6.3.2Гетеродинные 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_раз, 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 U₁ и U₂ на частотах f₁ и f₂, причем по амплитуде эти составляющие много меньше напряжения U_Г ЧМ генератора (рис. 5.8,в). Тогда в области частот, меньших частоты генератора f_г, ток смесителя будет содержать составляющие разностных частот f_г – f₁, и f_г – f₂ с амплитудами, пропорциональными U₁, и U₂. 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 f_р с амплитудно-частотной характеристикой K(f) (рис. 5.8,б)

Рис. 5.22. Структурная схема гетеродинного анализатора спектра последовательного анализа и принцип его работы

Построение траектории светящегося пятна на экране ЭЛТ показано на рис. 5.8,б. При перестройке генератора сигналы U₁, и U₂ последовательно на экране ЭЛТ воспроизводят форму АЧХ УПЧ. Высота выбросов на экране ЭЛТ пропорциональна U₁, 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 ЭЛТ и частоте f_г.

При исследовании спектра для удобства отсчета спектральных линий минимальную частоту ЧМ генератора f_min следует выбирать равной f_ф. Тогда первый выброс, обусловленный напряжением ЧМ генератора, происходит в момент времени t₀, а значения частот f₁ и f₂ 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 Δf_г частоты генератора, отнесенное к смещению ΔХ пятна по оси абсцисс. Поскольку смещение АХ пропорционально изменению напряжения развертки ΔU_раз, масштаб пропорционален отношению Δf_г/ΔU_раз, но зависимость f_г(U_раз) — модуляционная характеристика ЧМ генератора, поэтому характер масштаба определяется видом этой зависимости. Если модуляционная характеристика линейна, то отношение Δf_г/ΔU_раз постоянно и масштаб тоже линейный.

Линейный масштаб свойствен большинству анализаторов спектра. В этом случае модуляционная характеристика ЧМ генератора имеет вид f_г = f_min+aU_раз, где а - крутизна модуляционной характеристики. Напряжение развертки определяет отклонение пятна по оси абсцисс X = S_xU_раз. Под действием колебания с частотой f_г – f₁ отклонение пятна по оси ординат

Y = S_yK_прU_гК(f_г – f₁)К_д (5.22)

где К_пр и К_л — коэффициенты передачи преобразователя и детектора.

Исключив из приведенных соотношений £/_раз, получим уравнение траектории светящегося пятна:

Y = S_y К_дK_прU_гК(f_min – f₁+aX/S_x) (5.23)

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

Предположение 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. На экране ЭЛТ при этом наблюдают динамическую частотную характеристику УПЧ.

Рис. 5.23. Динамические искажения анализатора спектра. Связь параметров сигнала с характеристиками прибора

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

На рис. 5.9, а по оси ординат отложено отношение амплитуды напряжения U_к.дин на контуре в динамическом режиме к резонансному напряжению U_рез, а по оси абсцисс — обобщенная расстройка ξ. Параметром семейства является отношение τ_у/τ₀, где τ₀ — время пребывания в пределах полосы пропускания УПЧ спектральной составляющей. Как следует из рис. 5.8,б, скорость смещения частоты сигнала ЧМ генератора равна (f_max -f_min)IT_a, где f_тпх — максимальная частота ЧМ генератора; Т_а — время анализа спектра, определяемое длительностью прямого хода развертки. Очевидно, что

τ₀ = 2Δf_фТ_а/( f_max -f_min) (5.24)

Поскольку τ_у 1/2Δf_ф, то

τ_у/τ₀ = ( f_max -f_min)/ Т_а(2Δf_ф)² (5.25)

Кривая, соответствующая τ_у/τ₀= 0, является резонансной кривой контура УПЧ. При увеличении скорости развертки частотные характеристики деформируются. Максимумы характеристик смещаются вправо от резонанса, причем смещение возрастает с увеличением скорости нарастания частоты. Это объясняется тем, что на частотах, меньших резонансной, из-за инерционности контура амплитуда колебания не успевает нарасти до установившегося значения и при дальнейшем увеличении частоты продолжает увеличиваться. Форма спадающего участка динамической частотной характеристики обусловлена биениями между внешним сигналом изменяющейся частоты и собственными колебаниями контура. Анализ показывает, что росту отношения τ_у/τ₀ соответствует расширение полосы пропускания динамической характеристики 2Δf_дин, как показано на 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 Х и в их амплитуде. Здесь вполне допустимо небольшое отклонение формы выбросов от формы АЧХ УПЧ, поэтому для анализатора спектра можно принять ТТ_у/ τ₀ = 1. Тогда время анализа вычисляется из соотношения

Т_а = ( f_max -f_min)/(2Δf_ф)² (5.26)

и может достигать десятков секунд, поэтому в анализаторах спектра используют трубки с послесвечением. Из рис. 5.9, а видно, что при переходе с одной скорости развертки на другую изменяется отношение U_к.дин/ U_рез, 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 τ_у/τ₀ = 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 Δf_р.дин определяемой из формулы

Δf_р.дин = 2(2Δf_дин) (5.27)

Если время анализа выбрано из (5.21), то динамическая полоса пропускания УПЧ 2Δf_дин лишь незначительно превышает статическую полосу. Уменьшение времени анализа приводит к ухудшению разрешающей способности.