Въпрос 3
При цифровия спектрален анализ изследваният сигнал се преобразува в цифров код и компонентите на спектъра се изчисляват с помощта на специализирани микропроцесори. Цифровите спектрални анализатори използват набор от дискретни проби (проби) на аналогов сигнал за изчисляване на спектралната плътност чрез заместване на интеграла с крайна сума от определен брой проби. Такива изчисления се извършват с помощта на дискретни и бързи алгоритми за преобразуване на Фурие.
Съвременният цифров анализатор е качествено нов тип оборудване, в което специфичните функции на множество устройства се моделират с помощта на набор от компютърни програми: за да се промени естеството на операцията, достатъчно е да се извика подходящата програма за обработка без хардуерно преструктуриране на устройствата. Софтуерният пакет на цифровия спектрален анализатор позволява да се комбинират в едно устройство почти цялата функционалност, необходима за цялостно изследване на параметрите на различни сигнали и процеси.
Фигура 7. Възможности на модерен цифров анализатор
Принципът на работа на цифровия спектрален анализатор се основава на изчислителни процедури за определяне на параметрите и характеристиките на различни сигнали и процеси. Във функционалността на модерен цифров анализатор (фиг. 7)
са заложени следните алгоритми:
• възстановяване на сигнала по неговия спектър, т.е. изчисляване на обратното преобразуване на Фурие;
• анализ и синтез на характеристиките на електрически вериги: определяне на импулсни, преносни и фазови характеристики на вериги с групирани константи; анализ на известни диаграми на Volpert-Smith (характеристики и параметри на вериги с разпределени константи); стабилност на веригите с обратни връзкивръзки — анализ на критерия за стабилност на Найкуист;
• корелационен анализ на сигнали: изчисляване на корелационни и крос-корелационни функции; определяне на фазовите съотношения на сигналите (идентификация на сигнала);
• спектрален анализ на периодични, импулсни и случайни сигнали: анализ на квадратурни компоненти — модул на спектъра, фазов спектър, комплексен спектър; определяне на спектъра на мощността на случаен процес и неговата кохерентна функция; изчисляване на кръстосания спектър; осредняване на спектъра по честотната лента; определяне на кепстъра на мултипликативните сигнали;
• цифрова обработка и филтриране на сигнали и изчисляване на произведението на спектрите (операция, обратна на конволюцията);
• измерване на параметрите на сигнала (амплитуда, честота, фаза, индекс на модулация, отклонение на честотата на сигнала; определяне на параметрите на импулсния сигнал - амплитуда, продължителност, време на нарастване, период на повторение и др.);
• анализ на статистически характеристики на случайни процеси; изграждане на хистограми на моментни стойности на сигнали; определяне на едномерна плътност на вероятността и интегрална функция на разпределение на случайни процеси.
Блоковата схема на модерен цифров спектрален анализатор е показана на фиг. 8. Изследваните сигнали се подават през един(A)или два(A, B)канала към съответните усилватели с променливо усилване, които довеждат различни нива на входните сигнали (от 0,01 до 10 V) до стойността, необходима за нормалната работа на следващите пътища.
Ориз. 8 Блокова схема на цифров спектрален анализатор.
След това сигналите се подават към нискочестотния филтър, който избира честотната лента за анализиране. Изследователят може да изключи филтрите. От изхода на филтрите сигналите се подават към АЦП, където се преобразуват впаралелен 10-битов двоичен код. Може да работи както с единия, така и с двата канала. В последния случай сигналните проби преминават едновременно през двата канала, което позволява да се съхранява в цифров код информация за фазовите съотношения на сигналите, необходими за измерване на взаимните характеристики. Честотата на вземане на проби се определя от кристален осцилатор и може да се променя от изследователя в рамките на 0,2. 100 kHz. Тази честота определя референтната скала на инструмента във времевата и честотната област.
Пътят на изследвания сигнал от входа на усилвателите до изхода на ADC има калибрирани стойности на коефициента на предаване в целия диапазон от честоти и нива на напрежение. Информацията за стойността на коефициента на предаване и честотата на дискретизация се въвеждат в цифрово изчислително устройство (микропроцесор) и се вземат предвид при формирането на крайния резултат. Микропроцесорът работи в съответствие със заложената в него програма. Програмата се състои от редица подпрограми, които организират една или друга изчислителна операция (изчисляване на спектъра, корелационна функция, изграждане на хистограма и др.). Извикването на необходимата подпрограма се извършва от управляващото устройство. Резултатите от изчислението се показват на индикатор или записващо устройство, което може да се използва като цифров плотер, принтер, цифров магнетофон, дисково устройство, осцилоскоп или записващо устройство. Последните два са свързани чрез DAC. Всички резултати са придружени от мащабен фактор за преобразуването им във физически единици.
При анализиране на сигнали, представени в цифрова форма (под формата на числова серия), данните се въвеждат директно в цифрово изчислително устройство с помощта на цифрово устройство за въвеждане на данни от табло за въвеждане на контролен панел в десетичен код. Основни режими на работа на цифровия анализаторспектър: спектрален, статистически и корелационен анализ; измерване на амплитудни и фазови спектри; измерване на мощностен спектър, кросспектър; измерване на корелационни функции.
Преподавател на катедра WEM N.N. Щетинин
Не намерихте това, което търсихте? Използвайте търсачката: