频域测量技术ppt课件

1、第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 第第8章章 频域丈量技术频域丈量技术 8.1 频域丈量的原理与分类频域丈量的原理与分类8.2 线性系统频率特性丈量线性系统频率特性丈量8.3 频谱分析丈量频谱分析丈量8.4 谐波失真度丈量谐波失真度丈量思索题思索题8第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 8.1 频域丈量的原理与分类频域丈量的原理与分类8.1.1 频域丈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8.1所示。第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.1 信号的三维特性频 率频 域电 压时 域时 间第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 8.1.2 频域丈

2、量的分类根据实践运用的需求，频域分析和丈量的对象和目的也各不一样，通常有以下几种： 1 频率特性丈量：主要对网络的频率特性进展丈量，包括幅频特性、相频特性、带宽及回路Q值等。2 选频丈量： 利用选频电压表，经过调谐滤波的方法，选出并丈量信号中某些频率分量的大小。第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 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 调制度分析丈量： 对各种频带的射频信号进展解调，恢复调制信号，丈量其调制度，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 谐波失真度丈

3、量： 信号经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。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 8.2 线性系统频率特性丈量线性系统频率特性丈量8.2.1 根本丈量方法1. 点频丈量法 图8.2中的曲线2就是运用动态丈量法所获得的曲线。这时，曲线略有右移，但最大值也略有降低。第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.2 静、动态丈量曲线Uout11静态2动态fO2第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 2. 扫频丈量法扫频丈量法具有以下优点： 1可实现网络频率特性的自动或半自动丈量，特别是在进展电路测试时，人们可以一面调理电路中的有关元件，一面

4、察看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，查找电路的缺点。2 由于扫频信号的频率是延续变化的，因此，所得到的被测网络的频率特性曲线也是延续的，不会出现由于点频法中频率点离散而脱漏细节的问题，且可以察看到电路存在的各种冲激变化，如脉冲干扰等，更符合被测电路的运用实践。3扫频丈量法丈量简单、速度快，可实现频率特性丈量的自动化，已成为一种广泛运用的方法。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 3. 多频丈量法多频丈量是利用多频信号作为鼓励信号的一种频域丈量技术。所谓“多频信号，是指由假设干频率离散的正弦波组成的集合。多频丈量将这个“多频信号作为鼓励，同时加到

5、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，在与输入进展比较之后就可以得到被测网络的频率特性。 4. 广谱快速丈量法当系统对非线性失真的要求较高时，可采用白噪声作为丈量的鼓励信号。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 8.2.2 相频特性丈量 在丈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，输出端信号作为被测信号，用相位计丈量输出端信号与输入端信号之间的相位差。调理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8.3所示。第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.3 线性系统的相频特性丈量正 弦 波发

6、 生 器被 测 电 路相 位 计参 考 信 号第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 8.2.3 扫频仪1. 根本任务原理 对扫频信号发生器的根本要求是： 1 中心频率范围大且可以延续调理。2 扫频宽度要宽且可恣意调理，常用频偏进展描画。3 寄生调幅要小。4 扫描线性度好。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.4中，扫频信号发生电路的振荡频率受扫描电压u2所调制。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.4 扫频仪的简要原理框图扫频信号发生器被测电路峰值检波器Y轴放大器X轴放大器扫描电压发生器u3u4u5u1u2tttt第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 为保证扫频

7、仪有很宽的任务频率范围，往往将整个任务频段划分成几个分波段，还可以经过混频的方法获得更高的任务频率，如图8.5所示。第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.5 混频法拓展扫频仪至更高的任务频率扫 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f2f1第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 2. 主要技术目的 扫频仪的主要技术目的有： 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，是指在扫频线性和幅度不平坦性符合要求的前提下，一次扫频能到达的最大频率范围，即 f=fmax-

8、fmin 式中, f为有效扫频宽度；fmax、fmin为一次扫频时能到达的最高和最低瞬时频率。第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 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较的扫频信号称为宽带扫频。2minmax0fffminmaxminmax02ffffff第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 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丈量中，必需保证扫频信号的幅度坚持不变。扫频信号的幅度不平坦性常用它的寄生调幅来表示，

9、定义为式中，A、B表示扫频信号的最大和最小幅度。minmax)/()/(dudfdudfk %100BABAm第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 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、公用扫频仪、宽带扫频仪、阻抗图示仪、 微波综合丈量仪 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。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 4. 扫频仪的运用1 电路幅频特性的丈量 丈量电路如图8.6所示。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.6 幅频特性的丈量检 波探 头被 测 电 路扫 频 仪输出输入第第8 8章章 频域测量技术

10、频域测量技术 图8.7给出了典型滤波器的频率特性丈量曲线。第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.7 典型滤波器的频率特性丈量曲线频 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 器第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 2 电路参数的丈量 (1) 增益的丈量。 在调好幅频特性的根底上，用粗、细调衰减器控制扫频信号的电压幅度，使它符合被测电路设计时要求的输入信号幅度。 (2) 带宽的丈量。 丈量带宽时，先调理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程度刻度线相切如图8.8中与AB线相切； 第第8 8章章 频域测量技术频域

11、测量技术 图8.8 扫频仪丈量带宽ABABfLfH(a)(b)第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 (3) 回路Q值的丈量。丈量时电路衔接和丈量方法与测回路带宽一样，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。LHfffBWfQ00第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 8.3 频谱分析丈量频谱分析丈量8.3.1 选频丈量图8.9所示为外差式谐波分析仪的原理框图。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.9 外差式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fxf0fw第第

12、8 8章章 频域测量技术频域测量技术 8.3.2 频谱分析仪1. 频谱分析仪的原理1) 滤波式频谱分析图8.10示出了滤波式频谱仪的根本构造。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，经检波后进展显示或记录。在这种频谱仪中，随着滤波器频率的改动，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，它们的构成方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8.11所示。第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.10 滤波式频谱分析法的简要原理框图带 通 滤 波 器 或扫 描 调 谐 式 滤 波 器信 号 输 入检 波 器显 示 或 记

13、录第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.11 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中频放大中频滤波器A本地振荡器CRT第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 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，才被广泛运用于频谱分析。经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8.12所示。 nmNNnnmWxX10第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.12 计算法频谱分析仪框图低 通滤 波 器模 拟 信 号输 入采 样 /保 持电 路模 /数转 换

14、电 路存 储电 路数 字 信 号处 理 电 路显 示 记 录电 路第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 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8.13所示。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.13 并行滤波实时频谱仪的原理框图f01f02f0n放大ui带通滤波器阶梯波发生器Y放大器X放大器检波S1S2Sn第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 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理的带通滤波器来实现任务频带内的频谱分析，其原理框图如图8.14所示。 第第8 8章章 频域测量技术频域测

15、量技术 图8.14 扫频滤波式频谱分析仪的原理框图检 波 器输 出放 大 器CRT扫 描 发 生 器电 调 谐 带 通 滤 波 器输 入信 号第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 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展混频，经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构成固定的差频，用相对频移的方法取代图8.14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8.15所示。第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.15 扫频外差式频谱分析仪的原理框图Y放 大 器检 波 器中 频放 大 器混 频 器X放 大

16、器锯 齿 波扫 描 器扫 频振 荡 器uif0fw第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 4 时基紧缩式实时频谱仪时基紧缩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8.16所示。5 数字式频谱仪随着数字信号处置技术的成熟与运用，频谱分析仪也走向了数字化。用数字滤波器替代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替代二极管检波，这就构成了数字滤波式频谱分析仪。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.16 时基紧缩式频谱仪的原理框图实 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第第8 8章章 频域测量技术频域测

17、量技术 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遭到A/D采样速率和数字信号处置器处置速度的限制，无法实现对射频及微波信号的频谱实时分析，为处理这一问题，采用数字中频的外差式频谱分析仪诞生了。这种分析仪交融了外差扫描与数字信号处置及实时分析技术，在传统模拟外差式频谱分析仪的根底上，在中频及以后部分采用了全数字技术，经过数字滤波和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。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 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一样，但以下技术参数是最根本的。1 频率范围频率

18、范围是指能到达频谱分析仪规定性能的任务频率区间，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。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 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才干。由于屏幕显示的谱线实践上是窄带滤波器的动态幅频特性，因此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 动态范围与丈量范围频谱分析仪的动态范围定义为： 频谱分

19、析仪能以给定精度丈量、分析输入端同时出现的两个信号的最大功率比用dB表示。它实践上表示频谱分析仪显示大信号和小信号的频谱的才干。其上限遭到非线性失真的制约，普通可达60 dB以上，有的甚至达90 dB。第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 5 灵敏度灵敏度是指频谱分析仪丈量微弱信号的才干，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、失真以及杂散呼应的限制，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-115 dBm。第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 4. 频谱分析仪的运用1 对信号参数进展丈量 由上

20、述频谱仪的任务原理可知，用频谱仪可以丈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，详细包括： (1) 直接丈量各次谐波的频率、幅值，用以判别失真的性质及大小。 (2) 可以用做选频电压表，如丈量工频干扰的大小。 (3) 根据谱线的抖动情况，可以丈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) 丈量脉冲噪声，测试瞬变信号。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 2 信号仿真丈量 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议的。各种乐器或歌唱家的音色可用频谱来鉴别。 经过频谱仪可对各种乐器

21、的频谱进展准确的分析丈量，由电子电路制造的电子琴是典型的仿真乐器，在电子琴的制造和调试过程中，经过与被仿乐器的频谱做准确的比对，可提高电子琴的仿真效果。同理，可经过频谱分析仪的协助来实现言语的仿真。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 3电子设备消费调测频谱分析仪可显示信号的各种频率成分及幅度，在消费、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，丈量其增益、谐波失真、相位噪声、杂波辐射等，如频谱分析仪是无线电通讯设备整机检测的重要仪器。图8.17给出了发射机杂散辐射丈量的表示图。第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 4 电磁干扰EMI的丈量频谱分析仪是电磁干扰的测试、诊断和缺点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 相位噪声的丈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丈量。 第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 图8.17 发射机杂波辐射的丈量发射机频谱分析仪信号发生器第第8 8章章 频域测量技术频域测量技术 8.4 谐波失真度丈量谐波失真