Рассмотрена схема устройства, позволяющего избирательно извлечь ту или иную гармонику сложного спектра периодического входного низкочастотного сигнала произвольной формы, поступающего на вход устройства. Поставленная цель достигается использованием перестраиваемого по частоте резонансного фильтра. В итоге на выходах устройства может быть получен сигнал синусоидальный формы, соответствующий той или иной гармонике исходного сигнала, а также ему отвечающий биполярный сигнал прямоугольной формы цифрового уровня.
Как известно, периодический сигнал произвольной формы представляет собой сумму гармоник с различными весовыми коэффициентами [1]. Так, например, импульсы прямоугольной или пилообразной формы могут быть представлены в виде рядов Фурье; такие импульсы содержат только нечетные гармоники, Рисунок 1. Сигнал идеальной синусоидальный формы содержит только основную, первую гармонику.
 |
|
| Рисунок 1. | Ряды Фурье для описания периодических сигналов различной формы. |
Для анализа периодических сигналов сложной формы используют спектроанализаторы – малодоступные и дорогостоящие приборы. Описываемое в статье устройство, Рисунок 2, позволяет произвести первичную оценку свойств изучаемого сигнала, а именно, выделить и измерить уровень той или иной гармоники низкочастотного периодического сигнала.
Так, например, при входном сигнале любой формы частотой, например, 1 кГц, с помощью данного устройства могут быть выделены и оценены уровни гармоник от первой до, как минимум, двадцатой. Помимо прочего, селектор гармоник, Рисунок 2, может быть использован как своеобразный умножитель частоты входного сигнала произвольной формы.
 |
|
| Рисунок 2. | Селектор гармоник-умножитель частоты периодических сигналов. |
Селектор гармоник содержит два основных узла, первый из которых является перестраиваемым по частоте в широких пределах низкочастотным избирательным фильтром, выполненном на операционном усилителе DA1.1 микросхемы LM3403 [2]. Второй узел устройства на компараторе DA2.1 микросхемы LM339 предназначен для преобразования выделенного фильтром сигнала в выходные биполярные сигналы прямоугольной формы цифрового уровня.
На Рисунке 3 приведен пример двухкаскадного умножителя частоты, позволяющего выделить из выпрямленного синусоидального сигнала частотой f0 сигналы синусоидальной формы и биполярные сигналы прямоугольной формы с частотой (1, 2, 3, 4, 5…)f0.
 |
|
| Рисунок 3. | Двухкаскадный умножитель частоты периодических сигналов: 1) генератор синусоидальных сигналов; 2) первый селектор гармоник; 3) второй селектор гармоник. |
При использовании селектора гармоник изучаемый сигнал подают на вход устройства. К выходу устройства подключают осциллограф и/или частотомер и вольтметр переменного тока. Регулировкой потенциометра R3, Рисунок 2, поочередно выделяют ту или иную гармонику входного сигнала и оценивают его частоту и амплитуду. Разумеется, такой экзотический способ анализа спектра мало продуктивен и требует использования внешних измерительных приборов. Однако при последующем развитии способа, а именно автоматической развертке резонансной частоты фильтра с контролем соответствующий амплитуды регистрируемого сигнала по двумерной индицирующий шкале могут быть созданы портативные спектроанализаторы.
Так, для периодических сигналов прямоугольной или пилообразной формы с помощью данного устройства могут быть выделены нечетные гармоники, и на выходе устройства получены как сигналы синусоидальной формы, отвечающие этим гармоникам, так и биполярные сигналы прямоугольной формы с частотой 1, 3, 5… исходного сигнала. Таким образом устройство может быть использовано в качестве своеобразного умножителя частоты периодических сигналов низкой частоты.
Литература
- Воробьев Н.Н. Теория рядов. М.: Наука, 1979, 408 с.
- Shustov M.A. Simple low-pass filters tunable with a single potentiometer // EDN. July 1, 2024.
Купить LM339 на РадиоЛоцман.Цены
