Вимірювачі параметрів спектра сигналів i їх повірка

1. КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА ФАКУЛЬТЕТ ВІЙСЬКОВОЇ ПІДГОТОВКИ КАФЕДРА ВІЙСЬКОВО-ТЕХНІЧНОЇ ПІДГОТОВКИ

2. ПРЕДМЕТ “ОСНОВИ ПОБУДОВИ ВІЙСЬКОВИХ ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАНЬ” ТЕМА №10 ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ СПЕКТРА СИГНАЛІВ ЗАНЯТТЯ №1 ВИМІРЮВАЧІ ПАРАМЕТ

ПРЕДМЕТ
“ОСНОВИ ПОБУДОВИ ВІЙСЬКОВИХ
ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАНЬ”
ТЕМА №10
ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ
СПЕКТРА СИГНАЛІВ
ЗАНЯТТЯ №1
ВИМІРЮВАЧІ ПАРАМЕТРІВ
СПЕКТРА СИГНАЛІВ I ЇХ ПОВІРКА

3. НАВЧАЛЬНА МЕТА: 1. Ознайомити студентів з методами аналізу спектра сигналів. 2. Розглянути призначення, структурну схему і принцип дії аналі

НАВЧАЛЬНА МЕТА:
1. Ознайомити студентів з методами
аналізу спектра сигналів.
2. Розглянути призначення, структурну
схему і принцип дії аналізаторів спектра.
3. Ознайомитись з методами повірки
аналізаторів спектра.

4. ВИХОВНА МЕТА:

1. Виховувати у студентів
дисциплінованість і культуру
поведінки.
2. Виховувати впевненість і
винахідливість при вивченні
матеріалу.
3. Виховувати і розвивати творчий
підхід при вивченні матеріалу на
занятті і самостійній підготовці.

5. НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Методи паралельного і послідовного
аналізу спектра сигналів.
2. Структурна схема аналізатора спектра.
3. Метрологічні характеристики
аналізаторів спектра.
4. Методика повірки аналізаторів спектра.
5. Джерела похибок, еталони і порядок
повірки аналізаторів спектра.

6.

ПИТАННЯ 1
МЕТОДИ ПАРАЛЕЛЬНОГО І
ПОСЛІДОВНОГО
АНАЛІЗУ СПЕКТРА СИГНАЛІВ
6

7. Загальні відомості про аналізатори спектра

В радіотехніці, електроніці, техніці зв’язку та інших
галузях, пов’язаних з електронікою, аналіз форми
електричних сигналів дозволяє одержати інформацію про
якість радіопристроїв, ліній зв’язку, технологічних процесах
і т.д. Однак спосіб аналізу електричних сигналів не завжди
задовольняє вимогам, які стоять перед таким аналізом
сигналів.
Більш чутливим і інформативним є аналіз
спектральних характеристик сигналів.
Особливо важливим є знання спектрального складу
сигналів, коли гостро постає проблема електромагнітної
сумісності РЕА.
7

8.

Спектральним (частотним) способом описують не
тільки коливальні системи і процеси, але і властивості
апаратури. Використання перетворювачів неелектричних
величин в електричні дозволяє розповсюдити радіотехнічний
спектральний аналіз на області механіки, акустики,
гідроакустики, медицини і ін.
Спектр сигналу є важливою його
характеристикою.
Для спектрального аналізу сигналів, тобто представлення
сигналів у вигляді суми гармонічних складових,
використовуються засоби вимірювальної техніки, які дістали
назву - аналізатори спектра (АС).
Згідно з класифікацією аналізатори спектра
позначаються С4 - .
8

9.

Робота аналізаторів спектра заснована на ряді
методів:
- фільтрації;
- дисперсійно-часовому;
-цифровому.
Метод фільтрації полягає у виділенні спектральних
складових сигналу за допомогою вузькосмугового фільтра.
Метод реалізується способами паралельного (одночасного) і
послідовного аналізу.
9

10.

Паралельний аналіз здійснюється за допомогою ряду
вузькосмугових фільтрів, кожний з яких виділяє одну
складову спектра.
Послідовний аналіз полягає у виділенні окремих
складових або за допомогою одного вузькосмугового
перестроюваного фільтра, або шляхом такого
перестроювання частоти досліджуваного сигналу, при якому
в смугу фільтра почергово попадатимуть спектральні
складові сигналу з різними частотами.
Суть дисперсійно-часового методу полягає у
використанні для аналізу спектра дисперсійної лінії
затримки (ДЛЗ), тобто пристрою, в якому затримка
залежить від частоти.
Цифровий метод полягає в перетворенні досліджуваного
сигналу в цифровий код і обчислення складових спектра за
допомогою цифрових обчислювальних пристроїв.

11.

Паралельний аналіз здійснюється за допомогою
фільтрів, у яких перекриваються частотні
характеристики рис.1.
Ф1
Ф2
Фn
Детектор
1
Детектор
2
Детектор
n
Кому
татор
Uр
Генератор
ступінчаcтої
напруги (ГСН)
Рис.1. Структурна схема АС паралельної дії

12.

Вихідні напруги фільтрів після детектування рис. 2
почергово за допомогою комутатора подаються на
вертикально відхиляючі пластини ЕПТ.
К
К1(ƒ) К2(ƒ) К3(ƒ)
К4(ƒ)
К5(ƒ)
ƒ
Рис.2. Вихідні напруги фільтрів
12

13.

Комутатором керує ступінчата напруга генератора
розгортки. За час дії від t0 до t1 першої сходинки (рис. 3) до
вертикально відхиляючих пластин ЕПТ підключений детектор
1, за час дії від t1 до t2 (другої сходинки) – детектор 2 і т.д.
Uр
t0
t1
t2
t3
t4
tn
Рис. 3. Вихідна напруга ГСН
t
13

14. Після закінчення періоду розгортки всі фільтри будуть почергово підключені до вертикально відхиляючих пластин ЕПТ. Нехай сигнал, який під

Після закінчення періоду розгортки всі
фільтри будуть почергово підключені до
вертикально відхиляючих пластин ЕПТ.
Нехай сигнал, який підлягає аналізу, має дві
спектральні складові з амплітудами U1 і U2 , а
частоти складових ƒ1 і ƒ2 співпадають з
центральними частотами фільтрів 2 і 4. Як видно з
рисунка 2, під дією вхідного коливання на виході
фільтрів 2 і 4 виникнуть напруги, які пропорційні
U1 і U2 , а на виході фільтрів 1,3 і 5 – напруги значно
меншої амплітуди. На екрані ЕПТ виникнуть п’ять
викидів, які несуть інформацію про досліджуваний
спектр (рис.4).
14

15.

f1
f2
Рис. 4. Спектральні складові на екрані ЕПТ
15

16.

Відлік спектральних складових здійснюється,
як правило, по амплітудам двох найбільших
викидів, а інші три є небажаними, які стають тим
меншими, чим ближче форма частотних
характеристик фільтрів до прямокутної форми, так
як при прямокутній формі під дією спектральної
складової з’являється напруга на виході тільки
одного фільтра.
16

17.

Важливою характеристикою аналізатора є його
роздільна здатність, яка кількісно визначається як
мінімальна різниця частот двох спектральних
складових, при яких ці складові можна спостерігати
на екрані ЕПТ роздільно (рис. 5).
К(f)
f1
f2
f
Рис. 5. Визначення роздільної здатності АС
17

18. Як слідує із рис. 5, для фільтрів з прямокутною частотною характеристикою К(ƒ) (ідеальних фільтрів) роздільна здатність визначається:

f Р 2 f Ф
(1)
Однак частотну характеристику прямокутної форми
неможливо реалізувати на практиці, і в аналізаторах
використовують фільтри з частотною характеристикою.
Надійного розділення спектральних складових
досягають при більшій різниці частоти, і роздільну здатність
приблизно оцінюють подвійною смугою пропускання
фільтра:
f Р 2 2 fФ
(2)
18

19.

Фільтрам аналізатора притаманна
інерційність, яку прийнято оцінювати часом
встановлення τУ напруги на виході фільтра від 0,1 до
0,9 сталого значення (значення 0,1 і 0,9 прийняті
умовно і в ряді конкретних випадків можуть бути і
іншими). Для фільтрів з різною формою частотної
характеристики час встановлення визначається:
У
А
2 f Ф
(3)
де А – постійний коефіцієнт, який залежить від типу
застосованого фільтра. Для приблизних розрахунків
приймається А=1.
19

20.

Спектральні складові можна виміряти після
закінчення інтервалу часу, який більший або
рівний τУ. Цей інтервал характеризує час аналізу
1
Т а У
2 f Ф
(4)
Аналізатори спектра одночасної дії мають малий
час аналізу і можливість аналізувати спектри одиночних
імпульсів, але не одержали широкого розповсюдження
внаслідок складності системи фільтрів.
20

21.

Послідовний аналіз здійснюється одним
вузькосмуговим фільтром, який перестроюється в
смузі частот. При кожному новому настроюванні
вузькосмуговий фільтр виділяє нову
спектральну складову сигналу, який підлягає
дослідженню.
Метод послідовного аналізу дозволяє
досліджувати періодичні (або інші) види сигналів,
спектр яких практично не змінюється за час
вимірювань.
Час (тривалість) аналізу цим методом
визначається не тільки часом перестроювання
фільтра, але і тривалістю перехідних процесів, які
виникають в фільтрі при його збудженні.

22.

Послідовний аналіз ефективний при
дослідженні процесів, які повільно змінюються в
порівнянні з тривалістю аналізу.
Перевагою послідовних аналізаторів є їх
простота. Реалізація цієї переваги сумісно з
використанням різноманітних прийомів для
прискорення аналізу приводить до створення
комбінованого способу аналізу.

23.

При комбінованому способі аналізу частотний
діапазон, який аналізується, за допомогою
системи фільтрів розбивають на ряд діапазонів, в
межах яких здійснюється послідовний аналіз.
Цей спосіб застосовується для дослідження
спектрів одиночних сигналів, які в умовах
експерименту можуть повторюватись через
великі інтервали часу.

24.

Аналізатори спектра дозволяють:
- здійснювати панорамний аналіз спектрів в
широкому динамічному діапазоні (80...100 Дб);
- вимірювати рівні слабих синусоїдальних сигналів
і складових спектру сигналів складної форми;
- вимірювати частоти складових спектра сигналів
складної форми;
- досліджувати АЧХ в широкому динамічному
діапазоні (140 Дб і більше).
Сучасні аналізатори спектру дозволяють
здійснювати разовий (одноразовий) аналіз і
запам'ятовування зображення (в тому числі і
тривале), автоматичне вимірювання частот
спектральних складових за допомогою вмонтованих
цифрових частотомірів.

25.

ПИТАННЯ 2
СТРУКТУРНА СХЕМА
АНАЛІЗАТОРА СПЕКТРА
25

26.

АНАЛІЗАТОР СПЕКТРА ПОСЛІДОВНОЇ ДІЇ
Завдяки високим технічним характеристикам
при порівняно простоті виконання широкого
розповсюдження одержали гетеродинні аналізатори
спектра послідовної дії. Це обумовлене тим, що
побудова вузькосмугового фільтра з широким
діапазоном перестроювання є складним технічним
завданням і при реалізації методу послідовного
аналізу переходять від перестроювання фільтра до
еквівалентного переміщення спектра сигналу, який
підлягає дослідженню, відносно частоти
настроювання вузькосмугового фільтра.
Структурна схема гетеродинного аналізатора
спектра послідовної дії наведена на рис. 6.
26

27.

Перетворю
вач
частоти
Вхід
Вхідний
пристрій
Змішувач
Гетеродин
ЧМ
Генератор
розгортки
ГПН
ППЧ
Фільтр
вузькосмуго
вий
Детектор
Підсилювач
вихідний
Рис. 6. Структурна схема гетеродинного АС
послідовної дії
27

28.

Нехай на вхід аналізатора поступає сигнал виду
U (t ) AK ( ) cos(k t k )
(5)
який є періодичним сигналом, в спектрі якого k складових
на частотах 1, 2=2 1, 3=3 1,…, k= k 1.
Цей сигнал через вхідний пристрій поступає на
перетворювач частоти, де здійснюється одне або декілька
перетворень частоти сигналу з метою її зниження.
Одержаний сигнал поступає на змішувач. На інший
вхід змішувача подається сигнал від ЧМ гетеродина.
28

29.

Модуляційну характеристику ЧМ гетеродина, як
правило, намагаються виконати лінійною, для того щоб
частота його коливань змінювалась під дією керуючої
напруги з генератора розгортки лінійно за часом.
Девіація частоти гетеродина встановлюється такою,
щоб охопити весь спектр сигналу, тобто
S ( )
(6)
29

30.

В цьому випадку зі зміною частоти гетеродина
складові спектра будуть переміщатись відносно
фіксованої частоти вузькосмугового фільтра,
послідовно за часом, попадаючи в смугу пропускання
цього фільтра.
Розглянемо принцип дії такого аналізатора на прикладі
аналізу спектра послідовності прямокутних радіоімпульсів
(рис.7).

31.

Uc
а)
t
c
б)
пр
t
г
3
2
1
в)
пр
t1
t2
t3
S(j )
t
г)
Рис.7.Часові діаграми роботи гетеродинного АС послідовної дії
31

32.

На рис.7, а зображена послідовність
прямокутних радіоімпульсів, які поступають на
вхід аналізатора спектра в моменти часу
t1 , t2 , t3, …, а на рис.7, б показаний спектр
одиночного імпульсу.
Очевидно, що з появою кожного чергового
радіоімпульсу на вхід змішувача буде діяти
широкий спектр частот, який визначається
тривалістю прямокутного радіоімпульсу.
На рис.7, в показано зміну частоти
гетеродина г. Швидкість зміни цієї частоти
передбачається такою, що за час дії імпульсу,
який досліджується, частота
гетеродина залишається практично незмінною.

33.

В момент часу t1 частота гетеродина приймає
значення г1 і вузькосмуговий фільтр виділить із
спектра, який підлягає дослідженню, вузьку смугу
частот, яка відрізняється від г1 на значення
проміжної частоти пр. За період слідкування
імпульсів Тс частота гетеродина зміниться і на момент
часу t2 при появі другого імпульсу прийме значення
г2.
Оскільки вузькосмуговий фільтр має фіксовану
частоту настроювання, то проміжна частота пр буде
одержана в результаті виділення із спектра сигналу,
який досліджується, нової групи спектральних
складових, рис.7, г.
При відображенні спектра на екрані ЕПТ лінійна
частотна модуляція гетеродина досягається в
результаті дії на нього напруги генератора розгортки.

34.

Після детектування і підсилення сигнал подається на
вертикально відхиляючі пластини ЕПТ. При цьому на
екрані осцилографа спостерігається вертикальна смуга,
яка світиться, висота якої пропорційна середньому
значенню потужності відповідної ділянки спектра.
Кількість спостерігаємих смуг визначається
кількістю імпульсів, які поступають на вхід аналізатора
за час одного хитання частоти гетеродина (періоду
розгортки осцилографа). Робота аналізатора спектра в
діапазоні частот досягається застосуванням гетеродина з
широким діапазоном перестроювання.
Для визначення параметрів спектра сигналів в
аналізаторах спектра використовуються калібрувальні
частотні помітки, які виробляються спеціальним
генератором.

35.

ДИСПЕРСІЙНИЙ МЕТОД АНАЛІЗУ
СПЕКТРА РАДІОСИГНАЛІВ
Для одержання спектрограми використовують
явище дисперсії лінії затримки. Відомо, що дисперсією
називається залежність фазової швидкості
розповсюдження електромагнітної хвилі від частоти.
Різні частотні складові спектра радіоімпульсу,
який подається на вхід дисперсійної лінії затримки,
розповсюджуючись в ній з неоднаковими фазовими
швидкостями, затримуються лінією на неоднакові
інтервали часу і тому з'являються на її виході
послідовно, з зсувами за часом.
В результаті цього обвідна вихідної напруги лінії
затримки буде відповідати модулю спектральної функції
радіосигналу.
Структурна схема системи аналізу дисперсійного
аналізатора спектра наведена на рис. 8.

36.

Змішувач
Гетеродин
ЧМ
Підсилювач
смуговий
Лінія затримки
дисперсійна
Рис. 8. Структурна схема
дисперсійного аналізатора спектра
Розкладення сигналу в спектр здійснюється в
аналізаторі за допомогою дисперсійної лінії
затримки (ДЛЗ). Для зменшення похибки, яка
зв'язана з кінцевою тривалістю радіоімпульсу, на
вході ДЛЗ здійснюється перетворення сигналу за
допомогою ЧМ гетеродина, швидкість зміни
частоти якого S зворотно пропорційна дисперсії
лінії затримки:

37.

Частотний масштаб по осі часу обумовлений
дисперсією лінії затримки. Перетворення частоти
сигналу, який досліджується, здійснюється для того, щоб
різницева частота попала в робочий діапазон лінії
затримки і щоб була можливість аналізу спектра
сигналів незалежно від того, яка тривалість імпульсу,
який підлягає дослідженню.
Таким чином, попереднє перетворення суттєво
розширює можливості спектрального аналізу за
допомогою ДЛЗ.
1
S
a
(7)

38.

При аналізі спектрів радіоімпульсів запуск ЧМ
гетеродина здійснюється в момент надходження
радіоімпульсу на вхід засобу вимірювань.
На рис. 9 показано прив’язку за часом радіоімпульсу,
який підлягає аналізу і сигналу ЧМ гетеродина.
U(t)
t
f(t)
t
Рис. 9. Прив'язка за часом радіоімпульса і сигнала ЧМ гетеродина
38

39.

На виході ДЛЗ кожному із вхідних радіоімпульсів
відповідає відгук, який визначає спектр імпульсу. При
аналізі спектрів неперервних сигналів ЧМ гетеродин
працює в періодичному режимі. За рахунок цього
здійснюється розбивання аналізованого сигналу на
послідовні вибірки, рис. 10.
U(t)
t
f(t)
fO
t
Рис.10. Аналіз спектрів неперервних
сигналів
39

40.

Кожна з вибірок може розглядатись як
радіоімпульс з частотною модуляцією, закон
якої узгоджений з ДЛЗ. На виході ДЛЗ
відтворюються послідовно спектри кожної з
вибірок.
Якщо на вхід аналізатора подається
гармонічний сигнал, то на вхід ДЛЗ подається
ЛЧМ радіоімпульс проміжної частоти, який в
результаті проходження через лінію стискується
в N разів.
N - число каналів аналізу,
1/N - відносна роздільна здатність.
Структурна схема дисперсійного
аналізатора спектра наведена на рис.11.

41.

Підсилювач
стробуючий
Підсилювач
імпульсів
Лінія
затримки
дисперсійна
Гетеродин
ЧМ
Детектор
Генератор
Генератор
стробуючих
імпульсів
Блок
керування
Генератор
розгортки
Змішувач
Підсилювач
вертикальн
відхилення
ЕПТ
Рис. 11 Структурна схема дисперсійного аналізатора
спектра
41

42.

Запуск ЧМ гетеродина в режимі аналізу спектрів
радіоімпульсів здійснюється сигналом з детектора або
зовнішнім імпульсним сигналом, а в режимі аналізу
спектрів неперервних сигналів - періодичними
синхроімпульсами.
З виходу ДЛЗ відгуки, які визначають спектри
аналізуємих імпульсів або вибірки неперервного сигналу,
через підсилювач вертикального відхилення подаються
на ЕПТ.
Аналізатор спектра дозволяє здійснювати аналіз
спектрів радіоімпульсів з кодових пачок шляхом
стробування сигналів. Для цього використовується
генератор стробуючих імпульсів, запуск якого
здійснюється зовнішнім імпульсом.

43.

Аналізатори спектра дозволяють спостерігати спектри
в координатах частота-час-амплітуда і частота-час. В
першому випадку на екрані аналізатора спостерігається
додаткова "повільна" кадрова розгортка променя по
вертикалі і горизонталі. При цьому спектрограми сусідніх
вибірок сигналу або радіоімпульсів, які надходять на вхід
зсуваються по вертикалі і горизонталі, що створює
імітацію рельєфу спектра на екрані.
Напруга повільної розгортки (розгортки осі часу)
складається відповідно з обвідними вихідних відгуків
ДЛЗ і напругою розгортки спектрограми. Якщо
підсилювач вертикального відхилення відключається, а
обвідна відгуків ДЛЗ подається на модулятор ЕПТ, на
екрані аналізатора відображається тільки залежність
частоти сигналу від часу.

44.

МЕТОД ЧАСОВОГО СТИСНЕННЯ
(ЦИФРОВИЙ МЕТОД)
Одним з методів аналізу спектра сигналів є
метод часового стиснення вхідного сигналу. Цей
метод застосовується для вимірювання спектрів
періодичних, неперіодичних (в тому числі
одноразових) процесів і стаціонарних шумів в
діапазоні низьких і інфранизьких частот.
Розглянемо роботу аналізатора спектра
(рис. 12), який реалізує даний метод.

45.

Вхідний
пристрій
АЦП
ЗП
Змішувач
Фільтр
смуговий
Гетеродин
ЧМ
Генератор
розгортки
ЦАП
ФНЧ
Підсилювач
вертикальн.
відхилення
ЕПТ
Аналізатор послідовної дії
Рис.12. Структурна схема цифрового АС
45

46.

Принцип дії приладу полягає в наступному. Із
аналізуємого сигналу беруть вибірки миттєвих значень.
Миттєві значення сигналу перетворюються АЦП в
цифровий код і послідовно заносяться в запам'ятовуючий
пристрій (ЗП).
При заповненні ЗП наступні вибірки заносяться
замість старих, які стираються. Одночасно з цим
здійснюється послідовне неперервне зчитування записаної
в ЗП інформації з швидкістю, яка значно перевершує
швидкість запису. Зчитана інформація перетворюється в
аналогову форму, і одержана таким чином, стиснута за
часом копія вхідного сигналу аналізується аналізатором
послідовної дії.
Ширина спектра стиснутої копії і смуга
пропускання аналізуємого фільтра збільшується, а час,
який необхідний для аналізу, зменшується в стільки разів,
в скільки тривалість стиснутої копії менша тривалості
реалізації сигналу, яка записана в ЗП.

47.

Автоматизація вимірювань
При розробці, виробництві і експлуатації РТ засобів
об’єм параметрів, які вимірюються, дуже великий
(вимірювання параметрів елементів ланцюгів, АЧХ і
інших характеристик трактів), однак кінцевою метою є
одержання якісного спектра сигналу. В даний час для
вимірювання параметрів спектра передавача бортової
радіостанції літака засобами вимірювальної техніки 3-го
покоління необхідно затратити 30- 50 хвилин часу, а для
обробки результатів – 1- 2 години.
Все це обумовило бурхливе впровадження
автоматизації в аналізатори спектра.
Першим кроком було створення панорамних
вимірювачів з автоматичним перестроюванням по
частоті, при цьому час аналізу по всій смузі суттєво
скоротився і з’явились додаткові можливості з
використання АС для вимірювання і спостереження АЧХ
чотирьохполюсників.

48.

Наступним елементом автоматизації стало введення до
складу АС вмонтованого частотоміра, який зв’язаний з
візирною поміткою частотоміра. Це дозволило оперативно і
з високою точністю визначати частоти складових спектра.
Сучасний АС – це складний і багатофункціональний
ЗВТ з великим числом елементів керування , що ускладнює
роботу з ним. В аналізаторах спектра С4-74 і С4-77
автоматично встановлюється оптимальний час
інтегрування і смуга пропускання при зміні смуги огляду,
що спрощує роботу ним.
Найбільш повна автоматизація процесів вимірювання і
обробки спектра реалізована в АС СК4-71. Комплекс
програм аналізатора дозволяє реалізувати в даному ЗВТ
практично всі функціональні можливості, які необхідні для
багатостороннього аналізу сигналів.

49.

Основні режими роботи аналізатора спектра:
- спектральний, статистичний і кореляційний аналіз;
- вимірювання амплітудного і фазового спектрів;
- вимірювання передаточних функцій електричних, механічних,
термічних і інших сигналів;
- вимірювання згортки двох сигналів;
- вимірювання спектра потужності, взаємного спектра і функцій
когерентності;
- вимірювання кореляційних функцій;
- вимірювання гістограм амплітуд.
Основні технічні характеристики СК 4-71
Діапазон частот ………….0 Гц…50 кГц
Динамічний діапазон……60 дБ
Границі вхідних напруг…80 мВ…8 В
Кількість входів………….2
Число вибірок сигналів, що аналізуються приладом…32…4096

50.

Канал А
Підсилю
вач
ФНЧ
АЦП
Блок вводу
з
перфостріч
ки
Цифровий
графобудувач
Перфоратор
Пристрій
керування
Обчислюв.
пристрій
Цифров. магнітофон
Дисковий
накопичувач
Канал Б
Пристрій
вводу
цифрових
даних
ЦАП
Осцилогр
індикатор
Самопис
ець X,Y
Рис.13. Структурна схема аналізатора спектра
СК4 -71
50

51.

Область застосування:
1. Вимірювання амплітуд і частот лінійних фільтрів.
2. Вимірювання параметрів модульованих коливань.
3. Вимірювання шумів генераторів.
4. Вимірювання спотворень в трактах.
5. Вимірювання перехресної модуляції і блокування в
приймачах.
6. Вимірювання АЧХ чотирьохполюсників.
7. Дослідження спектрів радіоімпульсів. які
повторюються.
8. Визначення паразитних ефектів послідовності
радіоімпульсів.
9. Вимірювання шумів підсилювачів.

52.

ПИТАННЯ 3
МЕТРОЛОГІЧНІ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
АНАЛІЗАТОРіВ СПЕКТРА
52

53.

Діапазон частот характеризує граничні значення
частотного інтервалу, в якому аналізуються спектри сигналів.
У випадку аналізу спектра радіоімпульсів ця характеристика
дає уяву про діапазон несучих частот сигналів, спектри яких
можуть бути досліджені аналізатором.
Діапазон частот аналізаторів спектра встановлюється в
нормативно-технічній документації на конкретний тип
аналізатора спектра і вказується в одиницях частоти.
При необхідності діапазон частот може бути розділений
на декілька діапазонів.
53

54.

Нерівномірність амплітудно-частотної характеристики
аналізатора є характеристикою ступеня відмінності
коефіцієнтів передачі в діапазоні частот заданої смуги огляду і
визначається за допомогою формули:
в відсотках
АЧХ
Аmax Amin
100%
Amin
(8)
в децибелах
АЧХ
Amax
B lg
Amin
(9)
54

55.

де В - коефіцієнт, який дорівнює 20 при вимірюванні
напруги і 10 при вимірюванні потужності;
Аmax і Аmin - максимальні і мінімальні покази вихідного
вимірювального пристрою аналізатора спектра при зміні
частоти вхідного сигналу.
Смуга огляду АС
визначає можливості з аналізу сигналів з різною
шириною спектра. Смуга огляду, як правило, є
величиною, яка регулюється, і вимірюється від мінімального
до максимального значення.
Максимальна смуга огляду аналізатора визначає
максимальну ширину спектра сигналу, який аналізується, або
характеризує можливості з аналізу широкосмугових сигналів.
Мінімальна смуга огляду характеризує здатність
приладу детально аналізувати ділянки спектра сигналу з
роздільною здатністю, близькою до граничної.
55

56.

Смугу огляду обчислюють за допомогою формули:
П ОГЛ f K f H
(10)
де fк і fн - відповідно кінцева і початкова частоти смуги
огляду.
Смуга огляду аналізатора спектра визначається
діапазоном хитання частоти гетеродина.
56

57.

Похибка вимірювання амплітуд сигналу або складових
його спектра
залежить від рівня сигналу, який вимірюється, ширини
його спектра, відлікових пристроїв аналізатора і інших
чинників.
Похибка вимірювання амплітуди сигналу
складається з:
δ1- похибки калібрування чутливості на фіксованій
частоті;
δ2- похибки за рахунок нерівномірності амплітудночастотної характеристики;
δ3- похибки відлікових атенюаторів;
δ4- похибки шкали індикатора;
δ5- похибки із-за впливу власних шумів;
δ6- похибки калібрування ефективного значення смуги
пропускання;
57

58.

Підсумкова похибка вимірювання обчислюється за
допомогою формули:
n
i 1
2
i
(11)
де δі - i-та складова похибки ;
n - кількість складових похибки вимірювання амплітуди.
Смуга пропускання аналізатора спектра
є його важливим метрологічним параметром, який
визначає роздільну здатність, швидкість і тривалість
аналізу, а також чутливість аналізатора спектра.
Мірою роздільної здатності аналізатора є смуга
пропускання його вибіркового елементу. Якщо в смугу
попадають декілька ліній спектра, то аналізатор їх не
розрізняє.
58

59.

Розрізняють статичну і динамічну роздільну здатність :
статична роздільна здатність коли коливання в контурі
сталі
f СТ П
(12)
динамічна роздільна здатність
f ДИН (1,5 3) f СТ
(13)
59

60.

Рівень власних шумів
є важливим метрологічним параметром аналізаторів
спектра, який визначає чутливість аналізатора і приводить до
похибки вимірювання амплітуд.
Чутливість аналізаторів спектра
характеризується такими ж параметрами, як і чутливість
радіоприймальних пристроїв. При дослідженні спектрів
радіоімпульсів чутливість аналізаторів спектра залежить від
тривалості імпульсу . При фіксованій смузі пропускання f
чутливість тим нижча, чим менша тривалість імпульсу.
Середній рівень власних шумів аналізатора
спектра
в заданій смузі частот вказується в НТД на прилад в
мікровольтах, мілівольтах, вольтах, мікроватах, міліватах,
ватах, децибелах відносно вибраної одиниці рівня (наруги або
потужності).
60

61.

ПИТАННЯ 4
МЕТОДИКА ПОВІРКИ
АНАЛІЗАТОРІВ СПЕКТРА
61

62.

Повірка гетеродинних аналізаторів спектра
здійснюється згідно з вимогами технічних описів на прилади.
Відсутність єдиного державного стандарту на повірку
аналізаторів спектра і велика різноманітність схем і
властивостей таких приладів є причиною розбіжностей в
методиці виконання операцій повірки.
Тому нижче будуть розглянуті найбільш важливі і
характерні особливості основних операцій, які виконуються
при повірці гетеродинних аналізаторів спектра С4- 25.
62

63.

Визначення діапазону частот і похибки настроювання
здійснюється методом звірення показів шкал настроювання
приладу з значеннями частот вимірювальних генераторів,
частота яких контролюється за допомогою електроннолічильних частотомірів. Шляхом настроювання генератора,
який підключений до входу аналізатора, одержують зображення
відгуку в середині встановленої смуги огляду. Похибку шкали
настроювання оцінюють на числових помітках, які вказані в
технічному описі калібруємого приладу.
Визначення нерівномірності АЧХ по входу може проводитись
одночасно з визначенням похибки настроювання. Підтримуючи
на вході повіряємого аналізатора постійний рівень сигналу
генератора, встановлюють рекомендовані в технічному описі
частоти настроювання. На цих частотах намагаються
постійності амплітуди відгуку на екрані ЕПТ шляхом зміни
послаблення сигналу відліковим атенюатором. Різниця в
показах атенюатора буде характеризувати нерівномірність АЧХ.
63

64.

Визначення похибки встановлення каліброваних
частотних інтервалів здійснюється за допомогою
вимірювальних генераторів, частота яких контролюється
електронно-лічильним частотоміром.
Шляхом перестроювання генератора суміщають на екрані
ЕПТ частотні помітки калібратора з відгуком на сигнал
генератора.
Порівнюють нормовані різниці частот між сусідніми
помітками
з одержаними значеннями, які відраховані за допомогою
електронно-лічильного частотоміра. Визначають похибку
каліброваних частотних інтервалів або похибку частотних
поміток калібратора.
64

65.

Визначення похибки вимірювання відношення амплітуд
спектральних складових
здійснюється за допомогою вимірювального генератора і
зразкового вольтметра або зразковим атенюатором.
Перед виконанням операції здійснюється калібрування
вертикальної шкали індикатора в відповідності з правилами
експлуатації АС. За допомогою зразкового вольтметра, який
підключається разом з вимірювальним генератором до входу
калібруємого АС, встановлюються різні рівні вхідного сигналу.
По шкалі індикатора АС вимірюються відношення
встановлених рівнів. Виміряні їх значення порівнюються з
відношеннями, які відраховані за допомогою зразкового
вольтметра, і визначаються похибки вимірювання.
65

66.

При використовуванні зразкового атенюатора, який
вмикається між вимірювальним генератором і каліброваним
приладом, визначаються похибка вимірювання відношень
амплітуд, яка відраховується за допомогою шкали індикатора, і
похибка відлікового атенюатора. Вони можуть бути визначені
шляхом співставлення результатів вимірювань, які одержані
каліброваним приладом, з показами зразкового атенюатора.
Визначення смуг пропускання здійснюється за допомогою
вимірювального генератора і електронно-лічильного частотоміра,
який під’єднується до спеціальних входів каліброваного приладу,
які призначені для контролю смуг. Перестроюючи генератор,
встановлюють задопомогою каліброваної шкали АС максимальне
значення сигналу на екрані ЕПТ.
Різниця показів частотоміра, яка відповідає рівням - 3 дБ, буде
дорівнювати встановленій смузі пропускання АС. Аналогічним
чином може вимірюватись значення смуги на інших рівнях.
(наприклад, - 20 або - 40 дБ ).
66

67.

Визначення роздільної здатності
може здійснюватись різними методами. В діапазоні до 30 50 МГц операція виконується за допомогою вимірювального
генератора і електронно-лічильного частотоміра.
Перестроюючи генератор, на екрані ЕПТ по осі частот
досягають дотику відгуку сигналу і частотної помітки
калібратора на рівні власних шумів АС, або на деякому
іншому довільному рівні.
В діапазоні вище 30 - 50 МГц вимірювання
здійснюються за допомогою частотно-модульованого сигналу.
Такий сигнал в своєму складі має складові спектра з
частотними інтервалами, які дорівнюють частоті модуляції.
Змінюючи частоту модуляції сигналу, на екрані індикатора
досягають дотику на заданому рівні двох сусідніх відгуків, і
шляхом вимірювання частотоміром частоти генератора, який
використовується для модуляції сигналу, визначається
роздільна здатність АС.
67

68.

ПИТАННЯ 5
ДЖЕРЕЛА ПОХИБОК,
ЕТАЛОНИ І ПОРЯДОК
ПОВІРКИ
АНАЛІЗАТОРІВ СПЕКТРА
68

69.

ТО встановлює методи і засоби повірки аналізатора
спектра С4-25 при його експлуатації.
Періодичність повірки приладу встановлюється в
залежності від сфери застосування.
Операції і засоби повірки
1. При проведенні повірки повинні виконуватися операції і
застосовуватися засоби повірки, які вказані в таблиці 1.
69

70.

Таблиця 6 (ТО)
Найменування операцій,
які проводяться
при повірці
Помітки
повірки
Допустимі
значення похибок
або граничні
значення
параметрові які
визначаються
1.
Зовнішній огляд
опробування
визначення
метрологічних
параметрів
2.
Визначення діапазону
частот приладу
Визначається в
відповідності з п.
12.3.10 ТО
3.
Визначення похибки
вимірювання
частотних інтервалів
інтервал
між
помітками
20; 30 МГц
не більше ніж
±(0,1 F + Δf),
4.
Визначення
смуги
в положенні ручки
ОБЗОР MHz
0—3 МГц
3—50 МГц
Засоби повірки
допоміжні
засоби
еталони
вимірюван
ня
Ч3-54
Г4-102А
По
помітках
70

71.

6.
Визначення
чутливості
на частотах
не повинна
0,1, 20 и 50 МГц
перевершувати
при фіксованій смузі 150 мкВ
0,1, 20 и 50 МГц
при регульованій
смузі
ВЗ-48
або
ВЗ-43
Г4-102А
7.
Визначення
похибки
відлікових
атенюаторів
в межах 0-49 дБ
49—59 дБ
на частоті
0,9-1 МГц
±1 дБ
±1,5 дБ
ВЗ-48
або
ВЗ-38
Трійник
СР-50-95
Ф
Г4-102А
8.
Визначення
нерівномірності
АЧХ
на частотах:
0,2; 1; 2; 5; 10; 20;
30; 40; 50 МГц
по входу
ВХОД 50 Ώ
по входу пробника
не більше 2 дБ
не більше 3 дБ
ВЗ-48
або
ВЗ-38
Приладд
я
(рис. 1
додаток
5)
9.
Визначення похибки
масштабів
індикатора
приладу:
- лінійного
- квадратичного
- логарифмічного
числові помітки
шкали ЛИН
згідно табл. 10
числові помітки
шкали ЛОГ, «10»,
«20», «30», «40»
не більше ±10%
не більше ±15%
не більше ±5 дБ
ВЗ-48
або
ВЗ-38
Г4-102А
71

72.

1
0
Визначення
динамічного
діапазону по
інтермодуляційним
Примітки:
спотворенням
два сигнали с
розстроюванням
між ними
1,5—2 МГц
на частоті
20 МГц
не менше 60 дБ
по входу ВХОД
50 Ώ
не менше 50 дБ
по входу
пробника
Трійник
СР-50-95
Ф
Г4-102А
2 шт.
1. Замість вказаних в табл. еталонів і допоміжних засобів дозволяється
застосовувати інші аналогічні вимірювальні прилади, які забезпечують вимірювання
відповідних параметрів з необхідною точністю.
Основні технічні характеристики еталонів і допоміжних засобів наведені в таблиці
7.
Основні технічні
Рекомендуєм Примітка.
Найменування
характеристики засобів
ий засіб
засобів
калібрування
повірки
калібрування
(тип)
границі
похибка
вимірювання
Вольтметр
змінного
струму
Вхідна
напруга
10 мВ— 3 В
Діапазон частот
20 кГц-50 МГц
±6%
ВЗ-48
або
ВЗ-43
72

73.

Вольтметр
змінного
струму
Вхідна
напруга
100- 300 мВ
Діапазон
частот
0,8-1 МГц
±4%
ВЗ-48
або
ВЗ-43
Генератор
сигналів
високо
частотний
Діапазон
частот
100 кГц-50
МГц
Вихідна
напруга
100 мкВ-500
мВ
±1%
Г4-102А
Частотомір
електронно лічильний
Діапазон
частот
20 кГц50МГц
±1%'
Ч3-54
Служить
джерелом
сигналу
73

74.

Умови повірки и підготовка до неї
При проведенні операцій повірки повинні дотримуватись
наступні умови:
- температура навколишнього повітря (20±5)°С (293 ± 5К);
- відносна вологість повітря (65±15)%;
- атмосферний тиск (100±4) кПа (750±30 мм рт. ст.);
- напруга мережі живлення (220±4,4) В; (50± 0,5) Гц.
Допускається проводити повірку в реально існуючих
умовах, відмінних від наведених, якщо вони не виходять за
межі робочих умов експлуатації.
74