ZHAW, EASP1 FS2012, 1 Messen mit dem Spektrumanalysator Einleitung Jedes periodische Signal lässt sich als Fourier-Reihe darstellen. Mit dem Spektrumanalyzer kann man die entsprechenden, einseitigen Amplitudenspektren direkt messen. Dieser Laborversuch dient als Einstieg in die Handhabung des Spektrumanalyzers. Zudem soll dieser Versuch weitere Aspekte der Signalbeschreibung im Zeit- und Frequenzbereich aufzeigen und sie mit db, dbm und dbc vertraut machen und der Umrechnung in Volt. Alle Signale, die mit dem Spektrumanalyzer (SA) gemessen werden, sollen ebenfalls auf dem KO betrachtet werden. SA sind teure und empfindliche Geräte, ihr Eingangsmodul kostet mehrere tausend Franken und darf nicht mit Signal übersteuert werden. Beachten sie immer und genau die Anschrift neben der Buchse bezüglich erlaubter DC- und AC- Signalpegel. Wenn nötig sind die Eingänge mit einem externen Abschwächer gegen zu hohe Eingangsspannungen (sinnvoll ist V eff < 1V oder P < 20 dbm) zu schützen. Berücksichtigen Sie diese Zusatzdämpfung beim Ablesen der Pegel am SA. Bild 1: Moderne SA (Agilent, Rhode&Schwarz) Anweisungen Die Versuchsanleitung ist vorgängig auszudrucken und kurz durchzulesen Anstelle eines Laborberichtes notieren sie alle Berechnungen, Messungen (Skizzen von wichtigen Displays) und Erkenntnisse in ein Laborheft, so dass sie jederzeit während dem Praktikum mit dem Betreuer über ihre Ergebnisse diskutieren können. Das Praktikum dauert 4 Lektionen mit 1 Pause von 30 Min. an geeigneter Stelle. Aufgabenstellung Es stehen u.u. zu wenige SA zur Verfügung. Wenn sie keinen Zugang haben beschäftigen sie sich mit der Übung am Ende und studieren sie die Folien des SA Tutorials auf der ASV Webseite.
ZHAW, EASP1 FS2012, 2 Praktischer Teil: 1. Stellen Sie am Funktionsgenerator ein Sinussignal mit der am KO gemessenen Spitzenamplitude von V peak = 0.5 V und der Frequenz f 0 = 1100 khz ein. Benutzen sie dazu am KO einen Abschluss um die gleiche Belastung zu erreichen wie beim SA. Schliessen sie jeweils nur ein Messgerät an den Generator an (vgl. Bild2). Schalten sie den SA ein (Mode Spectrum) und warten die Auto-Kalibration ab. Wählen sie eine passende Start- und Stop- Frequenz (FREQ). Wählen sie einen passenden Referenz Level (AMPT). Stellen sie den Marker (MKR) ein und führen ihn auf eine Signalspitze. Benutzen sie auch die Marker Funktion Peak Search (MKR ). HELP. Haben sie sich verdrückt, verirrt im SA Menü? Unklare Einstellung?: PRESET Knopf führt zum Anfang zurück. Lesen Sie am SA die Amplitude der Grundwelle in dbm (Leistung an 50 Ohm) ab. Rechnen Sie nach, ob der gemessene Pegelwert mit dem Effektivwert gemäss Theorie übereinstimmt. Produziert der Sinusgenerator Oberwellen? Suchen sie solche durch Verändern der Mittenfrequenz (center frequency) und messen sie den Pegel in dbm. Wieviele dbc liegen sie unterhalb dem Nutzsignal? Versuchen sie dies auch direkt zu messen mit der Marker Funktion Delta Marker. ~ ~1 V pp Scope 1 MΩ SA Bild 2: interner und externer Abschluss je nach Gerät 2. Stellen Sie am Funktionsgenerator ein DC-freies, symmetrisches Rechtecksignal, Spannung V peak = 0.5 V und f 0 = 1700 khz ein. Messen Sie das Spektrum mit dem SA, so dass die Spektrallinie in der Bildschirm Mitte liegt. Beobachten Sie den Einfluss der Einstellungen für Frequency Span (SPAN), Resolution Bandwidth (BW) und Sweep Time (SWEEP) indem sie die Einstellung manuell vornehmen und verändern. Bestimmen Sie die Amplituden der Harmonischen kf 0, für k = 1...7 und überprüfen Sie die Übereinstimmung mit der Theorie. Verwenden Sie zum Vergleich einmal die FFT-Option auf dem Oszilloskop Optional: Wie verändert sich das Spektrum, wenn Sie ein periodisches Dreiecksignal verwenden? 3. Benutzen sie einen Attenuator für Systeme mit 10 db oder 20 db Dämpfung. Welchen Wert in mw und dbm messen sie nun mit dem SA für ein Sinussignal der Frequenz 20 MHz mit 0.5 V peak am Generatorausgang bei Last?
ZHAW, EASP1 FS2012, 3 4. Sie möchten gleichzeitig den SA und das Oszilloskop anschliessen. Damit der Generator sauber abgeschlossen ist, muss er immer eine Last sehen. Sie können dies mit einem resistiven Power Splitter erreichen (z.b. drei 16 2/3 Ω Widerstände in einem Splitter in Y-Beschaltung) Welchen Wert messen sie in dbm mit dem SA und in V rms mit dem Scope nun für ein Sinussignal der Frequenz 20 MHz mit 0.5 V peak am Generatorausgang bei Last? Führen die beiden Werte auf die gleiche Signalleistung? Wieviele db Unterschied sind das zum Resultat der Aufgabe 1? Wo ist der Rest hingekommen? 5. Addieren sie mit einem resistiven Power Combiner das Signal von ihrem bisherigen Generator mit f = 20.000 MHz und dasjenige eines RF Generators mit f= 19.990 MHz bei je 4 dbm Pegel am Ausgang an gemessen. Stellen sie die Resolution Bandwidth auf 1 khz und die Span auf 100 khz. Wieviele Linien sehen sie und welchen Wert messen sie in dbm am SA Stellen sie die Resolution Bandwidth auf 100 khz und die Span auf 1 MHz. Wieviele Linien sehen sie und welchen Wert messen sie am SA. Variieren sie die Frequenz ganz leicht. Was ist passiert? Übungsteil: 1. Die Quelle liefere 10 dbm an eine 75 Last ab. Berechnen sie die Signalleistung in mw und dbm @75 Ω am Ausgang 1 des folgenden Netzwerkes, welche eine Video -Receiver Quelle auf 2 Monitore reflexionsfrei aufteilt: Monitor 2 hat einen Eingangsverstärker, weshalb das Signal um 20 db bedämpft werden muss. Bestimmen sie die Widerstände des Attenuators mit Hilfe Anhang B und die Leistung am Monitor in dbm @75Ω. 2. Dimensionieren sie einen Signalteiler für eine 600 Ω Zweidrahtleitung in Y-Struktur wenn das Eingangssignal 4 W Leistung an Z = 600 Ω abgibt. Widerstandswert und Verlustleistung durch Überlegungen. P.S. vgl. Skript: Solche Teiler haben 6 db Dämpfung. Hilfe: http://www.microwaves101.com/encyclopedia/resistive_splitters.cfm
ZHAW, EASP1 FS2012, 4 3. Ein Netzwerk hat 10 db Dämpfung. Wird die Leistung, die Spannung oder beides um 10 db gedämpft? Wie gross ist die Spannung und die Leistung am Ausgang, wenn die Quelle 1 W an abgibt? Wieviel dbµv entspricht das? 4. Zwei Signalquellen mit der Frequenz f1 bzw. f2, je 2 V peak Leerlaufspannung und Ausgangswiderstand sollen mit einem resistiven Combiner (Splitter umgekehrt genutzt) addiert werden. Welche Leistung erhält man am Ausgang. Versuchen sie durch Überlegung dahinter zu kommen, indem sie aus Sicht jeder Quelle einen Splitter suchen.
ZHAW, EASP1 FS2012, 5 Anhang A: Blockschaltbild SA Anhang B: Dämpfungsglieder mit definierter Ein-/ Ausgangsimpedanz Z 0 Vergleiche mit dem Rechner Tool auf: http://www.microwaves101.com/encyclopedia/calcattenuator.cfm