|
(poor mans) spectrum analyser
|
spectrum analyser
|
Een "spectrum analyser" is een meetinstrument om signaalsterkte visueel weer te geven in het frequentiedomein. Met andere woorden is er een scherm met op de horizontale as de frequentie waarbij links de laagste frequentie is en rechts de hoogste frequentie. In de hoogte wordt de signaalsterkte weergegeven. Zonder signaal zal er dus een horizontale lijn zichtbaar zijn omdat er niets wordt opgevangen. Als er een zuivere sinus wordt ontvangen van bijvoorbeeld 1MHz, zal er bij 1MHz een verticale piek zichtbaar zijn. De hoogte van de piek representeert de sterkte van het signaal. Aan de weergave is vaak ook te meten. Zou je een radiofrequent signaal van een zender meten, kan je bijvoorbeeld ongewenste signalen zichtbaar maken. Als er bijvoorbeeld harmonischen (veelvoud van de grondgolf) zijn, zijn deze zichtbaar te maken en te meten of de ongewenste signalen binnen de gestelde limiet zijn.
Als er een "tracking generator" ingebouwd is, wordt er niet alleen het ontvangen signaal zichtbaar gemaakt, maar ook een signaal gegenereerd. De generator genereert een signaal dat een gelijke sterkte die mee loopt met de weergave. Met andere woorden wordt er door de generator een signaal gegenereerd op de frequentie dat op dat moment door de analyser wordt gemeten. Als je de generator met de analyser verbind, zal er dus een rechte lijn ontstaan omdat het gegenereerde signaal even sterk is over het hele frequentiebereik. Zet je tussen de generator en de analyser een werkstuk zoals een filter, is bijvoorbeeld de demping te meten bij de corresponderende frequentie. Zo kan je radiofrequente filters afregelen zodat de flank bij de juiste frequentie is. Wil je dat een laagdoorlaatfilter tot 30MHz doorlaat, is dit zichtbaar te maken. Door de spoel(en) en condensator(en) te variëren kan je de steilheid van de flank wijzigen, de frequentie van de flank en de doorlaatdemping meten. De combinatie van een tracking generator met spectrum analyser wordt ook wel een network analyser genoemd omdat zo een netwerk(je) doorgemeten kan worden.
|
|
aanschaf
|
|
Waarschijnlijk droomt, net als ik, iedere andere experimenteel radio-onderzoeker over het bezit van een spectrum analyser. Helaas zijn deze apparaten vaak te duur voor hobbygebruik. Niet heel lang geleden kostten nieuwe goede analysers nog €80.000,00 per stuk. Als je geluk hebt kan je in het bezit komen van een oude analyser die bij bedrijven zijn afgeschreven, maar dit geluk is niet voor iedereen binnen bereik. Door nieuwe technieken zijn er ondertussen al wel spectrum analysers op de markt die voor "de gewone man" betaalbaar zijn. Met de komst van de Rigol DSA-815 heeft een kleine aardverschuiving plaatsgevonden. Deze digitale spectrum analyser (DSA) is mét tracking generator al onder €1.600,00 te koop. Ja, het is en blijft veel geld, maar het is betaalbaar. Helaas vind ik dit nog te veel geld en blijf ik even verder dromen.Als je de Rigol DSA-815(-TG) koopt, neem de tracking generator erbij! Dit is namelijk geen optie die later in te bouwen is. Spaar even door voor de TG versie en je zal er geen spijt van krijgen. De TG genereert het RF signaal om bijvoorbeeld radiofrequente filters door te kunnen "fluiten" ofwel de doorlaat over het hele frequentiespectrum te kunnen meten.
|
|
"poor mans network analyser"
|
|
Het is mogelijk om met een oscilloscoop en sweep generator (wobbel generator) een goedkope spectrum analyser te maken. Nou ja, eigenlijk network analyser omdat je met deze methode filters door kan "fluiten" en het niet mogelijk is om zonder signaalbron in het frequentiedomein het signaal weer te kunnen geven. Daarbij is het ook niet mogelijk om goede metingen te kunnen verrichten aan het gedrag. Waarom zou je dan deze "surrogaat methode" gebruiken? Wel, vaak is het al voldoende om het gedrag van een filter zichtbaar te maken zonder er daadwerkelijk aan te meten. Als er echt nauwkeurig gemeten moet worden, is er altijd wel een échte spectrum analyser (op een meetavond) te vinden. Tot dat moment volstaat het vaak om het filtergedrag alleen al zichtbaar te maken.
|
|
werking
|
|
Een oscilloscoop meet in het tijd domein en niet in het frequentiedomein. De verticale weergave van een oscilloscoop is net als een spectrum analyser de amplitude ofwel signaalsterkte. Door het toepassen van een kleine "goocheltruc" is het mogelijk om toch op de horizontale as met de tijd de frequentie te krijgen. De oscilloscoop "schrijft" van links naar rechts. Als er een lage frequentie wordt gegenereerd als de "schrijver" van het scherm is en de frequentie oploopt totdat de rechterkant van het scherm is bereikt, is de basis al gelegd. Zou je de gegenereerde frequentie op de ingang van de scoop zetten, zou links van het scherm de amplitude van de lage frequentie zichtbaar zijn en naar mate de schrijver naar recht gaat, wordt de frequentie opgehoogd maar veranderd de frequentie niet. Dit is wat abstract, maar feitelijk wel de werking. Ik heb twee methoden hieronder weergegeven hoe dit in de praktijk te realiseren is. Waarschijnlijk wordt de werking dan ook duidelijker.
|
|
de "zaagtand methode"
|
De sweep generator geneert het signaal. Dit begint bij de gewenste lage frequentie en versnelt tot de ingestelde hoogste frequentie waarna deze cyclus zich herhaalt. Nu is het de bedoeling dat de oscilloscoop hiermee synchroon loopt. Als je een luxere sweep generator hebt, zal er een zaagtand signaal worden opgewekt. Deze loopt synchroon met de gegenereerde frequentie. Vaak doordat deze zaagtand de frequentie gestuurde oscillator aanstuurt. Wanneer dit zaagtand signaal in de scoop wordt gestopt, kan dit als "trigger" worden gebruikt. Hierdoor zal het rollende beeld stil staan. Door de tijdbasis van de oscilloscoop te variëren is het de bedoeling dat de zaagtand precies één keer in het scherm past. Bij het laagste punt van de zaagtand is de opgewekte frequentie het laagst. Bij de hoogste punt van de zaagtand is de frequentie het hoogst. Als de sweep generator van 2 tot 20 MHz genereert, zal dus links van het scherm 2MHz zijn en rechts van het scherm 20MHz. De sweep generator genereert de frequentie die we nodig hebben. Stop deze frequentie in een te testen werkstuk zoals een filter en sluit de andere kant van het werkstuk aan op de tweede ingang van de oscilloscoop. Nu wordt de doorlaat van het werkstuk zichtbaar. Door aan de gevoeligheid van de ingang te draaien, kan de amplitude mooi in beeld worden gebracht. Het is geen lijn zoals bij een echte spectrum analyser, maar een in elkaar gedrukte sinus. Als het beeld te veel knippert, kan de sweep snelheid van de sweep generator worden verhoogd totdat er een rustiger beeld ontstaat. Uiteraard moet de tijdbasis hiermee ook weer opnieuw in worden gesteld. Als je logische frequenties kiest, is het mogelijk om door het tellen van de divisies op het scherm de corresponderende frequentie kan herleiden.
Afijn, zo is het met eenvoudig(st)e en goedkope middelen mogelijk om het gedrag van filters zichtbaar te maken.
|
|
de "VCF methode"
|
Goedkopere sweep oscillatoren maken gebruik van DDS techniek. Dit is een frequentie die wordt gegenereerd door een chip in plaats van een "echte" oscillator. Als je op de frequentie inzoomt zal zichtbaar zijn dat het geen vloeiende lijn is, maar fragmenten van lijn stukjes die de sinus samenstellen. Deze techniek is veel toegepast omdat het veel goedkoper is. Dit is niet bezwaarlijk, maar helaas ontbreekt het zaagtand signaal omdat er geen spanningsgestuurde oscillator aanwezig is maar een chip. Synchronisatie vanuit de sweep generator wordt nu lastiger. Maar er is een andere methode. Veel oscilloscopen hebben een referentie uitgang. Als de schrijver links op het scherm is, wordt er een 0V signaal uitgestuurd en als de schrijver rechts op het scherm is, wordt er 10V uitgestuurd. Deze zaagtand herhaald zich elke schrijfbeweging op het scherm. Met ander woorden, een perfect synchronisatiesignaal. Het voordeel is dat de synchronisatie aan de tijdbasis gekoppeld is en ongestraft de tijd gewijzigd kan worden omdat de synchronisatie hiermee versnelt of vertraagd. Een DDS sweep generator heeft vaak wel een VCF ingang. Ofwel een Voltage Controlled Frequency (spanningsgestuurde frequentie). Bij aanbieden van 0V wordt de laagste frequentie gegenereerd en bij 10V de hoogste frequentie. Tada! Neem het zaagtand signaal van de oscilloscoop en gebruik deze om de op te wekken frequentie te generen in de sweep generator. Voor de rest is de werking gelij aan de "zaagtand" methode zoals hierboven beschreven. Deze methode is waarschijnlijk prettiger in gebruik omdat de synchronisatie altijd gelijk loopt. Controleer wel of de uitgangsspanning van de oscilloscoop overeenkomt met de ingang van de sweep generator. Mogelijk moet met een netwerk van weerstanden de spanning gereduceerd worden zodat het op elkaar aan te sluiten is.
|
|
hogere frequenties
|
Helaas gaan de meeste sweep generatoren maar tot 2 of 20MHz. Dus het doorfluiten van audiofrequente filters gaat prima, maar een radiofrequent filter wordt lastiger. Daarom is het mogelijk om in plaats van een sweep generator een VCO te gebruiken. Een VCO is een Voltage Controlled Oscillator die op basis van een ingangsspanning een frequentie kan genereren. Tot héél hoge frequenties. Neem het zaagtand signaal van je oscilloscoop en gebruik dit om de VCO aan te sturen. En aan de andere kant komt een gewenst radiofrequent signaal er uit. Let er wel op de spanningen overeen komen!
Hopelijk kan je hier iets mee of is het inspirerend om er verder mee te gaan!
|
|