Анализатор комплексного спектра Советский патент 1991 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, предназначено для спектрального анализа сигналов в тригонометрическом базисе, а может быть использовано для получения в реальном масштабе времени амплитудного и фазового спектра сигналов путем аналоговой обработки.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности плавной регулировки полосы частот анализа в широких пределах.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы; на фиг. 3 - чертеж электромеханической части устройства; на фиг. 4 - электрическая схема устройства; на фиг. 5 - гистерезисная характеристика процесса поляризации сегнетоэ- лектрика; на фиг. 6 - схема компенсатора нелинейных искажений.

Анализатор спектра содержит (фиг. 1) последовательно соединенные формирователь 1 параллельных отсчетов, преобразователь 2 отсчетов в модулированный сигнал и блок 3 детекторов, состоящий из амплитудного детектора 4 и фазового детектора 5 с закрытыми входами. Выход амплитудного етектора 4 соединен с первым входом од- ноквадрантного делителя 6, второй вход которого соединен с выходом регулируемого источника 7 постоянного напряжения. Выходы одноквадрантного делителя 6 и фазового детектора соединены с выходными зажимами устройства.

Анализатор комплексного спектра работает следующим образом.

О 00 |00

00

:

316881844

На вход устройства поступает сигналс0 UK - постоянная составляющая

U(t ) (фиг. 2а), в спектре которого не содер-

жится составляющих с частотами выше (оь. сигнала (4), от которой легко избавиться Согласно теореме Котельникова, сигнал с помощью разделительного конденсато- U(t ) полностью характеризуется своими по- 5 РаслеДовательными отсчетами, следующими Модулированный сигнал (4) детектирует- друг за другом с интерваломся амплитудным детектором 4 (АД) и фазовым детектором 5 с закрытыми

Т тг/й)ь(1)входами (содержат разделительные конЮ денсаторы). На первый вход одноквадВ течение цикларентного делителя 6 поступает с выхода

амплитудного детектора 4 неотрицательДг Т(2)ныи сигнал 5(м t), а на второй вход неотрицательный сигнал ly I/T, вырабагде N-количество отсчетов,15 тываемый регулируемым источником 7

формирователь 1 параллельных отсчетов постоянного напряжения. На выходе од- преобразует последовательные отсчеты ноквадрантного делителя, соединенном (Фиг 2ю)с пеРвым выходным зажимом устройства, получаем сигнал (фиг. 2г)

(m2° v() s(,,)/(lr1/T)

К-0, 1,2, ...; ,--

Д Т X UK cos К oj, t )2 + ( Т Ј UK sin К од t У

N - номер отсчета (3) содержащиеся

сигнале U(t )25

в параллельные (одноименные по времени).(8)

В течение следующего цикла At преобразователь 2 отсчетов в модулированный сигнал На выходе фазового детектора 5, соединен- преобразует одновременно (в момент t 0) Ном с вторым выходным зажимом устройст- поступившие на его входы отсчеты UK в 30 ва, получаем сигнал (фиг. 2д) модулированный сигнал c(t) (фиг. 2в), где t t - Д tN

-arctg(T 2, UKX

NК 0

c(t) У S UK (1 - cos t) 35

К ОN

x sin Kwi t )/(T 2) UKX c0 -S (//t)costr/ t +Ф(//т)

(WK ftJb+КйЛ.(4) 40xcosKtuit).(9)

причем y const - постоянный коэффици- Согласно теореме Котельникова комплекс- ентный спектр отрезка сигнала U(r) длительности At равен

S(,t)) + (J).U(e,)«

0(//t)-arctg Si(//t)/S2(/(t)/ (5)

Т I U(KT)(10)

Здеськ о

O-U

2 тг/At - (оь/N , а, алз, (6)Если в этом выражении заменить сана

ju t получим ,/At,(7)

олэ - несущая частота модулированного U (j w) Т 2) UK e t

сигнала;к °

/г - множитель, характеризующий вре- ejcp()

менной масштаб частоты,(/)I 1)

Таким образом,сигналы на выходах устройства представляют собой амплитудный и фазовый спектры отрезка сигнала в реальном масштабе времени. Причем устройство работает циклически. В течение времени A t формируются параллельные отсчеты отрезка сигнала и одновременно формируются амплитудный и фазовый спектры предыдущего отрезка сигнала. Регулируемый источник постоянного напряжения 7 вырабатывает напряжение прямо пропорциональное полосе частот анализа оь (от О до а;ь). т.е. обратно пропорционально Т или At. Это напряжение воздействует на формирователь параллельных отсчетов, на преобразователь отсчетов в модулированный сигнал и подается на вход одно- квадрантного делителя, обеспечивая согласованную регулировку величин ол , Т ,ол , At .

С ростом полосы частот анализа, т.е. уменьшением Т, амплитудный спектр сигнала уменьшается, поэтому при настройке анализатора,когда регулируется полоса частот анализа удобно пользо- ваться вспомогательным выходным сигналом, снимаемым с выхода АД 4. Этот сигнал меньше изменяется по величине в процессе регулировки полосы частот анализа. После того, как анализатор на- строен, следует переключиться на основной выход для измерения амплитудного спектра.

Электромеханическая часть устройства (фиг. 3) содержит исполнительный микро- двигатель 1 постоянного тока,скорость которого может плавно регулироваться в широких пределах изменением напряжения регулируемого источника постоянного напряжения (не показан), подключенного к зажимам якоря. На валу 2 микродвигателя закреплен металлический диск 3, на обе стороны которого по диаметру нанесены две параллельные узкие полоски тонкопле- ночного сегнетоэлектрического носителя 4 информации. С обеих сторон к металлическому диску пружинами 5 прижимаются блоки 6 головок - незакрепленные диски, имеющие стелен о свободы, благодаря направляющим 7. Каждый блок б головок состоит из диэлектрической подложки 8, тонкопленочного сегнетоэлектрического покрытия 9 и

-

нанесенных на сегнетоэлектрик прово дящих дорожек 10. Дорожки 10 на несколько микрон утоплены в сегнетоэлектрик 9. Если сегнетоэлектрик 4 является материальной средой, на кото-

5101520

25303540455055

рой осуществляется запись, то сегнетоэ лектрик 9 на блоках головок необходим лишь затем, чтобы свести к минимуму три- боэлектрический эффект. Чтобы устано вить необходимую степень прижатия блоков головок к вращающемуся носителю информации, стойка 11 может перемещаться по основанию 12 с помощью микровинта 13. Вал 2 и насаженный на него металлический диск 3 соединены через скользящий контакт 14 с корпусом микродвигателя и с общей шиной.

В сборе блоки головок располагают в параллельных плоскостях (фиг. 3). На электрической схеме (фиг. 4) один из блоков головок развернут на 180° так, чтобы блоки 1 и 2 головок можно было нарисовать в одной плоскости. На каждом блоке головок располагается несколько десятков проводящих дорожек (на фиг. 4 показано 6 дорожек на каждом блоке). Каждая дорожка включает в себя головку 3 записи и головку 4 воспроизведения. Полностью показана головка воспроизведения наименьшего радиуса. У остальных головок воспроизведения показаны только начало и конец. Угловые размеры всех головок одинаковы 180°. Головка 5 стирания является общей для всех дорожек блока. Головки стирания соединены с первым зажимом источника б высокочастотного напряжения, второй зажим которого соединен с общей шиной. Вращающийся металлический диск не показан. Показаны узкие полоски 7 тонкопленочного сегнето- электрика, нанесенные по диаметру металлического диска (в сборе они параллельны). Полоски 7 являются носителем информации. Все головки 3 записи (кроме одной, соединенной с первым зажимом источника 8 постоянного напряжения, второй зажим которого соединен с общей шиной) соединены в выходном компенсаторе нелинейных искажений, вход которого соединен с входным зажимом устройства. Все головки 4 воспроизведения, кроме одной, соединены с входом усилителя 10 заряда, выход которого соединен с ходом амплитудного детектора 11 и первым входом фазового детектора 12 Одна головка воспроизведения, находящаяся на одной дорожке с головкой записи, соединенной с источником 8 постоянного напряжения, соединена с входом усилителя 13 заряда, выход которого соединен с вторым входом фазового детекторэ 12. Выход амплитудного детектора 11, представляющий собой вспомогательный выход устройства (о чем упоминалось выше), соединен с первым входом одноквадрантного делителя 14, второй вход которого соединен с выходом регулируемого источника 15 постоянного напряжения и первым зажимом якоря исполнительного микродвигателя 16 постоянного тока, второй зажим которого соединен с общей шиной. Выходы одноквадрантного делителя 14 и фазовйго детектора 12 соединены с выходными зажимами устройства.

В устройстве используется электроста- тическая запись информации на сегнетоэ- лектрическом носителе 7, направление поляризации сегнетоэлектрика - перпендикулярное. Головки - конденсаторного типа, причем одной обкладкой конденсатора яв- ляется сама головка, второй - металлическая подложка носителя, диэлектриком - сегнетоэлектрик 7, Узкая полоска сегнетоэлектрика нанесена по диаметру диска-подложки и поэтому состоит из двух радиусов. Причем в течение одного цикла Л t (A t - время, за которое носитель делает пол-оборота) на одном радиусе сегнетоэлектрика осуществляется запись, а второй радиус участвует в воспроизведении. В течение следующего цикла радиусы меняются ролями. Дорожку наименьшего радиуса блока головок 1 назовем дорожкой опорного сигнала. Всем остальным дорожкам блока 2 присвоим нечетные номера 1, 3, 5. ...; N-1, Всем дорожкам блока 2 присвоим четные номера 0, 2, 3, ..., N. Номера дорожек возрастают по мере увеличения их радиусов. Записывающие головки расположены эквидистантно. Время прохождения поТГоски сегнетоэлектриха от К-ой головки до (К+ 1)-ой обозначим Т. Общее количество пронумерованных дорожек (от 0-ой до N-ой) равно N+ 1. Так что время цикла Д t и интервал Т связаны равенством (2).

К-ая воспроизводящая головка ограничена, с одной стороны, полуокружностью радиуса Гок, с другой стороны кривой, уравнение которой в полярных координат имеет вид гк г (р). (12)

Назовем (12) уравнением головки Дифференциал площади головки как функции полярного угла р равен

Й5к()()-г2к

.

Уравнение головки (12) выбрано таким образом, чтобы распределение площади головки по координате /) соответствовал . функции

hK (р ) 1 - cos ( L + КМ ) f

1 -cos (о)к p/d)} ,(14)

где К - номер дорожки;

L и М - четные числа, причем L КМ; угловая скорость микродвигателя; ОАэ + Ud,Wk Ма (15) частоты, величины которых оговорены равенствами (4), (6), (7) (головка опорного сигнала идентична головке нулевой дорожки). Это значит, что

d S( -7jr hK(p), a const. (16)

Из выражений (13), (14), (16) находим уравнение головки

10 15 2025 30 35 . 40

45

ПО

55

Гк (р ) VroK + a h (уэ)

fee + а 1 - cos (QJk ip/ш )}. (17)

От выбора постоянной а зависит ширина головки (следовательно, и ширина дорожки),

Электростатическая запись аналогична магн -тной, так кяк физические процессы в сегнс. гоэлектриках аналогичны физическим процессам в ферромагнетиках. На фиг. 5 показана зависимость заряда Qот напряжения U для конденсатора с сегнетоэлектри- ком. Такая же зависимость электрического смещения D от напряженности электрического поля Е.

Запись (поляризация сегнетоэлектрика) происходит по кривой 1, первоначальной поляризации. Воспроизведение заключается в том, что поляризованный сегнетоэлект- рический носитель, проходя вдоль воспроизводящей головки наводит на ней остаточный заряд Qr соответствующий режиму короткого замыкания (I) - 0).

Режим короткого замыкания обеспечивается очень малым входным сопротивлением усилителя 10 заряда, так как его инвертирующий вход является потенциально заземленным. Резистор в цепи обратной связи играет вспомогательную роль (в операционном усилителе необходима связь по постоянному току между входами и землей). Благодаря конденсатору в цепи обратной связи, выходное напряжение усилителя заряда с точностью до постоянного слагаемого пропорционально заряду Q на входе усилителя. Пречг

регая малыми током резистора и токсм инверсного входа, запишем на основании первого закона Кирхгофа

(dQ/dt)-t с{гЛ1Вых/аЧ)0. откуда следует

UBUX - -О/С +- COnSt.

Отбросим несущественную константу и учтем, что ввиду параллельного соединения воспроизводящих головок заряд 0 равен сумме остаточных зарядов (Ог)к наводимых на (N+ 1) воспроизводящих головках. Тогда

(Ог)к (Ог)кЛ5к.

(1/с) 1 (Ог)кЛ8к

К 0

Ј (Ог)кА

где (Ог)к - остаточное электрическое смещение участка сегнетоэлектрического носителя, соответствующего К-ой дорожке, AS - площадь участка К-ой воспроизводящей головки, на который воздействует в данное мгновение запись.

Компенсатор нелинейных искажений компенсирует нелинейные искажения тракта запись - воспроизведение.Тогда величи- ны (Dr)x пропорциональны отсчетным анализируемого сигнала

(Dr) к UK U(KT)

Учтем также, что ввиду малости углового размера Л у сегнетоэлектрического носителя, из равенства (16)следует

Л5к -|-ПкО)(22)

Подставляя (14), (21) и (22) в (20), получим

ивых у X UK 1 - cos ( Шк р/ш ) , (23) к 0

гдеу const.

Если учесть, что р/ш t (t - время, на которое диск, вращающийся с угловой скоростью о), поворачивается на угол р), то сигналы (4) и (23) совпадают. Работа детекторов и одноквадрантного делителя описаны выше. Поскольку на дорожке опорного сигнала запись осуществляется от источника постоянного напряжения В, а воспроизводящая головка идентична головке

нулевой дорожки, то опорный сигнал 1ч маемый с выхода усилителя 13 заряда, представляет собой косинусоиду частоты с/ь с постоянной амплитудой (с точностью до по5 стоянного слагаемого).

Регулировка полосы частот анализа происходит следующим образом. Изменяем напряжение на выходе регулируемого источника 15 постоянного напряжения. Это

10 приводит к согласованным изменениям ве личин Т,лЈ,йЛэ,йЛ, (i)o за счет изменения скорости исполнительного микродвигателя 16 постоянного тока и изменению напряжения на втором входе одноквадрантного делите15 ля 14. В результате выражения (8), (9), а также (1), (2), (6) остаются справедливыми в диапазоне значений величины

На фиг. 6 показан компенсатор нелинейных искажений, выполненный как

20 функциональный преобразователь развертывающего типа. Он содержит дре специально выделенные ддрожки 1 и 2 одинаковых размеров на блоках головок два усилителя 3 и 4 зарядов, инвертор 5,

2Ь запоминающее устройство 6 и сравнивающее устройство 7. На фиг. 6 показаны также источник 8 высокочастотного напряжения и источник 9 постоянного напряжения, входящие в электрическую схему устройства (фиг

30 4, позиции 6 и 8). Стирающие голозки 10 являются общими для всех дорожек анализатора, в том числе и для дорожек 1, 2 пред- ысказителя. Записывающая головка 11 дорожки 1 соединена с незаземленным за35 жимом источника 9 постоянного напряжения, воспроизводящая головка 12 дорожки

1соединена с входом усилителя 3 заряда, выход которого соединен через инвертор 5 с первым входом запоминающего устройст40 ва 6 и непосредственно с записывающей головкой 13 второй дорожки На угол

2тг/L от головки 13 отстоит воспроизводящая головка 14 второй дорожки, соединенная с входом усилителя 4 заряда, выход

45 которого соединен с первым входом сравнивающего устройства 7, второй вход которого соединен с входным зажимом предыскази- теля, а выход - с вторым входом запомина- ощего устройства б, выход которого

50 соединен с выходным зажимом пред- ысказителя. Носителем информации, соответствующим дорожке 1, являются соответствующие участки полоски 15сегне- тоэлектрика, находящейся на одной сторо55 не металлического; диска. Носителем информации, соответствующим дорожке 2, является кольцо 16 тонкопленочного сегне- тоэлектрика, размеры которого совпадают с размерами дорожки, на другой стороне металлического диска. Металлический диск на фиг. 6 не показан.

Воспроизводящая головка первой дорожки ограничена, с одной стороны, полуокружностью радиуса г0, с другой стороны, кривой

г -Г ф-ч 1 - 1 - ,

где/3 const.

Сравнивая выражения (17) и (28), видим, что плошадь головки распределена по координате р по закону

h(p)-2(U

+ sin|L +Alr13L + (25)

Правая часть выражения (29) представляет собой ряд Фурье периодической пилообразной функции с периодом.

Поскольку на записывающую головку 11 подано постоянное напряжение, то на выходе усилителя 3 заряда получаем периодические пилообразные импульсы. Балансировкой нуля добиваемся отсутствия постоянной составляющей. Усилитель 3 заряда инвертирует сигнал, поэтому на его выходе пилообразные импульсы имеют отрицательный наклон. С выхода инвертора 5 на первый вход запоминающего устройства поступают пилообразные импульсы с положительным наклоном.

Пилообразные импульсы с отрицательным наклоном поступают на головку 13 записи, записываются на носителе 16 информации, воспроизводятся воспроизводящей головкой 14 и усилителем 4 заряда. На выходе усилителя 4 заряда получаем искаженные импульсы с положительным наклоном.

На сравнивающее устройство 7 поступают два сигнала: анализируемый сигнал X и искаженные импульсы F(Y) F(Kvt)

В момент фиксации to, когда эти сигналы равны по величине, сравнивающее устройство 7 выдает кратковременный фиксирующий импульс на управляющий вход запоминающего устройства 6, которое запоминает и выдает на выход предыскази- теля значение сигнала Y в момент to, т.е. Y(to) (Х)

Напряжение на выходе предысказителя ступенчатое (неизменное между двумя соседними моментами фиксации). Но если

учесть, что частота следования нидопьр. ч- ных импульсов во много раз превышает то ошибкой дискретизации г. ) но пренебречь.

Итак, на входе предыскаяитрл а

(фиг. 4) - сигнал X, на выходе ciitnan

F 1(X) -Ф(Х).

Сигнал Y поступает на записывающие головки анализатора. Посла воспроизведения с учетом (24) получаем

Z (X) - X.

Таким образом, компенсатор нелинейных искажений компенсирует нелинейные искажения тракта запись - воспроизведение.

20

Формула изобретения

1.Анализатор комплексного спектра, содержащий последовательно соединенные формирователь параллельных отсчетов,

преобразователь отсчетов в модулированный сигнал и блок детекторов, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения возможности плавной регулировки полосы частот анализа в широких пределах, в него введены одноквадрантный тель и регулируемый источник постоянного напряжения, причем первый вход од- ноквадрангного делителя соединен с

первым выходом блока детекторов, а второй вход - с регулируемым источником постоянного напряжения, выход одноквадрантного делителя и второй выход блока детекторов соединены с выходными зажимами устройства.

2.Анализатор по п. 1,отличающий- с я тем, что формирователь параллельных отсчетов и преобра ователь отсчетов в модулированный сигнал выполнены на сегнетоэлектрике в виде .компенсатора нелинейных искажений, двух усилителей заряда, источника высокочастотного напряжения, исполнительного микродвигателя постоянного тока с плавным регулированием скорости и регулируемого источника постоянного напряжения,подключенного к зажимам якоря, закрепленного на валу металлического диска, по обе стороны которого по диаметру нанесены две параллельные

узкие полоски тонкопленочного сегнетоэ- лектрического носителя информации, и двух блоков головок в виде прижатых к металлическому диску с обеих сторон неподвижных диэлектрических дисков, на поверхности которых нанесены стирающие, записывающие и воспроизводящие гсл-нки, утопленные в тонкопленочное сегнетл.элек- трическое покрытие, причем каждый блок головок выполнен в виде группы концентри ческих кольцевых дорожек, а каждая дорожка включает в себя записывающую головку в виде узкой радиальной полоски и воспроизводящую i -товку, ограниченную с одной стороны полу дружностью, с другой стороны - кривой описываемой в полярных координатах f, уз уравнением

г (Р)

+«{ 1 -cos(L + KM ),

где К - номер дорожки;

« const;

TOK - радиус полуокружности;

L и М - четные числа, причем L КМ, стирающая же головка в виде узкой радиальной полоски - одна общая на каждом блоке головок, записывающие головки обоих блоков головок эквидистантны по углу, при этом металлический диск, один из зажимов источника постоянного напряжения, один из зажимов источника высокочастотного напряжения и один из зажимов якоря исполнительного микродвигателя постоянного тока соединены с общей шиной, входной зажим устройства соединен с входом компенсатора нелинейных искажений, выход которого соединен с всеми записывающими головками, кроме одной, которая соединена с вторым зажимом источника постоянного напряжения, стирающие головки соединены с вто- рым зажимом источника высокочастотного напряжения, вход первого усилителя заряда соединен со всеми воспроизводящими головками, кроме одной, соединенной с входом второго усилителя заряда и находящейся на одной дорожке с записывающей головкой, соединенной с источником постоянного напряжения, выход первого усилителя заряда соединен с входом амплитудного и первым входом фазового детекторов, выход второго усилителя заряда соединен с вторым входом фазового детектора, выход амплитудно- го детектора соединен с первым входом одноквадрантного делителя, второй вход которого соединен с незаземленным зажимом регулируемого источника постоянного напряжения, выход одноквадрантного делителя и фазовогс детектора соединен с выходными зажимами

устройства, все входы детекторов - злкры тые.

3. Анализатор по п. 2, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что компенсатор нелинейных искажений выполнен в виде двух специально

выделенных для него дорожек одинаковых размеров на блоках головок, двух усилителей заряда, инвертора, сравнивающего и запоминающего блоков, записывающая головка первой дорожки соединена с незаземленным зажимом источника постоянного напряжения, воспроизводящая головка первой дорожки ограничена с одной стороны полуокружностью радиуса г0. с другой стороны - кривой

(Г

l-f , Ј , 31 f

где/ const,

воспроизводящая головка первой дорожки соединена с входом первого усилителя заряда, выход которого соединен через инвер тор с входом запоминающего блокг и

непосредственное записывающей головкой второй дорожки, отстоящей на угол 2 JT/L от воспроизводящей головки второй дорожки которая, как и записывающие гс ловки обеих дорожек, выполнена в виде узкой радиальной полоски, воспроизводящая головка второй дорожки соединена с входом второго усилителя заряда, выход которого соединен с первым входом сравнивающего блока, второй вход которого соединен с входным зажимом компенсатора нелинейных искажений, а выход - с вторым входом запоминающего блока, выход которого соединен с выходным зажимом компенсатора нелинейных искажений,

при этом носитель информации, соответствующий первой дорожке, выполнен в виде соответствующих участков узкой полоски .вгнетоэлектрика на одной стороне метал- /. веского диска, а носитель информации,

соответствующий второй дорожке, выполнен в виде кольца тонкопленочного сегнето- электрика, размеры которого совпадают с размерами дорожки, на другой стороне металлического диска.

cpus.i

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, предназначено для спектрального анализа сигналов в тригонометрическом базисе и может быть использовано для получения в реальном масштабе времени амплитудного и фазового спектров сигналов путем аналоговой обработки. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности плавной регулировки полосы частот анализа в широких пределах Это достигается путем введения в анализатор од- ноквадратного делителя 6, регулируемого источника 7 постоянного напряжения и образования новых функциональных связей. Кроме того, анализатор содержит формирователь 1 параллельных отсчетов, преобразователь 2 отсчетов в модулированный сигнал, блок 3 детекторов. 2 з.п. ф-лы. 6 ил.

Фиг. 2

12 Фиг.З

о-Э

ФиГ 6

utE)

ери Г. 5