电子测量第6章频域测量课件

第第6章章 频域测量频域测量6.1 扫频仪概述扫频仪概述扫频仪，又称频率特性测试仪，用来测定各扫频仪，又称频率特性测试仪，用来测定各种有源、无源二端口和四端口网络（如调频放大种有源、无源二端口和四端口网络（如调频放大器、宽频放大器、各种滤波器、鉴频器、雷达等）器、宽频放大器、各种滤波器、鉴频器、雷达等）的传输特性、阻抗特性和反射特性等。的传输特性、阻抗特性和反射特性等。6.1.1 常用术语常用术语1.扫频信号发生器扫频信号发生器2.扫频仪扫频仪3.有效频率范围有效频率范围4.扫频宽度扫频宽度5.扫频中心频率扫频中心频率 6.扫频方式扫频方式7.自动扫频自动扫频8.手动扫频手动扫频9.触发扫频触发扫频10.单次触发扫频单次触发扫频11.对数扫频对数扫频 12.起止扫频起止扫频13.标志扫频标志扫频14.窄带扫频外扫频窄带扫频外扫频 15.频率标志频率标志16.分辨率分辨率17.扫频线性误差扫频线性误差18.扫频时间扫频时间6.1.2 扫频仪中的关键器件扫频仪中的关键器件1、变容二极管、变容二极管变容特性曲线变容特性曲线变容二极管等效电路图表变容二极管等效电路图表2、电协调变容二极管、电协调变容二极管变容二极管有三种类型：参数变容二极管、变容二极管有三种类型：参数变容二极管、功率变容二极管、电调谐变容二极管。在扫频功率变容二极管、电调谐变容二极管。在扫频仪中使用的是电调谐变容二极管。仪中使用的是电调谐变容二极管。6.2 扫频仪工作原理扫频仪工作原理6.2.1整机电路原理框图整机电路原理框图它主要由扫频信号源和显示系统两大部分构成。它主要由扫频信号源和显示系统两大部分构成。1、扫频信号源的构成及功能、扫频信号源的构成及功能扫频信号源由扫频单元、频标单元和衰减器三部扫频信号源由扫频单元、频标单元和衰减器三部分组成，在控制信号的作用下要求扫频信号源具有分组成，在控制信号的作用下要求扫频信号源具有以下功能以下功能:能产生频率做线性变化的扫频信号；能产生频率做线性变化的扫频信号；这个扫频信号的输出是等幅的，且具有一定的功率；这个扫频信号的输出是等幅的，且具有一定的功率；扫频信号的频偏应尽可能大且中心频率可调；扫频信号的频偏应尽可能大且中心频率可调；要求扫频信号的线性度良好；要求扫频信号的线性度良好；能产生和扫频信号同步的频率标记；能产生和扫频信号同步的频率标记；输出阻抗要恒定。输出阻抗要恒定。2、显示系统的构成及功能、显示系统的构成及功能对于显示系统而言，主要的要求有两点：轨对于显示系统而言，主要的要求有两点：轨迹明亮而清晰，在不失真的前提下要有足够高的迹明亮而清晰，在不失真的前提下要有足够高的增益。增益。显示系统主要由斜波电压发生器，显示系统主要由斜波电压发生器，x，y 轴通轴通道放大器及示波管等电路构成。道放大器及示波管等电路构成。线线性系性系统统幅幅频频特性的特性的测测量量正弦正弦稳态稳态下的下的系系统统函数函数或或传输传输函数函数K(j?)就反映了就反映了该该系系统统激励激励与响与响应应的关系的关系U(j?)j?(?)OK(j?)?K(?)eUj?)i(?(?)是相是相频频特性本特性本节节不不讨论讨论。K(f)K(?)也可写成也可写成K(f)，就是下面要，就是下面要测测量的幅量的幅频频特性。特性。式中，式中，K(f)ff静静态频态频率特性率特性测测量量-点点频频法法点频法就是点频法就是“逐点逐点”测量幅频特性的方法，注意测量幅频特性的方法，注意明确被明确被测电测电路和路和选选用相用相应仪应仪器器。K(f)f0f特点特点：所所测测出的幅出的幅频频特性是我特性是我们们需要的需要的电电路系路系统统在在稳态稳态情况下情况下的静的静态态特性曲特性曲线线。但由于要逐点但由于要逐点测测量，操作繁量，操作繁琐费时琐费时，并且由，并且由于于频频率离散而不率离散而不连续连续，可能，可能遗遗漏掉某些特性突漏掉某些特性突变变点。点。这这种方法种方法一般只用于一般只用于实验实验室室测试测试研究；若用于生研究；若用于生产线则产线则效率太低了。效率太低了。如果能如果能够够在在测试过测试过程中，使信号源程中，使信号源输输出信号出信号频频率能自率能自动动地从低地从低到高到高连续变连续变化并且周期性重复，利用化并且周期性重复，利用检检波器将波器将输输出包出包络检络检出送出送到示波器上到示波器上显显示，就可自示，就可自动动地描地描绘绘出幅出幅频频特性曲特性曲线线。动态频动态频率特性率特性测测量量扫频扫频法法1.扫频扫频法的工作原理法的工作原理扫频仪扫频仪=扫扫源源+示波器示波器扫频扫频法法可以可以实现频实现频率特性的率特性的自自动测绘动测绘，而且不会像点而且不会像点频频法那法那样样遗遗漏掉某些漏掉某些细节细节的的问题问题。更。更值值得注意的是，得注意的是，扫频扫频法是在一定法是在一定扫扫描速度下描速度下获获得被得被测电测电路的路的动态频动态频率特性率特性，这这比比较较符合被符合被测电测电路路的的实际应实际应用情况。用情况。2.动态频动态频率特性率特性随着随着扫扫描速度的提高，描速度的提高，频频率特性将率特性将扫频扫频方向偏移，如方向偏移，如图图示。示。图图中中为为静静态态特性，特性，、为为依次提高依次提高扫扫速速时时的的动态动态特性曲特性曲线线。可以看出。可以看出动态频动态频率特性率特性有以下特点：有以下特点：(1)顶顶部最大部最大值值下降；下降；(2)特性曲特性曲线线被展被展宽宽；(3)扫扫速愈高，偏移愈速愈高，偏移愈严严重。重。其原因是由于通常与其原因是由于通常与频频率率特性有关的特性有关的电电路，路，实际实际上是由上是由动态动态元件元件L、C等元件等元件组组成的成的(如如调谐电调谐电路路)，信号在其上建立，信号在其上建立或消失都需要一定的或消失都需要一定的时间时间，扫频扫频速度太快速度太快时时，信号在其上来不及，信号在其上来不及建立或消失，故建立或消失，故谐谐振曲振曲线线出出现现滞后且展宽，出现了滞后且展宽，出现了“失敏失敏”或或“钝化钝化”现象。现象。图图 动态动态特性曲特性曲线线6.2.2 单元电路工作原理单元电路工作原理1.扫频单元扫频单元2、固定振荡器、固定振荡器3、扫频振荡器、扫频振荡器3.扫频信号源1)扫频扫频信号的信号的产产生方法生方法磁磁调电调电感：通感：通过过改改变变低低频频磁心的磁心的导导磁系数改磁系数改变变振振荡荡回路中回路中高高频线频线圈的圈的电电感量感量，适用于几十到几百，适用于几十到几百MHz的的频频段。段。变变容二极管容二极管电调扫频电调扫频：变变容二极管是容二极管是PN结电结电容随外加偏容随外加偏置置电压电压高低高低变变化，化，PN结电结电容容Cd与反向偏置与反向偏置电压电压U成反比。成反比。YIG电调扫频电调扫频：YIG是一种是一种单单晶晶铁铁氧体材料氧体材料钇铁钇铁石榴石的石榴石的简简称，具有称，具有铁铁磁磁谐谐振特性将振特性将YIG做成小球，置于直流磁做成小球，置于直流磁场场H0内，内，产产生生铁铁磁磁谐谐振，振，谐谐振振频频率率?（单单位位MHz）为为?=0.0112 H0常用于微波常用于微波频频段段，覆盖高达，覆盖高达10倍倍频频程、程、扫频线扫频线性好性好合成合成扫频扫频源：通源：通过软过软件使件使扫频扫频源按照一定的源按照一定的频频率率间间隔和停隔和停留留时间时间，将，将输输出出频频率依次率依次锁锁定在一定范定在一定范围围内的一系列内的一系列频频点上，点上，达到达到扫频扫频效果。效果。2)扫频扫频信号的技信号的技术术特性特性有效有效扫频宽扫频宽度：即度：即扫频扫频源源输输出的出的扫频线扫频线性和振幅平性和振幅平稳稳性均性均符合要求的最大符合要求的最大频频率覆盖范率覆盖范围围，?0时时，称，称为宽带扫频为宽带扫频扫频线扫频线性：表示性：表示扫频扫频振振荡荡器的器的压压控振控振荡荡器的器的压压控特性曲控特性曲线线的非的非线线性（或性（或线线性）程度，可以用性）程度，可以用线线性系数表征性系数表征(k0)max线性系数?(k0)minf2?f1?f?f0(f1?f2)/2?0时时，称，称为为窄窄带扫频带扫频；振振荡荡平平稳稳性：通常用性：通常用扫频扫频信号的寄生信号的寄生调调幅表示。幅表示。调调幅幅系数系数为为A2?A1M?100%A2?A1A A1 1?2A2?14、混频器和低通滤波器、混频器和低通滤波器6.3 频标单元频标单元1、单一频标产生的工作原理、单一频标产生的工作原理2、产生多个频标的工作原理、产生多个频标的工作原理以以10MHz通用频标为例来说明获得多个频标的通用频标为例来说明获得多个频标的工作原理：工作原理：10MHz频标频标3、频标单元电路分析、频标单元电路分析本电路包括四个部分：本电路包括四个部分：10MHz晶振、隔离放大晶振、隔离放大器、波发生器及混频滤波电路。器、波发生器及混频滤波电路。中心中心频频率和率和扫频扫频范范围围本本扫频仪扫频仪工作工作时时是以是以某中心某中心频频率率为为中心中心进进行行扫频扫频的。的。现现以第以第波段波段为为例例说说其工作情况，中心其工作情况，中心频频率是人工手率是人工手调调振振荡荡回回路中的可路中的可变电变电容容C，例如，例如图图中中调调到到100MHz。扫频扫频是是扫扫描描电电流流IM作用于作用于调调制制线线圈圈LC使振使振荡频荡频率在率在100MHz中心中心频频率的基率的基础础上上产产生生 7.5MHz 的的频频偏，即偏，即扫频扫频范范围围最大只有最大只有15MHz。CLCIMIM75MHz100MHzfo150MHz92.5MHzf107.5MHz3.频标产频标产生的原理生的原理下下图图框框图图右右侧给侧给出了出了频标产频标产生生电电路的路的组组成，成，现现以以1MHz频标为频标为例例进进行行说说明。明。99.98MHz100MHz100.02MHz1MHz 振振荡荡信号信号的的100次次谐谐波波(a)(b)图图频标频标的形成的形成过过程程图图加有加有频标频标的波形的波形扫扫描信号与回描信号与回扫处扫处理理本本仪仪器器为简为简化化设计设计，节约节约成本，是成本，是利用利用50Hz市市电电降降压压后用来做后用来做扫扫描信号的描信号的。本。本仪仪器是采用在回器是采用在回扫扫期期间间令振令振荡荡停振的停振的办办法（原法（原理框图中的理框图中的“截止脉冲形成电路截止脉冲形成电路”即是加扫频振荡器的停振信号）即是加扫频振荡器的停振信号）6.4 Y通道单元通道单元Y通道单元的具体要求为：通道单元的具体要求为：有较高的输入阻抗有较高的输入阻抗;有较好的频率特性有较好的频率特性;要求有较小的漂移要求有较小的漂移;扫频仪举扫频仪举例例BT-3型型频频率特性率特性测试仪测试仪BT-3G型型扫频仪扫频仪主要用来主要用来测试宽带测试宽带放大器、雷达接收机的放大器、雷达接收机的中中频频放大器、放大器、电视电视接收机的接收机的视频视频率特性及率特性及鉴频鉴频器特性，是一种器特性，是一种较较为为典型的典型的频频率特性率特性测试仪测试仪。1.BT-3G扫频仪扫频仪的主要技的主要技术术性能：性能：(1)中心中心频频率：在率：在1MHz300MHz内可任意内可任意调节调节，分，分1MHz75MHz、75MHz150MHz、150MHz300MHz三个波段三个波段；(2)扫频频扫频频偏：偏：最大最大频频偏偏 7.5MHz；(3)扫频扫频信号信号输输出：出：输输出出电压电压0.1V（有效（有效值值），），输输出阻抗出阻抗75；(4)寄生寄生调调幅系数：最大幅系数：最大频频偏偏时时 7.5%；(5)调频调频非非线线系数：最大系数：最大频频偏偏时时5MHz；将低阻检波器和自校准插座分别接将低阻检波器和自校准插座分别接Y输入和扫频输入和扫频输出插座，调整输出插座，调整 Y增益使得扫描曲线为增益使得扫描曲线为 5大格，并大格，并记下此值记下此值（3）扫频仪与单协调回路的连接方法：）扫频仪与单协调回路的连接方法：注意：检波器为高阻检波器，扫频输出为带鳄注意：检波器为高阻检波器，扫频输出为带鳄鱼夹的高频电缆。鱼夹的高频电缆。（3）调节输出衰减为）调节输出衰减为 47dB，单调谐回路的幅频特，单调谐回路的幅频特性曲线性曲线:该单调谐回路的增益为该单调谐回路的增益为 47dB，即放大量为，即放大量为100余倍。余倍。2、双谐调回路的扫频测量双谐调回路的扫频测量步骤如下：步骤如下：双谐调回路原理图：双谐调回路原理图：扫频仪各旋钮预置如实例扫频仪各旋钮预置如实例 1；扫频仪与双谐调回路的连接方法与实例扫频仪与双谐调回路的连接方法与实例 1相同；相同；调整输出衰减为调整输出衰减为 50dB，被测双谐调回路的幅频，被测双谐调回路的幅频特性曲线如图：特性曲线如图：3、相位鉴频器的扫频测量、相位鉴频器的扫频测量相位相位鉴频鉴频器的特性曲器的特性曲线线4、利用扫频仪测量振荡器的振荡频率、利用扫频仪测量振荡器的振荡频率5、用扫频仪测量无源的高通滤波器、用扫频仪测量无源的高通滤波器高通滤波器电路原理图高通滤波器电路原理图1频道高通滤波器特性曲线频道高通滤波器特性曲线6、主要技术指标、主要技术指标扫频范围：扫频范围：1300MHz；扫频宽度：扫频宽度：100MHz;扫频非线性：扫频非线性：+-5%；输出电压：输出电压：0.5V(3.33mW)+-10%;输出平坦度：输出平坦度：+-0.25dB;输出衰减：输出衰减：070dB,1dB步进；步进；输出阻抗：输出阻抗：75欧；欧；频率标记：频率标记：50MHz、10MHz/1MHz复合及外接复合及外接三种，外接频标灵敏度优于三种，外接频标灵敏度优于 300mV；显示部分垂直灵敏度：优于显示部分垂直灵敏度：优于 20mV(峰峰-峰）峰）/cm;显示屏幕有效尺寸：显示屏幕有效尺寸：100mm*80mm。6.7 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理6.7.1 时域和频域的关系时域和频域的关系常常见电见电信号波形信号波形图图与与频谱图频谱图的的对应对应关系关系表中纯正弦波，只显示一条谱线，表中纯正弦波，只显示一条谱线，f0=1/T，线高等于正弦波的幅值；方波含有线高等于正弦波的幅值；方波含有 1,3,5.奇次谐奇次谐波；三角波与梯形波也含有波；三角波与梯形波也含有 1,3,5.奇次谐波，但奇次谐波，但各分量的幅值与方波不同；而锯齿波含有各分量的幅值与方波不同；而锯齿波含有 1,2,3.各次谐波，按自然数排列。这些均可通过傅里叶各次谐波，按自然数排列。这些均可通过傅里叶级数求出。级数求出。6.7.2频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类频谱分析仪按其工作原理分为实时频谱分析频谱分析仪按其工作原理分为实时频谱分析仪和非实时频谱分析仪两大类。仪和非实时频谱分析仪两大类。实时频谱分析仪按工作原理又可分为多通道实时频谱分析仪按工作原理又可分为多通道（信道）滤波式、时基压缩式、扫频超外差（信道）滤波式、时基压缩式、扫频超外差式、相关存储滤波式、快速傅里叶变换（式、相关存储滤波式、快速傅里叶变换（FFT）式）式等。等。1、FFT型实时频谱仪型实时频谱仪2、扫频超外差式频谱仪、扫频超外差式频谱仪6.7.3 信号频谱测量信号频谱测量1、调幅信号分析、调幅信号分析（1）扫频法）扫频法（2）时域法时域法（3）FFT频域法频域法（4）调幅（调幅（AM）信号测量方法的选择）信号测量方法的选择2、调频信号分析、调频信号分析调频信号的频谱是由无限边带组成的，然而调频信号的频谱是由无限边带组成的，然而在窄带调频情况下，只有两个主要的边带，它们在窄带调频情况下，只有两个主要的边带，它们的幅度相对于载波幅度为的幅度相对于载波幅度为:(1)扫频频域法扫频频域法(2)贝塞尔贝塞尔(Bessel)零点法零点法(3)哈伯雷哈伯雷(Haberly)法法(4)斜率检波解调法斜率检波解调法斜率检波解调法是将频谱仪设置在零扫宽的斜率检波解调法是将频谱仪设置在零扫宽的位置上位置上(SPAN=0Hz)，利用中频滤波器的斜率来解，利用中频滤波器的斜率来解调信号的。如果信号正好处于频谱仪中心频率处，调信号的。如果信号正好处于频谱仪中心频率处，即中频信号位于中频滤波器中心处，显示信号就变即中频信号位于中频滤波器中心处，显示信号就变成一根直线，幅度上没有变化。如果调节频谱仪中成一根直线，幅度上没有变化。如果调节频谱仪中心频率，使得信号位于中频滤波器的斜边上，任何心频率，使得信号位于中频滤波器的斜边上，任何频率变化就变为幅度变化，因此得到解调波形。这频率变化就变为幅度变化，因此得到解调波形。这种方法对测量非正弦调制种方法对测量非正弦调制(如噪声、音频、数字调制如噪声、音频、数字调制)的峰值频偏是非常重要的。的峰值频偏是非常重要的。(5)调频调频(FM)信号测量方法的选择信号测量方法的选择3、脉冲调制信号分析、脉冲调制信号分析(1)窄带测量窄带测量(2)宽带测量宽带测量4、复合信号频谱分析、复合信号频谱分析6.7.4 技术性能指标技术性能指标(1)频率分辨率频率分辨率(2)显示平均噪声电平显示平均噪声电平(3)视频滤波器和视频平均视频滤波器和视频平均(4)动态范围动态范围(5)检波器与检波方式检波器与检波方式(6)噪声边带噪声边带(7)假响应假响应(8)剩余响应剩余响应(9)多重响应多重响应(10)交调失真交调失真(11)增益压缩增益压缩(12)冲击带宽冲击带宽(13)预选器预选器6.7.5 操作使用要点操作使用要点1、选型依据、选型依据2、使用要点、使用要点(1)电源要求电源要求(2)静电防护静电防护(3)对输入信号的要求对输入信号的要求(4)更换电池更换电池(5)地址设置地址设置(6)其他说明其他说明