电子测量与仪器课件 第五章 频域测量与仪器2

1、频域测量与仪器 第 5 章 1 5.3.1 频谱仪的组成及工作原理频谱仪的组成及工作原理 模拟式频谱仪的最简单原理是利用一系列窄带滤波器，依次选取被测信号中不同频率的信号，并借助于扫描信号，将不同频率信号的幅度并排显示在荧光屏上，得到被测信号的频谱图，该方式为顺序滤波式，原理框图如图5.14所示。 顺序滤波式频谱仪需要采用大量高稳定度的窄带滤波器，因仪器造价较高而较少采用。使用比较普遍的是扫频外差式频谱仪。频域测量与仪器 第 5 章 2窄带滤波器窄带滤波器门电路检波器Y放大器扫描电路窄带滤波器门电路门电路X放大器uxfx图5.14 顺序滤波式频谱仪原理图频域测量与仪器 第 5 章 3扫频外差式

2、频谱仪的工作原理如图5.15(a)所示。所谓“扫频外差式”包括外差和扫频两个含意。“外差”即本振信号（即扫频振荡信号）与被测信号经混频器差频产生固定中频信号，因此仪器只要采用一个窄带滤波器即可，而中频放大器则起到窄带滤波器的作用。“扫频”即本振信号频率是连续改变的。在本振频率扫频时，本振频率和被测信号顺序差频得到中频，即相当于选取一系列被测信号的频率分量。例如，假设中频频率为6MHz、本振频率从9MHz扫频到13MHz，若被测信号包括3、4、5、6、7MHz五个频率成分，当本振频率为9MHz时与3MHz被测信号频率差频得到第一个6MHz信号；本振频率扫到10MHz时和4MHz的被测信号差频得到

3、第二个6MHz信号。依此类推，将顺序得到第三、四、五个中频。可频域测量与仪器 第 5 章 4见被测信号在一定频率范围内，有一个频率分量就有一个中频输出，中频信号经检波器解调出各自的振幅，经过放大后加到Y偏转板，得到相应频率成分的幅度值，该幅度值与对应频率信号的幅度成正比。加到X偏转板的锯齿波扫描电压就是本振扫频振荡器的调制电压，因而水平轴变为频率轴，这样荧光屏上就显示出了被测信号的频谱图。由于窄带滤波器存在一定的带宽，故显示的频谱线并非理想的直线，而是一排窄带滤波器的动态幅频特性曲线，如图5.15(b)所示。 频谱仪的实际构成要比图5.15(a)复杂得多，主要体现在以下几个方面：首先为了获得较

4、高的灵敏度而采用多次变频的方法，以便在几个中频频率上进行电压放大提高灵敏度，如果在一个中频上增加放大器级数来提高灵敏度，则很容易频域测量与仪器 第 5 章 5引起振荡，而且多次变频还可以提高频率分辨力。其次采用输入衰减器来扩大量程和提高输入阻抗。再者采用频标信号以便直接读出频率值。然后为了使幅值坐标“对数化”（取对数），还应在Y通道的检波器和Y放大器之间接入对数放大器。对数放大是指输出信号的幅度是输入信号幅度的对数，即压缩谱线幅度，使得在荧光屏有效高度范围内得到大的动态范围。混频器中频放大器Y放大器扫频振荡器锯齿波扫描电路X放大器(a)(b)uifx图5.15 扫频外差式频谱仪组成框图检波频域

5、测量与仪器 第 5 章 6频谱仪的实际构成要比图5.15(a)复杂得多，主要体现在以下几个方面：首先为了获得较高的灵敏度而采用多次变频的方法，以便在几个中频频率上进行电压放大提高灵敏度，如果在一个中频上增加放大器级数来提高灵敏度，则很容易引起振荡，而且多次变频还可以提高频率分辨力。其次采用输入衰减器来扩大量程和提高输入阻抗。再者采用频标信号以便直接读出频率值。然后为了使幅值坐标“对数化”（取对数），还应在Y通道的检波器和Y放大器之间接入对数放大器。对数放大是指输出信号的幅度是输入信号幅度的对数，即压缩谱线幅度，使得在荧光屏有效高度范围内得到大的动态范围。频域测量与仪器 第 5 章 75.3.2

6、 频谱仪组成原理实例频谱仪组成原理实例BP-28型音频（20Hz20MHz）频谱仪的结构如同选频电压表，其组成框图如图5.16所示。被测信号经输入衰减获得合适电平（10mV）后，送至前置放大器，由低通滤波器滤除20kHz以上的分量，再送入变频器，在变频器中使被测信号与扫频信号差频，当被测信号中的某一分量与扫频信号相差一个中频时，其差频分量通过选频放大器及中频衰减器，分别送入线性放大器或对数放大器，再经中频放大器输出至机外，另一路经检波器接到电压表。同时在检波器后将直流信号输出。对仪器校准时，将10kHz、10mV的校准信号接至前置放大器，对仪器进行幅度校准。 频域测量与仪器 第 5 章 8扫频

7、振荡器中的可变电容器与直流输出电位器RP3的刻度盘同轴，使振荡器的频率与直流输出电压和刻度线三者同步，于是直流输出的每一个电压值即代表不同的频率值，并由刻度线读出。当用直流输出电压驱动记录仪的X轴时，X轴的移动距离代表频率值，出现在X轴某一位置的谱线长度，表示被测信号该频率分量的幅值。该仪器的选频放大器中使用晶体滤波器，可在4Hz，30Hz，150Hz三种频率上人工选择；有线性放大器和对数放大输入衰减器前置放大器低通滤波器变频器选频放大器中频衰减器中频放大器线性放大器对数放大器数字频率计扫频振荡器校准信号电压表检波器对数校准RP2RP3中频输出线性校准RP1fxf0fwui直流输出图5.16

8、BP-28型音频频谱仪原理框图频域测量与仪器 第 5 章 9器可供选择，以取得合适的频率坐标分度；扫频振荡器的频率用微电动机实现自动扫频。由于仪器可以对信号或系统的各种谐波进行准确的测量，因而可作为高灵敏度谐波失真仪使用；可提供音频扫频信号，用以测量频率特性曲线；由于中心频率可以连续调节，因而亦可作为有源滤波器使用。 5.3.3 频谱仪的技术指标频谱仪的技术指标 （1）频率范围 频率范围是指能够达到仪器规定性能的工作频率范围。 （2）扫频宽度 扫频宽度又称为分析谱宽，其含义是频谱仪在一次测量频域测量与仪器 第 5 章 10分析过程中（即一个扫描正程）显示的频率范围。为了观测被测信号频谱的全貌，

9、需要较宽的扫频宽度；为了分析频谱图中的细节，则需要窄带扫描。因此，频谱仪的扫频宽度应是可调的。每厘米相对应的扫频宽度，称为频宽因数。扫频宽度很宽的频谱仪称为全景频谱仪，可以观测到信号频谱的全貌。 每完成一次频谱分析所需要的时间称为分析时间，即本机振荡器频率扫描完整个扫频宽度所需要的时间，实际上就是扫描正程时间。扫频宽度与分析时间之比称为扫频速度。 （3）频率分辨力 频率分辨力是指频谱仪能够分辨的最小谱线间隔。它表征了频谱仪分辨两个很接近的频率分量的能力。由于荧光屏频域测量与仪器 第 5 章 11显示的谱线实际上是窄带滤波器的动态幅频特性，因此定义幅频特性的3dB带宽为频谱仪的分辨力。 由于窄带

10、滤波器的幅频特性曲线形状与速度有关，因此，分辨力亦与扫频速度有关。包括以下两种： 扫频速度为零时，静态幅频特性曲线的3dB带宽称为静态分辨力。 在扫频工作（扫频速度不为零）时，动态幅频特性曲线的3dB带宽称为动态分辨力。在技术说明书中给出的一般是静态分辨力，而动态分辨力则与使用有关。显然，动态分辨力低于静态分辨力，而且速度越快，动态分辨力越低。 （4）动态范围 动态范围是表征频谱仪同时显示大信号与小信号的真实频域测量与仪器 第 5 章 12频谱能力，动态范围的上限由频谱仪的非线性失真所决定。频谱仪的动态范围一般在60dB以上，有时甚至达90dB。为了适应不同测量的需要，频谱仪的幅值显示方式具有

11、两种选择：线性显示和对数显示。对数显示时要用到对数放大器，而线性显示用线性放大器。 （5）灵敏度 灵敏度是表征频谱仪测量微小信号的能力。定义显示幅度为满刻度时输入信号的电平值为频谱仪的灵敏度。灵敏度与仪器内部噪声及扫频速度有关，扫频速度加快，动态幅频特性峰值降低，使灵敏度下降，并产生幅值误差。 5.3.4 频谱仪的使用频谱仪的使用 在频谱仪面板上“扫频宽度”、“频率标记”、“频带宽度”都频域测量与仪器 第 5 章 13是可调的。应根据被测信号频谱的特性合理地选择使用有关的旋钮。 （1）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。例如要分析一个调幅波，则扫频宽度应大于2fm（fm为

12、最大音频调制频率），若要观测是否存在二次谐波的调制边带，则应大于4fm。 （2）带宽的选择 静态分辨力Bq越高（数值越小），要求扫频宽度越窄，反之，变宽。为了使Bq与扫频宽度相适应，可参考表5-1进行选择。一般来说，宽带扫频可选Bq=150Hz，而窄带扫频可选Bq=6Hz。频域测量与仪器 第 5 章 14（3）扫频速度的选择当扫频宽度与静态分辨力选定后，扫频速度的选择以获得较高的动态分辨力为准则。同时还应合理地处理它与分析时间的矛盾，因为在扫频宽度一定时，扫频速度的选择实际上就是分析时间的选择。分析时间越长，即扫频速度越慢，则动态分辨力越接近静态分辨力。当动、静态分辨力相等时，动态分辨力最高，

13、但分析时间长。一般可按下列经验式选择：表表5-1 频谱仪静态分辨力的参考范围频谱仪静态分辨力的参考范围扫频宽度530kHz1.510kHz2kHz静态分辨力150Hz30Hz6Hz频域测量与仪器 第 5 章 15vsBq2 式中，vs为扫频速度，单位为Hz/s；Bq为静态分辨力，单位为Hz。 现代频谱仪通常装有微处理器，可根据输入信号，自动设置最佳分析带宽、分析时间等参数，无需人工调节，实现自动操作，并具有高的准确度和高分辨力。 5.3.5 频谱仪的应用频谱仪的应用 频谱仪是一种多功能的测量仪器，可用来测量信号电平、谐波失真、调制系数、频率稳定度、频谱纯度。用于查找干扰的实例如下：频域测量与仪

14、器 第 5 章 161.测量发射机的辐射型杂波辐射测量发射机的辐射型杂波辐射无线发射机的辐射型杂波辐射是指用标准信号作为调制信号，发射机除载波和由调制信号决定的边带以外离散频率的辐射，它对接收机，尤其对于接收带宽过大的接收机将造成严重的影响。发射机频谱仪信号发生器S“输出”图5.17 发射机的杂波辐射测量图5.17为测量发射机杂波辐射的电路连接图，图中“输出”是指通过天线输出。首先使发射机在未调制状态下工作，将频谱仪调整在发射机载频频率上，则载波峰值电平在屏幕上显示在0dB线上。然后调节频谱仪的频率旋钮在100kHz1000MHz或4倍载频的范围内变化，记下各杂波辐射电平。最频域测量与仪器 第

15、 5 章 17后在发射机上加调制信号，重复以上测量过程。 当载波功率大于25W时，离散频率的杂波辐射功率应比载波功率电平小70dB；当载波功率小于或等于25W时，离散频率的辐射功率电平应不大于2.5V。 2.测量接收机的杂波辐射 接收机的杂波辐射是指由接收机引起的辐射。杂波辐射电平包括： 杂波辐射在天线端的功率电平。 由机箱和设备结构屏蔽不良引起的辐射，即机箱辐射。 发射机频谱仪信号发生器S“输出”图5.17 发射机的杂波辐射测量频域测量与仪器 第 5 章 18图5.18为测量电路连接图，图中“输入”是指通过天线输入。首先打开接收机电源，将开关S置于“1”，用频谱仪寻找100kHz2GHz以内

16、的任何杂波辐射分量。然后将开关S置于“2”，用信号发生器输出模拟杂波辐射分量的信号，以确定其杂波辐射分量的电平值。 在测量机箱辐射时，应将被测接收机置于屏蔽室内或无辐射的场所。技术指标为：在规定的频率范围内，任何杂波辐射分量的功率均不超过2nW。接收机频谱仪信号发生器“输入”图5.18 接收机的杂波辐射测量12S频域测量与仪器 第 5 章 19本章小结本章小结 本章主要介绍了频域测量及仪器的组成与工作原理。本章主要介绍了频域测量及仪器的组成与工作原理。 （1）扫频仪是一种能直接观测被测电路幅频特性曲线的仪器，可以用来测）扫频仪是一种能直接观测被测电路幅频特性曲线的仪器，可以用来测量被测电路带宽

17、、品质因数等参数，主要由扫描信号源、扫频信号源、频标电路量被测电路带宽、品质因数等参数，主要由扫描信号源、扫频信号源、频标电路和示波器（和示波器（X-Y方式）等组成。方式）等组成。 （2）扫频仪的频标分为菱形频标和针形频标，用于进行频率标度，一般利）扫频仪的频标分为菱形频标和针形频标，用于进行频率标度，一般利用差频电路产生，二者分别适于高频、低频测量。用差频电路产生，二者分别适于高频、低频测量。 （3）频谱仪是信号频域分析的重要工具。频谱仪除用于信号的频谱分析外，）频谱仪是信号频域分析的重要工具。频谱仪除用于信号的频谱分析外，还用于分析放大器的谐波失真、信号发生器的频谱纯度以及系统的频率特性等。还用于分析放大器的谐波失真、信号发生器的频谱纯度以及系统的频率特性等。 (4）频谱仪按其工作原理分为数字式和模拟式两大类。最常用的是扫频外差）频谱仪按其工作原理分为数字式和模拟式两大类。最常用的是扫频外差式模拟频