电子测量第七章课件

第7章 频域测量技术,7.1 信号频谱分极及频谱分析仪 7.2 信号的失真度测量 7.3 线性系统频率特性的测量 7.4 网络分析仪,一、概述,本章涉及两个基本测量问题：,2、线性系统频率特性的测量,1、信号频谱分析,本章重点：信号频谱分析、扫频测量技术,包括对信号本身的分析 和非线性失真系数的测量,信号频谱分析包括对信号本身的分析和非线性失真 系数的测量。,7-1、信号频谱分析,一、信号,确定信号与随机信号 连续时间信号与离散时间信号 周期信号与非周期信号,1、信号的分类,广义上，信号频谱是指组成信号的全部频率分量的总集；狭义上，一般的频谱测量中常将随频率变化的幅度谱称为频谱。 频谱测量：在频域内测量信号的各频率分量，以获得信号的多种参数。频谱测量的基础是付里叶变换。 频谱的两种基本类型 离散频谱（线状谱），各条谱线分别代表某个频率分量的幅度，每两条谱线之间的间隔相等 连续频谱，可视为谱线间隔无穷小，如非周期信号和各种随机噪声的频谱,2、频谱分析的基本概念,3、时域和频域分析的比较,示波器：时域测量典型代表，可进行像波形失真原因 等的研究。,频谱仪：频域测量典型代表，能定量测出很小的谐波 分量，进行测量信号电平、频率及频率响应、 频率稳定度、频谱纯度等。,a 、某些在时域较复杂的波形，在频域的显示可能较为简单。 b 、某些在频域不能区分的波形，在时域能清楚显示。 c 、当信号中所含的各频率分量的幅度只是略有不同时，用示波器很难定量分析失真的程度，但是频谱仪对于信号的基波和各次滤波含量的大小则一目了然。,t,(a)用示波器易观察波形的相位不同,示波器和频谱仪对比观察相位不同的波形,(b)用频谱仪观察的频谱相同,按分析处理方法分类：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模拟/数字混合式频谱仪； 按基本工作原理分类：扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪； 按处理的实时性分类：实时频谱仪、非实时频谱仪； 按频率轴刻度分类：恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪； 按输入通道数目分类：单通道、多通道频谱仪； 按工作频带分类：高频、射频、低频等频谱仪。,档级滤波式频谱仪 并行滤波式频谱仪 扫频滤波式频谱仪 数字滤波式频谱仪,2、滤波式频谱分析仪原理,(1)基本原理： 先用带通滤波器选出待分析信号，然后用检波器将该频率分量变为直流信号，再送到显示器将直流信号的幅度显示出来。为显示输入信号的各频率分量，带通滤波器的中心频率是多个或可变的。,前置 放大器,检波器,阶梯波 扫描发生器,S,信号输入,滤波式,优点：简单易行,缺点：需要大量滤波器，体积过大，分辨力和灵敏度都不是很高,适用：一般用于低频段的音频测试等场合。,在所有滤波式频谱仪中，带通滤波器是关键器件。,(2)带通滤波器的性能指标,带宽,通常是指3dB带宽，或称半功率带宽,分辨率带宽（RBW）反映了滤波器区分两个相同幅度、不同频率的信号的能力,波形因子,波型因子反映了区分两个不等幅信号的能力，也称带宽选择性,波形因子定义为滤波器60dB带宽与3dB带宽之比：,也可用40dB带宽与3dB带宽之比表示。波形因子较小的滤波器的特性曲线更接近于矩形，故波形因子也称矩形系数,恒带宽与恒百分比带宽,恒百分比带宽滤波器的绝对带宽B与中心频率f0的比值（即相对带宽）是常数。扫描式频谱仪、档级滤波式频谱仪及并行滤波式频谱仪大多采用恒百分比带宽分析。,在对数刻度下，恒百分比带宽滤波器的频率特性曲线关于其中心频率f0对称。常用“倍频程选择性”表示远离中心频率一倍频率处（0.5f0和2f0）的滤波器衰减量。,外差式频谱仪在一次分析过程中所用的分析滤波器带宽恒定。恒带宽滤波器的特性曲线在线性频率刻度下，关于滤波器的中心频率f0对称,滤波器响应时间（建立时间） 信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的时间。通常用达到稳幅幅度的90所需的时间TR来表述，它与绝对带宽B成反比：TR1/B。,宽带滤波器的响应时间短，测量速度快；窄带滤波器建立时间较长，但频率分辨率更高、信噪比好。响应时间限制了频谱仪的扫描分析速度，影响实时频谱分析的实现。,3、扫频外差式频谱仪,(1)工作原理：,输入信号频谱：fx1 fx2,fxn,扫描 电压发生器,扫频振荡器 fL（t）（可变）,混频器,fo= fL（t）-fxn,滤波器 检波器,显示器,优点：频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变,目前频谱仪中数量最大的一种,缺点：不能进行实时分析,（被分析的频谱依次被顺序采样）,只能提供幅度谱，不能提供相位谱,K=,K=1,K=0.75,f,A（f）,静态,动态,fo,扫频速度,应适当选择扫频速度,（2）扫频的速度与中频滤波器的动态特性,扫频速度,幅频特性曲线,分辨力,有关,有关,结论,Bs固定，Bd与扫速关系,k,Bd/Bs,Bd,分辨力下降,Bd/Bq,0.5,1,1.5,2,2.5,1,2,3,4,5,0,Bs宽，k1即, 较小时,Bs Bd,选择窄的Bs有助于提高分辨力。,Bs窄, k1即, 较大时，,Bs,Bd,选择窄的Bs反而使分辨力降低。,最佳动态分辨力：,最小的Bd（k=1）,Bd,Bd0,0,0.5,1,2,2.5, 固定，Bd与Bs关系,（3）、外差式频谱仪的正确使用,1、扫频宽度的选择,2、Bq带宽的选择,3、扫频速度的选择,根据被测信号的频谱宽度来选择的,扫频宽度的选择应与静态分辨率Bq 相适应,兼顾扫描速度、Bq、Bd之间的关系,经验公式：,三、频谱仪工作特性,1、频率分辨力,定义：频谱仪的分辨力是指能够分辨两个幅值相等的信号的最小谱线间隔。,观察到实际的谱线。,3dB带宽过宽，分辨力太低,滤波式和外差式的频率分辨率影响因素不同,2、输入电平和动态范围,动态范围：同时可测的最大与最小信号的幅度范围。 典型值：70-100dB,通常是指从不加衰减时的最佳输入信号电平起， 一直到最小可用的信号电平为止的信号幅度变化范围,一般来讲，测量范围大的仪表，其灵敏度就低，灵敏限高，分辨率就差； 而动态范围大，意味着仪表既有较大的测量范围又有较高的分辨率或较低的灵敏限。,3、扫描速度和分析时间,扫频宽度：指频谱仪在一次测量（一次频率扫描）过程中所显示的频率范围，可以小于或等于输入频率范围,扫描时间：指进行一次全频率范围的扫描、并完成测量所需的时间，也叫分析时间。,扫频宽度其他名称，如分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等,五、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。,六、频谱分析仪的发展趋势,7-2、线形系统频率特性的测量,概念：,线形系统对正弦输入的稳态响应称为频率特性；,可用幅频特性和相频特性来全面表征。,正弦测量技术：,理论基础：对于线形系统，其输入为正弦信号激励， 输出响应是具有与输入频率相同的正弦波。,测量步骤：,1、测量电路的连接,2、提供测试信号,3、测量被测系统输出响应,4、取得测量数据，进行数据处理,频率特性测量通常采用正弦测量技术。,频率特性测量,点频法：,在不同的输入频率点上，逐点测量数据。,例、增益或衰耗的测量,方法：比较法和直接测量法,动态：图示测量扫频仪,（一）、点频法：逐点描绘法,DVM,频率计,vi,fi,vo,fo,所得频率特性是静态的，无法反映信号的连续变化；,缺点：该方法繁琐、费时、不直观、测量误差大。,动态：扫频图示仪,（二）、扫频测量技术,概念：,扫频测量技术就是利用扫频信号进行频率特性的测量 技术；,扫频信号就是频率扫动的正弦信号；,而该信号的频率扫动是随时间按一定规律、在一定范围 内反复扫动。,扫频信号 发生器,被测电路,峰值 检波器,扫描 发生器,X,Y,Vi,Vo,Vg,Vx,扫频测量原理图,例如：放大器的动态频率特性,1、扫频测量可以实现图示测量；,2、快速扫频可实现测量被测器件或系统的动态特性 例如窄带滤波器动态滤波特性，锁相环对频率斜升 信号的动态跟踪特性。,特点：,所以，在现代电子测量中，扫频测量技术得到广泛应用。,1、工作原理,学习要点：记框图、明白箭头关系、了解扫频信号 的产生、要求幅度适中、不要有寄生调幅、不能失真。,扫频信号发生器由扫描发生器驱动。,被测电路电压振幅的包络经峰值检波器检波,示波器 X轴 时间轴,扫频仪 X轴 频率轴,扫频信号变化规律与 时间轴变化规律一致,例如：,被测电路如下,动态特性,K=,K=1,K=0.75,f,A（t）,静态,动态,fo,静态 分辨率,扫频速度,应适当选择扫频速度,由上图得以下结论：,1、动态特性曲线不同于静态特性曲线,2、动态特性曲线谐振点偏离静态特性曲线 的谐振点频率fo，扫速越快，偏离越远。,3、与静态特性相比，动态特性曲线3dB带宽 变宽，谐振峰低于静态特性。,所以，扫频测量的优点之一为动态特性的测量。,小结：测量系统动态特性，必须用扫频法；为了得到静态特性，必须选择极慢的扫频速度以得到近似的静态特性曲线，或采用点频法。,2、扫频信号的获得,（1）产生扫频信号的方法：,（a）、机械扫频：三十年代，工艺材料为齿轮、电容,（b）、变容二极管扫频,（c）、磁调制扫频,变频二极管,振荡器电路,(b)、变容二极管：,扫频信号产生过程：,锯齿波电压,变容二极管,加到,结电容,控制,改变振荡频率,控制,所以，改变锯齿波电压的变化速率可改变扫频 速度，改变锯齿波电压的振幅可改变扫频宽度。,Cj,v,V,Cj,(2)对扫频信号发生器的基本要求,主要工作特性,f0：扫频输出中心频率 f1：扫频起点；f2：扫频终点,k0：压控特性f-V曲线的斜率,A1：寄生调幅最大幅度 A2：寄生调幅最小幅度,有效扫频宽度 扫频线性 输出振幅平稳性,对扫频信号发生器的基本要求 （）中心频率范围大且可连续调节。 （）扫频宽度要宽且可任意调节。 （）寄生调幅要小。 （）扫描线性度好。,扫频信号发生器的优点 （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，从而迅速地将电路性能调整到预定的要求。 （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掉细节的问题。 （3）扫频测量法是在一定扫描速度下获得被测电路的动态频率特性，符合被测电路的应用实际。,3、显示方式,（1）、扫频图示法根据图示法的显示原理不同，分为,光点扫描式,光栅增辉式,（2）、两种图示法的比较：,1、光点扫描式在大屏幕显示受到限制，而光栅增辉 式是电磁偏转，适合大屏幕示波管。,2、光点扫描式测量准确度不易提高。,3、两种显示所需偏转信号,光栅法电视机显像管：电磁偏转，,示波器示波管：静电偏转，,（3）、光栅增辉式显示原理,（a）显示原理,a 暗光栅的产生,fIX=0.0130HZ 三角波扫描电流,fIY=18.5KHZ 锯齿波扫描电流,b 增辉脉冲的形成,增辉点出现的时间与幅频信号的幅值相关,锯齿波电 压发生器,触发器,垂直扫描发生器,比较器,加法器,电平线形成,频率线形成,被测 电路,+EX,K,Wy,Wx,将每条垂直扫描信号与代表刻度线的某一参数电平比较， 形成增辉脉冲，在每条光栅上产生一个光点，一屏中的各 条扫描，最后形成一条水平线,(2)电平刻度线,优点：,消除视觉误差,提高准确度,（3）电子频率刻度线,将三角波水平扫描信号与代表频率刻度线的参考电平比较， 形成较宽的增辉脉冲，使几条垂直扫线电亮，代表一条频 率刻度线,4频率特性测试仪面板和主要控键示意图,（1）输入衰减。有3档，