Гетеродинные анализаторы спектра последовательного типа

Как уже отмечалось, в большинстве случаев достаточно иметь информацию об амплитуде и частоте составляющих спектра сигналов, а фазовый спектр не представляет интереса. Для измерения амплитудного спектра в большинстве случаев используют анализаторы спектра последовательного типа. С помощью приборов этого класса можно исследовать периодические и другие виды сигналов, спектры которых практически не изменяются за время измерения. Такие приборы получили наибольшее распространение.

Рассмотрим работу гетеродинного анализатора спектра по упрощенной структурной схеме (рис. 5.8, а).

Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение U , которое воздействует на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ, вызывая отклонение луча по оси X. Кроме того, это же напряжение поступает на управляющий элемент частотно-модулированного генератора (ЧМ-генератора). При линейной модуляционной характеристике частота колебаний линейно меняется во времени (рис. 5.8, б). Постоянное по амплитуде напряжение ЧМ-генератора вместе с исследуемым колебанием подается на смеситель. Пусть спектр колебания состоит из двух спектральных составляющих с амплитудами U. и U₂ на частотах /, и /₂, причем по амплитуде эти составляющие много меньше напряжения U_v ЧМ-генератора (рис. 5.8, в). Тогда в области частот, меньших частоты генератора/_г, ток смесителя будет содержать составляющие разностных частот/_г — /, и /_г — /₂ с амплитудами, пропорциональными t/, и U_T При перестройке генератора эти составляющие также будут смещаться по частоте по линейному закону, как показано на рис. 5.8, б. Колебание со смесителя попадает на усилитель промежуточной частоты (УПЧ) — высокоизбирательное устройство, настроенное на частоту /_р, с амплитудно-частотной характеристикой K (j) (см. рис. 5.8, б).

Рис. 5.8. Структурная схема гетеродинного анализатора спектра последовательного типа и принцип его работы.

Построение траектории светящегося пятна на экране ЭЛТ показано на рис. 5.8, б. При перестройке генератора сигналы U_x и U₂ последовательно на экране ЭЛТ воспроизводят форму АЧХ усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Высота выбросов на экране ЭЛТ пропорциональна U_x и U₂ (рис. 5.8, г). Следовательно, по высоте выбросов можно судить об амплитудах спектральных составляющих, а их частоты определять по положению выбросов по горизонтальной оси на экране индикатора и частоте / .

При исследовании спектра для удобства отсчета спектральных линий минимальную частоту ЧМ-генератора /. следует выбирать равной /_ф. Тогда первый выброс, обусловленный напряжением ЧМ-генератора, происходит в момент времени t₀, а значения частот J и/₂ отсчитываются по шкале, нуль которой совмещен с началом развертки (рис. 5.8, д).

Для отсчета частот спектральных составляющих необходимо знать масштаб по оси X, определяемый как приращение А/_г частоты генератора, отнесенное к смещению АХ пятна по оси абсцисс. Поскольку смещение АХ пропорционально изменению напряжения развертки AU _аз, масштаб пропорционален отношению A/_r/At/_pa3, но зависимость /_г(1/ ) — модуляционная характеристика ЧМ-генератора, поэтому характер масштаба определяется видом этой зависимости. Если модуляционная характеристика линейна, то отношение Af^AU постоянно и масштаб тоже линейный.

Линейный масштаб свойствен большинству анализаторов спектра. В этом случае модуляционная характеристика ЧМ-генератора имеет вид /_г = /_min + я[/_раз, где а — крутизна модуляционной характеристики. Напряжение развертки определяет отклонение пятна по оси абсцисс X = S_XU^. Под действием колебания с частотой /_г — f_{ отклонение пятна по оси ординат.

где К и К_{ — коэффициенты передачи преобразователя и детектора.

Вышеприведенное уравнение можно записать в следующем виде.

Отсюда ясно, что вид этой зависимости в некотором масштабе соответствует форме АЧХ УПЧ. Следовательно, наблюдаемые на экране индикатора выбросы отображают зависимость K (f).

Предположение о том, что напряжение на выходе УПЧ пропорционально его коэффициенту передачи на частоте воздействующего на него колебания, справедливо только в статическом режиме, когда частота ЧМ-генератора изменяется с настолько малой скоростью, что переходные процессы в УПЧ успевают полностью закончиться. На практике приходится учитывать влияние переходных процессов, за счет которых частотная характеристика может сильно деформироваться.

Вид динамической частотной характеристики определяется статической частотной характеристикой УПЧ и скоростью изменения частоты воздействующего на УПЧ сигнала (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Динамические искажения анализатора спектра (а) и связь параметров сигнала с характеристиками прибора (б).

На рис. 5.9, а по оси ординат отложено отношение амплитуды напряжения У _н на контуре в динамическом режиме к резонансному напряжению U , а по оси абсцисс — обобщенная расстройка ф Параметром семейства является отношение т_у/т₀, где т₀ — время пребывания в пределах полосы пропускания УПЧ спектральной составляющей. Как следует из рис. 5.9, б, скорость смещения частоты сигнала ЧМ-генератора равна (f_m. — f_min)IT_a, где /_тах — максимальная частота ЧМ-генератора; Г_а — время анализа спектра, определяемое длительностью прямого хода развертки. Очевидно, что.

Поскольку т = ½Д/ф, то.

Кривая, соответствующая t_v/t₀ = 0, является резонансной кривой контура УПЧ. При увеличении скорости развертки частотные характеристики деформируются. Максимумы характеристик смещаются вправо от резонанса, причем смещение возрастает с ускорением роста частоты. Это объясняется тем, что на частотах, меньших резонансной, из-за инерционности контура амплитуда колебания не успевает достигнуть установившегося значения и при дальнейшем увеличении частоты продолжает расти. Форма спадающего участка динамической частотной характеристики обусловлена биениями, вызываемыми взаимодействием внешнего сигнала изменяющейся частоты и собственными колебаниями контура. Анализ показывает, что росту отношения т_у/т₀ соответствует расширение полосы пропускания динамической характеристики 2Д/ (см. рис. 5.9, б).

В анализаторах спектра нет необходимости точно воспроизводить частотную характеристику УПЧ, так как информация о спектре заложена в положении выбросов по оси X и их амплитуде. Здесь вполне допустимо небольшое отклонение формы выбросов от формы АЧХ УПЧ. Тогда время анализа спектра вычисляется из соотношения.

и может достигать десятков секунд, поэтому в анализаторах спектра используют трубки с послесвечением или другие индикаторы с памятью. Из рис. 5.9, а видно, что при переходе с одной скорости развертки на другую изменяется отношение U_K д_1ш/[/_)сз, поэтому для точного измерения амплитуды составляющих спектра при таком переходе необходимо каждый раз проводить калибровку прибора.

Разрешающую способность анализатора спектра оценивают удвоенной полосой пропускания УПЧ. В динамическом режиме полоса пропускания УПЧ расширяется, что ухудшает разрешающую способность. Это ухудшение можно оценить по графику, приведенному на рис. 5.9, б, из которого следует, что, например, значению т /т₀ = 20 соответствует пятикратное расширение полосы. С переходом в динамический режим разрешающая способность ухудшается. На практике всегда используется динамический режим, поэтому анализатор характеризуется динамической разрешающей способностью Д/_р дин, определяемой по формуле.

Если время анализа выбрано из (5.16), то динамическая полоса пропускания УПЧ 2Д/ лишь незначительно превышает статическую полосу. Уменьшение времени анализа приводит к ухудшению разрешающей способности.

Ранее указывалось, что форма напряжения развертки может быть любой. При нелинейной развертке скорость изменения частоты ЧМ-генератора непостоянна в разных точках экрана. В динамическом режиме это приводит к искажению спектра: колебание постоянной амплитуды будет вызывать выбросы разной высоты в зависимости от положения на экране, т. е. от частоты исследуемого колебания. Поскольку для анализаторов спектра характерен динамический режим, развертка всегда должна быть линейной.

Иногда приходится анализировать спектр последовательности импульсов с большой скважностью. Спектры таких импульсов содержат число составляющих, примерно равное скважности, а их раздельное наблюдение потребовало бы очень большого времени. Поэтому при анализе подобных спектров задача обычно состоит в выделении не отдельных спектральных составляющих, а огибающей спектра. Соответственно изменяются и требования к разрешающей способности: полосу пропускания УПЧ выбирают значительно уже лепестка спектра. При такой полосе постоянная времени контура УПЧ оказывается намного меньше периода повторения исследуемых импульсных сигналов. По окончании каждого импульса, воздействующего на контур, в последнем возникают свободные колебания, полностью затухающие к моменту прихода очередного импульса. Следовательно, ход процесса в контуре не изменяется, если рассматривать воздействие на него не периодической последовательности импульсов, а ряда одиночных импульсов со сплошным спектром.

При рассмотрении принципа работы анализатора предполагалось, что в полосу пропускания УПЧ попадает лишь сигнал с разностной частотой вида/_г -/_с = /_п. Однако в эту полосу попадает также сигнал с частотой f'_v = /_с + /_п.

Как известно, эффективная ширина спектра связана с длительностью импульса т_и соотношением Д/, = K/_w где К — коэффициент, зависящий от формы импульса, способа определения его длительности и отношения энергии, заключенной в пределах А/'_{и ()} к общей энергии импульса. Так, для импульса прямоугольной формы при К = 6 в полосе частот АДф сосредоточено 95% энергии импульса.

Для сигналов с широкими спектрами приходится выбирать высокую промежуточную частоту. Полоса пропускания УПЧ может оказаться чрезмерно широкой, а разрешающая способность — недостаточной. В этих случаях применяют двойное или тройное преобразование с понижением частоты. Узкополосная фильтрация сигнала происходит в УПЧ, следующем за последним смесителем.

В анализаторах спектра ось частот калибруется с помощью частотных меток либо с помощью маркера.

В простейшем случае для создания метки маркера используется генератор гармонического напряжения, частота которого устанавливается оператором и считывается со шкалы генератора. Это напряжение поступает на вход анализатора и вызывает выброс на экране ЭЛТ — частотную метку. Совмещая метку с выбросами, соответствующими спектральным составляющим, можно измерить частоты последних.

Погрешность измерения частоты зависит от точности совмещения, погрешности определения частоты по шкале генератора и ширины полосы пропускания УПЧ. Определяющими являются два последних параметра, так как первый можно исключить многократным повторением измерений.

Измерение частоты составляющих в широкополосном спектре удобнее производить по частотным меткам, получаемым от генератора импульсов, дающих дискретный спектр. Высоту выбросов можно измерять по масштабной сетке, помещенной перед экраном. При этом различают два вида анализаторов спектра: приборы, измеряющие отношение спектральных составляющих, и приборы, предназначенные для измерения абсолютного уровня. Появление последних способствовало сокращению парка измерительных приемников, функции которых они заменили.

Прибор С4−74 представляет собой панорамный супергетеродинный приемник с четырехкратным преобразованием частоты.

Частота настройки прибора автоматически или вручную перестраивается в пределах всего рабочего поддиапазона или в любом участке соответствующего поддиапазона с меньшими пределами перестройки.

Сигнал с выхода детектора анализатора спектра индуцируется в виде откликов на экране ЭЛТ, горизонтальная развертка которой синхронизирована с перестройкой частоты свипгенератора. Структурная схема прибора приведена на рис. 5.10.

Исследуемый сигнал в зависимости от выбранного поддиапазона (300 Гц—150 МГц или 150—300 МГц) через входной ступенчатый аттенюатор, переключатель и фильтр низкой частоты (ФНЧ) 0—150 МГц или полосовой фильтр (ПФ) 150—300 МГц поступает на соответствующий смеситель. На смеситель также поступает сигнал от гетеродина, частота которого в зависимости от выбранного режима изменяется от 263,5 до 413,5 МГц плавно (вручную или автоматически) или дискретно через 1 МГц. Преобразованный сигнал частотой 263,5±0,5 МГц усиливается, проходит через фильтр и поступает на второй смеситель, где с помощью гетеродина частоты 150 МГц преобразуется в сигнал частоты 113,5±0,5 МГц. Усиленный сигнал 113,5±0,5 МГц поступает на третий смеситель, где с помощью третьего гетеродина частотой 105,34±0,5 МГц преобразуется в сигнал частотой 8160 кГц. Частота третьего гетеродина в зависимости от выбранного режима изменяется в пределах 1 МГц плавно (вручную или автоматически) или дискретно через 10 кГц. Сигнал частотой 8160 кГц фильтруется, а затем поступает на четвертый смеситель, где преобразуется в сигнал частотой 128 кГц.

На частотах 8160 и 128 кГц осуществляется разделение компонентов, линейное, логарифмическое усиление и детектирование сигнала. Усиленный по постоянному току сигнал поступает на вертикальные пластины ЭЛТ.

В приборе предусмотрено обратное преобразование (восстановление) исходного сигнала для обеспечения возмож;

Рис. 5.10. Структурная схема прибора С4−74:

УВО — усилитель вертикального отклонения; УГО — усилитель горизонтального отклонения; ДЛЗ — дисперсионная линия задержки ности производить измерение частот компонентов сигнала со сложной структурой спектра и погрешностью внутреннего частотомера.

Рис. 5.11. Структурная схема простейшего анализатора спектра на дисперсионной линии задержки Если исследуемое напряжение имеет вид повторяющихся радиоимпульсов, то необходимо, чтобы отклики, вызванные соседними радиоимпульсами, не перекрывались. Следовательно, длительность паузы т_пз между импульсами (огибающими радиоимпульсов) должна превышать длительность отклика Т_з от предыдущего импульса. Чтобы с помощью дисперсионных линий проанализировать спектры непрерывных колебаний, их следует преобразовать в последовательность радиоимпульсов, называемых выборками. Выборки чередуются с паузами, длительность которых должна превышать время анализа. Для уменьшения отношения TJт_и применяется режим работы с преобразованием частоты. Напряжение гетеродина имеет вид прямоугольных импульсов с линейно изменяющейся во времени частотой. По окончании очередного импульса смеситель запирается, и исследуемое напряжение не поступает на вход линии задержки, что соответствует паузе. Структурная схема такого анализатора подобна схеме анализатора с преобразованием, показанной на рис. 5.11. Единственное отличие состоит в способе запуска генератора развертки: в анализаторе непрерывных колебаний он происходит от внешнего источника.

Пусть исследуемое напряжение имеет вид U_v= f/ cos (co_0/). После преобразования получим.

где U = 0 при 0 < t < т, т — длительность импульса, а — постоянная времени.