Файл: Калинчук, Б. А. Анализаторы инфразвуковых случайных процессов.pdf

В качестве резонаторов спектроанализатора такого типа, ра­ ботающего в области низких и инфранизких частот, используются

выбираются с таким расчетом, чтобы их постоянная времени значи­ тельно превышала время анализа. Для повышения качества визуа­ лизации результатов на электронно-лучевой трубке применяется модуляция' вспомогательного колебания напряжением разряда.

Наряду со спектральными анализаторами рассмотренного типа могут быть также построены приборы с единственной узкополосной системой. Такие спектроанализаторы принято называть приборами последовательного действия.

В приборах такого типа частота настройки резонатора плавно или ступенчато изменяется в пределах определенной полосы частот. При настройке на определенную частоту (/„),■ резонатор «вырезает» полосу А/ = (/„),• + Д/72 = const спектра анализируемого колеба­ ния; напряжение с выхода линейного фильтра квадрируется, затем усредняется фильтром нижних частот и выводится на индикатор результата. Скорость последовательного анализа, как правило, невелика; это объясняется как затратами времени на перестройку резонансной частоты узкополосного линейного фильтра, так и опре­ деленными ограничениями сверху на время Т°І анализа при каж-

дой частоте настройки (/„), (в предельном случае должно выпол­ няться условие Та ф 1/Д/). При ускорении анализа за счет умень­

шения Та переходные процессы в фильтре не успевают устано­

виться, что приводит к искажению результатов исследований. Специфические погрешности анализаторов с резонансными уз­

кополосными фильтрами рассмотрены в [3]. При анализе сложного колебания, с дискретным спектром со£ = iQ, где Q — основная (низшая) гармоника, отлнк ук к-го резонатрра, настроенного точно на гармонику соА, определяется выражением:

(2-4)

где Х{ — амплитуда г-той гармоники сигнала, %— относительное затухание резонаторов (принимается %к = %= const для всех'к).

Как следует из выражения (2-4), уровень, который будет зафик­ сирован индикатором на выходе к-го резонатора, определяется не

только амплитудой гармонического колебания частоты, на которую строго настроен контур, но и композицией всех остальных гармоник сложного колебания. Сумма в (2-4) определяет величину погреш­ ности измерения /г-й составляющей спектра. С ростом основной гармоники спектра й и уменьшением затухания %погрешность па­ дает. Физический смысл существования погрешности измерения амплитуды /г-й составляющей спектра сложного колебания заклю­ чается в том, что все спектральные составляющие воздействуют одновременно (хотя и с различной интенсивностью) на /г-й резона­ тор. В силу этого практический анализ строго линейчатого спектра дает в результате многогорбую кривую с максимумами в точках

случайной величиной и даже при исследовании стационарных про­ цессов будет изменяться от реализации к реализации, отличаясь от некоторого значения, принимаемого за истинное. Оценка величины погрешности б, вызываемой флуктуациями напряжения на выходе резонансной системы анализатора, определяется формой характе­ ристики фильтра, шириной полосы его пропускания Д/„ на уровне а и временем усреднения Та. При анализе стационарного процесса одноконтурными LC-фильтрами с идеальными интеграторами ам­ плитудная погрешность (в процентах) с доверительной вероятностью порядка 0,95 определяется из соотношения [49]:

Метод с предварительным гетеродинированием. Рассматривая последовательный и параллельный методы непосредственной филь­ трации, используемые для построения анализаторов спектра, не­ трудно прийти к выводу о том, что первый из них гораздо проще

114

в плане технической реализации, аппаратура менее громоздка, проще в настройке и дешевле в изготовлении. Однако скорость определения спектра при последовательном методе анализа оказы­ вается много меньше, чем при параллельном; так, при ширине по­ лосы пропускания резонатора А/ количество ступеней изменения настройки фильтра равно:

(2-6)

где F —• полная полоса исследуемого сигнала.

Учитывая, что время установления колебаний в фильтре ty = Та определяется шириной полосы его пропускания

найдем, что время анализа при использовании последовательного метода составит

(2-7)

При параллельном методе анализа с использованием метода непосредственной фильтрации это время будет определяться только шириной полосы пропускания самого узкополосного резонатора (A/,-)min. Так как обычно в анализаторах параллельного типа аб­ солютная ширина полосы всех резонаторов одинакова, то

(2-8)

т.е. в п раз меньше, чем (Га2)П0с.

Ивсе же в настоящее время наибольшее внимание' уделяется вопросам разработки анализаторов последовательного принципа действия. Получила признание определенная разновидность этих приборов, основанная на известной модификации метода смещения частоты настройки узкополосного линейного фильтра. Этот метод заключается в том, что вместо перестройки резонансной частоты (/0)£ резонатора в пределах частотного диапазона анализируемого колебания, прибегают к последовательному перемещению спектра процесса по шкале частот; настройка резонатора остается при этом неизменной. В этом случае отдельные участки спектра анализируе­ мого колебания последовательно попадают в пределы полосы про­ пускания Af линейного фильтра.

Относительное перемещение спектра выполняется с помощью соответствующего его преобразования путем умножения реализа­ ции анализируемого колебания на вспомогательный монохромати­ ческий сигнал, частота которого /г = ср (/) изменяется по опреде­

ленному закону. Чаще всего выбирается ступенчатое или пилооб­ разное изменение частоты. Такое преобразование спектра исход­ ного колебания, называемое его гетеродинированием, приводит

к образованию модуляционного спектра, несущая которого в мо­

мент времени t* равна /г = Ф (?*)•

Спектр имеет две боковые полосы, симметрично расположенные относительно /*. Технически операция преобразования спектра

анализируемого колебания выполняется с помощью перестраивае­ мого генератора с выходным напряжением UT (t) = Urm sincor (t) t

и смесителя, на входы которого подаются Ur (t) и .ѵ (/). Выходное

напряжение смесителя пропускается через узкополосный фильтр, детектируется квадратичным детектором и усредняется фильтром нижних частот. Индикация результата осуществляется, как пра­ вило, с помощью практически безынерционного визуализатора (электронно-лучевой трубки), напряжение развертки которой син­

Блок, стоящий после смесительного каскада, является усилите­ лем промежуточной частоты (УПЧ). Ширина полосы пропускания УПЧ определяет полосу анализа Д/, причем центральная частота настройки резонатора (роль которого играет узкополосный УПЧ) совпадает со средней частотой полосы усилителя /пч. Напряжение с выхода УПЧ детектируется квадратичным детектором, усредняется фильтром нижних частот ФНЧ и подается на синхронизированный индикатор. Длительность анализа определяется допустимым вре­ менем перемещения одной боковой полосы модуляционного спектра сигнала с выхода смесителя через «окно» пропускания УПЧ.

Выбор промежуточной частоты [45, 46] определяется различ­ ными факторами, в том числе требуемым снижением погрешности из-за ложных показаний [49]. Здесь рекомендуется выбирать /пч

из условия:

/п ч > 3 /в,

где /в — высшая анализируемая частота.

Особенности установления процессов в фильтре, обусловленных изменением частоты перестраиваемого гетеродина, хорошо осве­ щены в [58, 59, 60], Динамическая характеристика фильтра анали­ затора существенно отличается от статической, причем степень иска­ жения результатов анализа определяется типом фильтра, полосой его пропускания, характером изменения частоты ф (t). Динамиче­ ские характеристики фильтров анализаторов и степень их отклоне­

116

ний от статических при линейной перестройке частоты гетеродина

страиваемого гетеродина, длительности цикла анализа и ширины полосы пропускания резонатора из условия:

(2-13)

В ряде работ [49, 55, 59] рассматриваются вопросы повышения качественных показателей спектроанализаторов последовательного действия. При этом особое внимание уделяется проблеме снижения потерь информации, имеющих место при этом виде анализа. В ка­ честве достаточно эффективной меры предлагается использовать в спектроанализирующих комплексах специальной аппаратуры записи реализаций процессов. При этом обеспечивается возмож­ ность долговременного хранения информации, возможность повтор­ ного ее анализа, исследование точной структуры спектров процес­ сов. В качестве устройств регистрации чаще всего используется аппаратура точной магнитной записи (АТМЗ). Использование АТМЗ позволяет многократно воспроизводить анализируемые сигналы, автоматизировать процесс обработки спектрограмм; к числу допол­ нительных преимуществ использования аппаратуры точной маг­ нитной записи следует отнести возможность внесения в сигнал спе­ цифических предыскажений, называемых «белением спектра», за счет искусственного подъема частотной характеристики в области

117