограф и т. д. Широкополосные – скоростные и стробоскопические (С7) осцил- лографические приборы предназначены для исследования формы быстро- протекающих процессов, характеризуются широкой полосой пропускания и применением специальных ЭЛТ или специальных принципов исследова- ния сигнала. Запоминающие осциллографы (С8) можно подразделить на три ос- новные группы: осциллографы на запоминающих ЭЛТ с видимым изображением; осциллографы с цифровой памятью (цифровые запоминающие ос- циллографы); на базе «слепых» ЭЛТ без видимого изображения с последующим считыванием и аналого-цифровым преобразованием сигнала. Специальные осциллографы (С9) – осциллографы, содержащие спе- циальные узлы и предназначенные для целевого назначения (телевизион- ные, цифровые, автоматизированные, вычислительные и др.). Телевизион- ные осциллографы содержат специфические узлы, позволяющие детально исследовать телевизионный сигнал. По числу одновременно наблюдаемых на экране ЭЛТ сигналов раз- личают одноканальные и многоканальные осциллографы. Совмещение на экране изображений нескольких входных сигналов реализуют или исполь- зованием специальной многолучевой трубки, или путем периодического переключения осциллографа на разные входы с помощью электронного коммутатора. Автоматизированные осциллографы представляют собой приборы с полной или частичной автоматизацией процессов управления и измере- ния. Например, в таких осциллографах осуществляется автономная уста- новка размеров изображения, автоматическое измерение амплитуды и дли- тельности импульсов и т. п. Цифровые осциллографы – осциллографы, осуществляющие преоб- разование поступающего на вход аналогового сигнала в цифровой код и запись его в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). В после- дующем цифровой сигнал может преобразоваться в аналоговый, который индицируется на устройстве отображения, или производится дальнейшая обработка сигнала в цифровой форме. Вычислительные осциллографы аналогичны по принципу преобразования цифровым осциллографам и имеют дополнительно встроенную ЭВМ. Такие осциллографы позволя- ют проводить программирование работы и осуществлять автоматическое выполнение сложных математических операций над сигналами. Раздел 2. Измерительная техника 314 Следует отметить, что данная давно устоявшаяся классификация ос- циллографов в последнее время в ряде случаев носит все более условный характер. В последнее время развитие осциллографической аппаратуры шло по пути дальнейшего повышения точности измерений и расширения функциональных возможностей за счет внедрения цифровых методов из- мерений и обработки сигналов. 9.2. Обобщённая структурная схема осциллографа В состав схемы (рис. 9.1) входят: канал вертикального отклонения Y, канал развёртки X, канал Z управления яркостью, калибратор амплитуды и длительности. Рис. 9.1. Структурная схема универсального однолучевого осциллографа Канал вертикального отклонения луча Y обеспечивает необходи- мый уровень усиления (ослабления) исследуемого напряжения до величи- ны, удобной для наблюдения на экране ЭЛТ и измерения его параметров, согласования входного сопротивления осциллографа с сопротивлением ис- точника сигнала, задержку поступления исследуемого напряжения на вер- тикально отклоняющие пластины относительно начала действия напряже- ния развёртки на горизонтально отклоняющих пластинах. Входное устройство (ВУ)в канале вертикального отклонения слу- жит для подключения источника входного сигнала и согласования пара- метров источника сигнала с параметрами усилителя вертикального откло- S Канал Y Вход Y ВУ ЛЗ УВО ВУ СС ГР УГО КАД S Вход X Вход Z Вход синхрон. S УК Z ПУ Канал X ЭЛТ S Глава 9. Электронно-лучевые осциллографы 315 нения. В состав входного устройства входят разъемы, переключатели и ат- тенюаторы. Для наблюдения сигналов с малой амплитудой и большой по- стоянной составляющей вход осциллографа может делаться «закрытым», для чего на его входе предусматривается установка коммутируемого с пе- редней панели разделительного конденсатора. |