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第六章第六章 频域测量频域测量 田宝凤 仪器科学与电气工程学院 主要内容主要内容 6.1 扫频仪概述 6.2 扫频仪工作原理 6.3 频标单元 6.4 Y通道单元 6.5 频谱分析仪工作原理 6.6 本章小结 2 教学侧重点 扫频仪的构成与原理 FFT频谱分析仪构成与原理 扫频超外差式频谱分析仪构成与原理 频标单元产生框图与原理 6.16.1扫频仪概述扫频仪概述 扫频仪：又称频率特性测试仪。可用来 测定各种有源或无源网络的传输特性、 阻抗特性等，如：测定调频放大器、宽 频带放大器、各种滤波器、鉴频器等幅 频特性。 扫频仪是一种能够完成上述功能并具 有显示装置的扫频信号发生器。 4 6.1.1 6.1.1 常用常用术语术语 有效频率范围： 扫频信号发生器产生的载波频率范围。 扫频宽度： 扫频所覆盖的频率范围内的最高频率与最 低频率之差。 扫频中心频率： 窄带扫频或对称扫频时，扫频宽度为0的 载波频率。 5 6.1.2 6.1.2 扫频扫频仪中的关键器件仪中的关键器件 （1）变容二极管 变容二极管与普遍二极管类似，也是由一个PN结构成的。 所谓变容二极管是指它的结电容随外加偏压而改变，并呈 现明显的非线性特性。 变容二极管电容公式： 6 公式中：U是外加 电压，反向偏置 时是负值，正向 偏置时是正值。 UT是内建电压， K与n是常数。 6.1.26.1.2扫频仪中的关键器件扫频仪中的关键器件 （2）电调谐变容二极管 变容二极管有三类：参数变容二极管、功率变容 二极管、电调谐变容二极管。在扫频仪中使用的 是电调谐变容二极管。 电调谐变容二极管用在频率调制电路中，其作用 是：当加到PN结上的偏压变化时，结电容Cj跟随 变化，从而改变电路的谐振频率，达到电调谐的 目的。 7 6.26.2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 8 频标单元 扫频单元 被测网络 衰减器 检波器Y通道 控制部分 斜波信号发生器 X通道 图6.2.1 扫频仪电路工作原理框图 6.2.16.2.1整机电路原理框图整机电路原理框图 扫频仪的构成：扫频信号源和显示系统。 1、扫频信号源由扫频单元、频标单元和衰减器三 部分构成。具有以下功能： (1) 能产生频率做线性变化的扫频信号； (2) 扫频信号的输出是等幅的，且具有一定功率； (3) 扫频信号的频偏尽可能大且中心频率可调； (4) 扫频信号线性度良好； (5) 能产生和扫频信号同步的频率标记； (6) 输出阻抗要恒定。 2、显示系统由斜波电压发生器、X、Y轴通道放大 器及示波管组成。 9 6.2.16.2.1整机电路原理框图整机电路原理框图 扫频仪工作原理： 1.斜波信号发生器一方面送给X通道提供扫描信号；另一 方面又控制扫频信号源的振荡频率，使其产生从低频到高 频的周期性重复变化的等幅正弦波输送给被测电路，称为 扫频信号。 2.这样，就使扫频信号的频率变化规律与扫描电压一致， 从而使得每个扫描点与扫频信号输出的频率有一一对应的 确定关系，故X轴相应地成为频率坐标轴。 3.被测电路的输出信号经峰值检波探头检出幅频特性曲线 送给Y通道，并最终在屏幕上显示出被测网络的幅频特性 曲线。 10 6.2.26.2.2单元电路工作原理单元电路工作原理 1、扫频单元 11 图6.2.2 扫频单元工作原理框图 扫频振荡器一般采用变容二极管 作为压控元件，由于变容二极管 的C-U特性曲线不是线性的，因 此为了获得线性的扫频振荡，加 入线性校正电路。 固频振荡器 扫频振荡器 线性校正 混 频 器 低通滤波宽带放大衰减器 自动稳幅 扫频输出 6.2.26.2.2单元电路工作原理单元电路工作原理 扫频信号产生过程 12 6.2.26.2.2单元电路工作原理单元电路工作原理 2、固定振荡器 13 图6.2.3 固定振荡器电路 中心频率控制电压 取自于面板上的电 位器，中心频率控 制电压一经确定， 固频振荡器就会产 生固定频率的振荡 信号。改变中心频 率控制电压就是改 变变容二极管的偏 压，即改变振荡频 率。 6.2.26.2.2单元电路工作原理单元电路工作原理 3、扫频振荡器 14 6.2.4 扫频振荡器 穿心电容的作用是旁路掉杂散的高频干扰信号 。 扫频振荡器工作在开关状态，即在工作区产生 扫频振荡，而在休止期内停振。 6.2.26.2.2单元电路工作原理单元电路工作原理 4、混频器和低通滤波器 混频器就是将两个不同频率的信号加到非线性 器件进行频率变换后取其差频或和频。 低通滤波器就是将混频之后的和频信号滤除 掉，保留差频。 15 具体电路见教材： 图6.2.5 混频器和低通滤波器 6.36.3频标单元频标单元 16图6.3.1 频标单元工作原理框图 频标选择 外接频标 谐波发生器 谐波发生器 谐波发生器 频标混频 频标混频 频标混频 频标混频 低通滤波 低通滤波 低通滤波 低通滤波 1/10分频1MHz 10MHz晶振 50MHz晶振 来自扫频输出 频 标 形 成 及 放 大 去 Y 通 道 u频标是频率标记的简称。频率标记是用一定形式 的标记对频率特性曲线上的任意点进行定量描述。 u频标的形状大致四种：菱形频标、脉冲频标、线 频标及光点式频标。 6.36.3频标单元频标单元 1、单一频标产生的工作原理 17 图6.3.2 单一频标产生的工作原理框图 扫频信号 固频信号 混频器低通滤波 去频标放 大器 fs fg 6.36.3频标单元频标单元 扫频信号中必然含有与正弦波固 定频率fg相等的瞬时值频率。 当扫频信号的频率自fmin向fg接 近时，频差越来越小；当频率扫 变到等于fg时，产生零拍差频； 而当扫频信号频率向fmax接近时 ，则频差越来越大。 差频信号波形在fg处是中间疏两 边越来越密。这个波形经低通滤 波器后，高频成分被滤掉，只有 在fg附近的低频成分保留下来， 而且离开fg愈远的差频信号幅度 衰减愈大。 这部分被保留下来的差频信号形 状如同一个菱形，常被叫做“菱形 频标”。 18 图6.3.3 频标波形图 扫频 信号 固频 信号 低通 滤波 后的 菱形 频标 6.36.3频标单元频标单元 2、产生多个频标的工作原理 19 图6.3.4 多个频标产生原理框图 扫频信号 谐波发生器 混频器低通滤波 去频标 放大器 晶振 0 f k fg 2fg3fg 4fgnfg 6.36.3频标单元频标单元 20 设标准信号频率为fg，则谐波 信号源输出信号频率为基波fg 及各次谐波2fg、3fg、4fg、 。扫频信号与谐波信号源输 出信号经混频器混频后，再经 低通滤波输出差频信号，由此 得到一系列零差点。例如在 f=fg处差频为零，于是在f=fg 处形成“菱形频标”。同理，在 f=2fg、f=3fg处也形成菱 形频标。 图6.3.5 多个菱形频标波形图 6.4 Y6.4 Y通道单元通道单元 对Y通道单元的具体要求： (1)有较高的输入阻抗。 (2)有较好的频率特性。 为了使被测信号在屏幕上稳定显示，要求扫描的正程和逆程加起来不 得超过20ms。被测信号加入的时间（工作期）就是一个前沿陡峭的脉冲 波，因而要求频率特性要好。 (3)要求有较小的漂移。 漂移会使图像上下移动，最好办法是采用差动放大器。 21 图6.4.1 Y通道单元原理框图 图6.4.2 扫频仪中的时序图 衰减器 频率标记输入 Y前置放大Y末级放大 去Y偏 转板 被测信号 10ms10ms 工作期 休止期 测试实例测试实例 电路幅频特性的测量 22 当被测设备输入阻抗和扫 频仪的输出阻抗相等时， 采用空载电缆线连接被测 设备；当不等时，应在扫 频仪和被测设备之间加一 个阻抗匹配网络。 6.56.5频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 6.5.1 时域和频域的关系 6.5.2 频谱分析仪的分类 6.5.3 技术性能指标 6.5.4 操作使用要点 23 6.5.16.5.1时域和频域的关系时域和频域的关系 电信号随时间的变化特性，称为时域分析， 一般采用电子示波器来测试波形。 电信号用它所包含的各种频率分量（频谱分 布）来表示，称为频域分析，用频谱分析仪 来测量。 24 25 6.6.1时域和频域的关系 6.5.16.5.1时域和频域的关系时域和频域的关系 任何周期信号都可以展开成傅立叶级数。级数的每一项在频 谱上都可以画成一条直线，代表信号的一种成分。 如： 26 6.5.26.5.2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仪和非实时频 谱分析仪。 实时频谱分析仪能同时观测显示其规定频率范围内的所有 频率分量，而且保持了两个信号间的相位关系，不仅能分 析周期信号、随机信号，还能分析瞬时信号。分为多通道 滤波式频谱仪和FFT式频谱仪。 非实时频谱分析仪常采用扫描调谐式。扫描调谐式频谱分 析仪对输入信号按时间顺序进行扫描调谐，在某一瞬间只 能测量显示一个频率，逐次测量显示被测信号的全部频率 范围。只能分析在规定时间内频谱几乎不变的周期性重复 信号。包括扫描射频调谐型频谱仪和扫频超外差式频谱仪 。 27 6.5.26.5.2频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类 FFT型实时频谱仪 28 图6.7.4 FFT频谱仪的简化框图 ADC FFT fS 输入 显示器处理器 数字 滤波器 模数 转换器 取样器衰减器 模拟 滤波器 6.5.26.5.2频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类 29 FFT采用有限长度时间来计算，因而会产生频谱泄漏。解决这一问 题的办法是利用窗口函数。 衰减器：扩大了信号的测量范围。 模拟低通滤波器：滤除了频带外多余的频率分量。 取样器和A/D转换器：完成信号的取样和量化，模拟量转换为数字 量。 数字滤波器：采用频率取样式，减小信号带宽和降低取样频率， 保证了频率分辨力又避免频谱混叠。 处理器：完成FFT计算。 显示器：显示测量结果。 6.5.26.5.2频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类 扫频超外差式频谱仪 基于这样的思想：若在频率轴上有一个特定的窗口，只有进入 窗口的信号才能被检测到。当窗口从一个频率点扫描到另一个频 率点时，就可以得到被测信号在不同频率点上的频谱分布。 采用中频窄带滤波器代替窗口，并固定在一个频率点上，利用扫 描振荡器，使混频得到的中频信号逐个通过这个窗口实现频率扫 描。 30 图6.7.5 信号频谱分布图 窗口 V2 V3 V1 f2f1 fs3fs2fs1 6.5.26.5.2频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类 扫频超外差式频谱仪（续） 31 工作原理：扫频振荡器是仪器内部振荡源，它受锯齿波扫描电 压调制，当扫频振荡器的频率在一定范围内自动扫动时，输入 信号中的各个频率分量在混频器中产生差频信号 ，依 次落入中频放大器的通带内(这个通带是固定的)，获得中频增益 ，经检波后加到y放大器，使亮点在屏幕上的垂直偏移正比于该 频率分量的幅值。 由于扫描电压在调制扫频振荡器的同时，又驱动x放大器，从而 可以在屏幕上显示出被测信号的线状频谱图。图中的中频放大 器相当于固定通带滤波器。 6.5.3 6.5.3 技术性能指标技术性能指标 （1）频率范围：频率范围是指能达到频谱分析仪规 定性能的工作频率区间，如安捷伦公司的ESA-E系列 频谱分析仪频率范围最高可达325GHz。 （2）频率分辨率：是指频谱分析仪能把靠得很近的 两个频谱分量分辨出来的能力。由于屏幕显示的谱 线实际上是窄带滤波器的动态幅频特性，因而频谱 分析仪的分辨率主要取决于窄带滤波器的通频带宽 度，因此定义窄带滤波器幅频特性的3 dB带宽为频 谱仪的分辨率。 32 左图：观察到的谱线。 右图：3dB带宽过宽， 分辨力太低时的图形。 6.5.46.5.4操作使用