第7章 频域测量技术

1、第第7章章 频域测量技术频域测量技术 7.1 频域测量的概述频域测量的概述 7.2 线性系统频率特性测量线性系统频率特性测量 7.3 频谱分析频谱分析 思考题思考题7 7.1 频域测量的原理与分类频域测量的原理与分类 7.1.1 频域测量的原理 对于一个过程或信号，它具有时间-频率-幅度的三 维特性，如图7.1所示。 频率 频域 电压 时域 时间 图7.1 信号的三维特性 7.1.2 频域测量的分类 根据实际应用的需求，频域分析和测量的对象和 目的也各不相同，通常有以下几种： （1） 频率特性测量：主要对网络的频率特性进行 测量，包括幅频特性、相频特性、带宽及回路Q值等。 （2） 选频测量：

2、利用选频电压表，通过调谐滤波的方法，选出并 测量信号中某些频率分量的大小。 （3） 频谱分析： 用频谱分析仪分析信号中所含的各个频率分量的 幅值、功率、能量和相位关系，以及振荡信号源的相 位噪声特性、空间电磁干扰等。 （4） 调制度分析测量： 对各种频带的射频信号进行解调，恢复调制信号， 测量其调制度，如调幅波的调幅系数、调频波的频偏、 调频指数以及它们的寄生调制参量。 （5） 谐波失真度测量： 信号通过非线性器件都会产生新的频率分量，俗 称非线性失真。这些新的频率分量包括谐波和互调。 7.2 线性系统频率特性测量线性系统频率特性测量 7.2.1 基本测量方法 1. 点频测量法 图7.2中的曲

3、线2就 是使用动态测量法所获 得的曲线。这时，曲线 略有右移，但最大值也 略有降低。 Uout 1 1静态 2动态 f O 2 图7.2 静、动态测量曲线 2. 扫频测量法 扫频测量法具有以下优点： （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，随时判明元 件变化对幅频特性产生的影响，迅速调整，查找电路的故 障。 （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细节的问题，且能够观察到电 路存在的各种冲激变化，如脉冲干扰

4、等，更符合被测电路 的应用实际。 （3）扫频测量法测量简单、速度快，可实现频率特性 测量的自动化，已成为一种广泛使用的方法。 3. 多频测量法 多频测量是利用多频信号作为激励信号的一种频 域测量技术。所谓“多频信号”，是指由若干频率离 散的正弦波组成的集合。多频测量将这个“多频信号” 作为激励，同时加到被测系统的输入端，并检测被测 网络输出信号在这些频率点的频谱，在与输入进行比 较之后就可以得到被测网络的频率特性。 4. 广谱快速测量法 当系统对非线性失真的要求较高时，可采用白噪 声作为测量的激励信号。 7.2.2 相频特性测量 在测量线性系统的相频特性时，以被测电路输入端 信号作为参考信号，

5、输出端信号作为被测信号，用相 位计测量输出端信号与输入端信号之间的相位差。调 节正弦波发生器输出信号的频率，用描点的方法可得 到相位差随频率的变化规律，即线性系统的相频特性， 如图7.3所示。 正 弦 波 发 生 器 被 测 电 路相 位 计 参 考 信 号 图7.3 线性系统的相频特性测量 7.2.3 扫频仪 1. 基本工作原理 对扫频信号发生器的基本要求是： （1） 中心频率范围大且可以连续调节。 （2） 扫频宽度要宽且可任意调节，常用频偏进行描述。 （3） 寄生调幅要小。 （4） 扫描线性度好。 图7.4中，扫频信号发生电路的振荡频率受扫描电 压u2所调制。 扫频信号 发生器 被测电路峰

6、值检波器 Y轴 放大器 X轴 放大器 扫描电压 发生器 u3u4u5 u1 u2 t ttt 图7.4 扫频仪的简要原理框图 为保证扫频仪有很宽的工作频率范围，往往将整 个工作频段划分成几个分波段，还可以通过混频的方 法获得更高的工作频率，如图7.5所示。 扫 描 信 号 发 生 器 调 频 信 号 发 生 器 混 频 器 低 通 滤 波 器 扫 频 信 号 输 出 高 频 信 号 发 生 器 f2 f1 图7.5 混频法拓展扫频仪至更高的工作频率 2. 主要技术指标 扫频仪的主要技术指标有： 有效扫频带宽、扫频线 性、幅度不平坦性等。 1） 有效扫频宽度和中心频率 有效扫频宽度也称扫频频偏，

7、是指在扫频线性和 幅度不平坦性符合要求的前提下，一次扫频能达到的 最大频率范围，即 f=fmax-fmin 式中, f为有效扫频宽度；fmax、fmin为一次扫频时 能达到的最高和最低瞬时频率。 中心频率定义为 而把f/f0称为相对扫频宽度，即 通常把f远小于信号瞬时频率值的扫频信号称为 窄带扫频，把f可以和信号瞬时频率相比拟的扫频信 号称为宽带扫频。 2 minmax 0 ff f minmax minmax 0 2 ff ff f f 2） 扫频线性 扫频线性表示扫频信号频率与扫描电压之间线性 相关的程度，常用扫频线性系数来表示，定义为： 3） 幅度不平坦性 在幅频特性测量中，必须保证扫频

8、信号的幅度保 持不变。扫频信号的幅度不平坦性常用它的寄生调幅 来表示，定义为 式中，A、B表示扫频信号的最大和最小幅度。 min max )/( )/( dudf dudf k %100 BA BA m 3. 扫频仪的分类 1） 按用途划分 按用途划分，扫频仪可分为通用扫频仪、专用扫 频仪、宽带扫频仪、阻抗图示仪、 微波综合测量仪 2） 按频率划分 按频率划分，扫频仪可分为低频扫频仪、高频扫 频仪、电视扫频仪等。 4. 扫频仪的应用 1） 电路幅频特性的测量 测量电路如图7.6所示。 检波 探头 被测电路 扫频仪 输 出 输 入 图7.6 幅频特性的测量 图7.7给出了典型滤波器的频率特性测量

9、曲线。 频 标 低 通 滤 波 器 频 标 高 通 滤 波 器 频 标 带 通 滤 波 器 频 标 带 阻 滤 波 器 图7.7 典型滤波器的频率特性测量曲线 2） 电路参数的测量 (1) 增益的测量。 在调好幅频特性的基础上，用粗、细调衰减器控制扫 频信号的电压幅度，符合被测电路设计要求的输入信号 幅度。衰减器的总误差量应不小于放大器设计的总增益， 记下此时幅频特性的高度A，输出总衰减B1（dB）。 再将检波探头直接和扫频输出端短接，改变“输出衰 减”，使幅频特性的高度仍为A，此时的衰减器读数为 B2（dB），则该放大器的增益为： AvB1B2 图7.8 扫频仪测量带宽 ABAB fLfH

10、(a)(b) (2) 带宽的测量。 测量带宽时，先调节扫频仪输出衰减和调整Y增益， 使频率特性曲线的顶部与屏幕上某一水平刻度线相切（如 图7.8中与AB线相切）；然后保持Y增益不变，将扫频仪输 出衰减减小3dB，则此时屏幕上的曲线将上移而与AB线相 交，两交点处的频率分别为下截止fL和上截止频率fH： BWfLfH (3) 回路Q值的测量。 测量时电路连接和测量方法与测回路带宽相同， 在用外接频标测出回路的谐振频率f0以及上、下截止频 率fH和fL后，按下面的公式即可计算出回路的Q值。 LH ff f BW f Q 00 7.3 频谱分析仪频谱分析仪 7.3.1 选频测量 图7.9所示为外差式

11、谐波分析仪的原理框图。 衰减器混频器选频放大器电压表 本机 振荡器 被测 信号 fx f0 fw 图7.9 外差式谐波分析仪的原理框图 7.3.2 频谱分析仪 1. 频谱分析仪的原理 1) 滤波式频谱分析 图7.10示出了滤波式频谱仪的基本结构。输入信号经 过一组中心频率不同的滤波器或经过一个扫描调谐式滤 波器，选出各个频率分量，经检波后进行显示或记录。 带 通 滤 波 器 或 扫 描 调 谐 式 滤 波 器 信 号 输 入检 波 器显 示 或 记 录 图7.10 滤波式频谱分析法的简要原理框图 图7.11 外差扫频方式频谱分析方法的原理简图 混 频 器 A 输 入 信 号 A 中 频 放 大

12、 中 频 滤 波 器 A 本 地 振 荡 器 CRT 在这种频谱仪中，随着滤波器频率的改变，完成频谱分 析，因此，滤波器和检波器是两个重要的单元电路，它们的 构成形式和性能好坏对频谱分析仪起着重要的作用。其原理 简图如图7.11所示。 2) 计算法频谱分析 计算法在快速傅里叶变换（FFT）算法问世后，才 被广泛应用于频谱分析。通过直接计算有限离散傅里叶 变换（DFT），即可获得信号序列的离散频谱。 有限离散序列xn和它的频谱Xm之间的DFT可表示为 计算法频谱分析仪的构成如图7.12所示。 nm N N n nm WxX 1 0 低通 滤波器 模拟信号 输入 采样/保持 电路 模/数 转换电路

13、 存储 电路 数字信号 处理电路 显示记录 电路 图7.12 计算法频谱分析仪框图 计算法频谱分析仪 2. 频谱分析仪的分类 1） 并行滤波实时频谱仪 并行滤波实时频谱仪又称为多通道滤波式频谱分析 仪，其原理如图7.13所示。 f01 f02 f0n 放 大 ui 带 通 滤 波 器 阶 梯 波 发 生 器 Y放 大 器 X放 大 器 检 波 S1 S2 Sn 图7.13 并行滤波实时频谱仪的原理框图 2） 扫频滤波式频谱仪 扫频滤波式频谱仪利用一个中心频率受扫频电压调 节的带通滤波器来实现工作频带内的频谱分析，其原 理框图如图7.14所示。 检 波 器 输 出 放 大 器 CRT 扫 描 发

14、 生 器 电 调 谐 带 通 滤 波 器 输 入 信 号 图7.14 扫频滤波式频谱分析仪的原理框图 3） 扫频外差式频谱仪 借助于外差式收音机和扫频的原理，将输入信号与仪 器内部的本地振荡信号进行混频，通过线性地调整本地 振荡源的频率，使其与被测信号中各频率成分形成固定 的差频，用相对频移的方法取代图7.14中的电调谐带通滤 波器，这就构成了扫频外差式频谱分析仪，如图7.15所示。 Y放 大 器检 波 器 中 频 放 大 器 混 频 器 X放 大 器 锯 齿 波 扫 描 器 扫 频 振 荡 器 ui f0 fw 图7.15 扫频外差式频谱分析仪的原理框图 4） 时基压缩式实时频谱仪 时基压缩

15、式实时分析仪又称为模拟数字混合式频谱分 析仪，其原理框图如图7.16所示。 5） 数字式频谱仪 随着数字信号处理技术的成熟与应用，频谱分析仪也 走向了数字化。用数字滤波器代替上述模拟频谱分析仪 中的模拟滤波器、用数字平方检波和均方算法代替二极 管检波，这就构成了数字滤波式频谱分析仪。 实 时 采 样 A/D转 换 数 字 存 储 快 速 读 出 D/A转 换 外 差 式 频 谱 仪 ui 图7.16 时基压缩式频谱仪的原理框图 6） 采用数字中频的外差式频谱分析仪 数字式频谱分析仪目前由于受到A/D采样速率和数字 信号处理器处理速度的限制，无法实现对射频及微波信 号的频谱实时分析，为解决这一问

16、题，采用数字中频的 外差式频谱分析仪诞生了。这种分析仪融合了外差扫描 与数字信号处理及实时分析技术，在传统模拟外差式频 谱分析仪的基础上，在中频及以后部分采用了全数字技 术，通过数字滤波和FFT的方法，使分辨力和分析速度 都大为提高，频谱分析仪的性能得到很大改善。 HP8566A超外差频谱分析仪 3. 频谱分析仪的主要技术参数 频谱分析仪的参数较多，并且不同种类的频谱仪参 数也不完全相同，但以下技术参数是最基本的。 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 范围可达325 GHz。 2） 扫频宽度与分析时间、扫频速度 扫频

17、宽度也称分析宽度，是指频谱分析仪在一次扫 描分析过程中所显示的频率范围，也就是本机振荡器 的扫频宽度。 3） 频率分辨率 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。 4） 动态范围与测量范围 频谱分析仪的动态范围定义为： 频谱分析仪能以给定精 度测量、分析输入端同时出现的两个信号的最大功率比（用 dB表示）。它实际上表示频谱分析仪显示大信号和小信号的 频谱的能力。其上限受到非线性失真的制约，一般可达6

18、0 dB以上，有的甚至达90 dB。 5） 灵敏度 灵敏度是指频谱分析仪测量微弱信号的能力，定义为 显示幅度为满刻度时，输入信号的最小电平值。灵敏度 受分析仪中存在的噪声、杂波、失真以及杂散响应的限 制，并且与扫速有关，扫速越快，动态幅频特性峰值就 越低，灵敏度也越低。许多频谱分析仪的灵敏度可达- 135-115 dBm。 4. 频谱分析仪的应用 1） 对信号参数进行测量 由上述频谱仪的工作原理可知，用频谱仪可以测量信 号本身（即基波）及各次谐波的频率、幅度、功率谱， 以及各频率分量之间的间隔，具体包括： (1) 直接测量各次谐波的频率、幅值，用以判断失真的 性质及大小。 (2) 可以用做选频

19、电压表，如测量工频干扰的大小。 (3) 根据谱线的抖动情况，可以测量信号频率的稳定度。 (4) 测试调幅、调频、脉冲调制等调制信号的功率谱及 边带辐射。 (5) 测量脉冲噪声，测试瞬变信号。 2）信号仿真测量 对于声音信号来说，通常说的“音色”是对频谱而 言的，音色如何是由其谐波成分决定的。各种乐器或 歌唱家的音色可用频谱来鉴别。 通过频谱仪可对各种乐器的频谱进行精确的分析测 量，由电子电路制作的电子琴是典型的仿真乐器，在 电子琴的制作和调试过程中，通过与被仿乐器的频谱 做精确的比对，可提高电子琴的仿真效果。同理，可 通过频谱分析仪的协助来实现语言的仿真。 3）电子设备生产调测 频谱分析仪可显

20、示信号的各种频率成分及幅度，在生产、 检测中常用于调测分频器、倍频器、混频器、频率合成器、 放大器及各种电子设备整机等，测量其增益、谐波失真、 相位噪声、杂波辐射等，如频谱分析仪是无线电通信设备 整机检测的重要仪器。图7.17给出了发射机杂散辐射测量的 示意图。 发 射 机 频 谱 分 析 仪 信 号 发 生 器 图7.17 发射机杂波辐射的测量 4） 电磁干扰（EMI）的测量 频谱分析仪是电磁干扰的测试、诊断和故障检修 中用途最广的一种工具。频谱分析仪对于一个电磁兼 容（EMC）工程师来说就像一位数字电路设计工程师 手中的逻辑分析仪一样重要。 如在诊断电磁干扰源并指出辐射发射区域时，采 用便携式频谱分析仪是很方便的。 5） 相位噪声的测量 频谱分析仪还广泛用于信号源、振荡器、频率合 成器输出信号相位噪声的测量。 7.4 谐波失真度测量谐波失真度测量 7.4.1 谐波