Основы использования осциллографов, анализаторов спектра и генераторов

Основы использования осциллографов, анализаторов спектра и генераторов

Работа с осциллографом.

Всё начинается с измерительного щупа!

Провод щупа коаксиальный. Центральная жила щупа сигнальная, оплётка земля (минус или общий провод).

На некоторых щупах, особенно на современных осциллографах, внутри встроен делитель напряжения (1:10 или 1:100), который позволяет измерять широкий диапазон напряжений. Перед проведением измерений обращайте внимание на положение тумблера на щупе, во избежании ошибок измерения.

Щуп имеет встроенный компенсационный конденсатор. В полосе низких частот (ниже 300Гц) его влияния на усиление нет, но в полосе 3кГц – 100МГц очевидно существенное изменение усиления.

В осциллографах имеется внутренний генератор меандра, сигнал которого выведен на переднюю панель, на клемму «калибровка». Калибровочный сигнал предусмотрен специально для подстройки компенсационной емкости. Частота этого сигнала обычно равна 1кГц, при размахе в 1В. Щуп подключается к клемме «калибровка» и подстраивается для получения наиболее правильной формы сигнала.

Подключаем щуп к осциллографу.

Вход осциллографа может быть закрытым или открытым. Это позволяет подключать сигнал к усилителю Y либо напрямую, либо через разделительный конденсатор. Если вход открытый, то на усилитель Y будет подана и постоянная составляющая и переменная. Если закрытый только переменная.

Пример 1. Нам нужно посмотреть уровень пульсаций блока питания. Допустим, что напряжение блока питания 12 вольта. Величина пульсаций может быть не более 100 милливольт. На фоне 12 вольт пульсации будут совсем незаметны. В таком случае мы используем закрытый вход. Конденсатор отфильтровывает постоянное напряжение. На усилитель Y поступает только переменный сигнал. Теперь пульсации можно усилить и проанализировать!

Для масштабирования осциллограммы на экране служат ручки Усиление и Длительность .

Ручка Усиление масштабирует сигнал по оси Y. Она определяет цену деления одной клетки по вертикали в вольтах.

Ручка Длительность масштабирует сигнал по оси X. Она определяет цену деления одной клетки по горизонтали в секундах.

Пример 2. Основываясь на значениях которые указывают эти ручки и количество клеток занимаемых сигналом можно определить временные параметры сигнала в секундах и его амплитуду в вольтах. Основываясь на этих данных можно вычислить длительность импульса, паузы, периода и частоту сигнала.

В том случае, когда осциллограмма не помещается на экране и необходимо переместить её вертикально или горизонтально используются ручки вертикального и горизонтального перемещения .

Для удобного отображения циклично повторяющихся сигналов применяется синхронизация . Синхронизация обеспечивает прорисовку отдельных импульсов, начиная всегда с одной и той же точки экрана, благодаря чему создаётся эффект неподвижного изображения.

Режим развёртки определяет поведение осциллографа. Предполагается три режима: автоматический (AUTO), ждущий (Normal), и однократный (Single).

Автоматический режим позволяет получать изображения входного сигнала даже когда не происходит выполнения условий запуска. Осциллограф ожидает выполнения условий запуска в течении определённого периода времени и при отсутствии требуемого пускового сигнала производит автоматический запуск регистрации.

Ждущий режим позволяет осциллографу регистрировать форму сигналов только при выполнении условий запуска. При отсутствии выполнения этих условий осциллограф ждёт их появления, на экране сохраняется предыдущая осциллограмма, если она была зарегистрирована.

В режиме однократной регистрации после нажатия кнопки RUN/STOP осциллограф будет ожидать выполнения условий запуска. При их выполнении осциллограф произведёт однократную регистрацию и остановится.

Система запуска Trigger , определяет момент начала регистрации данных и отображения формы сигнала осциллографом. Если система запуска настроена правильно на экране будут чёткие осциллограммы.

Осциллограф поддерживает ряд видов запуска развёртки : запуск по фронту, запуск по срезу, запуск произвольным фронтом.

Уровень запуска – это значение напряжения, по достижении которого осциллограф начинает прорисовывать осциллограмму.

Работа с анализатором спектра.

Существует общая методика исследования сигналов, которая основана на разложении сигналов в ряд Фурье при помощи алгоритма быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье, Fast Fourier Transform ( FFT ).

Данная методика основывается на том, что всегда можно подобрать ряд сигналов с такими амплитудами, частотами и начальными фазами, алгебраическая сумма которых в любой момент времени равняется величине исследуемого сигнала.

Благодаря этому стало возможным анализировать спектр сигналов в реальном времени.

Рассмотрим принцип работы типичного FFT-анализатора .

На его вход поступает исследуемый сигнал. Анализатор выбирает из сигнала последовательные интервалы («окна»), в которых будет вычисляться спектр, и производит FFT в каждом окне для получения амплитудного спектра.

Вычисленный спектр отображается в виде графика зависимости амплитуды от частоты.

Параметр FFT Length , длинна окна – число анализируемых отсчётов сигнала – имеет решающее значение для вида спектра. Чем больше FFT Length, тем плотнее сетка частот, по которым FFT раскладывает сигнал, и тем больше деталей по частоте видно на спектре.

Для достижения более высокого частотного разрешения приходится анализировать более длинные участки сигнала.

Когда нужно проанализировать быстрые изменения в сигнале, длину окна выбирают маленькой. В этом случае разрешение анализа по времени увеличивается, а по частоте – уменьшается. Таким образом, разрешение анализа по частоте обратно пропорционально разрешению по времени.

Один из простейших сигналов – синусоидальный. Как будет выглядеть его спектр на FFT-анализаторе? Оказывается, это зависит от его частоты. FFT раскладывает сигнал не по тем частотам, которые на самом деле присутствуют в сигнале, а по фиксированной равномерной сетке частот.

Если частота тона совпадает с одной из частот сетки FFT, то спектр будет выглядеть “идеально”: единственный острый пик укажет на частоту и амплитуду тона.

Если же частота тона не совпадает ни с одной из частот сетки FFT, то FFT “соберёт” тон из имеющихся в сетке частот, скомбинированных с различными весами. График спектра при этом размывается по частоте. Такое размытие обычно нежелательно, так как оно может закрыть собой более слабые сигналы на соседних частотах.

Чтобы уменьшить эффект размытия спектра, сигнал перед вычислением FFT умножается на весовые окна – гладкие функции спадающие к краям интервала.

Они уменьшают размытие спектра за счёт некоторого ухудшения частотного разрешения.

Простейшее окно – прямоугольное: это константа 1, не меняющая сигнала. Оно эквивалентно отсутствию весового окна.

Одно из популярных окон – окно Хэмминга . Оно уменьшает уровень размытия спектра примерно на 40 дБ относительно главного пика.

Весовые окна различаются по двум основным параметрам: степени расширения главного пика и степени подавления размытия спектра (“боковых лепестков”). Чем сильнее мы хотим подавить боковые лепестки, тем шире будет основной пик. Прямоугольное окно меньше всего размывает верхушку пика, но имеет самые высокие боковые лепестки.

Окно Кайзера обладает параметром, который позволяет выбирать нужную степень подавления боковых лепестков.

Другой популярный выбор – окно Хана . Оно подавляет максимальный боковой лепесток слабее, чем окно Хэмминга , но зато остальные боковые лепестки быстрее спадают при удалении от главного пика.

Окно Блэкмана обладает более сильным подавлением боковых лепестков, чем окно Хана .

Для большинства задач не очень важно, какой именно вид весового окна использовать, главное, чтобы оно было. Популярный выбор – Хан или Блэкман . Использование весового окна уменьшает зависимость формы спектра от конкретной частоты сигнала и от её совпадения с сеткой частот FFT.

Чтобы компенсировать расширение пиков при применении весовых окон, можно использовать более длинные окна FFT: например, не 4096, а 8192 отсчета. Это улучшит разрешение анализа по частоте, но ухудшит по времени.

Работа с генератором сигналов.

Когда речь идёт об измерительной технике, то первое, что приходит в голову, это, как правило, осциллограф или логический анализатор ( регистрирующие приборы ).

Однако эти приборы способны выполнять измерения лишь в том случае, если на них поступает сигнал.

Можно привести множество примеров, когда такой сигнал отсутствует, пока на исследуемое устройство не будет подан внешний сигнал.

Пример. Нужно измерить характеристики разрабатываемой схемы и убедиться, что она соответствует требованиям.

Поэтому набор приборов для измерения характеристик электронных схем должен включать в себя источники воздействующего сигнала и регистрирующие приборы.

Генератор сигналов представляет собой источник воздействующего сигнала.

В зависимости от конфигурации генератор может формировать аналоговые сигналы, цифровые последовательности, модулированные сигналы, преднамеренные искажения, шум и многое другое.

Генератор может создавать «идеальные» сигналы или добавлять к сигналу заданные искажения или ошибки нужной величины и типа.

Сигналы могут иметь всевозможные формы:

  • синусоидальные сигналы;
  • меандры и прямоугольные сигналы;
  • треугольные сигналы и пилообразные;
  • перепады и импульсные сигналы;
  • сложные сигналы.

К сигналам сложной формы относятся:

  • сигналы с аналоговой, цифровой, широтно-импульсной и квадратурной модуляцией;
  • цифровые последовательности и кодированные цифровые сигналы;
  • псевдослучайные потоки битов и слов.

Одной из разновидностей генераторов является генератор качающейся частоты. Это особый вид генератора сигналов, в котором частота выходного сигнала плавно изменяется в определенном интервале, а затем быстро возвращается к начальному значению. В это время амплитуда выходного сигнала остается постоянной.

Если в распоряжении радиолюбителя есть осциллограф, то пользуясь им совместно с генератором качающейся частоты можно легко проверить и настроить кварцевые, электромеханические и LC-фильтры, радиочастотный и ПЧ тракты приемника или передатчика, исследовать АЧХ радио- и телеаппаратуры в широком интервале частот.

Результаты сравнения технических характеристик и внутреннее устройство измерительного комплекса будут подробно описаны в следующем видео.

Компьютер в роли осциллографа, спектроанализатора, частотомера и генератора

Современная измерительная аппаратура давно срослась с цифровыми и процессорными средствами управления и обработки информации. Стрелочные указатели уже становятся нонсенсом даже в дешевых бытовых приборах. Аналитическое оборудование все чаще подключается к обычным ПК через специальные платы-адаптеры. Таким образом, используются интерфейсы и возможности программ приложений, которые можно модернизировать и наращивать без замены основных измерительных блоков, плюс вычислительная мощь настольного компьютера.

Читайте также:  Расчет электрических цепей со смешанным соединением конденсаторов

Кроме того, и расширение возможностей обычного компьютера возможно за счет разнообразных программно-аппаратных средств, — специальных плат расширения, содержащих измерительные АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). И компьютер очень легко превращается в аналитический прибор, к примеру, — спектроанализатор, осциллограф, частотомер… , как и во многое другое. Подобные средства для модернизации компьютеров выпускаются многими фирмами. Однако цена и узконаправленная специфика не делают это оборудование распространенным в наших условиях.

Но зачем далеко ходить? Оказывается, простой ПК в своей конструкции уже содержит средства, которые с некоторыми ограничениями способны превратить его в тот же осциллограф, спектроанализатор, частотомер или генератор импульсов. Согласитесь, уже немало. К тому же делаются все эти превращения только с помощью специальных программ, которые к тому же совершенно бесплатны и каждый желающий может их скачать в Интернете.

Вы, наверное, зададитесь логичным вопросом — как же в измерениях можно обойтись без АЦП и ЦАП? Никак нельзя. Но ведь и то и другое присутствует почти в каждом компьютере, правда, называется по другому — звуковая карта. А чем не АЦП/ЦАП, скажите, пожалуйста? Это уже давно поняли те, кто написал для нее массу программ, не имеющих никакого отношения к воспроизведению музыки. Ведь обычная звуковая плата ПК способна воспринимать и преобразовывать сигнал сложной формы в пределах звуковой частоты и амплитудой до 2В в цифровую форму со входа LINE-IN или же с микрофона. Возможно и обратное преобразование, — на выход LINE-OUT (Speakers). Таким образом, вы можете работать с любым сигналом до 20 кГц, а то и выше, в зависимости от звуковой платы. Максимальный предел уровня входного напряжения 0,5-2 В тоже не составляет проблемы, — примитивный делитель напряжения на резисторах собирается и калибруется за 15 минут. Вот на таких-то нехитрых принципах и строятся программное обеспечение: осциллографы, осциллоскопы, спектроанализаторы, частотомеры и, наконец, генераторы импульсов всевозможной формы. Такие программы эмулируют на экране компьютера работу привычных для нас приборов, естественно со своей спецификой и в пределах частотного диапазона вашей звуковой платы.

Как это работает? Для пользователя все выглядит очень просто. Запускаем программу, в большинстве случаев такое ПО не нужно даже инсталлировать. На экране монитора появляется изображение осциллографа: с характерным для этих приборов экраном с координатной сеткой, тут же и панель управления с кнопками, движками и регуляторами, тоже часто копирующими вид и форму таковых с настоящих — аппаратных осциллографов. Кроме того, в программных осциллографах могут присутствовать дополнительные возможности, как, например, возможность сохранения исследуемого спектра в памяти, плавное и автоматическое масштабирование изображения сигнала и т.д. Но, конечно же, есть и свои недостатки.

Как подключиться к звуковой карте? Здесь нет ничего сложного — к гнезду LINE-IN, с помощью соответствующего штекера. Типичная звуковая плата имеет на панельке всего три гнезда: LINE-IN, MIC, LINE-OUT (Speakers), соответственно линейный вход, микрофон, выход для колонок или наушников. Конструкция всех гнезд одинакова, соответственно и штекеры для всех идут одни и те же. Программа осциллограф будет работать и отображать спектр и в том случае если снимается звуковой сигнал с помощью микрофона, подключенного к своему входу. Более того, большинство программных осциллографов, спектроанализаторов и частотомеров нормально функционируют, если в это же время на выход звуковой платы LINE-OUT выводится какой-то другой сигнал с помощью другой программы, пусть даже музыка. Таким образом, на одном и том же компьютере можно задавать сигнал, скажем с помощью программы генератора, и тут же его контролировать осциллографом или анализатором спектра.

При подключении сигнала к звуковой плате следует соблюдать некоторые предосторожности, не допуская превышения амплитуды выше 2 В, что чревато последствиями, такими как выходом устройства из строя. Хотя для корректных измерений уровень сигнала должен быть гораздо ниже от максимально допустимого значения, что так же определяется типом звуковой карты. Например, при использовании популярной недорогой платы на чипе Yamaha 724 нормально воспринимается сигнал с амплитудой не выше 0,5 В, при превышении этого значения пики сигнала на осциллографе ПК выглядят обрезанными (рис.1). Поэтому для согласования подаваемого сигнала со входом звуковой карты потребуется собрать простой делитель напряжения (рис.2).

7 Анализаторы сигналов, спектра и цепей

Бурное развитие СВЧ-электроники и связи потребовало существенного расширения классов измерительных приборов для анализа цепей, сигналов и спектров. Эта проблема не менее важна и при создании современных устройств на основе нанотехнологий. Уже в ближайшей перспективе такие устройства освоят частотный диапазон в сотни гигагерц. Достаточно отметить, что в последние годы были созданы микротранзисторы для микропроцессоров с рабочими частотами в единицы терагерц. Расширяются разработка и производство интегральных микросхем СВЧ-диапазона – усилителей, генераторов, частотных синтезаторов, фильтров и т. д. Многие из них уже используют возможности нанотехнологий. Для исследования и тестирования таких устройств используются анализаторы спектра, сигналов и цепей. Все они обеспечивают анализ сигналов в частотной области.

7.1. Введение в осциллографические анализаторы

7.1.1. Обобщенная схема анализа электронных устройств

Обобщенная схема анализа некоторого электронного устройства, например интегральной микросхемы, представлена на рис. 7.1. Пока речь идет о простых устройствах с одним входом и одним выходом. На вход устройства подается испытательный сигнал от генератора сигналов. Он передается через канал передачи сигналов, который в общем случае тоже является объектом исследования. Центральное место в этой схеме занимает осциллограф, чаще всего цифровой запоминающий, или анализатор сигналов или цепей. Для повышения стабильности измерений генератор запускается со специального выхода осциллографа либо, напротив, осциллограф синхронизируется генератором.

Схема рис. 7.1 лишь с первого взгляда кажется простой. В настоящее время диапазоны измеряемых параметров (частотных, временных и иных) могут разли-

Рис. 7.1. Обобщенная схема анализа некоторого устройства

чаться на много порядков, и это особенно характерно для устройств нанотехнологий. К примеру, диапазон частот технических устройств лежит в пределах от микрогерц (миллионная часть герца) для некоторых технологических процессов до десятков и сотен гигагерц для устройств радиотехники и электроники. Нередко такие частоты нужно иметь одновременно – часто высокостабильные колебания СВЧ нужно измерять на протяжении длительного времени – у генераторов, к примеру, есть параметр «годовая стабильность частоты». Еще совсем недавно для перекрытия такого диапазона потребовался бы с десяток разных типов генераторов и столько же осциллографов.

К счастью, у подавляющего большинства реальных устройств диапазоны измеряемых параметров заметно уже, и часто удается обойтись достаточно качественным универсальным осциллографом и генератором сигналов произвольной формы. Эти устройства вполне размещаются на части рабочего стола (рис. 7.2) или в типовой стойке [124].

Рис. 7.2. Современный измерительный комплекс, реализующий функциональную схему измерений рис. 7.1

По мере усложнения задач анализа устройств (даже на уровне простых цепей) приходится усложнять аппаратное и программное обеспечение осциллографов и генераторов, добиваться безупречной их взаимной работы и использовать специализированное программное обеспечение для их совместной работы с компьютером. Это ведет к постепенной интеграции измерительного генератора и осциллографа и их ориентации на анализ цепей и сигналов.

7.1.2. Основные типы осциллографических анализаторов

Можно выделить ряд специальных осциллографических приборов, получивших функции и название анализаторов. Широкое применение получили следующие типы анализаторов:

  • • анализаторы спектра видеосигналов и радиосигналов;
  • • анализаторы цепей (четырехполюсников и многополюсников);
  • • анализаторы сигналов (телевизионных, телекоммуникационных и т. д.);
  • • анализаторы логических состояний логических и цифровых устройств.

Все эти приборы относятся к типу специальных и довольно дорогих приборов.

Однако области их применения непрерывно возрастают.

Методы анализа спектра сигналов

Практически все анализаторы спектра реализуют по двум схе­мам: параллельного и последовательного действия.

Метод параллельного анализа спектра

Метод параллельного анализа чаще применяют для исследования спектров одиночных импульсных сигналов. Структурная схема анали­затора параллельного типа содержит п полосовых фильтров Ф, каждый из которых настроен на определенную частоту (рис. 13.1, а).

Рисунок 13.1. Метод параллельного анализа спектра

а – структурная схема анализатора; б – исследуемый спектр; в – АЧХ фильтров;

г – спектр на выходе анализатора

Исследуемый сигнал u(t), спектр которого расположен в полосе частот u(t) (рис. 13.1, б), подают на все фильтры одновременно. Фильтры имеют похожие АЧХ с одинаковыми полосами пропускания Δƒn и на­строены на определенные частоты (рис. 13.1, в). Сигналы на выходе фильтров определяют составляющие спектра анализируемого про­цесса (рис. 13.1, г). После детектирования в детекторах Д спектраль­ные составляющие поступают на регистрирующие устройства РУ.

Метод последовательного анализа спектра.

Метод последовательного анализа чаще всего применяют для исследования спектров многократно или периодически повторяю­щихся временных процессов.

На рис. 13.2 показана упрощенная структурная схема анализатора спектра последовательного типа, которая содержит супергетеродинный приемник, индикаторное (чаще осциллографическое) устройство и ка­либратор. Основной блок супергетеродинного приемника — преобра­зователь частоты, состоящий из смесителя, генератора качающейся частоты ГКЧ и усилителя промежуточной частоты. К приемнику также относятся входное устройство, детектор (в данном случае амплитуд­ный) и выходной усилитель.

Рисунок 13.2. Структурная схема анализатора спектра последовательного типа

В супергетеродинном приемнике спектр анализируемого сигнала u(t) с помощью преобразователя частоты переносится с несущей час­тоты/) на (как правило, более низкую) промежуточную (на которой работает усилитель промежуточной частоты):

(13.3)

где ƒг — центральная частота ГКЧ.

На один вход смесителя через входное устройство подается вход­ной сигнал u а на другой его вход поступает напряжение с ГКЧ. Настройку приемника на разные частоты производят напряжением, поступающим на ГКЧ с выхода генератора развертки. С помощью индикаторного устройства наблюдают спектр исследуемого процесса. Калибратор используют для измерения характерных параметров спек­тра: частот, соответствующих максимумам или нулевым значениям огибающей спектра и т. д.

Основные характеристики анализаторов спектра.

Основные характеристики анализаторов — чувствительность, рабочий диапазон частот, разрешающая способность и время анализа.

Чувствительность отражает отношение изменения сигнала на выходе анализатора к вызвавшему его изменению анализируемой ве­личины. Наличие в анализаторах спектра преобразователей частоты с УПЧ ставит их в ряд приборов с высокой чувствительностью, и по­этому они могут применяться для анализа слабых сигналов. В диапазоне радиочастот чувствительность обычно выражается в милливоль­тах или микровольтах. В диапазоне СВЧ чувствительность выражает­ся в ваттах и составляет обычно от 10-7до 10-14
Вт.

Читайте также:  Параллельное соединение транзисторов в блоках питания

Рабочий диапазон частот — диапазон, в пределах которого по­грешность анализатора, полученная при изменении частоты сигнала, не превышает допускаемого предела. Он определяется максимальной и минимальной частотами настройки узлов анализатора и вспомога­тельных устройств (генератора частотных меток, частотомера). Важ­ной частотной характеристикой анализатора спектра является также максимальная полоса частот, в которой можно одновременно наблю­дать составляющие спектра на экране анализатора. Эта величина оп­ределяется максимальной полосой качания частоты ГКЧ.

Время анализа — интервал времени Та, в течение которого полу­чают полное изображение исследуемого спектра на экране анализа­тора. За это время происходит изменение частоты напряжения ГКЧ от минимального до максимального значений.

Разрешающая способность характеризует минимальное рас­стояние по частоте между двумя соседними составляющими в спек­тре сигнала с равными амплитудами, при котором соответствующие им выбросы на экране анализатора спектра наблюдаются раздельно.

Анализаторы спектра характеризуются статической и динамиче­ской разрешающими способностями. Первая соответствует случаю, когда переходные процессы в УПЧ не искажают формы выбросов на экране анализатора, вторую определяют с учетом переходных про­цессов в избирательном устройстве анализатора.

Статическая разрешающая способность зависит только от ши­рины полосы пропускания УПЧ ΔfУПЧ. Для анализатора спектра по­следовательного типа статическая разрешающая способность

(13.4)

Динамическая разрешающая способность анализатора спектра зависит от скорости перестройки частоты ГКЧ. Дело в том, что при увеличении скорости изменения частоты ГКЧ напряжение на выходе УПЧ не успевает изменяться в соответствии с изменением напряже­ния на его входе, так как энергия, запасенная в колебательной систе­ме этого усилителя, не может измениться мгновенно. В результате и появляются динамические искажения АЧХ УПЧ и соответственно искажения формы эпюр на экране анализатора спектра. Подобное явление возникает в том случае, если время переходного процесса в УПЧ соизмеримо с временем изменения частоты колебаний на входе УПЧ в пределах его полосы пропускания. Отсюда время анализа опре­деляется неравенством (для упрощения формула приведена без вывода):

(13.5.)

A — коэффициент, определяемый схемой УПЧ и допустимыми динамическими погрешностями.

Из отмеченного следует, что время анализа спектра обратно про­порционально квадрату разрешающей способности анализатора. Чем выше разрешающая способность (меньше Δfp), тем больше должно быть время анализа. Для повышения разрешающей способности (уменьшения Δfp) применяют схемы с двойным или тройным преоб­разованием частоты, которые здесь не рассматриваются.

Между разрешающей способностью и временем анализа анали­затора спектра существует определенная связь. Время анализа обрат­но пропорционально квадрату разрешающей способности. Чем выше разрешающая способность, тем больше должно быть время анализа.

Необходимое время анализа для достаточно точного воспроизве­дения спектра сигнала при параллельном исследовании может быть принято равным τу — времени установления неизменного уровня на­пряжения на выходе фильтра с прямоугольной АЧХ и рабочей поло­сой Δ
(от уровня 0,1 до уровня 0,9 от установившегося значения). Из теории электрических фильтров известно, что время установления τу
≈ 0,86 (Δ), следовательно, Та ≈ τу = 1/(Δ). Тогда скорость парал­лельного анализа

(13.6)

В параллельных анализаторах при сужении полосы пропускания фильтра скорость анализа снижается. На погрешность при параллель­ном анализе влияют: конечность времени установления колебаний на выходе фильтра и зависимость ее от полосы пропускания, различие ха­рактеристик фильтров, настроенных на разные частоты.

Измеряют параметры составляющих спектра вспомогательными устройствами. Положение на оси частот отдельных спектральных со­ставляющих и характерных участков спектра определяют с помощью частотных меток. Одну частотную метку создают подачей на анализа­тор спектра вместе с исследуемым сигналом напряжения от измери­тельного генератора гармонических колебаний. При этом на экране анализатора спектра появится частотная метка — риска, соответст­вующая частоте сигнала измерительного генератора. Изменяя частоту этого генератора, добиваются совпадения метки с определяемой точ­кой спектра. Частоту спектральной составляющей анализируемого сигнала затем считывают со шкалы измерительного генератора.

Чтобы создать набор равноотстоящих друг от друга меток, в ана­лизаторах спектра применяют специальные генераторы (например, ге­нераторы частотно-модулированного сигнала). Из радиотехники из­вестно, что спектр частотно-модулированного сигнала состоит из ряда гармонических составляющих, отстоящих друг от друга на частоту мо­дуляции Fм. Предусматривают возможность изменять среднюю часто­ту колебаний fср и частоту модуляции Fм. При изменении частоты мо­дуляции меняют интервал между метками; при изменении средней частоты колебаний все метки сдвигают по оси частот. Напряжение от генератора частотно-модулированных колебаний вместе с исследуемым сигналом подают на вход анализатора спектра. При этом на эк­ране наблюдают картину наложения двух спектров. Изменяя парамет­ры напряжения калибровки (среднюю частоту и частоту модуляции), совмещают метки с характерными точками исследуемого спектра.

Современные анализаторы спектра могут обеспечить работу в диапазоне частот от 10 Гц до 40 ГГц с полосой пропускания 0,001. 300 кГц и разрешающей способностью 1 кГц на высоких час­тотах. Погрешность измерения уровней напряжений достигает 5 %.

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.

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.

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.

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 Tпосл При анализе спектра периодических импульсных сигналов период развертки Траз связан с периодом следования сигналов Tc 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).

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 Ai – 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).

Спектральный анализ сигнала с использованием осциллографов LeCroy и специализированного режима aнализатора спектра

    Алина Тенишева 3 лет назад Просмотров:

1 Спектральный анализ сигнала с использованием осциллографов LeCroy и специализированного режима aнализатора спектра В статье описаны возможности специализированной опции анализатора спектра, используемой в осциллографах LeCroy, значительно облегчающей спектральный анализ исследуемых сигналов. Введение Осциллограф это прибор, дающий визуальное отображение входного сигнала во временной области, то есть отображает значение амплитуды сигнала по оси времени. Но для широкого класса сигналов более чѐткое представление о природе происходящих процессов даѐт не временное, а спектральное представление сигнала, когда по горизонтальной оси отображаются амплитуды гармонических составляющих сигнала. К таким сигналам относятся частотные характеристики усилителей, фазовый шум генераторов, механические вибрации, переходные процессы и пр., которые легче наблюдать в частотной области. Все современные цифровые осциллографы имеют возможность математической обработки полученных данных по алгоритму быстрого преобразования Фурье (БПФ) для преобразования входного сигнала в его спектральное отображение. Принцип БПФ достаточно подробно рассмотрен в [1]. Но у отображения спектра сигнала с помощью БПФ есть ряд недостатков, несколько усложняющих спектральный анализ. Для корректного отображения спектра пользователю необходимо: Определиться какую максимальную частотную компоненту он желает увидеть в спектре. Согласно теоремы Котельникова, зафиксировать частоту дискретизации осциллографа в два раза больше максимальной частотной составляющей спектра (или по крайней мере самое близкое верхнее значение). Изменяя значение коэффициента развѐртки в сторону увеличения установить максимально возможное значение длины памяти осциллографа, поскольку разрешение по частоте пропорционально используемой длине памяти цифрового осциллографа. Выбрать одно из окон, в зависимости от решаемой задачи измерение частоты или измерение амплитуды. Используя режим растяжки выделить необходимый участок спектра и произвести измерения. Эта последовательность действий достаточно длинная и требует определѐнных навыков. При переходе к анализу других частотных компонентов требуется новая настройка параметров. К тому же не все цифровые осциллографы способны в полной мере обеспечить установку параметров перечисленных выше. Достаточно простые цифровые осциллографы (Tektronix TDS-1000, TDS-2000, TDS-3000 серий; LeCroy серии WaveAce; GW Instek; Agilent 3000, 5000, 6000 серии и пр.) не имеют возможности, ни прямого управления частотой дискретизации, ни длиной памяти. Для этих осциллографов память

Читайте также:  Датчик движения для включения света уличный

2 имеет фиксированное значение, а частота дискретизации изменяется путѐм изменения коэффициента развѐртки. Поэтому управление настройками параметров отображения спектра осуществляется измерением времени развѐртки, что достаточно неудобно при исследовании спектра и не обеспечивает ни точной установки центральной частоты, ни разрешения по частоте. Так спектр ЧМ сигнала, полученный на осциллографе Tektronix приведѐн рисунке 1. Как видно осциллограф хорошо отображает одну частотную компоненту, расположенную вблизи несущей частоты, но спектральные составляющие отобразить уже не в состоянии. Рисунок 1. (щелчок по изображению – увеличение; px) Другие, более совершенные осциллографы (например Tektronix DPO4000 или LeCroy WaveJet и WaveSurfer), имеют возможность изменения длины памяти и как следствие возможность управления частотой дискретизации. Но принцип БПФ, для точного отображения спектра, подразумевает изначально установку частоты дискретизации и лишь потом изменение длины памяти. Для таких осциллографов точность отображения спектра гораздо выше и управление несколько удобнее, чем для осциллографов указанных выше, но всѐ равно достоверного отображения необходимых частотных компонент добиться не очень просто. Так спектр ЧМ сигнала полученный на осциллографе Tektronix DPO4000 приведѐн на рисунке 2. По сравнению с рисунком 1, спектра ЧМ сигнала на рисунке 2 выглядит более реалистично, но детальное изучение частотных компонент (приведены на рисунке 2 в нижней части экрана) всѐ же остаѐтся не очень удобным.

3 Рисунок 2. Осциллографы, построенные на принципе открытой платформы, полностью обеспечивают корректную реализацию алгоритма БПФ, хорошую детализацию спектра и высокое разрешение по частоте. Но из-за необходимости обработки больших объѐмов памяти (десятки миллионов точек) построение одной спектрограммы, в зависимости от мощности управляющей ЭВМ и длины внутренней памяти, может занимать до минуты. Так на рисунке 3 приведѐн пример отображения спектра ЧМ сигнала, аналогично рисунку 2, но полученном на осциллографе LeCroy, имеющем открытую платформу. Рисунок 3. (щелчок по изображению – увеличение; px)

4 С классическим управлением отображением спектра, как это производит стандартный анализатор спектра, цифровые осциллографы с режимом БПФ конкурировать не могут. Классическое управление анализатором спектра подразумевает: Установку центральной частоты; Установку полосы обзора; Установку полосы пропускания; Установку опорного уровня; Выбор масштаба вертикальной шкалы. Вместо установки центральной частоты и полосы обзора любой стандартный анализатор спектра имеет возможность установки начальной и конечной частот обзора. Все эти недостатки управления спектральным анализом в цифровых осциллографах LeCroy были устранены с внедрением в осциллографы опции Анализатора спектра «Zi- Spectrum». При активации режима анализатора спектра открывается меню управления, представленное на рисунке 4. Рисунок 4. (щелчок по изображению – увеличение; px) Управление настройками анализатора спектра осуществляется группами органов управления, скомпонованными по функциональному назначению частота и полоса обзора; полоса пропускания; амплитуда; режимы и измерения. Установка центральной частоты, начальной частоты, конечной частоты, полосы обзора и полосы пропускания Установка центральной частоты осуществляется прямым вводом значения частоты. Выбор полосы обзора так же осуществляется прямым набором. Также возможно ввести начальную и конечную частоты обзора. Как уже отмечалось ранее, для корректного

5 отображения спектра, прежде всего, необходимо определить частоту дискретизации и далее в зависимости от разрешения по частоте анализатора спектра установить длину памяти осциллографа. Опция анализатора спектра эти процедуры производит автоматически, избавляя пользователя от необходимости заниматься расчѐтами пользователь только задаѐт диапазон частот, а осциллограф рассчитывает и устанавливает необходимую частоту дискретизации осциллографа и оптимальную длину памяти. Длина памяти осциллографа выбирается такой, что бы обеспечить заданное разрешение по частоте и обеспечить максимальную скорость обновления экрана. Удобно и просто. Очевидно, что пользователь может установить любую требуемую центральную частоты и полосу обзора, но осциллограф не может выбрать любую частоту дискретизации и любую длину памяти, а только и ряда доступных значений. Использование же только доступных значений частоты дискретизации и памяти привело бы к тому, что начальная и конечная частоты обзора анализатора спектра не совпадали с тем, что заданы пользователем. Для исключения этого парадокса, осциллограф LeCroy, исходя из доступных значений частоты дискретизации и длины памяти, автоматически производит масштабирование отображаемой части спектра, при котором из рассчитанного спектра вырезается «лишняя» часть и отображается только та, что была определена пользователем. «Излишки» спектра слева и справа, хоть и хранятся в памяти осциллографа, но на экран не выводятся. Полоса пропускания анализатора спектра (Resolution Bandwidth), определяющая разрешение по частоте, по умолчанию, как и у стандартных анализаторов спектра, находится в автоматическом режиме. При увеличении полосы обзора, полоса пропускания увеличивается, что приводит к уменьшению длинны памяти осциллографа и увеличению скорости обновления экрана. При более детальном анализе спектра и использовании более узкой полосы пропускания осциллографу требуется более длинная память и большее время доля построения спектра. Аналогичные явления в полной мере присущи и стационарным анализаторам спектра, но вместо понятия «частота обновления экрана» они оперируют понятием «время свипирования», что, в принципе одно и тоже. Так на рисунке 5 приведѐн пример уменьшения полосы обзора ЧМ сигнала, полный спектр которого представлен на рис. 4., с целью определения частоты модулирующего колебания. Если для отображения полной спектральной картинки рис. 4 было вполне достаточно длины памяти 2.5М, что обеспечивало полосу обзора 500 кгц и полосу пропускания 357,6 Гц, то для полосы обзора 10 кгц и полосы пропускания 40,6 Гц, обеспечивающих наблюдение частоты модулирующего колебания 1 кгц, осциллограф уже использует длину памяти 32М. При необходимости пользователь может отказаться от автоматического выбора полосы пропускания и устанавливать еѐ в ручном режиме.

6 Рисунок 5. (щелчок по изображению – увеличение; px) Установка параметров амплитуды. Управление параметрами амплитуды спектра осуществляется изменением двух параметров: Масштаба логарифмической шкалы. Масштаб можно выбрать из ряда в пределах от 100 mdb до 100 db. Смещение опорного уровня осуществляется в пределах от -200 db до +200 db. Ввод значений осуществляется, как и для всех параметров осциллографов LeCroy, прямым набором или изменением плавно-грубо в сторону увеличения или уменьшения. Измерения спектра Для традиционного БПФ, используемого в цифровых осциллографах, в основном применяются маркерные измерения, управление которыми осуществляется вручную. Использование автоматических измерений, имеющих очень широкие возможности, именно для БПФ трудно применимо, поскольку для измерения параметров спектра необходим набор специальных режимов измерений поиск пиковых значений в полосе обзора, измерение амплитуды и частоты пиков, установка значения центральной частоты по значению частоты маркера и пр. Этим набором измерений, к сожалению, стандартный цифровой осциллограф не обладает. У осциллографов LeCroy в режиме «Спектр» этот недостаток, в основном устранѐн. Так на рисунке 6 приведѐн пример отображения спектра прямоугольного сигнала и включѐнной таблицы измерений.

7 Рисунок 6. (щелчок по изображению – увеличение; px) Принцип измерений в режиме «Анализатор спектра» основан на алгоритме WaveScan, прекрасно зарекомендовавшем себя за несколько последних лет, для поиска участков сигнала по заданным параметрам [2]. В режиме измерений анализатор спектра осуществляет поиски пиков в спектре, начиная с максимального и производит измерения частоты и амплитуды найденных пиков. Пику с наибольшей амплитудой присваивается номер «1», второму по значению уровню присваивается номер «2» и так далее. Пользователь может задать число поиска пиков от 1 до 100. Далее осциллограф LeCroy формирует таблицу измерений, в которой отображаются номера пиков, значение частоты и амплитуды. На самой спектрограмме пики имеют частотную метку. Измерения производятся в реальном масштабе времени и если в процессе наблюдения спектра будет происходить изменение частоты гармоник или их амплитуды, то данные в таблице измерений обновляются мгновенно. Так же Анализатор спектра имеет один маркер, предназначенный для перезаписи центральной частоты по установленному значению этого маркера. В режиме Анализатора спектра все другие измерения цифрового осциллографа недоступны, но для проведения амплитудно-частотных измерений в ручном режиме возможно использовать все функции курсорных измерений. Математические функции со спектрограммами Обычно спектр сигнала, особенно при широкой полосе обзора, имеет достаточно сильную шумовую дорожку и это хорошо видно на рисунке 6. Эти шумы могут подавить часть полезного сигнала, необходимого пользователю. Для устранения влияния шумов и других случайных факторов в режиме Анализатора спектра осциллографы LeCroy имеют две математические функции:

8 Усреднение; Накопление максимальных значений. Математическая функции усреднение имеет тоже алгоритм, что и стандартная функция усреднения осциллограмм в любом цифровом осциллографе. Результат усреднении спектрограмм приведѐн на рисунке 7, где отчѐтливо видно, что шумовая дорожка значительно уменьшена. Рисунок 7. (щелчок по изображению – увеличение; px) Алгоритм накопления максимальных значений позволяет регистрировать только самые максимальные значения за всѐ время накопления информации. Это позволяет достоверно отображать спектр нестабильных, но повторяющихся сигналов. Вывод: 1. Специализированная опция анализатора спектра, используемая в осциллографах LeCroy серий WaveRunner «A», WavePro 7 Zi и WaveMester 8 Zi значительно облегчает спектральный анализ и даѐт пользователю возможности измерений, недоступные по сравнению со стандартной функцией БПФ. 2. В настоящий момент аналогичные режимы измерений отсутствуют у других производителей цифровых осциллографов.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector