二极管开关变频器组合频率的特性分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,项目,8,二极管开关变频器组合频率的特性分析,8,1,1,项目内容,采用频域测试技术对二极管开关变频器中组合频率的频率特性分析，分析变频器工作原理，验证环形开关混频器输出组合频率的一般通式，观察并测试变频器输出组合频率的频率值和幅度特点，观察混频器的镜像干扰。,8,1,项目要求,8,1,2,知识要求,了解变频器原理及开关混频原理，了解变频器输出组合频率的计算方法，了解频谱分析仪的工作原理，掌握环形开关混频器组合频率的频谱分析仪测试方法。,8,2,相关知识,8,2,1,频率变频电路,频率变换电路可分为频谱的线性变换电路和频谱的非线性变换电路。前者包括普通调幅波的产生和解调电路、抑制载波的调幅波的产生和解调电路、混频电路和倍频电路等；后者包括调频波的产生和解调电路、限幅电路等。这些电路的共同特征是，输出信号中除了含有输入信号的全部或部分频率成分外，还会出现不同于输入信号频率的其它频率分量。,分析频率变换等非线性电子电路的主要目的是寻找描述非线性器件特性的函数，从而求得输出信号中新出现的频率成分。在频率变换电路中，通过研究变频前后频谱的变化，了解输出信号中的频率成分，确定变频电路变频效果。,8,2,2,时域和频域分析特点,一个过程或信号，既可在时域进行分析来获取其各种特性，也可以在频域进行分析获取各种特性。,电压,频率,时间,频域,时域,图,8.1,时间、频率和幅度的三维坐标,8,2,3,常用频域测试仪器,1,、频率特性测试仪,频率特性测试仪主要用于电路频率特性的测量，包括幅频特性、带宽及回路,Q,值等。,2,、频谱分析仪,频谱分析仪用于分析信号中所含的各个频率分量的幅值、功率、能量和相位关系。,3,、选频电压表,选频电压表采用调谐滤波的方法，选出并测量信号中某些频率分量。,4,、调制域分析仪,调制度的分析测量是对各种频带的射频信号进行调解，恢复调制信号，测量调制度。调制域分析仪测量信号的频率、相位和信号出现的时间间隔随时间的变化规律。,5,、相位噪声分析仪,振荡信号源的相位噪声特性用谱密度来表征，因而相位噪声的分析也要用到频谱分析。对网络的分析也是通过信号分析来进行的，因而与信号的频率分析技术密切相关。,6,、数字信号处理机,数字信号处理机是新发展起来的一类分析仪，它采用,FFT,和数字滤波等数字信号处理技术，对信号进行包括频谱分析在内的多种分析。,8,2,4,频率特性的基本测试方法,1,、点频测试法,保持输入正弦信号大小不变，逐点改变输入信号的频率，测量相应的输出电压值。,2,、扫频测试法,扫频频率的变化是连续的，不会漏掉被测特性的细节，快速扫频使我们有可能测量被测器件或系统的动态特性。另外扫频测试法的测量简单、速度快，可实现频率特性测量的自动化。,3,、多频测量法,多频测量将一个由多个正弦波组成的测试信号同时加到被测系统的输入，大大提高测量的速度。计算机的普及和多频测量的软件实现，更使频域测量系统的自动化进入了新的发展阶段。,4,、广谱快速测量法,当系统的非线性失真的要求较高时，可采用白噪声作为测试输入信号，实现广谱测试信号的动态测试方法。,8,2,5,频谱分析仪的工作原理及应用,1,、频谱分析的概念,对于周期函数，傅立叶用,作为变量，证实几乎每个正弦信号都是由基波和各次谐波组成的，非正弦波也可分解为频率不同的正弦波。通常将合成信号的所有正弦波的幅度按频率的高低依次排列所得到的图形称为频谱。频谱分析就是在频率域内对信号及特性进行描述。,一般说来，确定性信号存在着傅立叶变换，由它可获得确定的频谱。随机信号只能就某些样本函数的统计特征值作出估算，如均值、方差等。这类信号不存在傅立叶变换，对它们的频谱分析指的是它的功率谱分析。,8,2,5,频谱分析仪的工作原理及应用,2,、示波测试和频谱分析的特点,示波器和频谱仪都可用来观察同一物理现象，两者所得的结果应该是相同的。但由于两者是从不同角度去观察同一事物，故所得到的现象只能反映事物的不同侧面。,(a),示波器测试图形,(b),频谱仪测试图形,图,8.2,信号在时域和频域中的显示情况,A,0,t,A,t,0,t,0,A,t,0,A,t,0,A,t,0,A,图,8.3,示波器和频谱仪对比观察相位不同的波形,(a),用示波器不容易观察波形的失真,(b),用频谱仪容易观察微小的幅度和相位变化,图,8.4,用示波器和频谱仪观察微小失真的波形,3,、频谱获取的基本方案,输入,信号,CRT,可调,滤波器,A,A,(c),调节滤波器方式,(d),外差扫频方式,CRT,中频,滤波器,中频放大,输入,信号,混频器,本地,振荡器,A,A,A,输入,信号,BPFn,V,n,A,A,BPF1,V,1,BPF2,V,2,A,CRT,电,子,开,关,输入,信号,BPF2,BPF1,BPFn,A,A,A,A,(a),同时分析原理图,(b),顺序,分析原理图,4,、常用频谱分析仪的介绍,(1),频谱分析方法,有三种分析功率谱的方案，它们是滤波法、相关函数傅立叶变换法和直接傅立叶变换法。后两种都是通过傅立叶变换计算来完成的，故可将它们归为计算法。,图,8.6,滤波式频谱分析仪的基本组成,信号输入,带通滤波器或,扫描调谐式滤波,显示或记录,检波器,图,8.7,计算法频谱分析仪的基本组成,模拟信号,输入,低通,滤波器,采样,/,保持电路,摸数,转换电路,存储,电路,数字信号处理电路,显示记录,电路,(2),滤波法频谱分析仪, 并行滤波实时频谱仪, 档级滤波器式频谱分析仪,图,8.8,并行滤波实时频谱分析仪框图,滤波器,2,滤波器,1,滤波器,n,输入,信号,输入,放大器,电,子,开,关,CRT,输出,放大器,扫描发生器,检波器,1,检波器,2,检波器,n,图,8.9,档级滤波器式频谱分析仪框图,电,子,开,关,BPF2,BPF1,BPFn,输入,信号,输入,放大器,CRT,检波器,输出,放大器, 扫描式频谱分析仪,外差式频谱分析仪,输入,信号,CRT,检波器,输出,放大器,电调谐带通滤波器,扫描发生器,图,8.10,扫描,式频谱分析仪框图,图,8.11,外差式频谱分析仪,的构成框图,输入,信号,CRT,输出,放大器,混频器,滤波器,中频,放大器,检波器,扫描发生器,放大器,中频,放大器,数字滤波式实时频谱仪,图,8.12,数字滤波式频谱分析仪框图,输入,信号,CRT,A/D,变换,数字,滤波器,数字检波平均,时基地址控制,数据缓存,(3),计算法频谱分析仪,FFT,分析仪,通过,FFT,方法计算,DFT,，即可得到信号的离散频谱，再经平方获得功率谱。, 采用数字中频的外差式频谱分析仪,它融合了外差扫描与数字信号处理、实时分析技术。,(4),频谱分析仪的主要技术指标,不同品种的频谱仪参数不尽相同。对于使用者来说，主要应了解频率特性、幅值特性及分析速度等几类参数。, 频率范围,指能达到频谱分析仪规定性能的工作频率区间。, 扫频宽度,指频谱分析仪在一次分析过程种所显示的频率范围，也称为分析宽度。扫频宽度与分析时间之比就是扫频速度。, 扫描时间,(5),频谱分析仪的应用,频谱仪不仅在电子测量领域，而且在生物学、水声、振动、医学、雷达、导航、电子对抗、通信、核子科学等方面都有广泛的用途。还对下列参数的测试。, 测量正弦信号的绝对幅值和相对幅值。, 频率、寄生频率分量的绝对频率和相对频率、噪声和频率稳定度等参数。, 测试调幅、调频、脉冲调幅等调制信号。, 测试脉冲噪声。, 测试瞬变信号。, 测试线性网络和非线性网络的幅频特性、非线性失真、增益或衰减等参数。, 进行电磁兼容性（,EMC,）的测试。,8,3,项目实施,8,3,1,所需实验设备和附件,1,、高频电路实验箱,1,台,2,、,GSP-827,频谱分析仪,1,台,3,、,100MHz,双踪示波器,1,台,4,、,EM32501DDS,任意波形发生器,2,台,5,、调试工具,1,套,8,3,2,实施步骤,1,、变频器的工作原理,为信号发生器产生的输入信号， 为本地振荡信号，当这两个不同频率的正弦信号，同时作用到一个非线性元件上时，就会在它的输出电流中，产生许多组合频率分量，选用适当的滤波器可取出所需的频率分量，此时就完成了频率变换。,非线性元件,图,8.13,变频器原理框图,带通滤波器,本地振荡器,信号发生器,U,L,U,i,2,、频谱分析仪的选择,（,1,）频谱分析仪功能的选择,根据测量项目来选择仪器功能。,（,2,）扫频宽度的选择,扫频宽度是根据被测信号的频谱宽度来选择的。,（,3,）频带宽度的选择,扫频宽度的选择应与静态分辨率 相适应，原则上宽带扫频可选,，,而窄带扫频则选,。,（,4,）扫频速度的选择,以获得较高的动态分辨率为准则，还要合理处理扫频速度与分析时间的矛盾。,3,、实施步骤,实验分两步测试，第一次测试,10.7MHz,滤波器后输出，第二次测试混频器输出。,图,8.15,测试仪器外型和连线图,图,8.14,频谱测试仪面板图,4,、测试波形显示与分析,图,8.16,滤波器输出的频谱图,4,、测试波形显示与分析,图,8.17,混频器输出的频谱图,8,4,1,频率特性测试仪的工作原理与应用,频率特性测试仪简称扫频仪，是一种根据扫频测量法原理组成的分析电路频率特性的电子测量仪器，主要用于电路频率特性的测试。,扫频仪能够直接在示波管的荧光屏上显示被测电路频率特性，与示波器不同的是，它的横坐标为频率轴、纵坐标为电平值，而且在显示图形上叠加有频率标志，可对电路幅频特性、带宽等进行定量测试。,一般电路由三部分组成，扫频和频标信号的产生、示波驱动与显示、高低压电源。,8,4,扩展知识,1,、,频率特性测试仪的工作原理,图,8.18,频率特性测试仪电路组成框图,外频标,输入,Y,输入,CRT,低压,电源,高压,电源,Y,轴,输入电路,Y,偏转,放大电路,扫描,发生电路,X,偏转,放大电路,1.1MH,Z,频标,信号产生电路,50MH,Z,外频标,信号产生电路,扫频信号,发生电路,宽带,放大电路,AGC,控制器,可调,衰减器,75,衰减器,检波器,被测,系统,（,1,）扫频信号发生电路, 扫频振荡器是扫频信号发生器的核心，目前常用的有磁调电感扫频振荡器、变容管扫频振荡器及宽带扫频。, 稳幅电路采用自动增益控制电路（,AGC,）来实现。采用自动闭环反馈，最大限度消除了扫频的寄生调幅。, 为了满足不同测量任务对输出电压大小的需求，一般 频率特性测试仪都接有衰减器。,输出衰减器,扫频振荡器,AGC,控制器,图,8.19,扫频信号发生电路的构成,（,2,）频标信号产生电路, 菱形频标, 针形频标,低通,滤波器,图,8.20,菱形频标信号产生电路方框图,菱形频标,信号输出,标准信号,发生器,谐波,发生器,混频器,扫频信号,发生器,图,8.21,针形频标信号产生电路方框图,标准信号,发生器,谐波,发生器,混频器,低通,滤波器,扫频信号,发生器,菱形频标,单稳,触发器,整形,电路,针行频标输出,2,、,频率特性测试仪的主要技术指标,（,1,）扫频非线性系数,k,表示扫频信号频率与扫描电压之间线性相关的程度，可用,f-u,曲线的斜率变化来表示。,（,2,）扫频宽度,（,3,）扫频信号的寄生调幅系数,（,4,）稳定性,作为信号源的频率指标，应具有足够的稳定性。,（,6,）频率标记,一般有,1MHZ,、,10MHZ,、,50MHZ,及外接四种。,（,7,）输出阻抗,扫频信号发生器的输出阻抗一般选择,75,。,3,、,频率特性测试仪的主要应用,（,1,）使用前的检查, 通电预热,10,分钟左右，调好辉度和聚焦，扫描线应明亮平滑。, 极性开关“,+”,、“,-”,和,AC,、,DC,根据被测信号设定。, 根据被测电路的工作频率或带宽，将频标选择开关置于合适档位，通过调节频标幅度旋钮，使其大小合适。, 进行零频标点的调试。 进行,0dB,校正。,(a) (b),图,8.24,扫频信号零频率点的调试,（,2,）频率特性测试仪面板和主要控键示意图,（,3,）使用注意事项, 扫频仪与被测电路连接时，必须考虑阻抗匹配问题。如被测电路的输入阻抗为,75,，应使用终端开路的输出电缆线；如被测电路的输入阻抗很大，应采用终端接有,75,的输出电缆线，否则应在扫频输出与被测电路之间加入阻抗变换器。, 在显示幅频特性曲线时，如发现图形有异常曲折，则表明电路有寄生振荡，这时应先采取措施消除自激，如降低放大器增益、改善接地线或加强电源退耦滤波等。, 测试时，输出电缆与检波头的地线应尽量短，切忌在检波头上加长导线。,（,4,）频率特性测试仪测试实例, 电路幅频特性的测试,被测电路,扫频仪,输,出,输,入,检波,探头,图,8.26,电路幅频特性的测试连线图,（,4,）频率特性测试仪测试实例, 电路参数的测量,增益的测量, 带宽的测量, 回路,Q,值的测量,A,B,A,B,f,L,f,H,(a) (b),图,8.27,扫频仪测量带宽时荧光屏显示的图形,8,4,2,频谱分析仪的其它应用,1,手机灵敏度的定量测试,采用频谱分析仪能对每部手机灵敏度进行定量测试及比较。其灵敏度的大小反应在频谱仪,Y,轴上的高低。,2,基站测试,基站的测量方法有两种，一个是使用基站专用测试仪进行测量，另一个是使用配备专用测试软件的频谱分析仪进行测量。,3,、电磁干扰（,EMI,）的测试,4,相位噪声的测量,发射机,频谱,分析仪,信号,发生器,图,8.28,接收机杂波辐射的测量,信号源,频谱,分析仪,图,8.29,相位噪声的测量,