《频域测量》课件.ppt

第6章频域测量 6 1扫频仪概述扫频仪 又称频率特性测试仪 用来测定各种有源 无源二端口和四端口网络 如调频放大器 宽频放大器 各种滤波器 鉴频器 雷达等 的传输特性 阻抗特性和反射特性等 点频测量法 线性系统频率特性的经典测量法每次只能将加到被测线性系统的信号源的频率调节到某一个频点 依次设置调谐到各指定频点上 分别测出各点处的参数 再将各点数据连成完整的曲线 从而得到频率特性测量结果 所得频率特性是静态的 无法反映信号的连续变化 测量频点的选择对测量结果有很大影响 特别对某些特性曲线的锐变部分以及失常点 可能会因频点选择不当或不足而漏掉这些测量结果 幅频特性扫频测量法 频率源的输出能够在测量所需的范围内连续扫描 因此可以连续测出各频率点上的频率特性结果并立即显示特性曲线 优点 扫频信号的频率连续变化 扫频测量所得的频率特性是动态频率特性 也不会漏掉细节 不足 如果输入的扫频信号频率变化速度快于系统输出响应时间 则频率的响应幅度会出现不足 扫频测量所得幅度小于点频测量的幅度 电路中LC元件的惰性会使幅度峰值有所偏差 因此会产生频率偏离 两种幅频特性测量法的比较 扫频测量所得的动态特性曲线峰值低于点频测量所得的静态特性曲线 扫频速度越快 下降越多 动态特性曲线峰值出现的水平位置 频率 相对于静态特性曲线有所偏离 并向频率变化的方向移动 扫频速度越快 偏离越大 当静态特性曲线对称时 随着扫频速度加快 动态特性曲线明显出现不对称 并向频率变化的方向一侧倾斜 动态特性曲线较平缓 其3dB带宽大于静态特性曲线的3dB带宽 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 两种幅频特性测量法的比较 续 2 常用频域测试仪器 1 频率特性测试仪 2 频谱分析仪 6 1 1常用术语 1 扫频信号发生器2 扫频仪3 有效频率范围4 扫频宽度5 扫频中心频率6 扫频方式7 自动扫频8 手动扫频9 触发扫频10 单次触发扫频11 对数扫频12 起止扫频13 标志扫频14 窄带扫频外扫频15 频率标志16 分辨率17 扫频线性误差18 扫频时间 6 1 2扫频仪中的关键器件 1 变容二极管 2 变容二极管扫频等效电路如图 V 变容管在零偏压时的电容 PN结的内建电位差 硅管 0 6v 电容指数 决定于PN结中杂质浓度的分布情况 对于突变结变容管 而超突变结变容管 势垒电容与外加电压的关系 工作原理 基于PN结反向偏置时 结电容与偏置电压有关这一原理制成的 变容二极管构成的振荡回路 扫描信号 隔直电容 偏置电压 接振荡器 变容管扫频振荡器的优点 电路简单 频偏宽 对调制信号几乎不消耗功率 它一般用于晶体管化的扫频仪中 L 变容管扫频仪的组成及原理 变容管扫频发生器 被测电路 峰值 检波器 三角波 扫描发生器 X Y 变容二极管等效电路图表 变容特性曲线 2 电协调变容二极管 变容二极管有三种类型 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 6 2扫频仪工作原理 6 2 1整机电路原理框图 它主要由扫频信号源和显示系统两大部分构成 扫频源的基本工作原理 能产生扫频输出信号的频率源称为扫频信号发生器或扫频信号源 简称扫频源 它既可作为独立的测量用信号发生器 又可作为频率特性测量类仪器的前端 典型的扫频源应具备下列三方面功能 产生扫频信号 通常是等幅正弦波 产生同步输出的扫描信号 可以是三角波 正弦波或锯齿波等 产生同步输出的频率标志 可以是等频率间隔的通用频标 专用于某项测试的专用频标及活动频标 扫频源的基本工作原理 续 扫频源的主要特性 对扫频源通常的技术要求 在预定频带内有足够大的输出功率 且幅度稳定 以获得最大的动态范围 调频线性好 并有经过校正的频率标记 以便确定频带宽度和点频输出 为使测量误差最小 扫频信号中的寄生振荡和谐波均应很小 扫频源输出的中心频率稳定 并可以任意调节 频率偏移的范围越宽越好 并可以任意调节 有效扫频宽度扫频线性输出振幅平稳性 扫频源的主要特性 续 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 1 扫频信号源的构成及功能 扫频信号源由扫频单元 频标单元和衰减器三部分组成 在控制信号的作用下要求扫频信号源具有以下功能 能产生频率做线性变化的扫频信号 这个扫频信号的输出是等幅的 且具有一定的功率 扫频信号的频偏应尽可能大且中心频率可调 要求扫频信号的线性度良好 能产生和扫频信号同步的频率标记 输出阻抗要恒定 2 显示系统的构成及功能 对于显示系统而言 主要的要求有两点 轨迹明亮而清晰 在不失真的前提下要有足够高的增益 显示系统主要由斜波电压发生器 x y轴通道放大器及示波管等电路构成 6 2 2单元电路工作原理1 扫频单元 2 固定振荡器 3 扫频振荡器 4 混频器和低通滤波器 6 3频标单元 1 单一频标产生的工作原理 2 产生多个频标的工作原理 以10MHz通用频标为例来说明获得多个频标的工作原理 频率标记 频率标记是扫频测量中的频率定度 产生频标的基本方法是差频法 利用差频方式可产生一个或多个频标 频标的数目取决于和扫频信号混频的基准频率的成分 所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高频标幅度应基本一致 显示整齐不包含杂频和泄漏进来的扫频信号多种频标形式以满足不同的显示和测量需要电路时延尽可能小以减小频率定度误差 频率标记 续 菱形频标利用差频法得到 适用于测量高频段的频率特性 对作为基准频率进行限幅 整形和微分 形成含有很多谐波成分的尖脉冲 再和扫频信号混频 脉冲频标由菱形频标变换而来的 将菱形频标送去触发单稳电路并产生输出 整形后形成极窄的矩形脉冲频标 也叫针形频标 宽度较菱形频标窄 在测量低频电路时分辨力更高 线形频标状如一条条极细的垂直亮线 是光栅增辉式显示器特有的频标形式 频率标记 用于频率值的标定 频率标记简称频标主要有四种方法 模拟法 差频法 电压比较法 吸收法 选频法差频法 形成菱形频标 适用于高频扫频仪中 频标宽度 扫频信号 发生器 标准信号 发生器 混频器 带通滤波器 放大器 谐波发生器 频率标记 4 98MHz 5MHz 5 02MHz 扫频信号 1MHz振荡信号的五次谐波 5MHz 20kHz 20kHz 混频输出 通过窄带通滤波器并放大 10MHz频标 3 频标单元电路分析本电路包括四个部分 10MHz晶振 隔离放大器 波发生器及混频滤波电路 6 4Y通道单元 Y通道单元的具体要求为 有较高的输入阻抗 有较好的频率特性 要求有较小的漂移 6 5操作使用 以BT 3GIII型频率特性测试仪为例来详细介绍扫频仪的使用方法 1 BT 3GIII型频率特性测试仪的面板布置 2 旋钮的名称与作用 1 显示器的旋钮与作用 亮度 用来调节扫描线的亮度 顺时针调整 亮度最大 反之则扫描线最暗 聚焦 调整该旋钮可使扫描线光滑清晰 水平校准 当扫描线不能和水平刻度线重合时 可加以调整 Y输入 通常接检波探头的输出端 对于含有内检波的四端网络 该网络的输出可直接加到Y输入 Y增益 用于调节输入信号的大小 以使得被测信号能直观地显示在屏幕上 位移 通过旋钮的来回调节 可使整个扫描曲线上下移动 Y位移 通过旋钮的来回调节 可使整个扫描曲线上下移动 Y轴衰减选择挡 共分为 1 10 100三挡 应和Y增益配合使用 通过不同挡的选择 可改变整个Y轴的增益与扫描曲线的高度 2 扫频信号源的旋钮与作用 中心频率 调节该旋钮 可使需要的中心频率置于屏幕的中心位置 扫频宽度 调节该旋钮 可得到合适的扫频带宽 输出衰减 输出衰减共分七挡 通过不同的组合 可得到不同的衰减量 它的设置可以改变扫频信号的输出幅度 扫频输出 扫频信号的输出端 通常接到被测四端网络的输入端 3 频标信号发生器的旋钮与作用 频标选择频标幅度外接频标 3 使用方法 1 使用前的准备工作 将检波探头推入自校准插座 并将自校准插头接扫频输出插座 检波输出插头接Y输入 如图6 5 2所示 2 频标识别 将频标选择旋钮置于10 1位置 中心频率置于起始处 此时屏幕中出现不同于菱形频标的特殊标识 称作零拍 顺时针转动中心频率旋钮 会发现0拍及右面的大小频标逐渐左移 其中幅度大的为10MHz频标 幅度小的为1MHz频标 如图6 5 3 a 所示 将频标选择旋钮置于50位置 扫频特性曲线如图6 5 3 b 所示 在零拍右面的第一个频标为50MHz 第二个频标为100MHz 其余依次类推 3 扫频宽度 不同的四端网络有着不同的频带 预置扫频宽度太窄 被测曲线在水平方向会很小 预置扫频宽度太宽 被测曲线在水平方向会很大 因此调节扫频宽度旋钮会得到合适的扫频宽度 4 中心频率读取 不同的四端网络除了有不同的频带之外 还有不同的中心频率 预置中心频率过高 被测曲线会在右面 预置中心频率过低 被测曲线会在左面 调节中心频率旋钮 使得中心频率在屏幕中央 就可以对称地观察被测曲线 图6 5 4示出了中心频率为20MHz扫频宽度为24MHz的校准曲线 需要说明的是 中心频率20MHz是在0拍右面的第2个大频标 6 6测试实例 1 单调谐回路的扫频测量 1 单调谐回路的电路原理图 2 扫频仪各旋钮预置如下 将 置于 AC DC置于DC Y衰减置于 1 扫频输出衰减旋钮置于0dB 频标选择旋钮置于10 1MHz 扫频宽度旋钮置于 5MHz 将低阻检波器和自校准插座分别接Y输入和扫频输出插座 调整Y增益使得扫描曲线为5大格 并记下此值 3 扫频仪与单协调回路的连接方法 注意 检波器为高阻检波器 扫频输出为带鳄鱼夹的高频电缆 3 调节输出衰减为47dB 单调谐回路的幅频特性曲线 该单调谐回路的增益为47dB 即放大量为100余倍 2 双谐调回路的扫频测量 步骤如下 双谐调回路原理图 扫频仪各旋钮预置如实例1 扫频仪与双谐调回路的连接方法与实例1相同 调整输出衰减为50dB 被测双谐调回路的幅频特性曲线如图 3 相位鉴频器的扫频测量 相位鉴频器的特性曲线 4 利用扫频仪测量振荡器的振荡频率5 用扫频仪测量无源的高通滤波器 高通滤波器电路原理图 1频道高通滤波器特性曲线 6 主要技术指标 扫频范围 1 300MHz 扫频宽度 100MHz 扫频非线性 5 输出电压 0 5V 3 33mW 10 输出平坦度 0 25dB 输出衰减 0 70dB 1dB步进 输出阻抗 75欧 频率标记 50MHz 10MHz 1MHz复合及外接三种 外接频标灵敏度优于300mV 显示部分垂直灵敏度 优于20mV 峰 峰 cm 显示屏幕有效尺寸 100mm 80mm 6 7频谱分析仪工作原理 6 7 1时域和频域的关系 频域和时域的关系通常一个过程或信号可以表示为时间t的函数f t 示波器常用来观测信号电压随时间的变化 是典型的时域分析仪器 过程或信号还可以表示为频率f或角频率的函数s 频率特性测试仪 频谱分析仪都是以频率为自变量 以各频率分量的信号值为因变量进行分析的仪器 常见电信号波形图与频谱图的对应关系 表中纯正弦波 只显示一条谱线 f0 1 T 线高等于正弦波的幅值 方波含有1 3 5 奇次谐波 三角波与梯形波也含有1 3 5 奇次谐波 但各分量的幅值与方波不同 而锯齿波含有1 2 3 各次谐波 按自然数排列 这些均可通过傅里叶级数求出 6 7 2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两大类 实时频谱分析仪按工作原理又可分为多通道 信道 滤波式 时基压缩式 扫频超外差式 相关存储滤波式 快速傅里叶变换 FFT 式等 1 FFT型实时频谱仪 付里叶分析仪 付里叶分析仪将输入信号数字化 再对时域数字信息进行FFT变换以获得频域表征 属于数字式频谱仪 由于采用微处理器或专用集成电路 速度明显超过传统的模拟式扫描频谱仪 能进行实时分析 但它同时受A D转换器件的指标限制 通常带宽是有限的 工作频段较低 FFT分析仪原理 FFT分析仪原理及组成输入信号首先经过可变衰减器以提供不同的幅度测量范围 然后经低通滤波器除去仪器频率范围之外的高频分量 接下来对信号进行时域波形的采样和量化 转变为数字信息 最后由微处理器利用FFT计算波形的频谱 并将结果显示出来 FFT分析仪的特点 FFT的基本特性FFT是一种面向记录的算法 将N个采样点作为时间记录输入 得到N个节点的频谱输出 输出记录的复数值同时包含幅度 相位信息 各节点之间的频率间隔fstep由时间记录长度N和采样频率fS决定 fstep fS N 第n个节点对应的频率值为fn fS n N FFT形成的频谱相对于折叠频率ff ff fS 2 对称 因此输出频率的前半部分是多余的 只需保留 N 2 1个有效节点 对应于频率从0到fS 2 故FFT的输出频率范围为0 fS 2 类似于低通滤波 FFT分析仪的特点 续4 频谱泄漏及其处理FFT在原理上是采用有限长的时间记录进行付氏变换 并在总体上不断重复以代表对无限长实际序列的积分 然而在重复波形时 某些波形的形状和相位可能会有瞬变 这种情况下的FFT频谱与付氏变换积分的结果有较大差异 频谱图中会看到谱线的频率范围变宽 这就是频谱泄漏 常用解决办法是使用窗函数与时间记录相乘 即强迫波形在有限长度的时间记录之外变为零 于是波形不再有瞬变现象 2 扫频超外差式频谱仪 外差式频谱分析仪外差式频谱分析仪核心部分如同一台外差式接收机 其框图如下图所示 外差式频谱分析仪具有频率范围宽 灵敏度高 频率分辨力可变等优点 是频谱仪中数量最多的一种 高频频谱仪几乎全部采用外差式 图外差式频谱分析仪的构成框图 外差式频谱仪的组成 主要包括输入通道 混频电路 中频处理电路 检波和视频滤波等部分 外差式频谱分析仪频率范围宽 灵敏度高 频率分辨率可变 是目前频谱仪中数量最大的一种 由于被分析的频谱依次被顺序采样 因而不能进行实时分析 这种分析仪只能提供幅度谱 不能提供相位谱 输入通道 续3 多级混频 高中频很难实现窄带带通滤波和性能良好的检波 需要进行多级变频 混频 处理 第一混频实现高中频频率变换 再由第二 三级甚至第四级混频将固定的中频逐渐降低 每级混频之后有相应的带通滤波器抑制高次谐波交调分量 FFT分析仪与外差式频谱分析仪 FFT分析仪比外差式频谱仪测量速度快 外差式频谱仪的测量速度受限于分辨率带宽 在较低频段区分紧邻的谱线需要很窄的RBW 因此导致扫描时间可能会长到无法忍受 而FFT分析仪的速度仅取决于量化和FFT计算所需的时间 在相等的频率分辨率下 FFT分析仪较外差式频谱仪快得多 由于FFT分析仪需使用高速ADC进行过采样 可分析的频率范围受限于A D器件的速度 因而在频率覆盖范围上FFT分析仪不及外差式频谱仪 FFT分析仪与外差式频谱分析仪 续 现代频谱仪将外差式扫描频谱分析技术与FFT数字信号处理技术相结合 兼有两种技术的优点 前端仍采用传统的外差式结构 而在中频处理部分采用数字结构 中频信号由ADC