第6章 频域测量课件

《第6章 频域测量课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章 频域测量课件（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第6章 频域测量,6.1 扫频仪概述 扫频仪，又称频率特性测试仪，用来测定各种有源、无源二端口和四端口网络（如调频放大器、宽频放大器、各种滤波器、鉴频器、雷达等）的传输特性、阻抗特性和反射特性等。,点频测量法线性系统频率特性的经典测量法 每次只能将加到被测线性系统的信号源的频率调节到某一个频点。依次设置调谐到各指定频点上，分别测出各点处的参数，再将各点数据连成完整的曲线，从而得到频率特性测量结果。 所得频率特性是静态的，无法反映信号的连续变化； 测量频点的选择对测量结果有很大影响，特别对某些特性曲线的锐变部分以及失常点，可能会因频点选择不当或不足而漏掉这些测量结果。,幅频特性扫频测量法,频率源

2、的输出能够在测量所需的范围内连续扫描，因此可以连续测出各频率点上的频率特性结果并立即显示特性曲线。 优点：扫频信号的频率连续变化，扫频测量所得的频率特性是动态频率特性，也不会漏掉细节。 不足：如果输入的扫频信号频率变化速度快于系统输出响应时间，则频率的响应幅度会出现不足，扫频测量所得幅度小于点频测量的幅度；电路中LC元件的惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会产生频率偏离。,两种幅频特性测量法的比较,扫频测量所得的动态特性曲线峰值低于点频测量所得的静态特性曲线。扫频速度越快，下降越多； 动态特性曲线峰值出现的水平位置（频率）相对于静态特性曲线有所偏离，并向频率变化的方向移动。扫频速度越快，偏离越大；

3、,当静态特性曲线对称时，随着扫频速度加快，动态特性曲线明显出现不对称，并向频率变化的方向一侧倾斜； 动态特性曲线较平缓，其3dB带宽大于静态特性曲线的3dB带宽； 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。,两种幅频特性测量法的比较（续）,2常用频域测试仪器,（1）频率特性测试仪,（2）频谱分析仪,6.1.1 常用术语,1.扫频信号发生器 2.扫频仪 3.有效频率范围 4.扫频宽度 5.扫频中心频率 6.扫频方式 7.自动扫频 8.手动扫频 9.触发扫频 10.单次触发扫频 11.对数扫频 12.起止扫频 13.标志扫

4、频 14.窄带扫频外扫频 15.频率标志 16.分辨率 17.扫频线性误差 18.扫频时间,6.1.2 扫频仪中的关键器件,1、变容二极管,2.变容二极管扫频 等效电路如图,V,变容管在零偏压时的电容。,PN结的内建电位差，硅管=0。6v,电容指数，决定于PN结中杂质浓度的分布情况，对于突变结变容管， ，而超突变结变容管,势垒电容与外加电压的关系：,工作原理：基于PN结反向偏置时，结电容与偏 置电压有关这一原理 制成的。,变容二极管构成的振荡回路,扫描信号,隔直电容,偏置电压,接振荡器,变容管扫频振荡器的优点： 电路简单，频偏宽，对调制信号几乎不消耗功率。它一般用 于晶体管化的扫频仪中。,L,

5、变容管扫频仪的组成及原理,变容管扫 频发生器,被测电路,峰 值,检 波 器,三 角 波,扫描发生器,X,Y,变容二极管等效电路图表,变容特性曲线,2、电协调变容二极管,变容二极管有三种类型：参数变容二极管、功率变容二极管、电调谐变容二极管。在扫频仪中使用的是电调谐变容二极管。,6.2 扫频仪工作原理,6.2.1整机电路原理框图,它主要由扫频信号源和显示系统两大部分构成。,扫频源的基本工作原理,能产生扫频输出信号的频率源称为扫频信号发生器或扫频信号源，简称扫频源。它既可作为独立的测量用信号发生器，又可作为频率特性测量类仪器的前端。,典型的扫频源应具备下列三方面功能： 产生扫频信号（通常是等幅正弦

6、波）； 产生同步输出的扫描信号，可以是三角波、正弦波或锯齿波等； 产生同步输出的频率标志，可以是等频率间隔的通用频标、专用于某项测试的专用频标及活动频标。,扫频源的基本工作原理（续）,扫频源的主要特性,对扫频源通常的技术要求： 在预定频带内有足够大的输出功率，且幅度稳定，以获得最大的动态范围； 调频线性好，并有经过校正的频率标记，以便确定频带宽度和点频输出； 为使测量误差最小，扫频信号中的寄生振荡和谐波均应很小； 扫频源输出的中心频率稳定，并可以任意调节； 频率偏移的范围越宽越好，并可以任意调节。,有效扫频宽度 扫频线性 输出振幅平稳性,扫频源的主要特性（续）,f0：扫频输出中心频率 f1：扫

7、频起点；f2：扫频终点,k0：压控特性f-V曲线的斜率,A1：寄生调幅最大幅度 A2：寄生调幅最小幅度,1、扫频信号源的构成及功能,扫频信号源由扫频单元、频标单元和衰减 器三部分组成，在控制信号的作用下要求扫频 信号源具有以下功能: 能产生频率做线性变化的扫频信号； 这个扫频信号的输出是等幅的，且具有一定的功率； 扫频信号的频偏应尽可能大且中心频率可调； 要求扫频信号的线性度良好； 能产生和扫频信号同步的频率标记； 输出阻抗要恒定。,2、显示系统的构成及功能,对于显示系统而言，主要的要求有两点：轨迹明亮而清晰，在不失真的前提下要有足够高的增益。 显示系统主要由斜波电压发生器，x，y 轴通道放大

8、器及示波管等电路构成。,6.2.2 单元电路工作原理 1.扫频单元,2、固定振荡器,3、扫频振荡器,4、混频器和低通滤波器,6.3 频标单元,1、单一频标产生的工作原理,2、产生多个频标的工作原理,以10MHz通用频标为例来说明获得多个频标的 工作原理：,频率标记,频率标记是扫频测量中的频率定度 。产生频标的基本方法是差频法，利用差频方式可产生一个或多个频标，频标的数目取决于和扫频信号混频的基准频率的成分。 所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高 频标幅度应基本一致、显示整齐 不包含杂频和泄漏进来的扫频信号 多种频标形式以满足不同的显示和测量需要 电路时延尽可能小以减小频率定度误差,频率标记（

9、续）,菱形频标 利用差频法得到，适用于测量高频段的频率特性。对作为基准频率进行限幅、整形和微分，形成含有很多谐波成分的尖脉冲，再和扫频信号混频。 脉冲频标 由菱形频标变换而来的。将菱形频标送去触发单稳电路并产生输出，整形后形成极窄的矩形脉冲频标，也叫针形频标。宽度较菱形频标窄，在测量低频电路时分辨力更高。 线形频标 状如一条条极细的垂直亮线，是光栅增辉式显示器特有的频标形式。,频率标记：用于频率值的标定，频率标记简称频标 主要有四种方法（模拟法）： 差频法、电压比较法、吸收法、选频法 差频法：形成菱形频标，适用于高频扫频仪中。（频标宽度）,扫 频 信 号,发 生 器,标 准 信 号,发 生 器

10、,混 频 器,带通滤波器,放大器,谐波发生器,频率标记,4.98MHz,5MHz,5.02MHz,扫频信号,1MHz振荡信号的五次谐波,5MHz,20kHz,20kHz,混频输出,通过窄带通滤波器并放大,10MHz频标,3、频标单元电路分析 本电路包括四个部分：10MHz晶振、隔离放大 器、波发生器及混频滤波电路。,6.4 Y通道单元,Y通道单元的具体要求为： 有较高的输入阻抗; 有较好的频率特性; 要求有较小的漂移;,6.5 操作使用,以BT-3GIII型频率特性测试仪为例来详细介绍扫 频仪的使用方法,1、 BT-3GIII型频率特性测试仪的面板布置,2、旋钮的名称与作用,（1）显示器的旋钮

11、与作用,亮度：用来调节扫描线的亮度，顺时针调整，亮度最大，反之则扫描线最暗。 聚焦：调整该旋钮可使扫描线光滑清晰。 水平校准：当扫描线不能和水平刻度线重合时，可加以调整。 Y输入：通常接检波探头的输出端。对于含有内检波的四端网络，该网络的输出可直接加到Y输入。 Y增益：用于调节输入信号的大小，以使得被测信号能直观地显示在屏幕上。,位移：通过旋钮的来回调节，可使整个扫描曲线上下移动。 Y位移：通过旋钮的来回调节，可使整个扫描曲线上下移动。 Y轴衰减选择挡：共分为*1、*10、*100三挡，应和Y 增益配合使用，通过不同挡的选择，可改变整个Y轴的增益与扫描曲线的高度。,（2）扫频信号源的旋钮与作用

12、,中心频率：调节该旋钮，可使需要的中心频率置于屏幕的中心位置。 扫频宽度：调节该旋钮，可得到合适的扫频带宽。 输出衰减：输出衰减共分七挡，通过不同的组合，可得到不同的衰减量，它的设置可以改变扫频信号的输出幅度。 扫频输出：扫频信号的输出端，通常接到被测四端网络的输入端。,（3）频标信号发生器的旋钮与作用,频标选择 频标幅度 外接频标,3.使用方法,（1）使用前的准备工作,将检波探头推入自校准插座，并将自校准插头 接扫频输出插座，检波输出插头接Y输入。如图6.5.2所示:,（2）频标识别,将频标选择旋钮置于10/1位置，中心频率置于起始处，此时屏幕中出现不同于菱形频标的特殊标识，称作零拍。 顺时

13、针转动中心频率旋钮，会发现0拍及右面的大小频标逐渐左移。其中幅度大的为10MHz频标，幅度小的为1MHz频标，如图6.5.3（a）所示。,将频标选择旋钮置于50位置，扫频特性曲线如图6.5.3（b）所示，在零拍右面的第一个频标为50MHz，第二个频标为100MHz，其余依次类推。,（3）扫频宽度,不同的四端网络有着不同的频带，预置扫频宽度太窄，被测曲线在水平方向会很小；预置扫频宽度太宽，被测曲线在水平方向会很大。因此调节扫频宽度旋钮会得到合适的扫频宽度。,（4）中心频率读取,不同的四端网络除了有不同的频带之外，还有不同的中心频率，预置中心频率过高，被测曲线会在右面，预置中心频率过低，被测曲线会

14、在左面。 调节中心频率旋钮，使得中心频率在屏幕中央，就可以对称地观察被测曲线。图6.5.4示出了中心频率为20MHz扫频宽度为24MHz的校准曲线。需要说明的是，中心频率20MHz是在0拍右面的第2个大频标。,6.6 测试实例,1、单调谐回路的扫频测量 （1）单调谐回路的电路原理图,（2）扫频仪各旋钮预置如下：,将-/+置于+，AC/DC置于DC，Y衰减置于1; 扫频输出衰减旋钮置于0dB; 频标选择旋钮置于10/1MHz; 扫频宽度旋钮置于5MHz； 将低阻检波器和自校准插座分别接Y输入和扫频输出插座，调整Y增益使得扫描曲线为5大格，并记下此值,（3）扫频仪与单协调回路的连接方法：,注意：检

15、波器为高阻检波器，扫频输出为带鳄鱼夹的高频电缆。,（3）调节输出衰减为47dB，单调谐回路的幅频特性曲线:,该单调谐回路的增益为47dB，即放大量为100余倍。,2、 双谐调回路的扫频测量,步骤如下： 双谐调回路原理图：,扫频仪各旋钮预置如实例1； 扫频仪与双谐调回路的连接方法与实例1相同； 调整输出衰减为50dB，被测双谐调回路的幅频特性曲线如图：,3、相位鉴频器的扫频测量,相位鉴频器的特性曲线,4、利用扫频仪测量振荡器的振荡频率 5、用扫频仪测量无源的高通滤波器,高通滤波器电路原理图,1频道高通滤波器特性曲线,6、主要技术指标,扫频范围：1300MHz； 扫频宽度：100MHz; 扫频非线

16、性：+-5%； 输出电压：0.5V(3.33mW)+-10%; 输出平坦度：+-0.25dB; 输出衰减：070dB,1dB步进； 输出阻抗：75欧； 频率标记：50MHz、10MHz/1MHz复合及外接三种，外接频标灵敏度优于300mV； 显示部分垂直灵敏度：优于20mV(峰-峰）/cm; 显示屏幕有效尺寸：100mm*80mm。,6.7 频谱分析仪工作原理,6.7.1 时域和频域的关系,频域和时域的关系 通常一个过程或信号可以表示为时间t的函数f(t)，示波器常用来观测信号电压随时间的变化，是典型的时域分析仪器。 过程或信号还可以表示为频率f 或角频率的函数s()， 频率特性测试仪、频谱分析仪都是以频率为自变量，以各频率分量的信号值为因变量进行分析的