频域测量ppt课件

第6章频域测量技术 6 1频域测量的原理与分类6 2线性系统频率特性测量6 3频谱分析测量 1 6 1频域测量的原理与分类 6 1 1频域测量的原理对于一个过程或信号 它具有时间 频率 幅度的三维特性 如图6 1所示 图6 1信号的三维特性 2 6 1 2频域测量的分类根据实际应用的需求 频域分析和测量的对象和目的也各不相同 通常有以下几种 1 频率特性测量 主要对网络的频率特性进行测量 包括幅频特性 相频特性 带宽及回路Q值等 2 选频测量 利用选频电压表 通过调谐滤波的方法 选出并测量信号中某些频率分量的大小 3 3 频谱分析 用频谱分析仪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 以及振荡信号源的相位噪声特性 空间电磁干扰等 4 调制度分析测量 对各种频带的射频信号进行解调 恢复调制信号 测量其调制度 如调幅波的调幅系数 调频波的频偏 调频指数以及它们的寄生调制参量 5 谐波失真度测量 信号通过非线性器件都会产生新的频率分量 俗称非线性失真 这些新的频率分量包括谐波和互调 4 6 2线性系统频率特性测量在电路的设计或产品的生产调试中 经常需要了解某个网络的频率特性 通常指幅频特性 网络的幅频特性是指当网络的输入电压恒定时 其输出电压随频率变化的关系特性 从测量原理上讲 网络的频率特性测量主要有点频测量法和扫频测量法两种 5 1 点频测量法点频法就是通过逐点测量一系列规定频率点上的网络增益 或衰减 来确定幅频特性曲线的方法 其原理如图6 2所示 正弦波信号发生器作为网络输入的信号源 提供频率和电压幅度均可调整的正弦信号 电压表 作为网络输入端的电压幅度指示器 电压表 作为网络输出端的电压幅度指示器 测量方法 在被测网络整个工作频段内 改变输入信号的频率 注意在改变输入信号频率的同时 保持输入电压的幅度恒定 用电压表I来监视 在被测网络输出端用电压表 测出各频率点相应的输出电压 做好记录 然后在直角坐标中 以横轴表示频率的变化 以纵轴表示输出电压幅度的变化 连接各点 就描绘出网络的幅频特性曲线 6 图6 2点频法测量幅频特性 点频法是一种静态测量法 它的测量准确度较高 能反映出被测网络的静态特性 测量时不需要特殊仪器 是工程技术人员在没有频率特性测试仪的条件下 进行科学研究和实验的基本方法之一 这种方法的缺点是操作繁琐 工作量大 容易漏测某些细节 又不能反映出被测网络的动态特性 7 2 扫频测量法扫频测量法是在点频测量法的基础上发展起来的 它是利用一个扫频信号发生器取代了点频法中的正弦信号发生器 用示波器取代了点频法中的电压表而组成的 其工作原理如图6 3所示 图 a 中扫频振荡器是关键环节 它产生一个幅度恒定且频率随时间线性连续变化的信号作为被测电路的输入信号 通常称为扫频信号 如图6 2 b 中的波形 这个扫频信号经过被测电路后就不再是等幅的 其幅度按照被测网络的幅频特性作相应变化 如图6 2 b 中的波形 这个波形的包络线的形状就是被测电路的幅频特性 经过包络检波器将其包络解调出来 最后经过Y通道放大器放大 加到示波管Y偏转系统 8 图6 3扫频法测量幅频特性 9 扫描电路产生线性良好的锯齿波电压 如图6 3 b 中的波形 这个锯齿波电压一方面加到扫频振荡器中对其振荡频率进行调制 使其输出信号的瞬时频率在一定的频率范围内由低到高作线性变化 但其幅度不变 这就是前述的扫频信号 另一方面 该锯齿波电压通过放大 加到示波管X偏转系统 配合Y偏转信号来显示图形 示波管的水平扫描电压同时又用于调制扫频信号发生器 形成扫频信号 因此 示波管屏幕光点的水平移动与扫频信号频率随时间的变化规律完全一致 所以水平轴也就变换成频率轴 也就是说 在屏幕上显示的图形是被测网络的幅频特性曲线 10 扫频测量法具有以下优点 1 可实现网络频率特性的自动或半自动测量 特别是在进行电路测试时 人们可以一面调节电路中的有关元件 一面观察荧光屏上频率特性曲线的变化 随时判明元件变化对幅频特性产生的影响 迅速调整 查找电路的故障 2 由于扫频信号的频率是连续变化的 因此 所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的 不会出现由于点频法中频率点离散而遗漏细节的问题 且能够观察到电路存在的各种冲激变化 如脉冲干扰等 更符合被测电路的应用实际 3 扫频测量法测量简单 速度快 可实现频率特性测量的自动化 已成为一种广泛使用的方法 11 6 2 1频率特性测试仪的基本组成和工作原理频率特性测试仪简称扫频仪 它是利用示波管直接显示被测二端网络频率特性曲线的仪器 是描绘表征网络传递函数的仪器 频率特性测试仪是在静态逐点测量法的基础上发展起来的一种快速 简便 实时 动态 多参数 直观的测量仪器 它被广泛地应用于电子 通信工程等领域 例如 家用电器 电视机 收录机等 和通信设备 收 发信机等 的测量 调试都离不开扫频仪 12 1 频率特性测试仪的基本组成和工作原理扫频仪的内部电路组成如图6 4中的虚线框内的电路所示 检波探头 检波器 扫频仪附件 是扫频仪外部的一个电路部件 用于直接探测被测网络的输出电压 检波探头与示波器的衰减探头外形相似 体积稍大 但电路结构和作用不同 它内藏二极管检波电路 起包络检波作用 扫频仪有一个输出端口和一个输入端口 输出端口输出等幅扫频信号 作为被测网络的输入测试信号 输入端口接收被测网络经检波后的输出信号 测试时扫频仪与被测网络构成了闭合回路 13 图6 4扫频仪的组成框图 14 1 扫描电路扫描电路用于产生扫频振荡器所需的调制信号及示波管所需的扫描信号 扫描电路的输出信号可以是锯齿波信号 也可以是正弦波或三角波信号 这些信号一般是由50Hz市电通过降压之后获得 或由其它正弦信号经过限幅 整形 放大及积分之后得到 这样设计的目的是为了简化仪器的电路结构 降低造价 由于调制信号与扫描信号的波形相同 因此 这样设计并不会使所显示的幅频特性曲线失真 2 扫频振荡器扫频振荡器的作用是产生等幅的扫频信号 即频率随时间线性变化的等幅信号 在目前的扫频仪中 扫频振荡器通常采用变容二极管扫频振荡器或者磁调制扫频振荡器 15 3 稳幅电路稳幅电路的作用是减少寄生调幅 扫频振荡器在产生扫频信号的过程中 都会不同程度地改变着振荡回路的Q值 从而使振荡幅度随调制信号的变化而变化 即产生了寄生调幅 抑制寄生调幅的方法很多 最常用的方法是从扫频振荡器的输出信号中取出寄生调幅分量并加以放大 再反馈到扫频振荡器去控制振荡管的工作点或工作电压 使扫频信号的振幅恒定 4 输出衰减器输出衰减器用于改变扫频信号的输出幅度 在扫频仪中 衰减器通常有两组 一组为粗衰减 一般是按每挡10dB或20dB步进衰减 另一组为细衰减 按每挡1dB或2dB步进衰减 多数扫频仪的输出衰减量可达100dB 16 2 频标电路频率标志电路简称为频标电路 其作用是产生具有频率标志的图形 将其叠加在幅频特性曲线上 以便读出曲线上各点相应的频率值 频标的产生方法通常是差频法 其原理框图如图6 5所示 晶体振荡器产生的基准频率信号经谐波发生器后产生出一系列的谐波分量 这些基波和谐波分量与扫频信号一起进入频标混频器进行混频 当扫频信号的频率正好等于基波或某次谐波的频率时 混频器产生零差频 零拍 当两者的频率越接近时 混频器输出差频越小 差频信号经低通滤波器滤去高频成分后 在Y轴放大器中与图形信号叠加 这样 在被测电路的幅频特性曲线上形成菱形图形 如图6 6所示 这就是菱形频标 测量者利用频标可对图形的频率轴进行定量分析 17 图6 5产生频标的原理框图 图6 6叠加在曲线上的菱形频标 18 差频法所产生的菱形频标适用于测量高频电路 因为菱形频标具有一定的宽度 所以 只有菱形频标在被测幅频特性曲线上所占有的相对带宽很窄 才能形成一个很细的频标 因此 在低频测量中差频法受到限制 为了提高低频测量时频标的分辨力 可以不直接把差频信号波形叠加在图形信号上 而利用菱形的差频信号去触发一个单稳态触发器 见图6 7 将其输出的窄脉冲在Y放大器中与图形信号叠加 这样 一个个窄脉冲波形将出现在被测幅频特性曲线上 形似一根根细针 称为针形频标 如图6 8所示 19 图6 7针形频标的形成 图6 8针形频标 20 2 主要技术指标扫频仪的主要技术指标有 有效扫频带宽 扫频线性 幅度不平坦性等 1 有效扫频宽度和中心频率有效扫频宽度也称扫频频偏 是指在扫频线性和幅度不平坦性符合要求的前提下 一次扫频能达到的最大频率范围 即 f fmax fmin式中 f为有效扫频宽度 fmax fmin为一次扫频时能达到的最高和最低瞬时频率 21 中心频率定义为而把 f f0称为相对扫频宽度 即通常把 f远小于信号瞬时频率值的扫频信号称为窄带扫频 把 f可以和信号瞬时频率相比拟的扫频信号称为宽带扫频 22 2 扫频线性扫频线性表示扫频信号频率与扫描电压之间线性相关的程度 常用扫频线性系数来表示 定义为3 幅度不平坦性在幅频特性测量中 必须保证扫频信号的幅度保持不变 扫频信号的幅度不平坦性常用它的寄生调幅来表示 定义为式中 A B表示扫频信号的最大和最小幅度 23 6 3频谱分析仪概述6 3 1频谱分析仪的种类信号的测量可以从频域和时间域两个方面进行 频谱分析仪就是进行信号频域测量即频谱分析的设备 频谱分析仪从频谱测试的实现技术上区分为两类 快速傅里叶变换 FFT 频谱分析仪和扫频式频谱分析仪 FFT分析仪使用数值计算的方法处理周期信号 可提供频率 幅度和相位信息 对周期信号和非周期信号均能分析 FFT分析仪的特点是速度快 精度高 局限性是其分析频率的带宽受到模 数转换器 ADC 采样速率的限制 所以适合分析窄带信号 扫频式频谱分析仪可以分析稳定和周期变化的信号 提供信号幅度和频率信息 适合宽频带宽的快速扫描测试 24 6 3 2扫频式频谱分析仪的结构及工作原理1 扫频式频谱分析仪工作原理扫描调谐频谱分析中采用超外差方式 能提供宽的频率覆盖范围 同时允许在中频 IF 进行信号处理 分析仪的原理框图如图6 9所示 25 通过图6 9可以看到这种频谱仪主要由外差式接收机和示波器组成 输入信号进入频谱仪以后与本振 LO 混频 该本振要受到锯齿波扫描电压的调制 调频 当本地振荡器的频率fL t 在一定范围内扫动时 输入信号中的各频率分量fc1 fc2 和本振信号在混频器中产生的差频信号fI1 fI2 依次落入中频放大器的通频带内 这个通频带是固定的 获得中频增益后 信号送到检波器 检波器输出的视频信号通过放大 采样 数字化后决定CRT显示信号的垂直电平 扫描振荡器控制CRT显示的水平频率轴和本振调谐同步 同时驱动水平CRT偏转和调谐本振 LO 由于示波器的扫描电压就是扫频振荡器的调制电压 所以水平轴变成频率轴 因而在屏幕上显示被测信号的频谱图 26 频谱分析仪依靠中频滤波器分辨各频率成分 检波器测量信号功率 依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号频率值 实际中的频谱仪的组成结构要比图7 1复杂得多 为了获得高的灵敏度和频率分辨力 要采用多次变频的方法 以便在几个中间频率上进行电压放大 2 扫频式频谱分析仪的主要组成部分 1 输入衰减器 频谱仪中的第一级处理的功能是保证频谱仪在宽频范围内保持良好的匹配特性 并保护混频及其它中频处理电路 频谱仪工作时 中频放大器增益和衰减器设定值联动工作 所以输入信号的显示电平并不发生变化 2 混频器 完成信号的频谱搬移 将不同频率输入信号变换到相应的中频频率 在变频处理中需要采取一定的手段解决镜像及其它干扰问题 27 3 中频滤波器 这是频谱分析仪中的关键部分 其功能是分辨不同频率信号 中频滤波器的带宽和形状将影响频谱仪的许多关键指标 例如测量分辨率 测量灵敏度 测量速度以及测量精度等 4 检波器 检波器的功能是将输入信号转换为视频电压 该电压值对应输入信号功率 不同特性的输入信号 例如正弦信号 噪音信号 随机调制信号等 需采用不同检波方式才能准确地测出该信号功率 5 视频滤波器 视频滤波器对检波器输出的视频信号进行低通滤波处理 减小视频带宽可对频谱显示中的噪声抖动进行平滑 从而减小显示噪声的抖动范围 这有利于频谱仪在测试过程中发现被噪声淹没的小功率连续信号 还可提高测量的可重复性 6 对数放大器 为了使幅值坐标 对数化 在检波器和中放之间加入了对数放大器 28 7 1 3频谱分析仪的基本性能指标频谱分析仪的基本性能指标主要包括以下几个方面 1 频率指标测量频率范围 反映频谱仪测量信号的范围 频谱分析仪的测量频率范围由其本振范围决定 频率分辨率 两相邻谱线的间隔称为频率分辨率 该指标代表两个不同频率的信号能够被清晰分辨出来的最低频宽 如果被测的不同信号频宽低于仪表分辨带宽 被测信号在仪表上显示为重叠 从而无法进行分辨 频谱分析仪的频率分辨率与其内部的中频滤波器带宽和本振性能有关 29 2 幅度指标灵敏度 频谱分析仪发现小信号的能力 频谱分析仪的灵敏度定义为在一定分辨带宽下所显示的平均噪声电平 频谱分析仪灵敏度与RBW 中频滤波器带宽即分辨率带宽 VBW 视频滤波器带宽 衰减器设置值有关 内部失真 反映频谱分析仪测量大信号的能力 频谱分析仪的内部失真是由频谱仪的混频电路和其它处理过程的非线性作用引起的 动态范围 频谱分析仪同时分析大信号和小信号的能力 例如当频谱分析仪在测量一个10dBm的大信号时 其灵敏度和失真指标能否保证频谱分析仪还可测试 100dBm的杂散信号 30 要保证频谱分析仪具有最大的动态测试范围 需要设定最佳混频器工作电平 此时仪器内部产生的任何失真产物低于噪声电平 将不被显示出来 3 分析精度分析精度包括频率测量精度和幅度测量精度 频率测量精度与本振信号频率和中频滤波器相关 幅度测量精度则会受到设备精度的每个环节的影响 4 测量速度频谱分析仪的测量速度与扫宽 中频滤波器带宽值 视频滤波器带宽值相关 31 6 3 4频谱分析仪的测量功能频谱分析仪除了对输入信号中各个频率成分的频率和功率进行基本的测试外 通过选配一定的硬件 软件 还可以实现很多有用参数的测试 如调制信号功率参数 平均功率 功率谱密度 邻道功率比ACPR 信号频率占用带宽测量 互补累计分布函数CCDF 包络波形 测量 瞬变信号测量 信号相位参数 相位噪声 相位抖动 寄生调频 测量 选时分析 需要配置选件1D6 以及CATV信号测试 需要配置选件227 等 另外 配置跟踪源还可完成传输频率响应测试 反射率响应测试 电缆故障定位 其功能与网络分析仪相似 32 6 4AgilentESA系列频谱分析仪E4402B6 4 1AgilentESA系列频谱分析仪外观及面板组成Agilent的ESA系列经济型频谱分析仪采用扫频式原理完成信号的频域测试 主要功能是分辨输入信号中各个频率成分并测量各频率成分和功率 AgilentESA系列频谱分析仪外观如图6 10所示 33 图6 10AgilentESA频谱分析仪外观图 34 1 AgilentESA系列频谱分析仪前面板组成及功能AgilentESA系列频谱分析仪前面板如图6 11所示 各按键功能如下 ViewingAngle 角度观察键 允许调节显示不同的角度以便进行最佳的观察 Esc escape 脱离 键 可取消任何进行中的输入 菜单键 紧邻屏幕的无标识键 其标识是标注在紧邻菜单键的屏幕上 FREQUENCYChannel SPANXScale AMPLITUDEYScale 分别为频率通道 扫宽X刻度和幅度Y刻度 CONTROL 控制键 可访问调节分辨率带宽 扫描时间等分析仪参数 35 图6 11AgilentESA频谱分析仪前面板图 36 MEASURE 参数键 包括MeasSetup MeasControl Restart三个键 访问和设置测量控制功能 SYSTEM 系统键 可设置频谱分析仪的整体状态 包括Preset File Print Setup MARKER 标记键 功能键区 软驱 10数据控制键 包括步进键 旋钮和数字键盘 11VOLUME 音量旋钮 用来调节内部扬声器音量 12EXTKEYBOARD 外接键盘接口 13PROBEPOWER 探头电源 为高阻抗交流探头或其它附件提供电源 14Return 返回键 37 15AMPTDREFOUT 幅度参考输出接口 可提供 20dB 50MHz幅度参考信号 16Tab 制表键 17INPUT50 50 输入接口 分析仪的测试信号输入接口 18NextWindow 下一个窗口键 用于分屏显示时进行屏幕转换 另有Zoom键进行分屏和全屏显示转换 19Help 帮助键 按下Help键 然后按任何面板键或菜单键可得到该按键功能的简短说明和相关的SCPI命令 按下一个按键将从显示中撤消帮助窗口 20RFOUT50 50 RF输出接口 可选件 是内部跟踪发生器的输出端口 端口频率为50MHz 21电源开关键 可使设备处于开机状态 On 或者备用状态 Standby 即使电源开关处于备用状态 仪器仍会继续消耗功率 38 2 AgilentESA系列频谱分析仪后面板组成及功能AgilentESA系列频谱分析仪后面板如图6 12所示 各按键功能如下 交流电源输入插口 应确保电源插座具有保护地触点 直流电源输入插口 直流电源和交流电源不能同时使用 电源保险丝 维修接头 输入 输出 包括VGA驱动接口 输出信号为水平31 5kHz 垂直60Hz 同步速率 非隔行扫描 以及其它TTL输入 输出接口 HP IB和并行接口 并行接口为可选件 RS 232和并行接口 并行接口为可选件 39 图6 12AgilentESA频谱分析仪后面板图 40 IF和扫描口 FM调制解调器 可选件 允许解调 显示与测量FM信号的偏移 频率扩展组件 11卡槽识别号 1210MHzREFIN 10MHz 15 10dBm频率基准信号输入接口 1310MHzREFOUT 10MHz 最小0dBm频率基准信号输出接口 14电源开关选择 15直流保险丝 41 6 4 2AgilentESA系列频谱分析仪E4402B的性能指标Agilent频谱分析仪E4402B的测量能力可参考表6 4中所列参数 频率范围标志着频谱仪能够测试信号频率的跨度 平均噪声电平决定了频谱仪可测试小信号的能力 42