Analiza spectrala – Cum folosim spectrometrul?

Timp de citit: 4 minute

Ce este analizorul spectral?

Un dispozitiv construit special pentru afisarea – nu si controlul – amplitudinii fiecarei frecvente a unui semnal format din mai multe frecvente, se numeste analizor spectral, iar procesul de analiza a unui semnal in acest mod, poarta numele de analiza spectrala.

Desi poate parea ciudat, orice forma de unda periodica nesinusoidala este de fapt echivalenta cu suma unei serii de unde sinusoidale de frecvente si amplitudini diferite. Formele dreptunghiulare sunt doar un singur caz, dar nu unicul.

Formele de unda simetrice fata de axa lor orizontala nu contin armonici pare. Componenta de curent continuu prezenta in semnal nu are nici un fel de impact asupra continutului armonic al formei de unda in cauza.

Scop

Analiza Fourier computerizata, in special sub forma algoritmului FFT (Transformata Fourier Rapida), este un instrument excelent pentru intelegerea formelor de unda si a componentelor spectrale ale acestora.

Forma de unda

Pentru inceput, luam o forma de unda sinusoidala (aproape perfecta) la frecventa de 523.25 Hz, semnal produs cu ajutorul unei claviaturi electronice. Graficul formei de unda din figura este luat de pe afisajul unui ociloscop si prezinta amplitudinea tensiunii (axa verticala) cu timpul (axa orizontala).

Daca observam cu atentie unda sinusoidala, putem vedea ca exista anumite imperfectiuni ale formei acesteia, fenomene a carei existenta se datoreaza aparatelor de masura folosite pentru derularea experimentului.

Analiza spectrala

Daca urmarim aceasta tensiune alternativa pe un analizor spectral, rezultatul este putin diferit, dar semnalul analizat este exact acelasi.

Dupa cum putem vedea, orizontala este marcata si reprezinta "Frecventa", adica domeniul masuratorii. Varful curbei reprezinta frecventa dominanta, considerata mai sus (523.25 Hz), iar inaltimea acestuia este amplitudinea semnalului pentru aceasta frecventa.

Forma de unda

Daca vom combina mai multe note muzicale pe aceeasi claviatura electronica si masuram rezultatul, din nou cu un osciloscop, putem vedea foarte usor faptul ca semnalul creste in complexitate. Semnalul final este de fapt o combinatie de semnale sinusoidale de frecvente si amplitudini diferite.

Analiza spectrala

Analiza spectrala este mult mai usor de prezentat, intrucat fiecarei note (sinusoidale) ii corespunde pe grafic un varf, in functie de frecventa sa.

Sa luam in considerare alte forme de unda muzicale, si sa le analizam grafic:

Exemplul 1

Exemplul 2

Exemplul 3

Conform analizei spectrale, forma de unda dreptunghiulara de mai sus nu contine armonici pare, doar impare. Cu toate ca afisajul osciloscopului nu permite vizualizarea frecventelor peste armonica a 6-a, armonicile impare continua la infinit, cu o amplitudine din ce in ce mai mica.

Exemplul 4

In cazul formei de unda triunghiulare, nu exista practic armonici pare: singurelre armonici sunt cele impare. Desi putem vedea varfuri mici pentru armonicile 2, 4 si 6, acestea se datoreaza imperfectiunilor formei de unda triunghiulare.

Diferenta dintre armonicile pare si impare

Diferenta dintre o forma de unda ce contine armonici pare si o forma de unda ce nu contine aceste armonici se poate observa grafic, inaintea realizarii analizei spectrale. Diferenta consta in simetria fata de axa orizontala a undei.

O forma de unda simetrica fata de axa orizontala nu va prezenta armonici pare.

Formele de unda de mai sus, fiind toate simetrice fata de orizontala, contin doar armonici impare (forma de unda pur sinusoidala contine doar armonica de gradul intai, fundamentala).

Formele de unda ce sunt asimetrice fata de orizontala, contin si armonici pare.

Trebuie inteles faptul ca simetria se refera exclusiv la axa orizontala a undei, si nu neaparat la axa orizontala a timpului.

Efecte asupra circuitelor

1. Orice forma de unda periodica nesinusoidala este echivalenta cu o anumita serie (infinita) de unde sinusodiale / cosinusoidale de frecvente, faze si amplitudini diferite, plus o componenta de tensiune in curent continuu (in functie de caz). Metoda matematica de determinare a formei de unda echivalente, poarta numele de analiza Fourier.
2. Simularea tensiunilor cu frecvente diferite se poate realiza prin conectarea mai multor surse de tensiune, cu o singura frecventa, in serie. Analiza curentilor si a tensiunilor se realizeaza folosind teorema superpozitiei. Atentie, curentii si tensiunile de frecvente diferite nu pot fi adunati sub forma complexa folosind teorema superpozitiei, din moment ce frecventa nu poate fi indicata cu ajutorul numerelor complexe, ci numai amplitudinea si faza.
3. Armonicile pot cauza probleme prin inducerea de tensiuni nedorite (zgomot) in circuitele invecinate. Aceste zgomote pot aparea prin cuplaj capacitiv, cuplaj inductiv, radiatie electromagnetica, sau o combinatie dintre acestea.

Bibliografie / Surse:

Tony R. Kuphaldt – Introducere in circuite electrice si electronice

Articolul de fata, face parte din varianta romaneasca a volumului de "Curent alternativ", al doilea din seria lucrarilor "Lessons in Electric Circuits" scrise de Tony R. Kuphaldt.

https://www.meilhaus.de/en/