8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory

1. Existuje ešte ďalšia možnosť analýzy signálu. Signál môže byť charakterizovaný aj ako funkcia frekvencie, takéto vyjadrenie signálu sa nazýva frekvenčné spektrum a toto spektrum umožňuje tzv. analýza vo frekvenčnej oblasti ( frekvenčnej doméne). 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory 8.1 Spektrálne analyzátory Osciloskopyzobrazujú priebeh signálu v závislosti na čase x(t), takže umožňujú analýzu v tzv. časovej oblasti(alebo časovej doméne). Horizontálnou osou je čas. 1

2. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory V prípade periodických signálov: Výsledné spektrum sa nazýva čiarové spektrum, pretože je tvorené čiarami dĺžky rovnej amplitúdam (prípadne efektívnym hodnotám) jednotlivých harmonických zložiek, vzdialenými od seba o hodnotu f rovnú frekvencií signálu (f = 1/T). X f [Hz] Vzájomnú súvislosť signálu a jeho spektra vyjadruje tzv. Fourierova transformácia. V prípade neperiodických signálov: Spektrum X(f) je tu spojitá funkcia frekvencie a v obecnom prípade ide o komplexnú funkciu reálnej premennej (frekvencie). 2

3. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory • Spektrálne analyzátory môžu byť rozdelené do dvoch veľkých skupín: • spektrálne analyzátory využívajúce filtráciu signálu(analógové alebo • číslicové); • spektrálne analyzátory využívajúce výpočtu DFT(tzv. FFT analyzátory, len • číslicové). Diskrétna Fourierova transformácia - (DFT) • Aj pre prípad reálneho signálu sú hodnoty v obecnom prípadekomplexné čísla. • Ak tieto signályvyjadríme v polárnom tvare, môžeme znázorniť dva druhy spektier: • amplitúdové spektrum, • fázové spektrum. • Všetky spektrálne analyzátory merajú amplitúdové spektrum. • Podľa druhu spracovaného signálu a použitého spôsobu spracovania signálu: • analógové spektrálne analyzátory, • číslicové spektrálne analyzátory. 3

4. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory • Základné charakteristiky (parametre) spektrálnych analyzátorov sú: • frekvenčný rozsah, • typ frekvenčnej stupnice (lineárna alebo logaritmická), • dynamický rozsah. • Frekvenčný rozsah: • Závisí na type analyzátora a v súčasnej dobe je približne 0÷niekoľko stoviek MHz pri FFT analyzátoroch a niekoľko kHz až niekoľko GHz pri analógových analyzátoroch. • Typ frekvenčnej stupnice: • Frekvenčné stupnice FFT analyzátorov je lineárna alebo logaritmická, analyzátory využívajúce frekvenčné filtrácie majú frekvenčnú stupnicu väčšinou logaritmickú. • Dynamický rozsah: • Určený je šumovým prahom analyzátora Umin (amplitúdovou úrovňou nakreslenou na tienidle analyzátora bez prítomnosti meraného signálu a odpovedajúce len šumu) a úrovňou maximálneho merateľného signálu Umax. • Hodnota Umax je určená veľkosti signálu, ktorý nespôsobí generovanie rušivých signálov vyvolaných nelinearitou obvodu. 4

5. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory • Spektrálne analyzátory sa vyrábajú ako: • samostatné prístroje, • univerzálne prístroje (kombinácia s osciloskopom alebo generátorom) • zásuvné karty s príslušným programovým vybavením pre počítače PC (FFT analyzátory). • Donedávna sa vyrábali aj ako zásuvné jednotky do analógových osciloskopov modulárnej konštrukcie. 5

6. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Všeobecná bloková schéma – viď 4. prednáška (ČMP) X VÚS AAF VZP AČP BČS Riadiaca jednotka ČAP VÚS – vstupná úprava signálu AAF – antialiasingový filter VZP – vzorkovač s pamäťou AČP – analógovo-číslicový prevodník BČS – blok číslicového spracovania ČZJ – číslicová zobrazovacia jednotka ČAP – číslicovo-analógový prevodník RF – rekonštrukčný filter AZJ – analógová zobrazovacia jednotka RF ČZJ AZJ Číslicové spektrálne analyzátory 6

7. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory 8.1.1 Spektrálne analyzátory používajúce číslicové filtre • Číslicové filtre ČF pozostávajú: • z pásmovej priepusti, •   dolnofrekvenčnej priepusti. • Koeficienty týchto filtrov sa menia počas procesu číslicovej filtrácie. • Preto môže jeden (číslicový) hardwarový filter slúžiť ako niekoľko filtrov, ak jeho výstupný signál je opakovane uchovávaný v pamäti a spätne posielaný na vstup filtra. • Zmeny vlastnosti filtru je možné dosiahnuť zmenou číselných hodnôt koeficientov a zmenou vzorkovacej frekvencie. • Podľa číslicového spracovania a číslicového zobrazenia: • spektrálne analyzátory využívajúce číslicové filtre • FFT spektrálne analyzátory 7

8. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Bloková schéma číslicového analyzátora využívajúca číslicové filtre: VZ – vstupný zosilňovač, AAF – antialiasingový filter, V – vzorkovač s pamäťou, AČP – analógovo-číslicový prevodník, ČF – číslicové filtre, ČP – číslicová pamäť, ZJ – zobrazovacia jednotka, RJ – riadiaca jednotka a KO – kryštálový oscilátor. • Vstupný signál je po zosilnení a odfiltrovaní zložiek nad polovicou vzorkovanej frekvencie prevedený na číselnú postupnosť. • Táto postupnosť sa filtruje blokom číslicového filtra zostaveným s číslicovej pásmovej priepusti, číslicovo dolnej priepusti, vyrovnávajúcej pamäte a dvoch multiplexerov na vstupoch oboch filtrov. 8

9. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Výstupné zobrazenie analyzátora je tvorené zvislými stĺpcami (ktorých je asi 40) odpovedajúcimi jednotlivým spektrálnym zložkám (zobrazujú sa väčšinou efektívne hodnoty jednotlivých zložiek). Tieto spektrálne analyzátory sa väčšinou používajú pre akustické pásmo. Frekvencia je znázornená v logaritmickom merítku. 9

10. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory 8.1.2 FFT spektrálne analyzátory Výhoda - okrem amplitúdového spektra poskytujú aj fázové spektrum signálu. Tieto analyzátory počítajú postupnosti vstupných vzoriek pomocou diskrétnej Fourierovej transformácie (DFT). Priamy výpočet trvá pre väčšie počty vzoriek (napr. 1024) príliš dlho (počet potrebných matematických operácií je pre N-bodovú transformáciu úmerný N2). Od 70. rokov sa DFT počíta pomocou špeciálnych algoritmov, ktoré umožňujú podstatne zmenšiť počet potrebných operácií a tým skrátiť výpočet. Týchto algoritmov je celý rad a súhrnne sa nazývajú rýchla Fourierova transformácia. Označujú sa FFT (angl. Fast Fourier Transform). 10

11. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Výpočet FFT je možné previesť pomocou mikroprocesorov používaných v bežných počítačoch typu PC. Pretože FFT analyzátory pracujú väčšinou v tzv. reálnom čase (zmeny vo vstupnom signáli sa prakticky okamžite prejavia v priebehu spektra), potrebujú výpočet previesť veľmi rýchlo. K tomu sa dnes najčastejšie používajú špeciálne miktropočítače (tzv. číslicové signálové procesory, DSP), pri ktorých jedna inštrukcia trvá napr. 50 ns a všetky inštrukcie (včítane násobenia) trvajú rovnako dlho. Číslicový signálový procesor môže byť umiestnený na zvláštnej zásuvnej karte do PC. Okrem toho existujú aj špeciálne obvody určené len pre rýchly výpočet FFT. 11

12. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Bloková schéma číslicového analyzátora využívajúca číslicové filtre: DSP je číslicový signálový procesor, ČAP sú číslicovo - analógové prevodníky 12

13. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory X f [Hz] Ak sa používa vzorkovacia frekvencia fS, je zmerané spektrum pre frekvenciu O÷fS/2 a zobrazené je buď celé toto pásmo, alebo jeho väčšia časť (tzv. frekvenčné pásmoanalyzátorov). Frekvenčné rozlíšenie analyzátora je konštantné pozdĺž celej osi frekvencie (stupnica frekvencie je u FFT analyzátora zväčša lineárna). Frekvenčné rozlíšenie (vzdialenosť medzi susednými čiarami frekvenčného spektra) je kde N je počet bodov, na ktoré je aplikovaná FFT, a TS je vzorkový interval (TS = 1/fS). 13

14. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory FFT spektrálne analyzátory používajú okrem základného režimu tiež režim tzv. frekvenčnej lupy (angl. zoom), umožňujúci roztiahnuť zvolený detail spektra cez celé tienidlo. Zabudovaný mikropočítač umožňuje na displeji zobraziť nielen priebeh spektra. Je možné používať kurzory (ukazovadla) v obidvoch osiach s číselnou hodnotou vyjadrujúcou polohu ukazovadla v súradniciach U – f a rad ďalších režimov uľahčujúcich meranie (napr. presakovanie medzi susednými vrcholmi spektra). FFT spektrálne analyzátory dnes ovládli spektrálnu analýzu v pásme 0 až 3 GHz. Používajú väčšinou 16 a viac bitové AČP, vzorkovacia frekvencia býva väčšinou nad 250 kHz. Dynamický rozsah týchto analyzátorov závisí na veľkosti signálu a býva 60 až 110 dB. 14

15. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Dôležitou aplikáciou meracej techniky je: • overovanie funkcie najrôznejších elektrických zariadení, • premeriavanie frekvenčných charakteristík, • meranie pomeru signálu k šumu, • meranie nelineárnosti obvodov apod. Je preto potrebné mať k dispozícií skúšobný signál s nastaviteľnými parametrami a s garantovanou presnosťou. 8.2 Signálne generátory 15

16. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Tieto signály poskytujú zdroje meracieho signálu. Generované signály: • jednosmerné, • periodické, • neperiodické (stochastické čiže náhodné alebo šumové). Za signál pritom považujeme časový priebeh napätia alebo prúdu. 16

17. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Namiesto signálu náhodného – - v praxi sa často používa signál pseudonáhodný - má vlastnosti obdobné signálu náhodnému. Aj keď je periodický, jeho perióda môže byť podstatne dlhšia ako je doba merania, a potom sa užívateľovi javí ako neperiodický. Zvláštnu skupinu tvoria generátory používané pre overovanie EMC – elektromagnetickej kompatibility (elektromagnetickej zlúčiteľnosti) rôznych zariadení. Tieto generátory generujú napr. definované skupiny impulzov (angl. burts). 17

18. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory 8.2.1 Generátory programovateľného priebehu (angl. arbitrary waveform generators) Ľubovoľný periodický priebeh je možné (približne) generovať pomocou generátora programovateľného priebehu. Užívateľ pritom definuje tvar priebehu a jeho frekvenciu. 18

19. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Pamäť N x k ČAP1 (k bitov) Filter Číslicový vstup (N x k bitov) Analógový výstup Amplitúda (číslic. vstup) UA Čítač N bitov ČAP2 fS UN Postupnosť N hodnôt signálu (k-bitových slov) v jednej perióde je uložená v číslicovej pamäti generátora. Jednotlivé slová v pamäti vyjadrujú amplitúdy vzoriek signálu, vzdialených od seba o rovnaké časové intervaly. Tieto vzorky sú periodicky vyberané z pamäte pomocou počítača, ktorý číta impulzy (a generuje adresy) s frekvenciou kde T je perióda generovaného napätia. 19

20. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Pamäť N x k ČAP1 (k bitov) Filter Číslicový vstup (N x k bitov) Analógový výstup Amplitúda (číslic. vstup) UA Čítač N bitov ČAP2 fS UN Čísla z pamäte sú prevádzané na napätie pomocou číslicovo-analógového prevodníka ČAP1. Maximálna hodnota výstupného signálu sa nastavuje pomocou druhého číslicovo-analógového prevodníka ČAP2, ktorého výstup je pripojený na referenčný vstup ČAP1. Výstupný signál je vyhladený výstupným filtrom, ktorý odstraňuje prekmity a predlžuje prechody úrovní výstupného signálu ČAP1. 20

21. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Zvyšovanie počtu vzoriek na periódu N pri danej vzorkovacej frekvencie hodín generátora fS spôsobuje zmenšovanie rozsahu nastaviteľných frekvencií signálu. Frekvencia generovaného signálu je totiž daná vzťahom Tvar požadovaného priebehu je možné zadávať bod po bode z klávesnice, vypočítať v počítači, alebo stiahnuť z grafického záznamu na papieri alebo z pamäte číslicového osciloskopu (a prípadne v počítači upraviť pred generovaním). Základné periodické priebehy (sínusovka, obdĺžnik, trojuholník) sú často uložené v pamäti ROM v generátore. Dokonalosť generovaného priebehu je určená počtom vzoriek na periódu signálu. 21

22. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory 8.2.2 Frekvenčné syntezátory (angl. frequency synthesizers) • najperspektívnejším typom signálnych generátorov, • ich základným znakom je vysoká presnosť a stabilita frekvencie • generovaného signálu, • frekvencia sa zadáva číslicovo (napr. ako osemmiestne číslo) Rozlišovacia schopnosť (váha poslednej číslice zadávanej frekvencie) môže byť μHz, mHz, alebo Hz. Presnosť a stabilita frekvencie týchto generátorov je určená presnosťou a stabilitou frekvencie kryštálového oscilátora, ktorý ako časť spätne väzbového obvodu používa piezoelektrické vlastnosti výbrusu kremenného kryštálu. 22

23. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory 8.2.2 Frekvenčné syntezátory (angl. frequency synthesizers) • najperspektívnejším typom signálnych generátorov, • ich základným znakom je vysoká presnosť a stabilita frekvencie • generovaného signálu, • frekvencia sa zadáva číslicovo (napr. ako osemmiestne číslo) Frekvencie frekvenčných syntezátorov sa môžu nastavovať v rozsahu μHz až MHz, stabilita frekvencie býva rádu 10-7/mesiac. Výstupný signál býva harmonický, obdĺžnikový a v menšom frekvenčnom rozsahu aj trojuholníkový, pilový, prípadne aj programovateľný („arbitrary“). Výstupná impedancia býva 50 Ω, generátory s frekvenčnou syntézou umožňujú často aj amplitúdovú, frekvenčnú a niekedy aj fázovú moduláciu výstupu. 23

24. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory 8.2.3 Multifunkčné vf analyzátory • funkčné spojenie číslicového vf signálneho generátora a spektrálneho • analyzátora a) vf analyzátory EMC a telekomunikačných zariadení b) vf analyzátory elektrických strojov 24

25. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory a) vf analyzátory EMC a telekomunikačných zariadení Ako príklad nových spektrálnych analyzátorov - rada HM 5012 a 5014 od známej nemeckej firmy Hameg. • Pomocou dodatočnej súpravy merania vf poľa je možné merať : • nežiadúce vf vyžarovanie, • testovanie vf telekomunikačných zariadení, • testovanie mobilných telefónov apod. 25

26. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory • Tieto prístroje sa používajú pre analýzu všetkých druhov signálu vo frekvenčnom rozsahu 0,15 až 1050 MHz. • Modely obsahujú vysoko stabilný frekvenční generátor priamej číslicovej syntézy s vylepšenou stabilitou a presnosťou (0,1 % + 20 kHz). • Analyzátory môžu merať signály nízkej úrovne a majú merací rozsah cez 113 dB. • READOUT obrazovka sa zobrazením všetkých meracích nastavení a jednotiek má pre číslicový signál rozlíšenie 2000 bodov. • Presnosť merania frekvencie je zvýšená dokonalé nastavením pomocou ihlového kurzora. 26

27. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Model HM5014 obsahuje navyše separátny rozmietací generátor umožňujúci štvorpólové meranie, ktoré je potrebné napr. pre meranie priepustného pásma filtrov alebo prenosových článkov. Software pre spojenie s PC zaručuje automatizovanú prevádzku s možnosťou porovnania a výtlačku nameraných hodnôt. 27

28. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Základné metrologické vlastnosti uvedeného analyzátora, ktoré sú potrebné vedieť pri porovnávaní s inými analyzátormi: • frekvenčný rozsah: plynulý - 150 kHz ÷ 1050 MHz,• rozsah amplitúdy na obrazovke: - 100 dBm ÷ +13 dBm (7 dBµV ÷ 120 dBµV) 80 dB, • priama fázovo riadená číslicová syntéza, • presné a opakované nastavenie frekvencie pomocou klávesnice,• vysoko stabilný referenčný oscilátor TCXO,• rozlíšenie šírok pásma 9 kHz, 120 kHz a 1 MHz,• plne diaľkovo riadený pomocou rozhrania RS 232,• mód EMC pre meranie špičiek, priemerovanie a zrovnávanie, • možnosť príslušenstva na objednávku pre meranie vf poľa, prenosový obmedzovač, operácia EMC, apod. 28

29. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory • Metóda bezdemontážnej diagnostiky. • Metóda je aplikovateľná pri určovaní a meraní transformátorov: • Metódou SFRA je možné detekovať: • deformáciu vnútorného vinutia a jeho posun, • závit nakrátko a otvorené vinutie, • uvoľnenú a zničenú prepojovaciu štruktúru, • pohyb jadra, príp. jeho zlé uzemnenie. • ihneď po výrobe (meranie referenčných hodnôt), • počas odstávky prevádzky transformátora, • po poruche, • po následnej oprave, príp. revízii. SFRA (sweep frequency responsive analyse)Analýza odoziev rozmietavej frekvencie b) Vysokofrekvenčná analýza transformátorov – SFRA 29

30. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory • Metóda SFRA - je založená na princípe funkčného vf generátora a spektrálneho zapisovacieho analyzátora, ktoré sú vhodne upravené a riadené počítačom. • Pomocou metódy SFRA sa zisťujú odozvy transformátorov v časovej alebo frekvenčnej oblasti. • Priebeh odozvy vinutí transformátora je odrazom elektromagnetických väzieb: • medzi vinutím a nádobou transformátora, • medzi primárnym a sekundárnym (popr. terciálnym) vinutím, • medzi vinutiami jednotlivých fáz, • medzi samotnými závitmi jednotlivých vinutí. Útlm [dB] Frekvencia [Hz] 30

31. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory • Meranie naprázdno: • do 10 kHz problémy s jadrom, • 10 – 200 kHz problémy s vinutím, • Nad 200 kHz problémy v spojení (odbočky). Útlm [dB] • Meranie nakrátko: • jedine stav vinutí na primárnej alebo sekundárnej strane transformátora. Frekvencia [Hz] Metodika merania –je nutné dodržiavať správny postup, aby sa predchádzalo nepresnostiam a chybám. Metóda SFRA – v súčasnosti diagnosticky najefektívnejšiaobjektívna metóda v porovnaní s vizuálnou kontrolou. • Zistenie medzizávitového skratu na primárnom vinutí transformátora • (poškodená fáza A) 31

32. 8. Spektrálne analyzátory a signálne generátory Monitorovaný autotransformátor –300 MVA, 400 kV 32