Что такое зрительный анализатор и схема его построения. Анализаторы человека: общая схема строения и краткое описание функций Схема работы анализаторов

На практике применяются простые устройства, использующие метод последовательного спектрального анализа. К таким устройствам относятся панорамные радиоприемники, поисковые устройства обнаружения и измерения частоты сигналов, анализаторы спектра, измерители амплитудно- и фазо-частотных характеристик и т. д.

Основной принцип работы устройства данного типа заключается в том, что в смесителе 2 с помощью перестраиваемого по частоте гетеродина 8 происходит преобразование частоты сигнала, затем сигнал анализируется по промежуточной частоте избирательной системой 3. После детектирования и дополнительной фильтрации (4, 5) сигнал поступает на специальный решающий блок 6, который принимает решение о наличии сигнала.на входе устройства. Одновременно сигнал можно наблюдать на экране индикатора 7. Закон изменения частоты гетеродина может быть любым. Причем следует отметить, что нелинейный поиск может оказаться целесообразным только при неравномерном, распределении частоты сигнала внутри диапазона поиска. Кроме того, поиск может выполняться в виде однократной операции, производимой за заданное время, или в виде многократно повторяющихся циклов.

Общая структурная схема устройства последовательного спектрального анализа приведена на рисунке 7.

Структурная схема устройства последовательного спектрального анализа

1- Входное устройство; 2- Смеситель; 3- Избирательная система;

4- Амплитудный детектор; 5- Фильтр нижних частот; 6- Решающий блок;

7- Индикатор; 8- ЧМ гетеродин.

Для двухступенчатых поисковых устройств алгоритм поиска обычно выбирается таким образом, что превышение порога на первой ступени обнаружения вызывает остановку поиска на время t в течение которого происходит анализ во второй ступени обнаружения. Решение о наличии или отсутствии сигнала в данной точке диапазона принимается безошибочно второй ступенью обнаружения через время t. При отсутствии сигнала в точке остановки поиск или продолжается по истечении времени t в прежнем направлении, или происходит сброс в исходное состояние. Обнаружение сигнала может произойти как при первом просмотре диапазона поиска, так.и после некоторого случайного числа просмотров. Поскольку время Т, равное интервалу между началом поиска и моментом остановки поискового устройства в точке расположения сигнала, представляет собой случайную величину встает вопрос об отыскании закона распределения, математического ожидания и дисперсии этой случайной величины. В задаче о нахождении закона распределения времени поиска намечаются два подхода. Первый - это непосредственный анализ реальной, непрерывной системы. Второй подход заключается в разбиении всего диапазона на конечное число ячеек и замене непрерывного поиска дискретной процедурой.

21. Цифровой анализатор спектра: структурная схема, принцип действия.

Анализаторы спектра можно классифицировать по способу анализа :

с последовательным, одновременным или смешанным анализом; по схемному решению : одноканальные, многоканальные; по типу индикаторного или регистрирующего устройства : осциллографические, с самописцем; по диапазону частот : низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкодиапазонные.

Анализаторы спектра – выполняются по обобщённой схеме вида входное устройство – преобразователь – показывающее или регистрирующее устройство. Конкретные схемы и конструкции приборов, осуществляющих анализ методом фильтрации разнообразны, но основным узлом является узкополосная система, выделяющая спектральные составляющие или участки спектра.

Современный цифровой анализатор спектра представляет собой качественно новый тип аппаратуры, в которой специфические функции многочисленных приборов моделируют с помощью набора компьютерных программ: для изменения характера функционирования достаточно вызвать соответствующую программу обработки без аппаратурной перестройки устройств. Комплекс программ цифрового анализатора спектра позволяет сочетать в одном приборе практически все функциональные возможности, необходимые для всестороннего исследования различных сигналов и процессов. Принцип действия цифрового анализатора спектра основан на вычислительных процедурах определения параметров и характеристик различных процессов.

Исследуемые сигналы по одному (А) или двум (А,Б) каналам подают на соответствующие усилители с переменным коэффициентом усиления, которые приводят различные уровни входных сигналов (от 0,01 до 10 В) к значению, необходимому для нормальной работы последующих трактов. Затем сигналы поступают на ФНЧ, который выделяет подлежащую анализу полосу частот.

Исследователь может включать и выключать фильтры. С выхода которых сигналы поступают на АЦП, где они преобразуются в параллельный 10-разрядный двоичный код. Может работать как один, так и оба канала одновременно. В последнем случае выборки сигнала проходят параллельно по обоим каналам, что позволяет сохранить в цифровом коде информацию о фазовых соотношениях сигналов, необходимую для измерения взаимных характеристик. Частота выборки задается встроенным кварцевым генератором и может изменяться исследователем в пределах 0,2 – 100 кГц. Эта частота определяет отсчетный масштаб анализатора спектра сигналов во временной и частотной областях.

Тракты прохождения сигналов от входов усилителей до выхода АЦП имеет калиброванные значения коэффициента передачи во всем диапазоне частот и уровней напряжений. Информация о значении коэффициента передачи и частота выборки АЦП вводятся в вычислительное устройство (микропроцессор) и учитывается при формировании конечного результата исследований. Микропроцессор работает в соответствии с заложенной в его память программой. Программа состоит из ряда подпрограмм, организующих ту или иную вычислительную операцию (вычисление спектра или корреляционной функции, определение вероятностных характеристик, построение гистограммы и т. д.). Результаты вычислений выводят на индикаторное или регистрирующее устройство, в качестве которого могут быть использованы цифровой магнитофон, дисковый накопитель, осциллограф или самописец. Последние два подключают через ЦАП. Все результаты сопровождают масштабным коэффициентом для перевода их в физические единицы.

Рис.4. Структурная схема цифрового анализатора спектра.

При анализе сигналов, представленных в цифровом виде, данные вводятся непосредственно в вычислительное устройство с помощью устройства ввода цифровых данных с наборного табло пульта управления в десятичном коде.

Основные режимы работы цифрового анализатора спектра; спектральный, цифровая фильтрация, статистический и корреляционный анализ; измерение спектра мощности, взаимного спектра двух сигналов.

Анализатор гармоник представляет собой высокоизбирательное устройство, при помощи которого можно измерить амплитуду и частоту одной гармонической составляющей в присутствии всех других.

Рис. 10.2.

По схемным решениям анализаторы гармоник подразделяют на анализаторы с избирательными контурами и гетеродинные (рис. 10.2 рис. 10.2). В диапазоне низких частотах избирательные контуры выполняют в виде узкополосных фильтров, в диапазоне высоких частот используют колебательные контуры, на СВЧ – объемные резонаторы.

При параллельном анализе исследуемый сигнал после входного устройства поступает одновременно на n каналов, состоящих из узкополосных фильтров, настроенных на основную частоту и ее гармоники (рис. 10.3 рис. 10.3). Напряжения соответствующих гармонических составляющих после квадратичного детектирования через коммутирующее устройство попадают на индикатор , регистрирующий абсолютные или относительные значения напряжения гармоник. При малом числе каналов (например, 3 или 5) коммутатор не обязателен, можно использовать необходимое количество индикаторов.

Анализаторы гармоник применяются в основном для исследования гармонических составляющих несинусоидальных сигналов низкой частоты.

Анализаторы спектра

Анализатор спектра представляет собой панорамное устройство, при помощи которого можно наблюдать на экране электроннолучевой трубки спектр исследуемого сигнала. Наиболее распространенная структурная схема спектра представлена на рис. 10.4 рис. 10.4 . Исследуемый периодический сигнал сложной формы поступает через входное устройство на смеситель, к которому подводится напряжение генератора качающейся частоты. Линейное изменение частоты во времени производится изменением напряжения генератора развертки. Вследствие этого отклонение электронного луча по горизонтали пропорционально отклонению частоты от среднего значения и горизонтальная ось является осью частот. На выходе смесителя образуются напряжения комбинационных частот. Составляющие, частота которых лежит в полосе пропускания усилителя промежуточной частоты усиливаются и после детектирования в квадратном детекторе и усиления в видео усилителе поступают на вертикально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Таким образом, отклонение луча по вертикали пропорционально мощности определенной узкой полосы спектра исследуемого сигнала (от до ), удовлетворяющему равенство

В некоторых анализаторах спектра используют логарифмические усилители, которые дают возможность наблюдать составляющие спектра с большим отношением амплитуд (100:1 или 1000:1). В таких анализаторах логарифмический режим можно менять на линейный.

Калибратор предназначен для создания на экране трубки частотных меток.

Основным недостатком анализаторов представленного действия является большая продолжительность анализа.

Диапазон качания частоты гетеродина определяется шириной исследуемого спектра. Для измерения основного или трех боковых лепестков диапазон качания должен быть равен . (рис. 10.5 рис. 10.5)

Частотна развертки определяет количество циклов качания частоты гетеродина в секунду. Минимальная величина периода развертки характеризуется временем последовательного анализа T посл При анализе спектра периодических импульсных сигналов период развертки Т раз связан с периодом следования сигналов T c соотношением: , где m – число линий спектра, наблюдаемых на экране трубки.

Промежуточная частота анализатора спектра должна быть такой, чтобы при минимальной длительности исследуемого импульса? изображение спектра, получаемое по зеркальному каналу, не накладывалось на спектрограмму основного канала (рис. 10.5 рис. 10.5).

Измерение нелинейных искажений

Нелинейным искажение гармонического сигнала называется изменение его формы, возникающее в результате прохождения сигнала через устройство, содержащее нелинейный элемент. Искаженный сигнал можно представить в виде суммы постоянной составляющей, первой гармоники с частотой f и высших гармоник к частотам .

Мерой нелинейного искажения гармонического сигнала является коэффициент гармоник, характеризующий отличие формы данного периодического сигнала от гармонического

(10.8)

где A i – амплитуда i -й гармоники сигнала.

Нелинейные искажения измеряют двумя методами: гармоническим и комбинационным. При гармоническом методе на вход испытуемого устройства подают один гармонический сигнал, при комбинированном – два (или три) сигнала разных частот. Существует статистический метод, при котором на вход подают шумовой сигнал.

Измерение нелинейных искажений гармоническим методом осуществляется при помощи прибора – измерителя нелинейных искажений. Входное устройство предназначено для согласования выходного сопротивления исследуемого объекта с входным сопротивлением измерителя нелинейных искажений. Широкополосный усилитель обеспечивает усиление сигнала до величины, удобной для отсчета и дальнейших вычислений. Полоса пропускания усилителя охватывает диапазон частот от нижней рабочей частоты до пятикратного значения верхней частоты, на которой измеряются нелинейные искажения.

Диапазон рабочих частот устанавливается переключением резисторов R , плавная настройка осуществляется сдвоенным блоком конденсаторов переменной емкости.

Для наблюдения формы сигнала или его высших гармоник предусмотрен выход на осциллограф. Выпускают для работы в диапазоне низких (звуковых частот).

Ощущения являются продуктом деятельности анализаторов человека. Анализатором называют взаимосвязанный комплекс нервных образований, который осуществляет прием сигналов, их трансформацию, настройку рецепторного аппарата, передачу информации к нервным центрам, ее обработку и расшифровку. И. П. Павлов считал, что анализатор состоит из трех элементов: органа чувств, проводящего пути и коркового отдела. Согласно современным представлениям в состав анализатора входит как минимум пять отделов:

1. рецепторный;
2. проводниковый;
3. блок настройки;
4. блок фильтрации;
5. блок анализа.

Так как проводниковый отдел, по сути, представляет собой всего лишь «электрический кабель», проводящий электрические импульсы, наиболее важную роль выполняют четыре отдела анализатора (рис. 5.2). Система обратной связи позволяет вносить корректировку в работу рецепторного отдела при изменении внешних условий (например, тонкую настройку анализатора при разной силе воздействия).

Рис. 5.2.

Если в качестве примера взять зрительный анализатор человека, через который поступает большая часть информации, то эти пять отделов представлены конкретными нервными центрами (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Структурно-функциональные характеристики составных элементов зрительного анализатора

Помимо зрительного анализатора, с помощью которого человек получает значительную долю информации об окружающем мире, для составления целостной картины мира важны и иные анализаторы, воспринимающие химические, механические, температурные и иные изменения внешней и внутренней среды (рис. 5.3).

Многие не прочь дополнить приятный звук интересными визуальными эффектами. Для этого и предназначена данная приставка, которая представляет из себя своеобразный многополосный эквалайзер, который разделяет спектр мелодии по частотам и выводит их на индикатор в виде прыгающих столбиков. К этому анализатору спектра подключено пять кнопок, которыми можно регулировать яркость подсветки дисплея, чувствительность, и менять эффекты (стойки, полосы, линии, овал, или лестница). Кроме того, анализатор сохраняет настройки в памяти, и ещё можно выбрать частоту преобразователя с помощью перемычки.

Схема анализатора спектра

Регулировка подсветки была основана на аппаратном ШИМ, на выходе OC2. В архиве доступны программы для дисплеев 16х2, 20х2, 24х2, и 20х4. В принципе, прошивку можно приспособить практически для любого экрана (с контроллером HD44780), так что если у вас есть дисплей которого анализатор не поддерживает, не трудно переделать имеющиеся.

1. Масса сигнала до точки „Agnd” на плате, тогда массы анализатора и устройства не могут быть связаны друг с другом.
2. Анализатор можно пополнить симметрично, +-2.5 V, „Agnd” станет массой и можно его соединить с массой устройства.
3. Если массы анализатора и устройства должны быть соединены, и не имеет возможности пополнения анализатора симметрично, следует добавить постоянную составляющую сигнала, чтобы поднять его до уровня 2,5 В. Массы соединяем и сигнал увеличиваем делителем R/R (резисторы порядка 100 кОм), соединяя его по шине питания. Сигнал на делитель подаем через конденсатор (порядка 1 мкФ).

Как настроить анализатор для работы с компьютером. Помните, что если вы хотите встроить его в усилителе или другом устройстве, примите во внимание тот факт, что там могут появиться другие уровни сигнала. Если у вас есть возможность подачи сигнала с генератора (с компьютера через line-in) - это упростит настройку.

Подключите и запустите схему, подсоедините выход звуковой карты компьютера, массу к Agnd. Массы системы и компьютера не могут быть связаны! Генератор функции установите на синус, частота 400 Гц, усиление примерно на 80%.

Левый потенциометр установите так, чтобы была отклонена только одна сегмент. Измените частоту генератора на 10 кГц, правый потенциометр установите таким же образом.

Для точной калибровки понадобятся две программы - „генератор” и „осциллограф”. Настройте что сигнал не искажался. Элементы, использованные для сборки входного фильтра, должны быть идентичны тем, как на схеме, это касается в первую очередь конденсаторов. На приведённых далее рисунках сверху искажённый сигнал, а под ним чистый, чего необходимо достичь.

Видео работы

Частоты: 31Hz, 62Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1kHz, 2kHz, 4kHz, 8kHz, 16kHz.
- Размер матрицы - 10х10.
- Возможные режимы: Точка, линия, регистрация пиков.
- Тип входящего сигнала: Линейный стерео / линейный моно.

Анализатор имеет 4 режима индикации: Линия (столб) с индикацией пиков и без, и "точка", так же с индикацией пиков и без. Два различных входа: стерео, через интегрированный на плате микшер и моно. Теперь перейдем к аппаратной части. Схема анализатора спектра:

По схеме видно, что устройство состоит из двух "блоков", сама матрица и управляющая плата. Схема совсем не сложная, все реализовано на одном контроллере фирмы Atmega8. Кварц в схеме используется на 18mhz. Микросхема CD4028 имеет советский аналог К176ИД1. и прошивка для МК находится в архиве. Печатная плата матрицы односторонняя, потому общие аноды светодиодов припаиваются вот так:

Фузы МК:

Дроссель, идущий к микросхеме CD4028 (К176ИД1), играет сравнительно важную роль, т.к. при использовании не очень качественных источников питания данная микросхема может работать не корректно. Однако при питании от качественного источника - дроссель можно заменить перемычкой. Перемычки на плате заменяются переключателями, ими и устанавливается режим индикации.