Спектр 251-272 (1066262), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

При анализе сигналов, представленных в цифровом виде (в виде числового ряда), данные вводятся непосредственно в цифро­вое вычислительное устройство с помощью устройства ввода цифровых данных с наборного табло пульта управления в десятичном коде. Основные режимы работы цифрового анализатора спектра: спектральный, статистический и корреляционный ана­лиз; измерение амплитудного и фазового спектров; измерение спектра мощности, взаимного спектра; измерение корреляцион­ных функций.

9.4. Анализаторы спектра на цифровых фильтрах

Внедрение цифровых методов обработки сигналов в измери­тельной технике привело к созданию эффективных и высокоскоро­стных анализаторов спектра на цифровых фильтрах. Цифровой фильтр имеет стабильную частотную характеристику, не нуждается в подстройке, компенсирующей неточности из-за старения элементов и его универсальность намного выше аналогового фильтра. При пе­рестройке цифрового фильтра нет необходимости менять элементы, а достаточно его перепрограммировать. Однако главным преимуще­ством цифровой фильтрации в измерительной технике является при­менение высокоточных цифровых детекторов и устройств усредне­ния (цифровых интеграторов). Цифровой детектор измеряет практи­чески истинное среднее квадратическое значение анализируемого сигнала без ограничений, связанных с его амплитудным значением.

Цифровое устройство усреднения, обеспечивающее усредне­ние анализируемого сигнала по линейному и экспоненциальному (или показательному) законам, отличается универсальностью и эффективностью, которые недостижимы для аналоговых усред­няющих устройств.

Цифровая обработка сигналов в анализаторах спектров. Одним из важнейших методов цифровой обработки сигналов в со­временной измерительной технике и, в частности, в анализаторах спектров, является цифровая фильтрация. Она заключается в циф­ровом преобразовании последовательности числовых отсчетов входного сигнала {u{kΔt)} = {u_k} в последовательность числовых отсчетов {y(kΔt)} = {y_k} выходного сигнала.

Структурные схемы цифровых фильтров. Цифровые фильтры делят на два больших класса: нерекурсивные и рекурсивные. Тер­мин «рекурсивный» связан с известным математическим приемом «рекурсией» циклическим обращением к вычисленным данным, полученным на предыдущих этапах математических операций.

В нерекурсивных фильтрах отклик зависит только от значе­ний входной последовательности, и для формирования k-го вы­ходного отсчета используют лишь предыдущие значения входных отсчетов. Такие фильтры обрабатывают входной дискретный сиг­нал {u_k} в соответствии с алгоритмом

где у_k — выходной сигнал; а₀, а₁, а₂, ..., а_т — действительные по­стоянные (весовые) коэффициенты; т — порядок нерекурсивного фильтра, т.е. максимальное число запоминаемых чисел.

Аналитическую сторону алгоритма обработки (9.10) нагляд­но характеризует структурная схема цифрового фильтра, пред­ставленная на рис. 9.9.

Рис. 9.9. Структурная схема нерекурсивного цифрового фильтра.

Основой любого цифрового фильтра являются элементы за­держки входной цифровой последовательности {u_k} на интервал дискретизации Z^-1 ((задержка сигнала на интервал дискретизации Δt), а также масштабные (весовые) блоки а_т, выполняющие в цифровой форме операции умножения на соответствующие ко­эффициенты. Часто, и по существу, элементы задержки называют ячейками памяти. Сигналы с масштабных блоков поступают в сумматор (+), на выходе которого образуется последовательность отсчетов выходного сигнала {у_к}.

Не проводя подробного анализа, отметим, что коэффициенты а₀, а₁, а₂, ..., а_т совпадают с соответствующими отсчетами им­пульсной характеристики цифрового фильтра h₀, h₁, h₂, ... , h_m.

Рекурсивные цифровые фильтры. Возможности нерекур­сивного цифрового фильтра существенно расширяются при введении в его схему обратных связей, которые позволяют формировать k-й выходной отсчет путем использования пре­дыдущих значений как входного, так и выходного дискретных (выраженных в цифровой форме) сигналов.

Здесь постоянные коэффициенты а₀, а₁, а₂, ..., а_т, как и в алгоритме об­работки (9.9), характеризуют нерекурсивную часть, а коэффициенты b₁ ,b₂, ... , b_п — рекурсивную часть алгоритма цифровой фильтрации, причем последние не равны нулю одновременно. Порядок такого циф­рового фильтра определяется коэффициентом т нерекурсивной части алгоритма обработки. Структурная схема цифрового рекурсивного фильтра показана на рис. 9.10.

Рис. 9.10. Структурная схема рекурсивного цифрового фильтра.

На цифровых фильтрах можно создавать различные анализато­ры спектра сигналов, в частности, и последовательного, и парал­лельного методов анализа.

9.5. Измерение нелинейных искажений

Измерение ряда физических величин, отражающих парамет­ры и характеристики сигналов или электрических цепей, осуще­ствляют с помощью приборов, которые по построению аналогич­ны анализаторам спектра. К таким параметрам и характеристикам относят нелинейные искажения и связанные с ними измене­ния формы и спектра сигналов, которые возникают в цепях с не­линейной амплитудной характеристикой. При прохождении по нелинейным цепям полезные колебания теряют синусоидальную форму (искажаются) и в их спектре появляются высшие гармони­ки.

Возникающие при нелинейных искажениях гармоники можно исследовать и измерить с помощью анализаторов спек­тра. Известны несколько количественных показателей уровня нелинейных искажений. Наибольшее распространение получил такой показатель как коэффициент нелинейных искажений (ко­эффициент гармоник), представляющий собой отношение сред­него квадратического значения всех высших гармоник напряже­ния (или тока)

к среднему квадратическому значению его первой гармоники U₁:

Для измерения относительного значения напряжения гармо­ник можно использовать анализатор спектра, если его разре­шающая способность позволяет наблюдать раздельно спектраль­ные составляющие. Если детектор анализатора линейный, то в формулу (9.12) вместо напряжений U₁, U₂, ..., U_n можно подста­вить значения их амплитуд, измеренных на экране анализатора в единицах длины.

Существуют специальные приборы, измеряющие коэффи­циент нелинейных искажений, называемые измерителями не­линейных искажений. Упрощенная структурная схема аналого-цифрового измерителя нелинейных искажений представлена на рис. 9.11.

Рис. 9.11. Упрощенная структурная схема аналого-цифрового измерителя нелинейных искажений.

В основе измерительной методики таких приборов лежит метод подавления основной частоты исследуемого сигнала. Входное устройство служит для согласования измерительного прибора с источником исследуемого сигнала. Перед измерением переключатель Кл ставят в положение Калибровка. Затем с по­мощью усилителя уровень исследуемого напряжения повышают до такого фиксированного значения, при котором электронный цифровой вольтметр среднего квадратического значения будет проградуирован в значениях коэффициента нелинейных иска­жений. При этом измеряется среднее квадратическое значение напряжения всего исследуемого сигнала

Затем переключатель Кл прибора ставят в положение Изме­рение. Настраивая заграждающий фильтр, подавляют напряжение основной частоты (первой гармоники U1). Полное подавление гармоники U₁ будет при минимальном показании прибора. В этом случае цифровой вольтметр показывает среднее квадратическое значение суммы высших гармонических составляющих сигнала U_г (9.11). Сравнивая показания во втором и первом случаях, нахо­дят коэффициент гармоник

Практически при положении переключателя Кл Измерение измеряют коэффициент К_г1. При этом коэффициент гармоник К_г можно вычислить по формуле

При небольших нелинейных искажениях исследуемого сигнала (К_г < 0,1) коэффициенты К_г и К_г1 отличаются меньше чем на 1 %. Обычно измерители нелинейных искажений приме­няют для измерения коэффициента гармоник К_г в пределах 0,1 ...30 %. При этом диапазон рабочих частот может составлять полосу от 0,01 кГц до 25 МГц и более.

Контрольные вопросы

1. Для каких целей используют спектральный анализ электрических сигналов?

2. Какой физический смысл лежит в основе прямого и обратного преобразований Фурье?

3. Как аналитически записывают прямое и обратное преобразования Фурье?

4. На чем основан параллельный и последовательный анализ спек­тра исследуемых сигналов?

5. Как выглядит упрощенная структурная схема анализатора па­раллельного действия?

6. Какова связь между дискретным преобразованием Фурье и гар­моническими составляющими сигнала?

7. Как используют в цифровых анализаторах дискретное преобразо­вание Фурье?

8. В чем состоит суть быстрого преобразования Фурье?

9. Что называют разрешающей способностью анализатора спектра сигналов?

Характеристики

Список файлов учебной работы