Лабораторная работа № 1 ВВЕДЕНИЕ В СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ Цель работы

Лабораторная работа № 1
ВВЕДЕНИЕ В СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Цель работы
Демонстрация характеристик и принципа действия анализатора спектра в радиочастотных системах.
Теоретические сведения
Анализатор спектра является одним из самых необходимых инструментов исследования систем коммуникации. Для сравнения, такой прибор,
как осциллограф позволяет исследовать сигналы переменного тока, а также
их взаимное влияние друг на друга, измеряет разность фаз сигналов, а также
период, амплитуду и позволяет оценить форму сигнала. Однако изучение зависимости амплитуды от времени не даёт полного представления о компонентах сигнала. Анализатор спектра исследует сигнал в частотной области,
разделяя его на отдельные компоненты на различных частотах. Теоретически,
если идеальный синусоидальный сигнал подать на вход анализатора спектра,
то можно увидеть одну вертикальную линию – на основной частоте синусоидального сигнала. Однако, сигналы от реальных источников являются более
сложными, и поэтому график их спектра содержит дополнительные спектральные линии.
Программа Multisim позволяет проводить спектральный анализ с помощью встроенного анализатора спектра.
1. Описание схем опытов
1.1. Объект исследования:
Спектральный анализатор. Схема его включения приведена на рис. 1.
1.2. Назначение схемных элементов:
V1 – источник переменного напряжения;
R1 – резистор, служащий в качестве нагрузки.
1.3. Измерительные приборы:
XSC1 – осциллограф; используется для контроля формы сигнала на выходе генератора переменного напряжения;
XSA1 – анализатор спектра; используется для определения спектра выходного
сигнала.
XSA1
XSC1
IN T
1
Ext T rig
+
_
B
A
V1
+
10 Vpk
10kHz
0°
_
+
_
R1
1kΩ
0
Рис. 1. Схема для исследования спектра сигнала
2. Экспериментальное исследование
1.
2.
3.
4.
2
Соберите схему, изображённую на рис. 1.
Двойным щелчком мыши войдите в меню источника напряжения переменного тока. Выберите закладку Value (значение) и установите
амплитуду (Voltage Pk) = 10В, смещение (Voltage Offset) = 0В и частоту (Frequency) = f1 (Данное значение частоты и другие значения
частот, используемые в работе, следует брать из табл. 1, в соответствии с номером, указанным преподавателем). Нажмите OK.
Двойным щелчком мыши войдите в меню Oscilloscope (осциллограф). Установите масштаб временной оси 1 мс/дел и масштаб амплитуд (Amplitude) 5 В/Дел. Запустите процесс моделирования и
пронаблюдайте сигнал частотой 1кГц на графике зависимости амплитуды от времени. Остановите моделирование.
По умолчанию экран осциллографа отображается чёрным цветом.
При необходимости (например, для вывода на печать) можно сделать
экран белым – для этого надо нажать кнопку Reverse (Инверсный
экран). (Такая же возможность изменения цвета экрана предусмотрена и для других приборов.)
Установка параметров анализатора спектра. Один из способов называется: Frequency Control method (Метод контроля частоты). Двойным щелчком мыши войдите в меню анализатора спектра. Выберите
Span (диапазон измерений) на вкладке Span Control (установка
диапазона измерений) и Lin (Линейный) на вкладке Amplitude. На
вкладке Frequency (частота), введите Start (начальная) и End (конечная) частоты – начальную частоту следует установить на 1 кГц
меньше исследуемой частоты f1, а конечную частоту – на 1 кГц
больше исследуемой частоты; эти параметры частоты зададут начало
и конец окна наблюдения таким образом, что значение частоты f1
окажется в центре окна. Нажмите Enter (Ввод) для ввода значений.
Таблица 1
5.
№
варианта
Частота f1,
кГц
Частота f2,
кГц
Частота f3,
кГц
1
1,0
10
16
2
1,5
11
18
3
2,0
12
20
4
2,5
13
22
5
3,0
14
24
6
3,5
15
26
7
4,0
16
28
8
4,5
17
32
9
5,0
18
34
10
5,5
19
36
Запустите процесс моделирования. Поместите курсор в центр пика
отображаемого спектра. В процессе перемещения маркера наблюдайте изменение значения частоты в левой нижней части окна. Запишите
значения частоты и напряжения в табл. 2. Удостоверьтесь, что значения амплитуды и частоты соответствуют параметрам сигнала, установленным в источнике сигнала переменного напряжения (AC Voltage Source). Воспользовавшись формулой (1), вычислите мощность и
запишите значение в табл. 1.
При отображении спектра сигнала важное значение имеет параметр
Resolution Frequency (Разрешение по частоте). Минимальное значение Resolution Frequency, устанавливаемое на анализаторе спектра,
равно конечному значению частоты f_end, делённому на 256 (например, при f_end = 2 кГц, Resolution Freq. = 2 кГц/ 256 = 7,813 Гц). В
случае если значение разрешения по частоте существенно превосходит минимальное, спектр может отображаться искажённо. В этом
случае следует ввести в окошко меньшую величину (при необходимости это может быть и минимальное значение разрешения).
3
При активном окне анализатора спектра нажмите комбинацию клавиш Alt + PrtScn (Alt + PrintScreen) – тем самым снимок активного
окна будет скопирован в буфер обмена. Вставьте полученный снимок
в файл отчёта. (Лучше, чтобы экран анализатора спектра был белым
– для удобства печати.)
7. Остановите моделирование. Двойным щелчком мыши войдите в
свойства источника напряжения переменного тока и выберите Voltage Amplitude = 10 В и Frequency = f2.
8. Установка параметров анализатора спектра. Второй способ установки параметров называется: Span method (Метод диапазонов). Текущая исследуемая частота равна f2. Поэтому установите параметр Center frequency (центральная частота) равным f2. Введите значение
Span (диапазон измерений) равным 10 кГц – сделав так, получим
общий диапазон частотного окна равным 10 кГц. Нажмите Enter
(Ввод). Обратите внимание, что значения начальной и конечной частот вычисляются автоматически.
9. Оба продемонстрированных метода – Frequency Control method
(Метод контроля частоты) и Span method (Метод диапазонов) – могут быть использованы только раздельно (не одновременно).
10. Запустите процесс моделирования и переместите маркер сначала в
левую часть окна, затем в правую, обращая внимание, что частоты
начала и конца соответствуют Start и End параметрам. Для получения значения параметра Span (диапазон), вычтите начальное значение частоты из конечного. Запишите результаты в табл. 3. Проверьте
параметры диапазона.
11. Для частоты источника напряжения f2 повторите измерения, описанные в пп. 5 и 6. Используя рабочую формулу (1), вычислите мощность. Запишите все полученные значения (частоты, напряжения и
мощности) в табл. 2. Сохраните снимок экрана анализатора спектра в
файл отчёта.
6.
Таблица 2
Частота источника напряжения
4
Измеренная
частота, кГц
Измеренное
напряжение, B
Мощность,
мВт
Таблица 3
Частота,
кГц
Измеренное
начальное
значение частоты,
кГц
Измеренное
конечное
значение частоты,
кГц
Измеренный
диапазон,
кГц
Рабочая формула
Мощность:
P
Vген2
(1)
R1
3. Дополнительное задание
1.
2.
3.
4.
5.
Установите значения амплитуды источника напряжения переменного
тока 1 В и частоты f3.
Установите Span (диапазон) = 15 кГц и Center Frequency (центральную частоту) = (f3 – 5) кГц. Нажмите Enter.
Удостоверьтесь, что начальное и конечное значения частоты соответствуют выбранным значениям диапазона и основной частоты.
Заполните табл. 3.
Сохраните снимок экрана анализатора спектра в файл отчёта.
Таблица 3
Частота,
кГц
Начальное
значение частоты,
кГц
Конечное
значение частоты, кГц
Измеренный
диапазон,
кГц
5
1)
2)
3)
4)
5)
6)
4. Содержание отчёта:
Отчёт должен содержать следующие пункты:
цель работы;
теоретические сведения;
схема для исследования спектра сигнала;
таблицы опытных и расчётных данных;
снимки спектров, соответствующие разным параметрам сигнала;
выводы по результатам экспериментального исследования (какие исследования были проведены, перечислить основные приобретённые
знания о предмете исследования).
Более подробно о требованиях к оформлению отчёта по лабораторной работе сказано в дополнительном материале (см. файл:
Lab_works_instructions.doc).
6