Ratgeber
In der Elektrotechnik und Messtechnik wird der Spektrumanalysator bei der Qualitätssicherung, zur Visualisierung der Einhaltung eines Frequenzbandes, zur Überwachung von Übertragungssystemen und zur Signalfindung durch Leistungsmessung genutzt. Er wird auch als Spectrum Analyzer bezeichnet und dient zur Ermittlung und Erfassen von Frequenzspektren, auch Rauschpegel genannt und zur Diagnose auf elektromagnetische Verträglichkeit EMV. Man kann den Spektrumanalysator auch als frequenz-selektives Voltmeter beschreiben, welches zur Darstellung dieser, unabhängig von der Zeit dient. Um ein Spektrum darzustellen, bedient sich der Spektrumanalysator mit einem mathematischen Algorithmus zum Vergleich der Amplituden zwischen der Zeit- und Frequenz Darstellung.
Wie setzt man einen Spektrumanalysator ein?
Bei der Messung der Wellen an einem Tastkopf, stellt sich der Peak einer harmonischen Schwingung, entsprechend seiner Wertigkeit zugeordnet als trigonometrische Sinus-Funktion dar. Dies findet Anwendung, beispielsweise bei der Audioüberwachung auf Veranstaltungen, oder zur Bestimmung der Stärke eines Erdbebens. Der dargestellte Peak wird als Verstärkungsfaktor in Deci-Bel, kurz dB, von dem Gerät erfasst. Die aufgenommenen Schwingungen werden nach dem folgenden Funktionsprinzip zunächst erfasst, dann in klare Signale umgewandelt.
Periodische Signale bestehen aus unendlich vielen Sinus-, oder Cosinus-förmigen Funktionen im Bereich eines Vielfachen ihrer Grundfrequenz.
Mathematisch lassen sich periodische Signale, definiert über den Mittelwert und der signalspezifischen Werte eines, symmetrischen Rechtecksignales darstellen. Daraus kann mit Hilfe der Furier-Reihe die Ansicht so transformieren, dass diese auf ihrer Bandbreite mit der dazugehörigen Amplitude dargestellt wird. Dies geschieht mit Hilfe von analoger Elektrotechnik in den folgenden Schritten.
1. Dämpfungsstufe
Dem anliegenden Spannungssignal wird manuell oder automatisch ein parametrierter Wert zugeordnet U(t)
2. Tiefpassfilter
Durch den Tiefpassfilter wird das abgetastete Signal in seiner Weite, auf eine bestimmte Bandbreite begrenzt. Damit ist das Signal vorselektiert.
3. Mischstufe
Das Signal besteht aus einer Vielzahl einzeln gemessener sinusförmiger Funktionen. Zu diesen wird eine gleichschwingende Frequenz gemischt.
4. Verstärkerstufe
Mit einem logarithmischen Vorverstärker wird die Mischung zusammenaddiert. Dies geschieht bis die gewünschte Auflösung für die bevorzugte Bandbreite erreicht ist.
5. Bandpassfilter
Wenn das Signal den Bandpassfilter passiert, wird dem Punkt der maximalen Durchlässigkeit die Zwischenfrequenz zugeordnet. Von diesem Punkt aus beträgt die Auflösungsbandbreite ±3 dB. Diese bezeichnet man als die Resolution Bandwidth RBW.
6. Signalverarbeitung / Anzeige
Der Pegel wird mit hoher Abtastrate durch einen Algorithmus analysiert und kann nun visuell ausgegeben werden.
In der folgenden Tabelle ist der Peak in der Einheit Bel und der Verstärkungsfaktor in der Einheit Watt in einem logarithmischen Verhältnis, dekadisch gegenübergestellt.
Schwingungsamplitude in (Deci-) Bel
|
Entspricht einem Leistungsverhältnis von Zehner-Logarithmus | Verstärkungsfaktor (absoluter Pegel bei einem Bezugswiederstand von 50 Ω)
|
|---|---|---|
| 0 Bel | 10^0 = 1 | 1 mW |
| 1 Bel | 10^1 = 1 | 10 mW |
| -1 Bel | 10^-1 = 0,1 | 0,1 mW |
| 1 dB | 10^0,1 = 1,259 | 1,26 mW |
| 3 dB | 10^0,3 = 1,995 | 2 mW |
| 10 dB | 10^2 = 100 | 100 mW |
| 30 dB | 10^3 = 1.000 | 1 Watt |
Ein Spektrumanalysator wurde erstmalig während des zweiten Weltkrieges eingesetzt. Er zeigt, skaliert in einer logarithmischen Teilung, gegnerische Aktivitäten auf deren Frequenzen an und überwacht diese auf einer bestimmten Bandbreite. So kann man einen Überblick über gegnerische Aktivitäten und feindliche Truppenbewegungen erlangen.
Der Spektrumanalysator ist heute häufig als Laborgerät oder an Prüfstationen im Einsatz. Durch die steigende Komplexität der Technologien in Industrie und Nachrichtendienst kommen zunehmend vermehrt Kompaktgeräte zum Einsatz. Diese werden bei der Wartung von Feldbus-Systemen und in der Elektronik eingesetzt. Dort dienen diese Geräte zur Diagnose von Maschinen und Anlagen-Parametern nach vorgegebenen Industrie-Standards.
Tüftler und Freunde von selbstgestalteten Elektronik-Projekten freuen sich darüber, dass ein einfacher Spektrumanalysator auch mit einen Microcontroller betrieben werden kann. Damit lassen sich kreative Innovationen, beispielsweise die mit einem Spektrumanalysator erfassten Tonstärken auf verschiedenen einzelnen LED-Steifen wiederzugeben, realisieren. Eine solche Visualisierung lässt sich schon mit wenigen technischen Komponenten umsetzen.
Quelle: YouTube; Channel: Platinum
Welche Möglichkeiten bietet ein Spektrumanalysator?
Der Spektrumanalysator verfügt über eine Eingangsschnittstelle, an der die Spannung eines anliegenden Frequenzsignals kontinuierlich innerhalb eines definierten Zeitraumes abgetastet wird. Diese Mess-Zeit bezeichnet man als Sweep-Time oder Zeit des Rauschens. Das Signal wird typischer Weise über ein Koaxialkabel in das Gerät eingespeist.
In der Hochfrequenztechnik kommen häufig die folgenden drei Analyseverfahren zum Einsatz:
1. Peak Detektion
Darstellung des Signals anhand der höchsten Amplitude
2. Sample Detektion
Annäherung über Zwischenpunkte
3. Normal Detektion
Darstellung der höchsten Amplituden mit einer Annäherung über Zwischenpunkte
Ähnlich wie beim Oszilloskop, wird die Spannung über die Zeit abgetastet. In der Darstellung des periodischen Signales ist die Spannung als Spitze auf dem jeweiligen Frequenzband abgebildet.
In der folgenden Tabelle sind wichtige Eigenschaften der beiden Messgeräte gegenübergestellt.
| Oszilloskop | Spektrumanalysator | |
|---|---|---|
| Darstellung | Y(t) -Betrieb Amplitude über Zeit | Y(f) -Betrieb Amplitude über Frequenz |
| X-Achse / Skalierung | Zeit / linear |
Frequenz / linear |
| Y-Achse / Skalierung | Amplitude / linear | Amplitude / logarithmisch |
| Frequenzbereich | Für Gleichspannung und Wechselspannung, bis 1,5 GHz | Für Wechselspannung bis 300 GHz |
| Dynamik | < 30 dB | >80 dB |
| Phaseninformation | Ja | Nein |
Das Bild soll anhand der drei Graphen veranschaulichen, was bei der Transformation von der Zeit auf die Frequenz geschieht. Im ersten Diagramm ist eine typische Sinusförmige Kurve über die Zeit dargestellt. Diese wird auch von einem Oszilloskop ausgegeben. Das zweite Diagramm zeigt zusätzlich die Dimension der Bandbreite. Einzeln differenziert, sind nun viele sinusförmige Wellen abgebildet. Diese sind im dritten Diagramm ohne Zeitachse als Amplitude der Spannung dargestellt und dem jeweiligen Frequenzband zugeordnet. Die Y-Achse stellt diese innerhalb der auf der X-Achse aufgelösten Bandbreite mit den Peaks der einzelnen Schwingungen dar.
Welche Merkmale haben diese Analyzer?
Die Analyse des gewünschten Frequenzbands, wird elektrotechnisch über eine Analogschaltung echtzeitnah visualisiert. Ein Qualitätsmerkmal sind dabei die vom Hersteller festgelegten Grenzfrequenzen. An der Schnittstelle wird er über eine BNC- oder Bananen-Steckverbindung geeignetes Messzubehör mit den Tastköpfen verbunden. Dieses gibt es mit Funktionen beispielsweise zur Messung von Spannung- Strom- oder Temperatur innerhalb einer definierten Zeit eingesetzt wird. Die im Speicher angelegte Datenbank, nutzen unter anderem zum Abgleich der aktuell gemessenen Parameter, mit denen eines zuvor gemessenen Systems und zur Auswertung an einem PC.
Wie wird ein solcher Analyzer bedient?
Die Kompaktgeräte verfügen oft über ein integriertes Touch-Display, auf welchem das Sampling über eine gewählte Bandbreite dargestellt wird. Durch intuitive Bedienelemente können die Parameter gut konfiguriert und der Datenspeicher leicht abgeglichen werden.
Neben den Methoden zur Analyse, sind die Geräte zusätzlich mit der Funktion eines Oszilloskops und eines Multimeters ausgestattet und verfügen in der Kompaktbauart über einen integrierten Akku. Dieser ist in einem Gehäuse, sicher vor Staub- und Spritzwasser geschützt, untergebracht. Darüber hinaus sind diese Systeme häufig mit einer zusätzlichen Schnittstelle zur Verbindung mit einem PC, einem Netzwerk, oder einem Datenträger ausgestattet.
