Цифрові аналізатори спектра випадкових сигналів

У цифрових, так званих обчислювальних аналізаторах спектра використовуються три методи вимірювань: метод фільтрації; метод, який реалізує перетворення Фур'є; опосередкований метод, що ґрунтується на попередньому вимірюванні кореляційної функції сигналу. Проте переважне застосування знаходять цифрові гетеродинні фільтрові аналізатори з попереднім часовим стиском досліджуваного випадкового сигналу для зменшення тривалості аналізу при одночасному збереженні переваг послідовного аналізу гетеродинного перетворення. Відомо, що тривалість послідовного аналізу фільтрового аналізатора визначається виразом

, (1)

де F ширина (смуга) досліджуваного спектра випадкового сигналу;

смуга пропускання вибіркової системи (фільтра, підсилювача ПЧ) аналізатора;

коефіцієнт, що залежить від типу вибіркової системи аналізатора спектра.

З формули (1) видно, що для заданої ширини спектра F сигналу час аналізу зростає зі зменшенням смуги пропускання вибіркової системи, яка є мірою її роздільної здатності, і стає дуже великим при малому відношенні . До того ж ускладнюється і схемна реалізація вибіркової системи аналізатора спектра. Разом з тим із (1) виходить, що обидві задачі - зменшення часу аналізу і збільшення смуги пропускання при збереженні роздільної здатності вирішуються розширенням спектра F. Отже, якщо величини F і одночасно збільшити в n разів, то час аналізу зменшиться в стільки ж разів.

Розширення спектра аналізу F в n разів називається також транспонуванням спектра, воно досягається часовим стиском, або стиском часового масштабу, досліджуваного сигналу в ті самі n разів при збереженні його форми і амплітуди. Часовий стиск пояснюється часовими діаграмами на рис. 1.

Рис.1. До пояснення часового стиску сигналу.

Амплітуда і форма стиснутого сигналу залишаються тими самими, що й у початкового сигналу , а його тривалість зменшується в n разів: . Відповідно до однієї з властивостей перетворення Фур'є, зі зміною масштабу часового сигналу при його стискуванні в n разів у часі, у стільки ж разів розширюється спектр сигналу, а його спектральна щільність зменшується в n разів, що необхідно враховувати в градуювальній характеристиці приладу. Часовий стиск особливо раціональний у цифровій формі, коли він зводиться до запам'ятовування кодів миттєвих значень сигналу, одержаних за допомогою АЦП при певному інтервалі дискретизації , з наступним відтворенням цього сигналу з інтервалом відтворення , меншим в n разів від інтервалу дискретизації , тобто .

Структурна схема цифрового гетеродинного аналізатора спектра з часовим стиском наведена на рис.7.39. Досліджуваний сигнал через вхідний блок, до складу якого входять атенюатор, ФНЧ і підсилювач (на схемі не показані), потрапляє на АЦП1, яким здійснюється перетворення миттєвих значень сигналу у моменти дискретизації в пропорційні коди .

Рис. 2. Структурна схема гетеродинного аналізатора спектра.

Інтервал дискретизації вибирається виходячи з теореми Котельникова, згідно з якою необхідно виконання умови , де верхня гранична частота установленого піддіапазону вимірювань (або спектра сигналу). В загальному вигляді при . Звичайно приймають або , тоді частота дискретизації або . Моменти дискретизації , , задаються блоком керування, який здебільшого виконується на мікропроцесорі. Для зменшення динамічної похибки вимірювань АЦП1 мусить бути дуже швидкодіючим. Коди миттєвих значень записуються в ОЗП. Після одержання і запису в ОЗП усіх m кодів миттєвих значень проводиться їх зчитування з високою частотою Fзч і введення в ЦАП1, яким здійснюється відтворення сигналу , апроксимованого кусково-східчастою функцією, але з масштабним стиском у часі, тобто на виході ЦАП1 створюється сигнал . Коефіцієнт часового стиску у сучасних аналізаторах спектра змінюється залежно від піддіапазону вимірювань від декількох десятків до сотень тисяч, що забезпечує розширення спектра від десятків герц до декількох мегагерц.

Транспонований (стиснутий у часі) сигнал з виходу ЦАП1 піддається послідовному аналізу, для чого він через ФНЧ надходить на гетеродинний перетворювач частоти. ФНЧ призначений для приглушення спектральних складових, що перевищують верхню граничну частоту спектра сигналу , і тому має частоту зрізу, рівну цій граничній частоті або дещо більшу за неї. Таким чином, спектральні складові сигналу, частота яких вища за частоту зрізу ФНЧ, на гетеродинний перетворювач частоти не потрапляють. Керування лінійним перестроюванням частоти гетеродина здійснюється вихідною напругою ЦАП2, яка змінюється в певних межах за кусково-лінійним законом, що забезпечується лінійною зміною вхідних кодів ЦАП2. Ці коди зберігаються в блоці керування і вводяться в ЦАП2 за відповідною програмою. Вихідна напруга ЦАП2 подається також на вхід Х блока відображення інформації (дисплея) для створення горизонтальної розгортки.

До складу гетеродинного перетворювача частоти входить вузькосмуговий фільтр, вихідна напруга якого подається через аналоговий комутатор S на АЦП2 або безпосередньо (положення I аналогового комутатора), або через так звану схему "вагового вікна" (положення II комутатора). "Вагове вікно" необхідне для зменшення впливу ефекту (або явища) Гіббса, який проявляється в появі пульсацій (або осциляцій) АЧХ вибіркової системи за рахунок обмеження частотного спектра вхідного сигналу. Для цього вхідний сигнал помножується на задану вагову функцію (зокрема, вікна Хеммінга, Бартлетта, Чебишева та ін), чим забезпечується корекція АЧХ вибіркової системи. Якщо сигнал подається на АЦП2, минаючи схему "вікна" (комутатор S у положенні I), то це еквівалентно прямокутному "вікну" (або вікну" Діріхле). З виходу АЦП2 коди миттєвих значень напруги, що надходить на його вхід з гетеродинного перетворювача частоти або зі схеми "вікна", подаються в процесор, де здійснюються необхідні обчислювальні операції для визначення оцінки спектральної щільності потужності випадкового сигналу. З виходу процесора коди поступають на ЦАП3, а з нього на вхід Y блока відображення інформації для відображення спектрограми у вигляді яскравих смужок за числом каналів частотного аналізу, їх кількість досягає кількох сотень. Здійснюване за допомогою ЦАП2 високоточне цифроаналогове керування напругою хитання гетеродина і напругою горизонтальної розгортки блока відображення інформації забезпечує строгий збіг початкових координат і високу лінійність кожної з цих напруг в усіх частотних смугах (циклах) аналізу, що приводить до чіткого положення яскравих смужок спектральних складових від циклу до циклу і забезпечує стійкість спектрограми в цілому.

У сучасних цифрових аналізаторах спектра є програмне і ручне керування режимами роботи за допомогою клавішів на передній панелі, можливість дистанційного керування і вихід на КЗК.

Цифрові осцилографи

Цифрові осцилографи більшою мірою відповідають сучасним вимогам до засобів вимірювань і реєстрації електро - і радіотехнічних сигналів, ніж аналогові. Вони володіють більш високими метрологічними характеристиками, досить високими рівнями автоматизації процесів вимірювання і реєстрації. Цифрові осцилографи універсальні, працюють у режимах самотестування і самодіагностики, зберігання і логіко-математичної обробки інформації, мають вихід через КЗК на зовнішні пристрої (вимірювальні прилади, ЕОМ, цифродруку та ін).

Принцип цифрової осцилографії ґрунтується на аналого-цифровому перетворенні миттєвих значень досліджуваного сигналу в пропорційні коди, які попередньо записуються в оперативну пам'ять, тобто запам'ятовуються, а потім уводяться в блок відображення інформації (дисплей), а також підлягають математичній і логічній обробці. Звернемо увагу на те, що до цифрових не належать осцилографи, які залишаються аналоговими в каналі вертикального відхилення, але додатково містять у собі вмонтовані цифрові вимірювачі амплітудних або часових параметрів вхідних сигналів з цифровим відображенням результатів на екрані дисплею.

Цифрові осцилографи виконуються, як правило, програмованими, що обумовлює їх широкі функціональні можливості. В найбільш загальному вигляді структурна схема такого осцилографа зображена на рис.7.40.

Центральна роль в осцилографі відводиться процесору, який здійснює математичну і логічну обробку вимірювальної інформації, аналіз одержаних результатів і керування режимами його роботи. Він виконується на мікропроцесорі або мікроЕОМ.

Одним із головних вузлів осцилографа є АЦП, який багато в чому визначає швидкодію приладу, частотний діапазон вхідного сигналу і точність вимірювання або відтворення сигналу.

Вхідний пристрій призначений для нормування (ослаблення або підсилення) вхідного сигналу до рівня, який визначається межею роботи АЦП. Коефіцієнт передачі вхідного пристрою може регулюватися або вручну, або за командою самого вхідного пристрою. Інколи вхідний пристрій може виконувати й інші функції, його вихідний сигнал подається на сигнальний вхід АЦП. Процесором у моменти дискретизації tq, , формуються сигнали запуску АЦП, які здійснюють перетворення поточних миттєвих значень вхідного сигналу uq в коди. Ці коди потрапляють у процесор або для цифрової обробки в реальному часі, або для запису в ОЗП. При необхідності частина ОЗП використовується для запису проміжних результатів обробки й іншої оперативної інформації. Записана в ОЗП інформація потім вводиться в процесор для математичної і логічної обробки миттєвих значень uq згідно з програмами обробки даних, записаними в ПЗП, в якому зберігаються, крім того, програми керування роботою осцилографа відповідно до заданого режиму. ПЗП виконуються програмованими або змінними. Окремі фрагменти програми можуть вводитися з пульта осцилографа, із зовнішніх пристроїв вводу інформації або шляхом заміни плат ПЗП.

Рис. 3. Узагальнена структурна схема цифрового осциллографа.

Таймер може входити до складу процесора. Він являє собою пристрій, призначений для задання каліброваних міток часу, які використовуються для формування часових інтервалів, забезпечення синхронізації роботи вузлів осцилографа, задання циклічного рівномірно зростаючого в часі коду, що керує розгорткою блока відображення інформації. Таймер виконується на основі генератора імпульсів, при необхідності з кварцовою стабілізацією.

Коди миттєвих значень uq вхідного сигналу u(t) при його відтворенні і результати вимірювань у число-літерному вигляді виводяться на блок відображення інформації (дисплей), який виконується на основі або ЕПТ, або матричної індикаторної панелі. При використанні ЕПТ для одержання відтвореного сигналу коди його миттєвих значень попередньо перетворюються за допомогою першого ЦАП у пропорційну напругу, яка подається на пластини Y вертикального відхилення променя ЕПТ, а коди часової розгортки, завдяки другому ЦАП, перетворюються в напругу горизонтального відхилення променя ЕПТ.

Подання інформації в цифровому вигляді дозволило перейти до нового типу індикаторів плоского екрана на матричних індикаторних панелях (МІП), що має низку переваг над ЕПТ. У самому загальному вигляді МІП являє собою матрицю точкових елементів індикації, конструктивно розміщених у вертикальних стовпцях та горизонтальних рядках і електрично ввімкнутих до керуючих шин вертикального та горизонтального відхилення, потенціали на які подаються від відповідних дешифраторів (рис.7.41).

Рис. 4. Відображення сигналу на матричній індикаторній панелі цифрового осцилографу.

Коди вертикального і горизонтального відхилення перетворюються в позиційну форму за допомогою дешифраторів. Тим самим на шину одного з рядків і на шину одного із стовпців МІП надходять потенціали, які викликають світіння точкового елемента матриці, що знаходиться на перехресті цих шин. Безперервна зміна кодів дешифраторів X, Y обумовлює зміщення точок світіння вздовж осей часу і рівня, а отже, на екрані МІП створюється "точкове" зображення кривої відтвореного сигналу. Відображення осцилограм на МІП у порівнянні з ЕПТ забезпечує такі важливі переваги: усунення геометричного викривлення електронного променя на кінцях трубки і зв'язаної з цим похибки, однакову яскравість осцилограми незалежно від параметрів сигналу і можливості накопичення та зберігання цифрової інформації при введенні в МІП внутрішньої пам'яті, що дозволяє ввести в зображення осцилограм третю просторову координату, наприклад номер каналу або об'єкта контролю. Ця координата на плоскому екрані виділяється модуляцією яскравості її світіння.

Якщо перші зразки цифрових осцилографів поступалися перед аналоговими за смугою пропускання (сотні кілогерц) і мали приблизно таку саму точність (похибки до десяти відсотків), то їх сучасні моделі мають смугу пропускання до сотень мегагерц і значно менші похибки, особливо при вимірюванні частотно-часових параметрів, для яких відносна похибка складає соті частки відсотка і менше.