Структурные схемы анализаторов спектра

Структурная схема анализатора последовательного типа приведена на рис. 2.23.

Рис. 2.23. Структурная схема анализатора последовательного типа

Входной сигнал U_вх поступает на входное устройство 1 анализатора, где усиливается усилителем или ослабляется аттенюатором до нужного значения и поступает на смеситель 2. Смеситель перемножает входной сигнал и сигнал гетеродина 6, частота, которого изменяется по линейному закону с помощью модулятора 7. На выходе смесителя ставится резонатор 3,выделяющий сигналы суммарной или разностной частоты гетеродина и входного сигнала.

С резонатора сигнал поступает на детектор 4, далее на широкополосный усилитель 5 и индикатор 9, выполняемый обычно на электронно-лучевой трубке. Одновременно с изменением частоты гетеродина луч отклоняется по горизонтали, для чего напряжение модулятора подается на усилитель горизонтального отклонения 8. Перестраиваемый по частоте гетеродин анализатора должен иметь широкий диапазон изменения частоты, стабильность диапазона частот и амплитуды, линейность модуляционной характеристики, малую паразитную амплитудную модуляцию, малые искажения формы кривой

На рис. 2.24 представлена структурная схема анализатора, отличающаяся от структурной схемы, изображенной на рис. 2.23, наличием частотного детектора, преобразующего частоту гетеродина в напряжение постоянного тока.

Рис. 2.24. Структурная схема анализатора с частотным детектором:

1 – входное устройство, 2 – смеситель, 3 – резонатор, 4 – детектор,

5 – широкополосный усилитель, 6 – гетеродин, 7 – модулятор, 8 – усилитель горизонтального отклонения, 9– индикатор, 10 – частотный детектор

Это позволяет снизить требования к гетеродину относительно стабильности частот и линейности модуляционной характеристики. В этой схеме точность отсчета частоты определяется стабильностью коэффициента передачи частотного детектора и линейностью его характеристики в диапазоне частот перестраиваемого гетеродина.

В анализаторах для ослабления помех по зеркальному каналу используют двойное преобразование частоты. Эти помехи могут возникать из-за того, что резонатор не сможет различить два сигнала, если выполняется условие

. (2.42)

В схеме анализатора с двойным преобразованием частоты (Рис. 2.25) сигнал после входного устройства поступает на смеситель 11. На него же подается напряжение с перестраиваемого вручную гетеродина 12. Между смесителями 1 и 2 включен усилитель промежуточной частоты 11.

Рис. 2.25. Структурная схема анализатора с двумя гетеродинами:

1 – входное устройство; 2 – второй смеситель; 3 – резонатор; 4 – детектор; 5 –широкополосный усилитель; 6 – второй гетеродин; 7 – модулятор; 8 – усилитель горизонтального отклонения; 9 – индикатор; 10 – первый смеситель; 11 – усилитель промежуточной частоты; 12 – первый гетеродин

Для подавления помехи по зеркальному каналу промежуточную частоту выбирают больше верхней частоты спектра сигнала. Использование двух гетеродинов позволяет градуировать экран осциллографа по частоте, так как при изменении частоты первого гетеродина разметка шкалы не изменяется. При использовании одного гетеродина изменение его диапазона частот вызывает изменение масштаба по частоте. В анализаторах спектра используют пиковые или среднеквадратичные детекторы, а иногда последовательное соединение среднеквадратичного и пикового детекторов. Для повышения точности анализаторов вместо электронно-лу­чевой трубки применяют регистрирующие приборы. Для получения значений амплитуд спектра в логарифмическом масштабе (в дБ) перед регистрирующим прибором включают линейно-логарифмический преобразователь.

Структурная схема анализатора спектра параллельного типа приведена на рис. 2.26.

Рис. 2.26. Структурная схема анализатора параллельного типа

Исследуемый сигнал после входного устройства 1 поступает на п резонаторов 2i,…,2n. Напряжение с резонаторов после прохождения через детектор 3 фиксируется регистрирующим устройством 4. В автоматическом варианте параллельного анализатора вместо переключателя устанавливается коммутатор. Синхронно с переключением каналов изменяется развертка регистрирующего прибора. Кроме рассмотренных последовательных и параллельных ана­лизаторов спектра существуют комбинированные, одна из воз­можных схем которых приведена на рис. 2.27.

Рис. 2.27. Структурная схема автоматического анализатора параллельного типа

В этой схеме анализируемый сигнал после входного устройства 1 поступает на смеситель 2. Смешанный с напряжением гетеродина 7 сигнал промежуточной частоты анализируется и резонаторами 3i,…,3n. Выходное напряжение с резонаторов проходит через коммутатор 4 и детектор 5 на регистрирующее устройство 6. Развертывающее устройство последнего синхронизируется с работой коммутатора и модулятора 8, который изменяет частоту гетеродина по определенному закону. Комбинированные анализаторы позволяют использовать быстродействие параллельного и простоту схемы последовательного анализаторов.

Рассмотрим структурную схему анализатора без резонаторов (Рис. 2.28), которая реализует выражение (2.26). Исследуемый сигнал после входного устройства 7, поступает на два переумножителя 3, в одном из которых умножается на sinωt, а в другом на cosωt. Синусно-косинусные напряжения вырабатываются генератором 2. С выхода переемножителей напряжения подаются на интеграторы 4, на выходе которых через время t_И получим напряжения, пропорциональные синусной и косинусной составляющим спектра.

Рис. 2.28. Структурная схема анализатора без резонаторов

, (2.43)

. (2.44)

Далее эти величины возводятся в квадрат квадратурами 5 и суммируются в сумматоре 6. После извлечения корня устройством 7 получаем

. (2.45)

При идеальности всех устройств в схемы имеем идеальный анализатор с бесконечной разрешающей способностью (при t_И → ∞) Предположим, что интегратор заменен RC-фильтром с пос­тоянной времени τ = RC. Коэффициент передачи фильтра

. (2.46)

Пусть входной сигнал

, (2.47)

тогда напряжения на выходе переумножителей

, (2.48)

. (2.49)

Если принять ω ≈ ω_r то на выходе RC-фильтра напряжение суммарной частоты (ω + ω_r) будет значительно меньше напряжения разностной частоты. Поэтому можно написать, что

, (2.50)

. (2.51)

После возведения в квадрат, суммирования и извлечения корня получаем

. (2.52)

Это выражение подобно выражению для простого колебатель­ного контура. В качестве таких генераторов используют LC-генераторы, RC-генераторы и релаксационные. У релаксационных генераторов можно получить хорошую линейность модуляционной характеристики.

Рис. 2.29. Структурная схема генератора качающейся частоты

с обратной связью

Для получения синусоидальной формы кривой на их выходе ставится фильтр нижних частот.

В ИАЧХ эти генераторы не распространены в связи со слож­ностью получения широкой полосы качания частот при синусо­идальной форме выходного напряжения. Рассмотрим способы улучшения линейности модуляционной характеристики ИАЧХ.

Другим способом является использование отрицательной об­ратной связи. В качестве звена обратной связи применен частотный детектор ЧД. Так как характеристики этой схемы определяются в основном звеном обратной связи, то к частотному детектору предъявляются жесткие требования: он должен обладать высокой стабильностью и хорошей линейностью в диапазоне качания частоты.

Кроме рассмотренных методов для улучшения линейности модуляционной характеристики используют коррекцию модулирующего напряжения с помощью нелинейных элементов.

Для получения частотных меток на экране индикатора применяется метод нулевых биений или метод остановки частоты. Схема ИАЧХ, построенная с использованием метода нулевых биений, представлена на рис. 2.30.

Рис. 2.30. Структурная схема формирователя меток

К входным параметрам прибора относятся: чувствительность; полоса пропускания; динамический диапазон; входное сопротивление.

Погрешность ИАЧХ по амплитуде определяется неравномер­ностью выходного напряжения в полосе качания, неравномер­ностью АЧХ и нелинейностью детектора и усилителя вертикального отклонения, погрешностью отсчета амплитуды. Неравномерность выходного напряжения оценивается выраже­нием

, (2.53)

где U_max и U_min – максимальное и минимальное значения выходного напряжения в полосе качания.

Неравномерность собственной частотной характеристики ИАЧХ в полосе качания определяется по изображению на экране индикатора выходного напряжения прибора, измеренного собственным детектором, и рассчитывается по формуле

, (2.54)

где l_max и l_min – максимальное и минимальное отклонения луча в полосе качания.

Погрешность ИАЧХ по частоте определяется погрешностью узла меток и нелинейностью частотного масштаба, которую можно определить по формуле

, (2.55)

где Δ_{f max} – максимальное отклонение частоты от линейного закона ее изменения; f_В – f_Н высокая и низкая полосы качания.

При исследовании полосы пропускания резонансных устройств удобно иметь на экране три метки: центральная соответствует резонансной частоте, а две крайние отмечают полосу пропускания устройства. Для получения этих меток и нужен генератор низкой частоты ГНЧ, который модулирует амплитуду калибровочного генератора. Метод остановки частоты заключается в том, что модулирую­щее напряжение имеет не пилообразную, а пилообразно-ступенчатую форму (Рис. 2.31).

Рис.2.31. График линейно-ступенчатого напряжения

В момент времени 1, остановки изменения частоты на экране появится яркая точка и в этот момент измеряется частота. Для получения высокой точности используют цифровой частотомер. Меняя момент остановки, можно измерить частоту любой точки АЧХ.