1
Elektronika pro zpracov´ an´ı optick´ eho sign´ alu
V´ ybˇer elektroniky a detektor˚ u pro mˇeˇren´ı optick´eho sign´alu je odvisl´e od toho, jak´ y sign´al budeme detekovat. V prvn´ı ˇradˇe je potˇreba vˇedˇet, jak´ ych intenzit sign´al dosahuje, aby jsme nezniˇcili detektor. D´ale mus´ıme zn´at rozmez´ı intenzit, aby mˇel detektor dostateˇcnou pˇresnost. Co se t´ yˇce ˇcasov´ ych vlastnost´ı bychom mˇeli sledovat, zda je sign´al postupnˇe se mˇen´ıc´ı (kontinu´aln´ı) a nebo pulzn´ı a k jak rychl´ ym zmˇen´am optick´eho v´ ykonu doch´az´ı. Detektory mohou m´ıt r˚ uzn´e v´ ystupy. Vˇetˇsinou se mˇen´ı v´ ystupn´ı napˇet´ı podle dopadaj´ıc´ı intenzity. Podle toho, jak je kter´ y detektor ”rychl´ y”, tak m˚ uˇze sledovat rychlejˇs´ı zmˇeny optick´eho sign´alu. Pro zaj´ımavost, rychlost svˇetla ve vakuu je pˇribliˇznˇe 300 000 km/s. V optick´em vl´aknˇe o indexu lomu 1.5 uraz´ı svˇetlo jeden metr pˇribliˇznˇe za 5 ns. Stejnou dobu potˇrebuje i elektrick´ y impulz v koaxi´aln´ım kabelu.
1.1
Detektory
Existuje mnoho druh˚ u detektor˚ u svˇetla, ty se daj´ı rozdˇelit do tˇr´ı skupin – fotonov´e, term´aln´ı a koherentn´ı detektory. Fotonov´ e detektory reaguj´ı pˇr´ımo na jednotliv´e fotony, tedy dopad fotonu vyvol´a nˇejakou chemickou nebo elektrickou odezvu. Nejzn´amˇejˇs´ım fotonov´ ym detektorem je oko. Aktivn´ımi detekˇcn´ımi prvky oka jsou dva druhy svˇetlocitliv´ ych bunˇek - tyˇcinky a ˇc´ıpky. Dopad fotonu na tyto buˇ nky vyvol´a nervov´ y vzruch. Odezva oka je pˇr´ıpad od pˇr´ıpadu jin´a, tˇeˇzko se pomoc´ı nˇej mohou prov´adˇet nˇejak´a opakovateln´a mˇeˇren´ı. Proto se vyvinula fotografie, metoda z´aznamu optick´e informace. U fotografie doch´az´ı vlivem dopadaj´ıc´ıho z´aˇren´ı k chemick´e reakci, kter´a m´a za n´asledek zˇcern´an´ı zrn halidu stˇr´ıbra ve fotografick´e emulzi. Fotografie uˇz je reprodukovateln´a a na nˇekter´e aplikace dosud nenahraditeln´a metoda, nicm´enˇe se hledal proces detekce, kter´ y by n´am uk´azal v´ ysledek hned bez nutnosti dalˇs´ıho chemick´eho vyvol´av´an´ı. Pˇri fotoelektrick´em jevu (fotoefektu) je z krystalov´e mˇr´ıˇzky materi´alu detektoru uvolnˇen elektron po dopadu fotonu. Pˇri vnˇejˇs´ım fotoefektu je elektron z kovu vytrˇzen do voln´eho prostoru, v pˇr´ıpadˇe vnitˇrn´ıho fotoefektu je elektron excitov´an z valenˇcn´ıho do vodivostn´ıho p´asu polovodiˇce a vznikne p´ar voln´ ych nosiˇc˚ u n´aboje – elektron se z´aporn´ ym a d´ıra s kladn´ ym n´abojem (obr. 1).
a)
b)
- Volný elektron Nejbližší vyšší pás
Vakuum
W
- Volný elektron
c)
Vakuum
Vodivostní pás -
W
h Fermiho h hladina Vodivostní pás kovu
h
Eg
+ + Valenční pás polovodiče
Obr´azek 1: a) Vnˇejˇs´ı fotoefekt v kovu, b) vnˇejˇs´ı fotoefekt v polovodiˇci, c) vnitˇrn´ı fotoefekt v polovodiˇci.
1
Detektory vyuˇ z´ıvaj´ıc´ı vnitˇ rn´ı fotoefekt Fotoodpor zmˇena n´ar˚ ustu vodivost polovodiˇce u ´mˇern´a poˇctu generovan´ ych voln´ ych nosiˇc˚ u vznikl´ ych excitac´ı dopadaj´ıc´ıch foton˚ u Fotodioda nˇekolik r˚ uzn´ ych funkˇcn´ıch zapojen´ı, vˇetˇsinou se sleduje n´ar˚ ust napˇet´ı na pn pˇrechodu, excitace voln´ ych nosiˇc˚ u prob´ıh´a na rozhran´ı dvou r˚ uznˇe dotovan´ ych polovodiˇc˚ u (ochuzen´a vrstva) Lavinov´ a fotodioda APD, polovodiˇcov´ y p-n pˇrechod pod napˇet´ım, kter´e urychluje generovan´e nosiˇce n´aboje tak, ˇze mohou n´arazovˇe (kinetickou energi´ı) excitovat dalˇs´ı voln´e nosiˇce Detektory vyuˇ z´ıvaj´ıc´ı vnˇ ejˇ s´ı fotoefekt Fotonka nejjednoduˇsˇs´ı konstrukce sest´avaj´ıc´ı se z fotokatody, kde doch´az´ı k excitaci elektron˚ u do vakua, a anody, kde doch´az´ı k zachyt´av´an´ı voln´ ych elektron˚ u Foton´ asobiˇ c mezi katodou a anodou je nav´ıc soustava dynod pod sp´adov´ ym napˇet´ım, elektrony jsou urychlov´any napˇet´ım, po dopadu na dynodu vytvoˇr´ı sprˇsku sekund´arn´ıch elektron˚ u, pˇri ˇs´ıˇren´ı na anodu doch´az´ı k lavinov´emu n´asoben´ı Multikan´ alov´ a destiˇ cka MCP, mezi katodou a anodou je m´ısto dynod trubiˇcka s vnitˇrn´ı stˇenou z materi´alu s vysokou sekund´arn´ı emisivitou, je zachov´ano prostorov´e rozliˇsen´ı Term´ aln´ı detektory, jak uˇz n´azev napov´ıd´a, sleduj´ı zmˇenu teploty senzoru, kterou ˇ ım v´ıce foton˚ zp˚ usob´ı dopad foton˚ u. C´ u je materi´alem absorbov´ano, t´ım v´ıce se ohˇreje. Teplotn´ı zmˇena se nemˇeˇr´ı pˇr´ımo, ale podle u ´ˇcinku na jinou vlastnost materi´alu, napˇr´ıklad s teplotou se mˇen´ı vodivost. V urˇcit´ ych oblastech, napˇr´ıklad v okol´ı supravodiv´e teploty materi´alu, je tato z´avislost tak strm´a, ˇze lze pomoc´ı specializovanˇejˇs´ıch term´aln´ıch detektor˚ u zaznamenat i jednotliv´e fotony (energie fotonu E = hν = hc/λ). Nev´ yhodou term´aln´ıch detektor˚ u je jejich mal´a rychlost, ta je omezena rychlost´ı veden´ı tepla v materi´alu, kter´a je podstatnˇe menˇs´ı neˇz rychlost elektrick´eho sign´alu. Tento typ detektoru tedy nelze pouˇz´ıt pro anal´ yzu rychl´ ych pulzn´ıch dˇej˚ u. Posledn´ı skupinou jsou koherentn´ı detektory, ty reaguj´ı pˇr´ımo na zmˇenu velikosti elektrick´eho pole sign´alu a jsou schopny urˇcit f´azi dopadaj´ıc´ıho z´aˇren´ı. Jsou pouˇziteln´e od dlouhovlnn´e oblasti viditeln´eho spektra pˇres infraˇcerven´e z´aˇren´ı aˇz po r´adiov´e vlny. Funkˇcn´ı souˇca´st´ı tˇechto detektor˚ u je lok´aln´ı oscil´ator, harmonick´ y sign´al o stejn´e frekvenci jako m´a mˇeˇren´e z´aˇren´ı. Lavinov´ a fotodioda v Geigerovˇ e m´ od˚ u (APD) APD je jeden z detektor˚ u schopn´ ych registrovat jednotliv´e fotony. Ochuzen´a vrstva polovodiˇcov´eho pˇrechodu je pod vysok´ ym z´avˇern´ ym napˇet´ım. Dopad jednoho fotonu s urˇcitou pravdˇepodobnost´ı (typicky 50-70%) excituje elektron z valenˇcn´ıho do vodivostn´ıho p´asu, vznikne p´ar voln´ ych nosiˇc˚ u n´aboje elektron a d´ıra. Ty jsou vlivem siln´eho elektrick´eho pole urychlov´any, kaˇzd´ y opaˇcn´ ym smˇerem, viz obr. 2. Cestou se sr´aˇz´ı s okoln´ı krystalovou mˇr´ıˇzkou. Pokud je dr´aha urychlov´an´ı dostateˇcnˇe velk´a, mohou elektron i d´ıra z´ıskat takovou energii, ˇze n´arazem do mˇr´ıˇzky excituj´ı dalˇs´ı voln´e nosiˇce. Ty jsou tak´e urychlov´any a mohou excitovat. Vznik´a tak lavina, kter´a se m˚ uˇze ˇs´ıˇrit obˇema smˇery, podle obr´azku jsou elektrony urychlov´any 2
doprava a d´ıry doleva. Pokud by nebylo urychlovac´ı napˇet´ı vˇcas odpojeno, potom by mohlo pˇr´ıliˇs velk´e mnoˇzstv´ı pohybuj´ıc´ıch se voln´ ych nosiˇc˚ u teplotnˇe poˇskodit detektor. Proto mus´ı b´ yt tyto typy detektor˚ u vybaveny elektronikou, kter´a toto odpojen´ı zajist´ı. Po urˇcitou dobu potom nen´ı schopen detektor znovu pracovat, protoˇze se voln´e nosiˇce mus´ı z ochuzen´e oblasti odstranit, mus´ı zrekombinovat. Pokud by po opˇetovn´em zapojen´ı urychlovac´ıho napˇet´ı v oblasti z˚ ustaly voln´e nosiˇce, mohli by spustit detekˇcn´ı lavinu, aniˇz by dopadl foton (afterpulz). K nechtˇen´e detekci bez dopadu fotonu m˚ uˇze doj´ıt i d´ıky term´aln´ı excitaci nosiˇc˚ u n´aboje (temn´e detekce). APD nedok´aˇz´ı urˇcit poˇcet dopadaj´ıc´ıch foton˚ u v pulzu, zesilovac´ı ˇsum je natolik velk´ y, ˇze tuto informaci nelze z´ıskat. Proto se tˇemto detektor˚ u ˇr´ık´a bin´arn´ı, bud’ na nˇe nedopadlo nic a nedaj´ı ˇz´adnou odezvu, nebo na nˇe dopadne jeden a v´ıce foton˚ u, kter´e spust´ı lavinu a v´ ystupn´ı napˇet’ov´ y TTL pulz. -4
10
-
10
-6
3 + h +
Oblast zisku
10 Urychlení elektronu
-
1
Excitace
+
Urychlení díry
Proud [A]
p
Temný proud Fotoproud
-5
Excitace
-2 +
n
10
10 10 10
Ec
10
Ev
-8
-9
Průrazné napětí
-10
10
Eg
-7
-11
Destrukční napětí
-12
10
15
20
25
30
Závěrné napětí [V]
x
Obr´azek 2: Vlevo princip lavinov´eho n´asoben´ı poˇctu voln´ ych nosiˇc˚ u, vpravo z´avislost v´ ystupn´ıho proudu na velikosti z´avˇern´eho napˇet´ı u lavinov´e fotodiody.
1.2
Moduly TAC/SCA
V nˇekter´ ych aplikac´ıch je potˇreba rozliˇsit takov´e fotonov´e ud´alosti, kter´e se ud´aly ve stejn´ y okamˇzik, tj. kdy dva detektory registruj´ı souˇcasnˇe foton. Velmi kr´atk´e ˇcasov´e intervaly lze tˇeˇzko rozliˇsovat, pokud je ˇs´ıˇrka elektrick´ ych v´ ystupn´ıch pulz˚ u delˇs´ı, mus´ı se br´at v potaz pouze n´abˇeˇzn´a hrana tˇechto pulz˚ u. Pro odfiltrov´an´ı souˇcasn´ ych detekc´ı (koincidenc´ı) se pouˇz´ıv´a dvojice elektronick´ ych modul˚ u TAC a SCA. TAC Time to Amplitude Convertor pˇrev´ad´ı ˇcasov´e zpoˇzdˇen´ı dvou sign´al˚ u na velikost (amplitudu) napˇet’ov´eho pulzu SCA Single Chanel analyzer potom prov´ad´ı selekci tˇechto pulz˚ u, vyb´ır´a pouze takov´e pulzy s napˇet´ım v urˇcit´em rozsahu tzv. koincidenˇcn´ıho okna Pˇri elektronick´em pˇrenosu sign´alu o fotonov´e detekci se pouˇz´ıv´a dvoj´ı norma, TTL a NIM. TTL znaˇc´ı kladn´e napˇet’ov´e pulzy, APD vˇetˇsinou produkuj´ı pulzy o napˇet´ı 5 V a trv´an´ı 20 ns. Dalˇs´ım moˇzn´ ym zp˚ usobem jsou proudov´e NIM pulzy se z´aporn´ ym napˇet´ım 1 V. Souˇcinnost modul˚ u TAC a SCA m´a tento sc´en´aˇr (obr.3): Fotonov´e detektory produkuj´ı kladn´e TTL pulzy, jelikoˇz modul TAC zpracov´av´a NIM pulzy, mus´ı doj´ıt k pˇrevr´acen´ı 3
pulz˚ u z detektor˚ u pomoc´ı jednoduch´eho pˇrevraceˇce TTL/NIM. Pulz z jednoho detektoru se definovan´ ym zp˚ usobem zpozd´ı, elektrick´ y sign´al projde delˇs´ım koaxi´aln´ım kabelem (5 ns na metr). Nezpoˇzdˇen´ y pulz z doln´ıho detektoru funguje jako start pulz, po jeho registraci zaˇcne modul line´arnˇe zvyˇsovat napˇet´ı. V okamˇziku, kdy dopadne zpoˇzdˇen´ y pulz z horn´ıho detektoru, se n´ar˚ ust napˇet´ı zastav´ı na urˇcit´e hodnotˇe a modul TAC vyˇsle na v´ ystup kladn´ y napˇet’ov´ y TTL pulz tohoto napˇet´ı (v rozmez´ı 0 aˇz 10 V). Tento pulz je n´aslednˇe zpracov´an modulem SCA. V nˇem nastav´ıme polohu koincidenˇcn´ıho okna podle d´elky zpoˇzdˇen´ı koaxi´aln´ıho kabelu, ˇs´ıˇrku koincidenˇcn´ıho okna nastav´ıme podle potˇreb experimentu. Jen pulzy s takovou velikost´ı, kter´a bude splˇ novat vymezen´e hodnoty napˇet´ı koincidenˇcn´ıho okna budou registrov´any, to znamen´a, ˇze pouze v tomto pˇr´ıpadˇe vyˇsle modul SCA v´ ystupn´ı TTL pulz. Pro dalˇs´ı zpracov´an´ı (naˇc´ıt´an´ı) je potˇreba opˇet pˇreklopit TTL pulzy na NIM. Naˇc´ıt´an´ı se prov´ad´ı modulem Dual Counter and Timer, z nˇehoˇz putuj´ı data o poˇctu souˇcasn´ ych koincidenc´ı za urˇcit´ y ˇcas do poˇc´ıtaˇce.
zpoždění
0V
PC
counter
10 V
TTL/NIM
stop
SCA
start
TTL/NIM
detektory
TAC
Obr´azek 3: Princip zapojen´ı modul˚ u TAC a SCA pro zjiˇstˇen´ı souˇcasn´ ych detekc´ı (koincidenc´ı).
1.3
Osciloskop
Zpracov´an´ı jednofotonov´ ych ud´alost´ı pomoc´ı elektronick´ ych modul˚ u je specializovan´a detekˇcn´ı metoda. Pokud chceme zmˇeˇrit sign´al z ostatn´ıch detektor˚ u, kter´e pˇrev´ad´ı zmˇenu optick´e intenzity na zmˇenu elektrick´eho napˇet´ı, staˇc´ı n´am nˇejak´e zaˇr´ızen´ı k tomu urˇcen´e. Univerz´aln´ı zaˇr´ızen´ı tohoto druhu je osciloskop - mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroj pro zobrazen´ı pr˚ ubˇeh˚ u (periodick´ ych) elektrick´ ych sign´al˚ u. Z´akladem analogov´eho (bˇeˇznˇe jiˇz nepouˇz´ıvan´eho) osciloskopu je vakuov´a obrazovka (obr. 4). Elektrony emitovan´e ze ˇzhaven´e katody jsou urychlov´any a fokusov´any v u ´zk´ y svazek smˇeˇruj´ıc´ı na st´ın´ıtko pokryt´e luminoforem, kter´ y generuje v m´ıstˇe dopadu svazku z´ablesk. Elektronov´ y svazek je elektrostaticky smˇerov´an dvojic´ı vychylovac´ıch elektrod X a Y. Na vychylovac´ı desky ve smˇeru Y pˇriv´ad´ıme mˇeˇren´ y sign´al, na X pilovit´e napˇet´ı z vnitˇrn´ıho gener´atoru zvan´eho ˇcasov´a z´akladna. Seˇcten´ım obou sloˇzek vznikne na st´ın´ıtku stopa mˇeˇren´eho pr˚ ubˇehu (obr. 5). Paprsek pˇri zpˇetn´em n´avratu ve smˇeru X (pro pilovit´e 4
Y
X
katoda
(zdroj e-)
Wehneltův válec 1. anoda 2. anoda (zaostřovací) (urychlovací) (mřížka) (jas)
3. anoda (urychlovací a sběrná)
Obr´azek 4: Schema osciloskopick´e obrazovky. napˇet´ı) je zatemnˇen na nulov´ y jas. Aby se zobrazen´ y pr˚ ubˇeh po st´ın´ıku vodorovnˇe neposouval, je nutno synchronizovat periodu vnitˇrn´ı ˇcasov´e z´akladny s periodou mˇeˇren´eho pr˚ ubˇehu. Synchronizace (trigger) je zpravidla odvozena z mˇeˇren´eho sign´alu (´ uroveˇ n nebo hrana), pro zobrazen´ı cel´e periody je proto nutno mˇeˇren´ y sign´al zpozdit (chceme zobrazit pr˚ ubˇeh i kousek pˇred synchronizaˇcn´ı ud´alost´ı). St´ın´ıtko osciloskopu je kalibrovan´e, takˇze je moˇzno odeˇc´ıtat (mˇeˇrit) hodnoty v obou os´ach. Blokov´e schema osciloskopu je na obr. 6. V´ıcekan´alov´e osciloskopy lze kromˇe norm´aln´ıho zp˚ usobu pˇrepnout i do reˇzimu X-Y, pˇri kter´em se na vodorovnou osu m´ısto pilovit´eho napˇet´ı pˇriv´ad´ı sign´al z nˇekter´eho vstupu. Tak je moˇzn´e na st´ın´ıtku kreslit libovoln´e uzavˇren´e (zpˇetn´ y bˇeh nen´ı definov´an a proto nem˚ uˇze b´ yt zatemnˇen) obrazce. Nˇekter´e osciloskopy umoˇzn ˇuj´ı vzorkovac´ı reˇzim pro mˇeˇren´ı velmi vysok´ ych frekvenc´ı (obr. 7). Souˇcasn´e osciloskopy vyuˇz´ıvaj´ı digit´aln´ı techniku - na vstupu obsahuj´ı pˇresn´e A/D pˇrevodn´ıky (elektronick´ y blok, do kter´eho pˇriv´ad´ıme spojit´ y sign´al a na v´ ystupu je ˇc´ıslo odpov´ıdaj´ıc´ı okamˇzit´e hodnotˇe (napˇet´ı) vstupn´ıho sign´alu v diskretn´ıch okamˇzic´ıch (vzorc´ıch)). D´ale se jiˇz pracuje s ˇc´ıseln´ ymi hodnotami se vˇsemi v´ yhodami z toho plynouc´ımi, zejm´ena je moˇzno sledovat jednor´azov´e pr˚ ubˇehy, prov´adˇet r˚ uzn´e matematick´e operace atd. Osciloskopy jsou charakterizov´any nejr˚ uznˇejˇs´ımi parametry (napˇr. vzorkovac´ı frekvence), jejichˇz kvalita je zpravidla u ´mˇern´a cenˇe. Pˇri mˇeˇren´ı je zejm´ena d˚ uleˇzit´e nepˇrekroˇcit povolen´e napˇet´ı na vstupech osciloskopu.
1.4
Spektr´ aln´ı analyz´ ator elektrick´ ych sign´ al˚ u
Bˇeˇzn´ y periodick´ y ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh sign´alu fyzik´aln´ı veliˇciny s(t) = s(t + T ) m˚ uˇzeme rozloˇzit na souˇcet harmonick´ ych funkc´ı (Fourier˚ uv rozklad)
s(t) =
∞ X
Cn e2πjnfo t ; fo =
n=−∞
1 ; j 2 = −1 T
Obecnˇe komplexn´ı koeficienty Cn se vypoˇc´ıtaj´ı ze vztahu 5
měřený signál (Y)
zpětný běh paprsku zatemněn
pilovité napětí (X)
Obr´azek 5: Skl´ad´an´ı sign´al˚ u na obrazovce osciloskopu.
Cn =
T /2 Z
s(t)e−2πjnfo t dt.
−T /2
Limita pro nekoneˇcnou periodu T → ∞ je Fourierova transformace (FT) (koeficienty Cn pˇrech´azej´ı ve spojitou funci S(f ) ), Z∞
s(t) =
−∞ Z∞
S(f ) =
S(f )e2πjf t df, s(t)e−2πjf t dt.
−∞
Soubor hodnot Cn (S(f ), pˇr´ıpadnˇe zde neuveden´e diskretn´ı verze DFT) naz´ yv´ame (fourierovsk´ ym) spektrem. Spektr´aln´ı analyz´ator je potom mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroj pˇr´ımo zobrazuj´ıc´ı fourierovsk´e spektrum vstupn´ıho sign´alu. Abychom dostali jeden bod amplitudy spektra funkce potˇrebujeme podle definice cel´ y ˇcasov´ y sign´al oˇrezat u ´zkop´asmov´ ym filtrem o jedin´e frekvenci a zmˇeˇrit amplitudu v´ ysledku (´ umˇern´a stˇredn´ı nebo efektivn´ı hodnotˇe) (obr´azek 8). Pro z´ısk´an´ı cel´eho spektra mus´ıme m´ıt pˇreladiteln´ y kmitoˇctov´ y filtr nebo sadu pevn´ ych filtr˚ u pro v´ıce frekvenc´ı, pracuj´ıc´ıch ’ ’ bud postupnˇe nebo souˇcasnˇe (postupn´e pˇrelad ov´an´ı znamen´a nutnost vyuˇz´ıt v´ıce zvolen´ ych period koneˇcn´eho nebo nekoneˇcn´eho periodick´eho sign´alu). Pˇreladiteln´ yu ´zkop´asmov´ y filtr se realizuje velmi tˇeˇzce (pokud v˚ ubec), a proto se sp´ıˇse vyuˇz´ıv´a heterodynn´ı detekce (obr. 9), kdy se mˇeˇren´ y sign´al smˇeˇsuje na neline´arn´ım prvku s harmonick´ ym sign´alem z vnitˇrn´ıho pˇreladiteln´eho gener´atoru. D´ale se zpracov´av´a jen 6
DC dělič/ předzesilovač
C1
zpožďovací linka/y
vertikální zesilovač/e
AC EXT
Y1 Y2
dva kanály: -dvoupaprskový -přepínání průběhů ●po periodách (pomalé přepínání) ●po velmi krátkých úsecích signálu (rychlé přepínání)
INT C1 synchronizace INT C2 časová základna
C2
t-Y
(tohle schema umí X osu jen z C2, kdo chce, může si upravit)
X-Y
horizontální zesilovač
dělič/ předzesilovač
X
Obr´azek 6: Blokov´e schema dvoukan´alov´eho analogov´eho osciloskopu. sign´al s rozd´ılov´ ym kmitoˇctem (resp. filtrem projde jen frekvence ze vstupu odpov´ıdaj´ıc´ı souˇctu frekvence z gener´atoru a propustn´e frekvence filtru). Digit´aln´ı spektr´aln´ı analyz´atory mohou pouˇz´ıvat ˇc´ıslicov´e filtry (digit´aln´ı verze analogov´eho principu), nebo mohou prov´adˇet pˇr´ım´ y v´ ypoˇcet spektra z ˇcasov´eho pr˚ ubˇehu sign´alu pomoc´ı diskr´etn´ı Fourierovy transformace (DFT) vypoˇcten´e s pouˇzit´ım zrychlen´eho algoritmu rychl´e Fourierovy transformace (FFT). Na rozd´ıl od ostatn´ıch zp˚ usob˚ u, spektr´aln´ı analyz´atory s DFT v´ ypoˇctem dok´aˇz´ı zpravidla zobrazit kromˇe bˇeˇzn´e amplitudy (absolutn´ı hodnoty) spektr´aln´ı funkce i f´azi spektra. Rychlou Fourierovou transformac´ı disponuj´ı i nˇekter´e digit´aln´ı osciloskopy, avˇsak vzhledem k n´aroˇcnosti v´ ypoˇctu je tato funkce vˇetˇsinou pomal´a (samotn´e spektr´aln´ı analyz´atory pro urychlen´ı vyuˇz´ıvaj´ı speci´aln´ı sign´alov´e procesory; i tak je obecnˇe analogov´ y zp˚ usob rychlejˇs´ı).
7
nízkofrekvenční signál nesplňující podvzorkovací podmínku bude zobrazen stejně
zobrazený průběh je složen z více period fvz>2*B B-šířka pásma
Obr´azek 7: Vzorkovac´ı reˇzim pro mˇeˇren´ı vysok´ ych frekvenc´ı.
vstup
demodulátor (Ustř)
filtr [úzko]pásmová propust
jedna hodnota spektra
přeladitelný,přepínatelný nebo sada filtrů f1, f2, f3 ... f1
f2
f3
Obr´azek 8: Z´ısk´an´ı hodnoty spektra kmitoˇctovou filtrac´ı. fm
s(t) předzesilovač
f0=fm-fg
X směšovač
mezifrekvenční filtr f0
demodulátor
výstupní zesilovač
fg
|S(f)| Y-souřadnice obrazovky
(frekvence je dána okamžitým napětím pilového signálu)
napěťově řízený (rozmítaný) generátor harmonického signálu
f
generátor pilového napětí
X-souřadnice obrazovky
Obr´azek 9: Analogov´ y heterodynn´ı spektr´aln´ı analyz´ator. 8
