T361103 Elektroniikan mittaukset: LAB 3 johdanto 23.2.2010 Vinski Bräysy vinski.braysy@oamk.fi Huone 3342

Spektrianalysaattorit Jean Bapiste Fourier (1768-1830): Signaali voidaan esittää taajuudeltaan ja amplitudiltaan (sekä vaiheeltaan) erilaisten sinisignaalien summana. => Fourier sarja Spektri: Signaalin esitys taajuusalueessa.

Spektrianalysaattori Miksi mitata taajuustasossa? Taajuustasossa on helpompi erottaa heikkoja signaaleja voimakkaiden signaalien alta Esimerkki: signaalin säröytyminen Taajuustasossa on mahdollista nähdä tehon jakautuminen eri taajuuksille Esimerkki: kohinamittaukset Tavallisimpia mittauksia: Sähkötekniset mittaukset Tietoliikennetekniikan mittaukset Tärinäanalyysit Biologiset mittaukset...

Logaritmiasteikko Spektrianalyysissä dynaaminen alue (signaalitasojen erot) on tyypillisesti suuri → logaritmiasteikko Logaritmisen asteikon käytön keksi Alexander Graham Bell Kuva: Agilent

Spektrianalysaattori Oskilloskooppi mittaa signaalia aika-alueessa. Vastaava taajuusaluetyökalu on spektrianalysaattori. Spektrianalysaattori Mittalaite, joka Mittaa signaalin tehollisarvoa/amplitudia taajuuden funktiona Esittää graafisesti signaalin tehollisarvon/amplitudin taajuuden funktiona Kaksi perustapaa toteuttaa spektrianalysaattori: Taajuuspyyhkäisy Digitaalinen Fourier-muunnos

Toimintateoriaa Matemaattisesti: Käytännössä: Signaalin spektri saadaan Fourier-muunnoksen (tai Fourier-sarjan) avulla Fourier-muunnetun signaalin spektri on jatkuva (spektrikomponenttien väli on differentiaalisen pieni) Fourier-muunnettu signaali on kompleksiarvoinen ja sisältää vaihetiedon Käytännössä: Spektri saadaan mittaamalla jännitteen RMS arvoa kapealla taajuusvälillä tai näytejonosta FFT-muunnoksen avulla Resoluution määrää suodin (pyyhkäisevä analysaattori) tai näytejonon pituus (FFT-analysaattori) FFT-spektrianalysaattori antaa tietoa vaiheesta

Reaaliaika spektrianalysaattori Näyttö Yksinkertaisin ajatus: reaaliaika-analysaattori Taajuuksien erottelu suodatinryhmällä Etuja: Jatkuva mittaus Esittää spektrin ‘välittömästi’ Haittoja: Kallis (tarvitaan monta kapeaa ja tarkkaa suodatinta) Monimutkainen eikä helposti muunneltavissa Käyttö: Vähäistä, transienttimittauksia tms. Suodatin#1 Suodatin#2 Suodatin#3 Suodatin#n

Pyyhkäisevä spektrianalysaattori Idea: suodatinryhmä korvataan pyyhkäistävällä kaistanpäästösuotimella Saadaan yksinkertaisempi laite jolla monipuolisemmat toiminnot: Kaistanpäästösuotimen leveys määrää resoluution Taajuusalue on aseteltavissa Haitat: Hidas, vain jatkuvien signaalien mittaus mahdollista Transienttien mittaus on mahdotonta

Pyyhkäisevä spektrianalysaattori Käytännön toteutus: Kapea ja laajalla taajuusalueella säädettävä kaistanpäästösuodatin on vaikea valmistaa → heterodyne-tekniikka Sekoittaja (mikseri) muodostaa sisään tulevan signaalin ja oskillaattorin erotaajuuden (ja summataajuuden) Erotaajuus pääsee ilmaisimelle jos se on välitaajuussuodattimen taajuudella → näyttää siltä kuin kaistanpäästösuodinta säädettäisiin

Välitaajuussuodatin Suodattimen leveys määrää resoluutiokaistanleveyden Leveys yleensä valittavissa laajalla alueella Kapeaa suodinta käytettäessä myös signaalikohinasuhde paranee (on mahdollista havaita heikompia signaaleja) Toisaalta: kapealla suodattimella on hidas asettumisaika → Mikäli pyyhkäistään liian nopeasti spektri vääristyy Mittauksen kesto tmeas riippuu pyyhkäistävän taajuusalueen leveydestä Btot sekä suodattimen leveydestä Bres Peukalosääntö: tmeas=Btot/Bres2

FFT-spektrianalysaattori FFT=Fast Fourier Transform 1. Digitoi sisään tulevan aikatason signaalin 2. Muuntaa sen spektriksi nopeaa Fourier-muunnosta (FFT) käyttäen 3. Esittää spektrin näytöllä Ideaalisin analysaattorityyppi Heti kun signaali on näytteistetty on mahdollista tehdä muunnos jolla saadaan kaikki taajuudet samanaikaisesti → ‘reaaliaika-analysaattori’ FFT-spektrianalysaattorilla on mahdollista mitata myös transientti-ilmiöitä Koska muunnos tehdään matemaattisesti, sisältää tulos myös vaiheinformaation

FFT-spektrianalysaattori Spektrin laskeminen tietokoneella FFT:n avulla on vain periaatteessa yksinkertaista Näytteistetty signaali on approksimaatio A/D-muuntimen ominaisuudet määräävät laitteen hyvyyden Näytetaajuus määrää maksimitaajuuden (Alias-ilmiö) Muuntimen bittimäärä määrää dynaamisen alueen Näytteiden lukumäärä (N=2K) ja mittauksen kesto ovat rajallisia Taajuusresoluutio on rajallinen Ikkunafunktion käyttö on välttämätöntä Näytejonon pituus on N → spektrikomponenttien (kompleksiarvoisia) lukumäärä on N/2 Spektrikomponenttien väli Taajuusväli on vakio Ensimmäinen komponentti on nollataajuudella (DC) Pisin mitattavissa oleva periodi on mittausajan suuruinen→ spektrikomponenttien väli on 1/Tmeas

Äärellinen näytejono FFT pohjautuu oletukseen, että mitattu näytejono toistuu äärettömästi Ongelma: jatkuvasta signaalista (esim. siniaalto) otettu näytejono katkeaa satunnaisesta kohdasta → epäjatkuvuus Epäjatkuvuuskohta aiheuttaa spektrin levenemisen Tämä leveneminen on vakava ongelma: Pienet signaalit peittyvät täysin, eikä FFT ole suoraan käyttökelpoinen spektrianalyysiin Ratkaisu: Ikkunafunktio Epäjatkuvuuskohta on näytejonon reunassa, mutta keskellä on virheetöntä signaalia Ikkunafunktiolla voidaan painottaa keskiosaa reunojen kustannuksella

Spektrianalysaattorin valinta Ominaisuudet, jotka määräävät analysaattorin soveltuvuuden tiettyyn mittaukseen: Taajuusalue Hyväksyttävä signaalitaso Maksimisignaali ja kohinataso Dynaaminen alue ja resoluutio Miten suuren amplitudieron omaavia signaaleja voi mitata Miten lähekkäin olevia signaaleja voi mitata Mittausten epävarmuus Amplitudissa ja taajuudessa

8562EC Portable Spectrum Analyzer Performance 30 Hz to 13.2 GHz bandwidth +/-1.0 dB absolute amplitude accuracy -151 dBm/Hz displayed average noise level (DANL) <-113 dBc/Hz phase noise at 10 kHz offset Features Fast digital resolution bandwidths of 1 Hz to 3 MHz Portable, MIL-PRF-28800, Class 3 rugged Easily transfer screen image or trace data to PC