电子测量技术教案《6》

.,1,6.1扫描仪简介,章节目录,6.2扫描仪的应用,6.3实训,.,2,第6章扫频仪,本章要点扫频测量法扫频仪的组成基本原理框图扫频仪的使用技能,.,3,6.1扫频仪简介,扫频仪又称为频率特性测试仪。它能够直接显示被测电路的频率幅度特性。一般示波器只能显示幅度与时间的关系的曲线。扫频仪把调频和扫频技术相结合（调频信号称为扫频信号），故能显示频率与幅度关系的曲线。所以称之为扫频仪。扫频仪可以用来测定调谐放大器、宽带放大器、各种滤波器、鉴频器、以及其它有源或无源网络的频率幅频特性。对于通信、广播电视、雷达导航、卫星地面站等设备的调试、及有关电路的分析和研究起着重要的作用。,.,4,6.1.1扫频测量法,1点频测量法点频测量法是对被测设备电路的频率幅度特性测试最早的方法，按图6-1连接。信号发生器应能满足被测电路频率范围的要求及输出一定幅度的正弦信号。正弦信号用电缆送至被测电路的输入端，在被测电路的输出端连接一个高频电压表。机器间连接应该注意阻抗的匹配。可用通用二踪示波器分别监视输入和输出的信号波形和幅度的变化情况。,.,5,图6-1点频测量法的原理图,.,6,测试时，信号发生器送出的信号幅度始终保持不变，从频率低端按一定的频率间隔输出信号，信号通过被测电路后，在电压表或示波器上可以逐一得到一个一个的数值，把这些数值记下来，一直到达所需测试的频率高端为止。最后把这些数值用坐标纸画出来，坐标横轴表示频率；纵轴表示幅度。坐标上一个点，代表这点频率的信号经过被测电路幅度的变化值，用平滑的曲线连接各点，如图6-2所示，这就是被测电路的频率特性曲线。用点频测量法绘制成的曲线，叫静态频率特性曲线。,.,7,图6-2幅频特性曲线,.,8,用点频测量法测试，频率是不连续的，如果在某相邻两点之间频率特性有突变的情况，那么在频率特性曲线上反映不出来。所以它存在以下缺点：（1）测量次数多，测试时间长。（2）单点测试比不上扫频测试精确，对具有高品质因素的LC谐振回路的频率特性，测量结果会有一定差别的，如图6-3。由于LC电路存在着惰性，所以测试结果就不同，扫频信号是连续变化的，扫频测量法测得的叫动态频率特性，所得结果和电路正常工作状态相近似。,.,9,图6-3LC谐振回路的频率特性,.,10,图6-4扫频测量法的简要框图,2.扫频测量法,扫频测量法的测试简要方框图如图6-4所示。扫频信号发生器送出扫频信号至被测电路后，在显示器上可以观察到被测电路的频率特性曲线。,.,11,图6-5表示调幅信号的调制过程的波形图。,图6-5调幅信号,.,12,图6-6调频信号,图6-6表示调频信号的调制过程的波形图。,.,13,在调频时，频率由低端到高端周期性地连续变化（在扫频仪中叫扫频)，其频率变化的范围称频率偏移，简称频偏。在扫频仪中，希望有较大的频偏，并可以连续调节其变化范围。在频偏的中心位置的频率，称为中心频率。扫频测量原理的简单方框参见图6-7(a)，图(b)为波形的变化过程。扫频振荡器的频率f，随时间t线性地连续变化,而它的幅度保持不变。扫频信号通过被测电路时，信号的幅度将按被测电路的幅度频率特性而改变，到检波器输入端的信号不再是等幅波，经检波后的信号，再经垂直放大器加于示波管上，显示出被测电路的频率特性曲线。,.,14,图6-7扫频仪的原理框图及工作波形,.,15,扫频测量法具有下述优点：,（1）它优于点频测量，扫频测量是一种半自动测试方法。（2）在测试中,可以迅速判断被测电路中的某一元器件对频率特性的影响，以便对电路进行改善。（3）可以观察各种冲激影响，如脉冲干扰，机械冲击等对被测电路的影响。以便对电路采取必要的措施。（4）和其他设备相配合，可以对生产过程或产品质量进行自动控制和监测。（5）可以测试电路的动态频率特性，没有点频测量的间隙，反映较全面。,.,16,6.1.2扫频仪的组成及框图原理,1扫频仪的组成扫频仪是根据扫频测量法的原理设计而成的。扫频仪是由扫频信号发生器和示波器组合而成的。扫频信号发生器产生按一定规律变化的调频等幅波信号。扫频仪的主要组成包括扫描电压发生器、X轴放大器、扫频信号发生器、检波探头、Y轴放大器、频标电路示波管及电源电路。,.,17,2扫频仪的框图原理,下面分析扫频仪的工作原理（如图6-7）（1）扫描电压发生器X轴扫描电压发生器的任务是产生锯齿波电压。锯齿波信号一般由50Hz市电经降压、限幅、整形之后获得。扫描电压发生器的作用是使扫描的图形在X方向展开。（2）X轴放大器为了得到足够的扫描电压的幅度，使荧光屏上的水平扫描有足够的宽度。,.,18,(a)扫描仪框图,（3）扫频信号发生器扫描信号是在扫描电压的控制下产生的。扫频信号发生器在扫描正程电压的作用下，产生随着扫描信号幅度变化频率而发生变化的等幅波调频信号。在扫描电压的逆程，电路采取措施使扫描电压发生器向扫频信号发生器输出负脉冲，使扫频信号发生器无输出信号。逆程期屏幕上显示的是零基线。,（4）扫频信号的产生一般有磁调制扫频和变容二极管扫频两种。,.,19,图6-8磁调制扫频,.,20,磁调制扫频,磁调制扫频法的原理图如图6-8所示，图（6-8a）中L2、C调谐回路的谐振频率f0为(6-1)式（6-1）中L2为绕在高频磁芯MH上线圈的电感量，若能用时基系统产生的扫描信号改变L2，也就改变了谐振频率。由电磁学理论可知，带磁芯线圈的电感量与磁芯的导磁系数0。成正比：L2=0L(6-2)式（6-2）中L为空芯线圈的电感量。由于高频磁芯MH接在低频磁芯ML的磁路中，而绕在ML上的线圈中的电流是交流和直流两部分的扫描电流，如图(6-8b)所示。当扫描电流随时间变化时，使得磁芯的有效导磁系数也随着改变，再由式(6-1)、(6-2)可知，扫描电流的变化就导致了L2及谐振频率f0的变化，实现了“扫频”。,.,21,变容二极管法,变容二极管法的基本思想是用变容二极管充当振荡回路中的电容，用扫描锯齿波电压去控制变容二极管两端的电压，使其容量随之发生变化，从而使振荡频率随扫描锯齿波的电压变化而变化，而实现调频。,图6-9扫频法的原理图,.,22,图6-9(a)为BT3C频率特性测试仪的扫频振荡器电路。图6-9(b)是等效电路。振荡电路是一个改进型的电容三点式振荡电路。由于电感L固定，其振荡频率主要由变容二极管的结电容决定。变容二极管的结电容可表示为式（6-3）,式（6-3）中，Uj为二极管PN结接触电位差，对于硅材料，Uj=(0.60.7)V；n为电容指数。在扫频仪中的变容二极管一般采用超突变结，超突变结，nl5。式（6-3）中，Uj为二极管PN结接触电位差，对于硅材料，Uj=(0.60.7)V；n为电容指数。在扫频仪中的变容二极管一般采用超突变结，超突变结，nl5。,.,23,扫描锯齿波电压加至两变容管V1与V2的中点，控制结电容的变化，使扫频振荡器的频率随锯齿波电压的变化而变化。锯齿波电压的幅度的大小可以改变扫频宽度，即改变扫频振荡器的频偏。改变锯齿波的变化速率可改变扫频速度。,.,24,扫频仪获得宽频率覆盖的方法,扫频仪的工作频率范围很宽，波段覆盖系数很大，同时要求在频段内的高、低端频率点都能产生相同的频偏。这是一般波段式高频信号发生器所难以达到的。通常需采用外差式电路来实现。扫频仪的扫频信号产生电路的方框图如图6-10所示。图中f1可在波段内工作，f2为固定频率振荡器的频率。为了获得所需的频偏，通常在较高的频率f1上进行调频，然后使该调频信号与f2差频，以产生所需的扫频信号。从上面的分析可知，光点的水平位移位置与X轴上所加电压有确定的对应关系，而扫频信号的瞬时频率与扫描电压又有一一对应关系，故X轴相应地成为频率坐标轴。,.,25,图6-10扫频仪的扫频信号产生电路,.,26,扫频信号的主要工作特性,有效扫频宽度所谓有效扫频宽度，就是指在扫频线和振幅平稳性能符合要求的前提下，一次扫频能达到的最大频率的覆盖范围。一次扫频时能获得的最高fmax和最低fmin的瞬时频率之差就是有效扫频宽度，用表示。中心频率中心频率是指在线性扫频时，频率变化是均匀的，称为频偏。中心频率为：式（6-4）中心频率范围指f0的变化范围，也就是扫频仪的工作频率范围。即称为相对扫频宽度。,.,27,扫频线性所谓扫描线性，就是指扫频信号瞬时频率的变化和调制电压瞬时值的变化之间的吻合程度，吻合程度越高，扫频线性越好。检查扫频线性好坏通常将频偏（频率范围）调到最大（15MHz），测出最低、最高频率与中心频率f0的A、B距离，如图6-11所示，那么扫频线性误差r为：式（6-5）,我们把远小于信号瞬时值的扫频信号叫做窄带扫频，和瞬时频率相比拟的叫做宽带扫频。,.,28,一般要求r不大于10%。,图6-11调频非线性系数的检查,.,29,振幅稳定性所谓振幅稳定性，就是指在幅频特性测试中，扫频仪输出的扫频信号的幅度的变化情况。理想情况下，扫频仪输出的扫频信号的幅度恒定不变。通常用寄生调幅系数M来表示扫频信号幅度的平稳性，寄生调幅系数越小，表示振幅平稳性越高。寄生调幅系数的检查，调节扫频宽度，在有效面积内，使扫频宽度为15MHz，旋转中心频率旋钮找一扫频线落差最大的地方，把最高点和最低点的高度分别记A、B，如图6-12所示。,.,30,图6-12寄生调幅系数的检查,.,31,那么M为：M=频标所谓频标是出现在幅频特性曲线上的频率标记。应有几种频率标记，必要时可外接频标。后面要介绍频标的产生。,.,32,（4）被测电路被测电路是扫频仪所要测试的对象，不属于扫频仪的组成部分。把它画在图中是为了分析方便。扫频信号加至被测电路，检波探头（如果被测电路具备检波功能的，用非检波探头，幅频特性响应的信号直接送Y轴电路。）对被测电路的输出信号进行峰值检波，并将检波所得信号送往示波器Y轴电路，该信号的幅度变化正好反映了被测电路的幅频特性，因而在屏幕上能直接观察到被测电路的幅频特性曲线。,.,33,（5）探头扫频仪随机带有两条输出电缆（即两个输出探头）和两条输入电缆（即两个输入探头），输出探头有开路探头和匹配探头，输入探头有检波探头和非检波探头。要根据被测电路的输入阻抗和电路的功能选择探头。被测电路的输入阻抗为75时，用开路探头，否则用匹配探头；被测电路本身若有检波级时，用非检波探头，否则用检波探头。,.,34,（6）Y轴放大电路用于放大检波探头输出的待测电路幅频特性响应的信号。（7）频标电路为了标出X轴所代表的频率值，需另加频标信号。该信号是由作为频率标准的晶振信号与扫频信号混频而得到的，产生间隔为1MHz或10MHz的频标信号。其原理如图6-13所示。,.,35,图6-13频标产生电路,.,36,图6-13中，晶体振荡器产生频率fL为1MHz或10MHz的频标信号。通过谐波发生器进一步得到fL的N倍(N为正整数)的频标信号。将NfL与扫频信号(设其频率变化范围为fminfmax)一同加到混频器，产生频率为(fminfmax)NfL的输出信号。如N为某数值恰好使NfL落在扫频信号的频率变化范围内，则该输出信号便是一个以零频率为中心的调频信号。经过窄带滤波器的调频信号的包络便反映了窄带滤波器的幅频特性。,.,37,图6-14菱形频标显示图,.,38,一个35MHz的频标信号(即NfL=351MH)与fminfmax=34.835.2MHz的扫频信号混频，通过窄带滤波器的垂直放大器加到示波管的垂直偏转板上，在扫频信号为35MHz时,示波管屏幕上就会显示一个接近菱形的调频波形。如果在垂直偏转板上同时作用着反映被测电路幅频特性的检波电压，那么菱形的频标波形就显示在幅频特性曲线的35MHz那一点上，如图(6-14a)所示。图(6-14b)为零频标的标志。,.,39,扫频仪产生的扫频信号是一种专门用来检测电路的频率特性的、在其频率范围内频率按线性规律不断变化的等幅信号。在扫频仪内部有个产生扫频信号的发生器，把它产生的扫频信号输入到某放大器、鉴频器或吸收回路等电路中去的目的，就是为了检查这些电路的频率特性。电路的频率特性的好坏是非常重要的，像收录机、电视机电路频率特性的好坏直接影响到声音、图像的质量，或直接影响到有无声音、图像。用扫频信号来检测这类“软故障”就是非常科学的方法，检测的结果通过屏幕显示出电路的频率特性曲线来，对电路是否调好了、是否符合设计要求、是否有故障就一目了然了。,6.2扫频仪的应用,.,40,6.2.1使用扫频仪的注意事项,1熟悉所使用扫频仪的性能指标(BT-3C型),（1）扫频中心频率：1300450MHz连续可调。（2）扫频宽度：最大扫频宽度30MHz最小扫频宽度1MHz（3）扫频线性误差：10，扫频宽度30MHz时（4）寄生调幅系数：8，扫频宽度30MHz时（5）频率标志：有1MHz、10MHz、50MHz及外接四种。（6）输出电压：0.5Vrms(有效值),.,41,（7）输出衰减：细衰减1dB9，1dB步进。误差0.5dB粗衰减l0dB7，l0dB步进。误差(0.2+0.03A)dB，A为标称衰减值。（8）输出阻抗：75（9）Y轴偏转因数10mVcm（10）检波探头：输出电容5PF直流耐压300V（11）75检波器：频率范围：1500MHz灵敏度l0mV50mV(射频信号)（12）示波管屏幕有效面积:l00mm80mm（13）扫描基线长度：110mm（14）使用电源：电压220V+l0,.,42,本仪器还具备下列三项辅助功能：（1）仪器可以输出+12V(0.5)直流电压，供测试过程中使用。（2）仪器可输出0+6V可调的AGC电压，供电视高频调谐器测试用。（3）仪器可以输出稳幅的单频信号，亦可作为一般信号发生器使用。,.,43,2熟悉所使用扫频仪的面板结构(如图6-15),图6-15BT-3C面板结构,.,44,（1）电源辉度电源开、关、辉度调节。（2）聚焦调节聚焦，可使扫描线清晰。（3）Y移位调节Y移位，可使扫描线上、下移动。（4）Y增益-拉出Y直流输入，按入为Y交流输入，可调节Y输入信号的大小。（5）衰减可使Y输入信号按1、10、100倍衰减。（6）Y输入被测信号可由此输入Y放大器。（7）影像开关可使显示的图形上、下倒向。,.,45,（8）工作方式开关可使信号源输出为扫频信号或连续点频信号。（9）扫频宽度可调节扫频言号的频偏大小。（10）粗衰减10dB7，10dB步进，调节输出信号的大小。（11）中心频率可使中心频率在1300450MHz内连续调节。（12）细衰减1dB9，1dB步进，调节输出信号的大小。（13）频标幅度可凋节频标信号的大小。（14）扫频输出扫频信号可由此输出。,.,46,（15）外频标入外部信号可由此输入，可检查外部信号的频率，或本机输出信号的频率。（16）频标选择开关可使频标显示分别在外频标，1MHz和10MHz频标。50MHz频标。（17）萤光屏显示器。（18）+12V输出+12V电压，0.5A，供测试设备用。（19）接地机壳接地处。（20）FU220V，1A保险丝。（21）电源插座电网电压输入插座。（22）AGCAGC电压输出，供测试调谐器用。（23）AGC控制AGC电压可在06V之间调节。,.,47,3使用前的安装和检查,（1）安装接上电源线，把75检波器接至扫频输出端，用Q9视频电缆把检波器与Y输入连接起来，便可进行开机。（2）开机基本调整电源开关右旋到底，电源开，坐标灯亮，Y增益旋钮置DC，衰减置1，影像开关置+，工作方式开关置扫频，扫频宽度右旋到底，衰减器和(置0dB，频标幅度右旋到底，频标选择开关置l、10或50，调节Y移位和Y增益，使扫频和基线均出现在屏幕的有效面积之内，调节聚焦使扫描线和频标均清晰，便可进行检查主要技术指标。,12,.,48,（3）检查主要技术指标为了得到正确的测试结果，除对新到的仪器的主要技术指标进行检查外，巳投入使用的仪器也应定期进行检查，若有不合格者，需进行维修和调整。（4）扫频中心频率的检查把频标选择开关置50，把中心频率旋钮从左至右缓慢旋转，通过屏幕中心的50MHz大频标应有69个。（5）扫频宽度的检查把频标选择开关置1.10，扫频宽度旋钮右旋到底，再将中心频率旋钮从左至右缓慢旋转，检查最大扫频宽度不小于30MHZ，然后再把扫频宽度旋钮左旋到底，最小扫频宽度不大于1MHz。,.,49,（6）扫频线性误差的检查旋转中心频率旋钮，找一线性最差的地方，调节扫频宽度旋钮，使扫频为30MHz(在有效面积之内)，把左、右两边15MHz的距离分别记作A、B，则通过计算扫频线性误差r应不大于10%。,.,50,（7）寄生调幅系数的检查调节扫频宽度，在有效面积之内，使扫宽为30MHz，旋转中心频率旋钮找一扫频线落差最大的地方，把最高点和最低点的高度分别记A、B，则寄生调幅系数M通过公式计算：其结果M应不大于8（8）输出电压的检查把75负载接至BT一3C的扫频输出端，衰减器置0dB，工作方式开关置点频，将HFj一8的测量范围置1V，将探头插入75负载中，旋转中心频率旋钮，其输出电压幅度应不小于0.5Vrms。,.,51,4使用注意事项,（1）使用者在不熟悉本仪器面板各旋钮、开关的功能时，应仔细阅读本说明书，然后才能开机使用。（2）被测设备的输入端不允许有直流电位。否则，会导致仪器不能正常工作，严重者会损坏仪器。（3）仪器的输出阻抗与被测件的输入阻抗必须匹配。否则，会造成反射，使测量不准确。（4）射频连接电缆应尽量地短，避免不必要地损耗。（5）仪器输出信号过大，会使有源器件饱和，测出的则是失真的图形曲线。可利用衰减器适当地改变输出信号的大小，观察特性曲线的变化情况予以确定。,.,52,6.2.2测量幅频特性,1测量增益（1）零分贝(dB)的校正将扫频输出的射频电缆与Y轴输入的检波探头直接相连接，将“输出衰减“的两个旋钮都置于0dB处，将“Y轴衰减“置于“1”；然后再调出扫频线，调“Y轴增益”，使扫频线与扫描基线之间的距离为整数刻度(一般为5格)，如图6-16所示。,.,53,图6-160dB的校正,若这个整数距离为5格，这5格的高度就表示“0dB”。这个表示“0dB”的5格调好后，“Y轴增益”旋钮就不能再动了。,.,54,（2）测量电路的增益根据实际电路选取探头，按图6-17连接电路，先将输出衰减置于较大位置（如60dB），使屏幕上出现的曲线在5格范围内，再配合调整输出粗衰减和细衰减，使曲线高度正好是5格，即曲线的高度（增益）也成了0dB，而实际上它的增益是体现在输出粗衰减和细衰减上，这时被测电路的增益为输出粗衰减的dB数加输出细衰减的dB数。如果调节输出粗衰减和细衰减，曲线高度仍然超出5格，这时可以调节Y轴衰减至10或100，再调节输出粗衰减和细衰减使曲线高度正好是5格。增益的计算除了考虑输出衰减还要考虑Y轴衰减数，但是要注意单位的统一。,.,55,图6-17扫频仪与被测电路的连接,.,56,测量带宽,对于宽带电路，这里指的“宽带”是相对而言的，比如说，电视机中的中放电路、视放电路，都可以称为宽带放大器。有的仪器或设备，要求有更宽的频带，如0-100MHz。宽带放大器的带宽可以表示为：式中：fH是高频端的半功率点所对应的频率、fL为低频端的半功率点所对应的频率。若低端频率很低，则其带宽为,.,57,测量方法可以直接用扫频仪的内频标方便地显示和读出频率特性曲线的宽度，有时为了更准确地测量，也使用外频标。对于窄带调谐电路，如图6-18所示，曲线的最高点是谐振频率f0，最高点下降3dB处的频带宽度为调谐电路的带宽。具体测量办法是使扫频仪输出衰减置于3dB处，调整Y增益，使图形峰点与屏幕上某一水平刻度线(虚线AA)相切，然后使扫频信号输出电压增加3dB，则曲线与虚线AA相交，两交点所对应频率即为上、下频率f和f。则带宽为BB,BW=fH-fL,fH,fL,.,58,图6-18带宽测量图,.,59,如图6-19显示的是调谐回路幅-频特性曲线所示。为了求得被测调谐回路的Q值，可采用外接频标方式来测试。调节外接信号发生器的频率，使其频标点分别处于图6-19中的a、b、c三点上，再分别读出外接信号发生器的相对应的频率值f1、f0、f2，则根据回路Q值的定义，得出Q,测量回路Q值,.,60,图6-19回路Q值测量图,.,61,6.2.3测量高频阻抗,1测量输入阻抗如图（6-20a）所示，将扫频仪的扫频输出端通过电缆接无感电位器RPl再与网络的输入端相连，网络的输出端并联上无感电位器RP2，扫频仪的Y轴输入与被测网络输出连接。测量的原理是调节网络输入端串接的电阻，使它正好与网络输入阻抗相