Allgemeine Grundlagen Spektralanalysatoren; Einführung In Die Spektralanalyse, Vorzüge Von Spektralanalysatoren - Hameg HM5530 Handbuch

A l l g e m e i n e G r u n d l a g e n S p e k t r a l a n a l y s a t o r e n

Allgemeine Grundlagen Spektralanalysatoren

Einführung in die Spektralanalyse, Vorzüge von
Spektralanalysatoren
Die Analyse von elektrischen Signalen ist ein Grundproblem
für viele Ingenieure und Wissenschaftler. Selbst wenn das ei-
gentliche Problem nichtelektrischer Natur ist, werden oftmals
die interessierenden Parameter durch die unterschiedlichsten
Wandler in elektrische Signale umgewandelt. Dies umfasst
ebenso Wandler für mechanische Größen wie Druck oder
Beschleunigung, als auch Messwertumformer für chemische
und biologische Prozesse. Die Wandlung der physikalischen
Parameter ermöglicht anschließend die Untersuchung der
verschiedenen Phänomene im Zeit- und Frequenzbereich.
Der traditionelle Weg, elektrische Signale zu analysieren, ist
ihre Darstellung in der Amplituden-Zeit-Ebene. Diese erfolgt
u.a. mit Oszilloskopen im Y/t-Betrieb, d.h. es werden Infor-
mationen über Amplituden und zeitliche Zusammenhänge
erkennbar. Allerdings lassen sich damit nicht alle Signale
ausreichend charakterisieren, wie z.B. bei der Darstellung einer
Signalform, die aus verschiedenen sinusförmigen Bestandteilen
zusammengesetzt ist. Mit einem Oszilloskop würde nur die
Kurvenform, d.h. Summe aller Bestandteile sichtbar werden,
die einzelnen Frequenz- und Amplituden-Anteile sind nicht
erfassbar und schon gar nicht quantifi zierbar
Ein Spektralanalysator stellt die Amplituden der einzelnen
Signalbestandteile über der Frequenz (Y/f) dar. Das zu er-
fassende Signal bzw. seine Anteile müssen sich periodisch
wiederholen.
Es gibt Oszilloskope, die mathematisch ein Fourier-Spektrum
berechnen und anzeigen können; obwohl dieses Leistungs-
merkmal für manche Anwendungsfälle ausreichen mag, wird
jedoch dadurch aus einem Oszilloskop niemals ein Spektral-
analysator, denn es verbleiben erhebliche Unterschiede, man
benötigt in der Praxis daher beide Geräte:
1. Die Empfi ndlichkeit eines Spektralanalysators ist um Grö-
ßenordnungen höher als die eines jeden Oszilloskops. Dies,
u.U. in Verbindung mit Punkt 2, ermöglicht überhaupt erst
die Analyse von Signalen, die mit einem Oszilloskop nicht
darstellbar sind.
2. Der Dynamikbereich eines Spektralanalysators liegt um
Größenordnungen über dem eines jeden Oszilloskops.
3. Ähnlich verhält es sich mit dem Nachweis von Verzerrungen
sinusförmiger Signale, dem Nachweis niedriger Amplitu-
den-Modulation und Messungen im Bereich der AM- und
FM-Technik, wie Trägerfrequenz, Modulationsfrequenz
oder Modulationsgradmessungen. Ebenso lassen sich
Frequenzkonverter in Bezug auf Übertragungsverluste und
Verzerrungen einfach charakterisieren.
4. Ein Oszilloskop verstärkt das gesamte Eingangssignal
breitbandig bis zur Anzeige auf der Bildröhre (beim Analo-
goszilloskop) oder bis zum A/D-Wandler (beim DSO). Große
Signalbestandteile oder hohe Störungen erzwingen eine
entsprechende Einstellung der Empfi ndlichkeit, so dass
schwache Signale bzw. Signalanteile nicht mehr erkenn-
bar sind. Eine Erhöhung der Empfi ndlichkeit ist in solchen
Fällen nicht möglich, da der Vertikalverstärker übersteuert
würde, wodurch Verzerrungen entstünden. (Ausnahme:
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Änderungen vorbehalten
Echte Differenzverstärker mit Offset können aus einem
großen Signal mit hoher Empfi ndlichkeit kleine Signalteile
vergrößert darstellen.)
Ein Spektralanalysator hingegen ist – wie noch ausgeführt
wird – ein äußerst aufwendiger durchstimmbarer Schmal-
bandempfänger mit einer hochwertigen Eingangsselektion
und mehrfacher Umsetzung mit den bekannten Vorteilen.
Er kann deswegen in Verbindung mit der logarithmischen
Anzeige auch in Gegenwart weit höherer Amplituden an-
derer Frequenzen sehr kleine Amplituden erkennen und
quantitativ auswerten.
5. Ein Spektralanalysator kann ein u. U. sehr breites Frequenz-
band gleichzeitig abbilden, wobei wegen der logarithmischen
Anzeige z.B. wie beim HM 5530 80 dB auf dem Bildschirm
dargestellt werden. Dies ist für viele Anwendungen wie z.B.
EMV-Messungen ein unschätzbarer Vorteil, u.a., weil die
Auswirkung von Maßnahmen über einen großen Frequenz-
bereich auf einen Blick erkennbar ist. Bei EMV-Arbeiten gibt
es z.B. den sog. „Wasserbett-Effekt", der besagt, dass die
Absenkung eines Frequenzbereiches oft eine Erhöhung in
einem anderen und damit in Summe nichts bewirkt; dies
sieht man sofort.
Spektralanalysatoren lassen sich nach zwei grundsätzlichen
Verfahren unterscheiden: gewobbelte bzw. abgestimmte sowie
Echtzeit-Analysatoren. Echtzeit-Analysatoren nach dem Prinzip
der diskreten Fouriertransformation bestehen aus der Paral-
lelschaltung einer Vielzahl von frequenzselektiven Indikatoren.
Es können dabei so viele diskrete Frequenzen zur Anzeige
gebracht werden, wie Filter vorhanden sind. Die Grenze der
Wirtschaftlichkeit wird hier je nach Anzahl und Güte der Filter
teilweise schnell erreicht.
Fast alle modernen Spektralanalysatoren arbeiten deshalb nach
dem Überlagerungsprinzip (Superheterodyn-Prinzip). Ein Ver-
fahren ist dabei, die Mittenfrequenz eines Bandpassfi lters über
den gewünschten Frequenzbereich abzustimmen. Ein Detektor
erzeugt dabei eine vertikale Ablenkung auf dem Bildschirm,
und ein durchstimmbarer Generator sorgt für die synchrone
Abstimmung der Filtermittenfrequenz und der Horizontalablen-
kung. Dieses einfache Prinzip ist relativ preiswert, hat jedoch
große Nachteile in Bezug auf Selektion und Empfi ndlichkeit;
unter anderem auf Grund der nicht konstanten Bandbreite bei
abgestimmten Filtern.
Die gebräuchlichen Spektralanalysatoren arbeiten nach dem-
selben Prinzip wie ein hochwertiger Radioempfänger und ver-
wenden für die Selektion ein (oder mehrere) Bandpassfi lter mit
fester Mittenfrequenz. Es lässt zu jedem Zeitpunkt denjenigen
Anteil der zu analysierenden Funktion passieren, für den gilt:
f inp(t) = f LO(t) ± f ZF.
Durch die Umsetzung auf eine feste Zwischenfrequenz werden
die Nachteile des Systems mit abstimmbarem Bandpassfi lter
umgangen.
Der nutzbare Frequenzbereich und die Grenzempfi ndlichkeit
eines Spektralanalysators hängen zum größten Teil vom Kon-
zept und der technischen Ausführung des Eingangsteils ab.
Das HF-Eingangsteil wird durch die Komponenten Eingangs-
abschwächer, Eingangsfi lter, Mischer und Umsetzoszillator
(LO) bestimmt.