电子测量第七章讲解

《电子测量第七章讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子测量第七章讲解（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 第七章 频 域 测 量 第7章 频域测量技术 7.1 信号频谱分极及频谱分析仪 7.2 信号的失真度测量 7.3 线性系统频率特性的测量 7.4 网络分析仪 第七章 频 域 测 量 一、概述 本章涉及两个基本测量问题： 2、线性系统频率特性的测量 1、信号频谱分析 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 和非线性失真系数的测量 第七章 频 域 测 量 信号频谱分析包括对信号本身的分析和非线性失真 系数的测量。 7-1、信号频谱分析 一、信号一、信号 确定信号与随机信号确定信号与随机信号 连续时间信号与离散时间信号连续时间信号与离散时间信号 周期信号与非周期信号周期信号与非

2、周期信号 时域 周期 非周期 连续 离散 频域 周期 非周期 连续 离散 付 氏 变 换 1、信号的分类 第七章 频 域 测 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 频 域 测 量 3、时域和频域分析的比较 示波器：时域测量典

3、型代表，可进行像波形失真原因 等的研究。 频谱仪：频域测量典型代表，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、 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 频 域 测 量 t (a)用示波器易观察波形的相位不同 示波器和频谱仪对频谱仪对 比观观察相位不同的波形 A 0f A 0f A 0 t A 0 t (b)用频谱仪观 察的频谱

4、相同 第七章 频 域 测 量 (a)用示波器不容易观察波形的失真 A 0f A 0f A 0t A 0 t (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 频 域 测 量 频谱仪 数字式 模拟式 滤波式 外差式 模拟式频谱仪：以扫描式为基础构成，采用滤波器或混频模拟式频谱仪：以扫描式为基础构成，采用滤波器或混频 器将被分析信号中各频率分量逐一分离。所有早期的频谱仪几器将被分析信号中各频率分量逐一分离。所有早期的频谱仪几 乎都属于模拟滤波式或超外差结构，并被沿用至今乎都属于模拟滤波式或超外差结构，并被沿用至今 数字式频谱仪：非扫描式，以数字滤波器或数

5、字式频谱仪：非扫描式，以数字滤波器或FFTFFT变换为基变换为基 础构成。精度高、性能灵活，但受到数字系统工作频率的限制础构成。精度高、性能灵活，但受到数字系统工作频率的限制 。目前单纯的数字式频谱仪一般用于低频段的实时分析，尚达。目前单纯的数字式频谱仪一般用于低频段的实时分析，尚达 不到宽频带高精度频谱分析不到宽频带高精度频谱分析 1、频谱仪分类 二、频谱仪 第七章 频 域 测 量 按分析处理方法分类：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、 模拟/数字混合式频谱仪； 按基本工作原理分类：扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪 ； 按处理的实时性分类：实时频谱仪、非实时频谱仪； 按频率轴刻度分类：恒带宽分析式频谱

6、仪、恒百分比带 宽分析式频谱仪； 按输入通道数目分类：单通道、多通道频谱仪； 按工作频带分类：高频、射频、低频等频谱仪。 第七章 频 域 测 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 (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 频 域 测 量 前置 放大器 检波器 阶梯波 扫描发生器 S 信号输入 滤波式 第七章 频 域 测 量 优点：简单易行优点：简单易行 缺点：需要大量滤波

7、器，体积过大，缺点：需要大量滤波器，体积过大，分辨力和灵敏度都不是很高分辨力和灵敏度都不是很高 适用：一般用于适用：一般用于低频段低频段的音频测试等场合。的音频测试等场合。 在所有滤波式频谱仪中，带通滤波器是关键器件。 第七章 频 域 测 量 (2)带通滤波器的性能指标 带宽 通常是指3dB带宽，或称半 功率带宽 分辨率带宽（RBW）反映了滤波器 区分两个相同幅度、不同频率的信号的 能力 第七章 频 域 测 量 波形因子 波型因子反映了区分两个不等幅 信号的能力，也称带宽选择性 波形因子定义为滤波器60dB带宽与 3dB带宽之比： 也可用40dB带宽与3dB带宽之比 表示。波形因子较小的滤波器

8、的特性 曲线更接近于矩形，故波形因子也称 矩形系数 第七章 频 域 测 量 恒带宽与恒百分比带宽 恒百分比带宽滤波器的 绝对带宽B与中心频率f0的比 值（即相对带宽）是常数。 扫描式频谱仪、档级滤波式 频谱仪及并行滤波式频谱仪 大多采用恒百分比带宽分析 。 第七章 频 域 测 量 在对数刻度下，恒百分比带宽滤波器的频率特性曲线 关于其中心频率f0对称。常用“倍频程选择性”表示远离中 心频率一倍频率处（0.5f0和2f0）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 定。恒带宽滤波器的特性曲线在线性频率刻度下，关于滤 波器的中心频率f0对称 第七章 频 域 测 量 滤波器

9、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 频 域 测 量 3、扫频外差式频谱仪 第七章 频 域 测 量 (1)工作原理： 输入信号频谱：fx1 fx2 fxn 扫描 电压发生器 扫频振荡器 fL（t）（可变） 混频器 fo= fL（t）-fxn 滤波器 检波器 显示器 第七章 频 域 测 量 优点：频率范围宽、灵敏度高、频

10、率分辨率可变优点：频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变 目前频谱仪中数量最大的一种目前频谱仪中数量最大的一种 缺点：不能进行实时分析缺点：不能进行实时分析 （被分析的频谱依次被顺序采样）（被分析的频谱依次被顺序采样） 只能提供幅度谱，不能提供相位谱只能提供幅度谱，不能提供相位谱 第七章 频 域 测 量 K= K=1 K=0.75 f A（f） 静态 动态 fo 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 扫频速度幅频特性曲线分辨力 有关有关 第七章 频 域 测 量 结论 Bs固定，Bd与扫速关系 k Bd/BsBd 分辨力下降 Bd/Bq 0.5 11.5 22.5

11、1 2 3 4 5 0 第七章 频 域 测 量 Bs宽，k1即 较小时, Bs Bd 选择窄的Bs有助于提高分辨力。 Bs窄, k1即 较大时， BsBd 选择窄的Bs反而使分辨力降低。 最佳动态分辨力： 最小的Bd（k=1） Bd Bd0 0 0.5122.5 固定，Bd与Bs关系 第七章 频 域 测 量 （3）、外差式频谱仪的正确使用 1、扫频宽度的选择 2、Bq带宽的选择 3、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Bq 相适应 兼顾扫描速度、Bq、Bd之间的关系 经验公式： 扫频宽 度530kHz1.510kHz2kHz 静态分辨力150Hz30Hz

12、6Hz 第七章 频 域 测 量 三、频谱仪工作特性 1、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 号的最小谱线间隔。 观察到实际的谱线。3dB带宽过宽，分辨力太低 滤波式和外差式的频率分辨率影响因素不同 第七章 频 域 测 量 2、输入电平和动态范围 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，测量范围大的仪表，其灵敏度就低，灵敏限高 ，分辨率就差； 而动态范围大，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。 第七章 频 域

13、测 量 3、扫描速度和分析时间 扫频宽度：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 扫描时间：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。 扫频宽度其他名称，如分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等 第七章 频 域 测 量 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 第七章 频 域 测 量 7-2、线形系统频率特性的测量 概念： 线形系统对正弦输入的稳态响应称为频率特性； 可用幅频特性和相频特性来全面表征。 正弦测量技术： 理论基础：

14、对于线形系统，其输入为正弦信号激励， 输出响应是具有与输入频率相同的正弦波。 第七章 频 域 测 量 测量步骤： 1、测量电路的连接 2、提供测试信号 3、测量被测系统输出响应 4、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。 频率特性测量方法 经典方法：静态 动态 正弦测量技术 第七章 频 域 测 量 静态：点频法 频率特性测量 点频法：在不同的输入频率点上，逐点测量数据。 第七章 频 域 测 量 例、增益或衰耗的测量 方法：比较法和直接测量法 动态：图示测量扫频仪 第七章 频 域 测 量 （一）、点频法：逐点描绘法 DVM 频率计 vi fi vo fo A=F（f） f

15、 A 所得频率特性是静态的，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。 第七章 频 域 测 量 动态：扫频图示仪 （二）、扫频测量技术 概念： 扫频测量技术就是利用扫频信号进行频率特性的测量 技术； 扫频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按一定规律、在一定范围 内反复扫动。 第七章 频 域 测 量 扫频信号 发生器 被测电路 峰值 检波器 扫描 发生器 XY Vi Vo Vg Vx 扫频测量原理图 例如：放大器的动态频率特性 第七章 频 域 测 量 1、扫频测量可以实现图示测量； 2、快速扫频可实现测量被测器件或系统的动态特性 例如窄带滤波器动

16、态滤波特性，锁相环对频率斜升 信号的动态跟踪特性。 特点： 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 频 域 测 量 1、工作原理 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。 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 示波器 X轴 时间轴 扫频仪 X轴 频率轴 扫频信号变化规律与 时间轴变化规律一致 第七章 频 域 测 量 例如： 被测电路如下 动态特性 K= K=1 K=0.75 f A（t） 静态 动态 fo 静态 分辨率 扫频速度 应适当选择扫频速度 第七章 频 域 测 量 由上图得以下结论： 1、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 的谐振点频率fo，扫速越快，偏离越远。 3、与静态特性相比，动态特性曲线3dB带宽 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。 小结：测量系统