电子测量第七章

1、 第七章第七章 频频 域域 测测 量量第第7章频域测量技术章频域测量技术7.1 信号频谱分极及频谱分析仪信号频谱分极及频谱分析仪7.2 信号的失真度测量信号的失真度测量7.3 线性系统频率特性的测量线性系统频率特性的测量7.4 网络分析仪网络分析仪 第七章第七章 频频 域域 测测 量量一、概述一、概述本章涉及两个基本测量问题：本章涉及两个基本测量问题：2、线性系统频率特性的测量、线性系统频率特性的测量1、信号频谱分析、信号频谱分析本章重点：信号频谱分析、扫频测量技术本章重点：信号频谱分析、扫频测量技术包括对信号本身的分析包括对信号本身的分析和非线性失真系数的测量和非线性失真系数的测量 第七章第

2、七章 频频 域域 测测 量量信号频谱分析包括对信号频谱分析包括对信号信号本身的分析和非线性失真本身的分析和非线性失真系数的测量。系数的测量。7-1、信号频谱分析、信号频谱分析时域时域周期周期非周期非周期连续连续离散离散频域频域周期周期非周期非周期连续连续离散离散付付氏氏变变换换1、信号的分类、信号的分类 第七章第七章 频频 域域 测测 量量 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

3、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 第七章第七章 频频 域域 测测 量量3、时域和频域分析的比较、时域和频域分析的比较示波器：示波器：时域时域测量典型代表，可进行像波形失真原因测量典型代表，可进行像波形失真原因 等的研究。等的研究。频谱仪：频谱仪：频域频域测量典型代表，能定量测出很小的谐波测量典型代表，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、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。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

4、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。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量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示波器和频谱仪对比观察相位不同的波形A0fA0fA0tA0t(b)用频谱仪观察的频谱相同 第七章第七章 频频 域域 测测 量量(a)用示波器不容易观察波形的失真A0fA0fA0tA0t (b)用频谱仪容易观察微小的幅度和相位变化用示波器和频谱仪观察微小失真的波形 第七章第七章 频频 域

5、域 测测 量量频谱仪频谱仪数字式数字式模拟式模拟式滤波式滤波式外差式外差式1 1、频谱仪分类、频谱仪分类二、频谱仪二、频谱仪 第七章第七章 频频 域域 测测 量量 按按分析处理方法分析处理方法分类：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、分类：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模拟模拟/ /数字混合式频谱仪；数字混合式频谱仪； 按按基本工作原理基本工作原理分类：扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪；分类：扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪； 按按处理的实时性处理的实时性分类：实时频谱仪、非实时频谱仪；分类：实时频谱仪、非实时频谱仪； 按按频率轴刻度频率轴刻度分类：恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带分类：恒带宽分析式频谱仪、恒百分

6、比带宽分析式频谱仪；宽分析式频谱仪； 按按输入通道数目输入通道数目分类：单通道、多通道频谱仪；分类：单通道、多通道频谱仪； 按按工作频带工作频带分类：高频、射频、低频等频谱仪。分类：高频、射频、低频等频谱仪。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量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、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。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量前置前置放大器放大

7、器检波器检波器阶梯波阶梯波扫描发生器扫描发生器S信号输入信号输入滤波式滤波式 第七章第七章 频频 域域 测测 量量在所有滤波式频谱仪中，带通滤波器是关键器件。在所有滤波式频谱仪中，带通滤波器是关键器件。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量(2)带通滤波器的性能指标带宽带宽通常是指通常是指3dB带宽，带宽，或称半或称半功率带宽功率带宽 分辨率带宽分辨率带宽（RBW）反映了滤波器）反映了滤波器区分两个相同幅度、不同频率的信号的区分两个相同幅度、不同频率的信号的能力能力实实际际滤滤波波器器理理想想滤滤波波器器3dB点点3dB带带宽宽A20fA20f10.707f0f2f1RBWRBWRBW 第七章

8、第七章 频频 域域 测测 量量波形因子波形因子dBff1f23dB60dB0204060B3dBB40dBB60dB3dBf0dBf 波型因子反映了区分两个不等幅波型因子反映了区分两个不等幅信号的能力，也称信号的能力，也称带宽选择性带宽选择性波形因子定义为滤波器波形因子定义为滤波器60dB带宽与带宽与3dB带宽之比：带宽之比： dBdBBBSF3603/60/ 也可用也可用40dB带宽与带宽与3dB带宽之比带宽之比表示。波形因子较小的滤波器的特性表示。波形因子较小的滤波器的特性曲线更接近于矩形，故波形因子也称曲线更接近于矩形，故波形因子也称矩形系数矩形系数 第七章第七章 频频 域域 测测 量量

9、0dB对对数数频频率率-10dB-20dB-30dB-40dB-50dB0.2f00.5f0f02f05f0倍倍频频程程选选择择性性1倍倍频频程程 1倍倍频频程程恒带宽与恒百分比带宽恒带宽与恒百分比带宽 恒百分比带宽滤波器的恒百分比带宽滤波器的绝对带宽绝对带宽B与中心频率与中心频率f0的比的比值（即相对带宽）是常数值（即相对带宽）是常数。扫描式频谱仪、档级滤波式扫描式频谱仪、档级滤波式频谱仪及并行滤波式频谱仪频谱仪及并行滤波式频谱仪大多采用恒百分比带宽分析。大多采用恒百分比带宽分析。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量 在在对数刻度对数刻度下，恒百分比带宽滤波器的频率特性曲线下，恒百分比带宽

10、滤波器的频率特性曲线关于其中心频率关于其中心频率f0对称。常用对称。常用“倍频程选择性倍频程选择性”表示远离表示远离中心频率一倍频率处（中心频率一倍频率处（0.5f0和和2f0）的滤波器衰减量。）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。定。恒带宽滤波器的特性曲线在恒带宽滤波器的特性曲线在线性频率线性频率刻度下，关于滤刻度下，关于滤波器的中心频率波器的中心频率f0对称对称 第七章第七章 频频 域域 测测 量量 滤波器响应时间滤波器响应时间（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

11、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。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量3、扫频外差式频谱仪、扫频外差式频谱仪xiLoftff)(视视频频滤滤波波X放放大大Y放放大大fx检检波波扫扫描描信信号号发发生生器器LOfLIF滤滤波波中中频频信信号号处处理理输输入入电电路路 第七章第七章 频频 域域 测测 量量(1)工作原理：工作原理：输入信号频谱：输入信号频谱：fx1 fx2 fxn 扫描扫描电压发生器电压发生器扫频振荡器扫

12、频振荡器fL（t）（可变）（可变）混频器混频器fo= fL（t）-fxn滤波器滤波器检波器检波器显示器显示器xiLoftff)( 第七章第七章 频频 域域 测测 量量 第七章第七章 频频 域域 测测 量量qBK K= K=1K=0.75fA（f）静态静态动态动态fo扫频速度扫频速度应适当选择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）扫频的速度与中频滤波器的动态特性扫频速度扫频速度幅频特性曲线幅频特性曲线分辨力分辨力有关有关有关有关 第七章第七章 频频 域域 测测 量量结论结论Bs固定，固定，Bd与扫速关系与扫速关系 kBd/BsBd分辨力下降分辨力下降Bd/Bq0.51

13、1.5 22.5123450sBK22)(ssdBKBB 第七章第七章 频频 域域 测测 量量Bs宽，宽，k1即即 较小时较小时,Bs Bd选择窄的选择窄的Bs有助于提高分辨力。有助于提高分辨力。Bs窄窄, k1即即 较大时，较大时，BsBd选择窄的选择窄的Bs反而使分辨力降低。反而使分辨力降低。最佳动态分辨力：最佳动态分辨力：最小的最小的Bd（k=1）BdBd0sBK00.5122.5 固定，固定，Bd与与Bs关系关系22)(ssdBKBB 第七章第七章 频频 域域 测测 量量（3 3）、外差式频谱仪的正确使用）、外差式频谱仪的正确使用1 1、扫频宽度的选择、扫频宽度的选择2 2、BqBq带

14、宽的选择带宽的选择3 3、扫频速度的选择、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BqBq 相适应兼顾扫描速度、兼顾扫描速度、Bq、Bd之间的关系之间的关系经验公式：经验公式：2qB扫频宽度530kHz1.510kHz2kHz静态分辨力150Hz30Hz6Hz 第七章第七章 频频 域域 测测 量量三、频谱仪工作特性三、频谱仪工作特性1、频率分辨力、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。号的最小谱线间隔。观察到实际的谱线。观察到实际的谱线。3dB带宽过宽，分辨力太低带宽过宽，分辨

15、力太低滤波式滤波式和和外差式的频率分辨率影响因素不同外差式的频率分辨率影响因素不同 第七章第七章 频频 域域 测测 量量2、输入电平和动态范围、输入电平和动态范围动态范围：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，一般来讲，测量范围大测量范围大的仪表，其灵敏度就低，灵敏限高，的仪表，其灵敏度就低，灵敏限高，分辨率就差；分辨率就差； 而而动态范围大动态范围大，意味着仪表既有较大的测量范围又有较高，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。的分辨率或

16、较低的灵敏限。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量3、扫描速度和分析时间、扫描速度和分析时间分析时间分析时间扫频宽度扫频宽度扫描速度扫描速度 扫频宽度：扫频宽度：指频谱仪在一次测量（一次频率扫描）过程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：扫描时间：指进行一次全频率范围的扫描、并完成测量所需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。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、频谱跨度等扫频宽度其他名称，如分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等 第

17、七章第七章 频频 域域 测测 量量五、频谱仪的应用五、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六、频谱分析仪的发展趋势 第七章第七章 频频 域域 测测 量量7-2、线形系统频率特性的测量、线形系统频率特性的测量概念：概念：线形系统对正弦输入的稳态响应称为频率特性；线形系统对正弦输入的稳态响应称为频率特性；可用可用幅频特性幅频特性和和相频特性相频特性来全面表征。来全面表征。正弦测量技术：正弦测量技术：理论基础理论基础：对于线形系统，其输入为正弦信号激励，：对于线形系统，其输入为正弦信号激励，输出响应是具有与

18、输入频率相同的正弦波。输出响应是具有与输入频率相同的正弦波。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量测量步骤：测量步骤：1、测量电路的连接、测量电路的连接2、提供测试信号、提供测试信号3、测量被测系统输出响应、测量被测系统输出响应4、取得测量数据，进行数据处理、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。频率特性测量通常采用正弦测量技术。频率特性测量方法频率特性测量方法经典方法：静态经典方法：静态动态动态正弦测量技术正弦测量技术 第七章第七章 频频 域域 测测 量量静态：静态：点频法点频法频率特性测量频率特性测量 点频法：点频法：在不同的输入频率点上，逐点测量数据。在不同的输入频

19、率点上，逐点测量数据。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量例、增益或衰耗的测量例、增益或衰耗的测量方法：比较法和直接测量法方法：比较法和直接测量法动态：图示测量动态：图示测量扫频仪扫频仪 第七章第七章 频频 域域 测测 量量（一）、点频法：（一）、点频法：逐点描绘法逐点描绘法DVM频率计频率计vifivofoA=F（f）fA所得频率特性是所得频率特性是静态静态的，无法反映信号的连续变化；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。缺点：该方法繁琐、费时、不直观、测量误差大。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量动态动态：扫频图示仪：扫频图示仪（二）、（二）、扫频扫

20、频测量技术测量技术概念：概念：扫频测量技术扫频测量技术就是利用扫频信号进行频率特性的测量就是利用扫频信号进行频率特性的测量技术；技术；扫频信号扫频信号就是频率扫动的正弦信号；就是频率扫动的正弦信号；而该信号的频率扫动是随时间而该信号的频率扫动是随时间按一定规律按一定规律、在一定范围在一定范围内内反复反复扫动。扫动。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量扫频信号扫频信号发生器发生器被测电路被测电路峰值峰值检波器检波器扫描扫描发生器发生器XYViVoVgVx扫频测量原理图扫频测量原理图例如：放大器的动态频率特性例如：放大器的动态频率特性 第七章第七章 频频 域域 测测 量量1、扫频测量可以实现、扫

21、频测量可以实现图示图示测量；测量；2、快速扫频可实现测量被测器件或系统的、快速扫频可实现测量被测器件或系统的动态特性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。信号的动态跟踪特性。特点：特点：所以，在现代电子测量中，扫频测量技术得到广泛应用。所以，在现代电子测量中，扫频测量技术得到广泛应用。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量1、工作原理、工作原理 学习要点：记框图、明白箭头关系、了解扫频信号学习要点：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。的产生、要求幅度适中、不要有寄生调幅、

22、不能失真。扫频信号发生器由扫描发生器驱动。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被测电路电压振幅的包络经峰值检波器检波示波器示波器 X轴轴 时间轴时间轴扫频仪扫频仪 X轴轴 频率轴频率轴扫频信号变化规律与扫频信号变化规律与时间轴变化规律一致时间轴变化规律一致 第七章第七章 频频 域域 测测 量量qBK 例如：例如：被测电路如下被测电路如下动态特性动态特性K= K=1K=0.75fA（t）静态静态动态动态fo 静态静态分辨率分辨率扫频速度扫频速度应适当选择扫频速度应适当选择扫频速度 第七章第七章 频频 域域 测测 量量由上图得以下结论：由上图得以下结论：1、动态特

23、性曲线不同于静态特性曲线、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、动态特性曲线谐振点偏离静态特性曲线的谐振点频率的谐振点频率fo，扫速越快，偏离越远。，扫速越快，偏离越远。3、与静态特性相比，动态特性曲线、与静态特性相比，动态特性曲线3dB带宽带宽变宽，谐振峰低于静态特性。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。 第七章第七章 频频 域域 测测 量量2、扫频信号的获得、扫频信号的获

24、得（1）产生扫频信号的方法：）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）、机械扫频：三十年代，工艺材料为齿轮、电容LCf 21 （b）、变容二极管扫频）、变容二极管扫频（c）、磁调制扫频）、磁调制扫频 第七章第七章 频频 域域 测测 量量+EL1C1R1R2R3R4R5C2C3C4C5R6B2A3变频二极管变频二极管振荡器电路振荡器电路(b)、变容二极管：、变容二极管： 第七章第七章 频频 域域 测测 量量扫频信号产生过程：扫频信号产生过程：锯齿波电压锯齿波电压变容二极管变容二极管加到加到结电容结电容控制控制改变振荡频率改变振荡频率控制控制 所以，改变锯齿波电压的变

25、化速率可改变扫频所以，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。速度，改变锯齿波电压的振幅可改变扫频宽度。CjvVCj LCf 21 第七章第七章 频频 域域 测测 量量 (2)对扫频信号发生器的基本要求对扫频信号发生器的基本要求 主要工作特性主要工作特性121202ffffff min0max0kk 线线性性系系数数%1002121 AAAAM调调幅幅系系数数f f0 0：扫频输出中心频率：扫频输出中心频率f f1 1：扫频起点；：扫频起点；f f2 2：扫频终点：扫频终点k k0 0：压控特性：压控特性f f- -V V曲线的斜率曲线的斜率A A1 1：寄

26、生调幅最大幅度：寄生调幅最大幅度A A2 2：寄生调幅最小幅度：寄生调幅最小幅度 有效扫频宽度有效扫频宽度 扫频线性扫频线性 输出振幅平稳性输出振幅平稳性 第七章第七章 频频 域域 测测 量量对扫频信号发生器的基本要求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。第四章 信号源n扫频信号发生器的优点扫频信号发生器的优点n（1）可实现网络频率特性的）可实现网络频率特性的自动或半自动测量自动或半自动测量，特别是，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

27、观察荧光屏上频率特性曲线的变化，从而迅速件，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。地将电路性能调整到预定的要求。n（2）由于扫频信号的）由于扫频信号的频率频率是是连续连续变化的，因此，所得到变化的，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。点频法中频率点离散而遗漏掉细节的问题。n（3）扫频测量法是在一定扫描速度下获得被测电路的动）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，态频率特性，符合符合被测电路的应用被测电路的应用实际实际。 第七章第七章

28、 频频 域域 测测 量量3、显示方式、显示方式（1）、扫频图示法根据图示法的显示原理不同，分为）、扫频图示法根据图示法的显示原理不同，分为光点扫描式光点扫描式光栅增辉式光栅增辉式（2）、两种图示法的比较：）、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、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。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。、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、两种显示所需偏转信号光栅法光栅法电视机显像管：电磁偏转，电视机显像管：电磁偏转，xyIxIy ,示波器示波管：静电偏转，示波器示波管：静电偏转，xyvxvy , 第七章第七章 频频 域域 测测 量量（3）、光栅增辉式显示原理）、光栅增辉式显示原理（a a）显示原理）显示原理a a 暗光栅的产生暗光栅的产生f fIXIX=0.01=0.0130HZ 30HZ 三角波扫描电流三角波扫描电流f fIYIY=18.5KHZ =18.5KHZ 锯齿