线性系统频率特性测量和网络分析

《线性系统频率特性测量和网络分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《线性系统频率特性测量和网络分析（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、电子测量原理第1页第10章 线性系统频率特性测量和网络分析qq 10.1 10.1 线性系统频率特性测量线性系统频率特性测量qq 10.2 10.2 网络分析仪网络分析仪电子测量原理第2页10.1 线性系统频率特性测量u10.1.1 幅频特性测量u10.1.2 扫频测量与扫频源u10.1.3 相频特性测量电子测量原理第3页引 言u什么是线性系统的频率特性 ？线性网络正弦信号稳态响应H(j)：频率响应或频率特性幅度|H(j)|：幅频特性 相位() ：相频特性uu 频域中的两个基本测量问题频域中的两个基本测量问题信号的频谱分析：可由频谱分析仪完成 线性系统频率特性的测量：可由网络分析仪完成电子测量

2、原理第4页10.1.1 幅频特性测量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。电子测量原理第5页幅频特性扫频测量法频率源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，

3、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。电子测量原理第6页两种幅频特性测量法的比较u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；u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；电子测量原理第7页u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

4、率变化的方向 一侧倾斜；u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；u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）电子测量原理第8页10.1.2 扫频测量与扫频源基本工作原理扫频源的主要特性获得扫频信号的方法频率标记宽频段扫频方法电子测量原理第9页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。电子测量原理第10页典型的扫频源应具备下列三方面功能： 产

5、生扫频信号（通常是等幅正弦波）； 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）电子测量原理第11页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。 电子测量原理第12页 有效扫频 宽度扫频线

6、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：寄生调幅最小幅度电子测量原理第13页获得扫频信号的方法变容二极管电调扫频常见于射频至微波段。实现简单、输出 功率适中、扫频速度较快；扫频宽度小，在 宽带扫频时线性差，需额外进行扫频线性补 偿。 YIG（钇铁石榴石）电调扫频常用于产生GHz以上频段的信号，利用 下变频可实现宽带扫频。可覆盖高达10倍频 程的频率范围，扫频线性好、损耗低、稳定 性好。 合成扫频源实际上是一种自动跳频的连续波工作方 式，频率不完全连续变化，输出频率准确。电子测量原理

7、第14页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电子测量原理第15页频率标记（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

8、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。电子测量原理第16页宽频段扫频方法u差频式宽频段扫频 定 频 振荡器扫频本振低通 滤波宽带 放大宽带 输出将固定频率的振荡器与作为本振信号的扫频振 荡源在混频器上取差频。只要使定频振荡器的输出 电平远小于扫频本振的电平，则差频信号的幅度便 由定频振荡器的幅度决定，扫频过程中差频幅度可 基本保持不变。电子测量原理第17页宽频段扫频方法（续1）u全基波多频段联合式扫 频 电子测量原理第18页全基波多频段联合式扫频将频段相衔接的几个单频段基波扫频

9、振荡器 组件封装起来，用逻辑电路控制微波开关，因此可 以任意选用某个频段的振荡器输出，也可使几个振 荡器依次产生连续的输出频率，实现宽频带扫频。在上图所示的宽频带扫频方案中，多个输出频 率相接的YIG调谐基波扫频源结合在一起，由控制 信号通过PIN开关进行选择、组合，按需提供单频 段或多频段联合的扫频输出。两个定向耦合器与两 个检波器的组合用于对高、低频段稳幅信号取样。 电子测量原理第19页宽频段扫频方法（续2）u多倍频程宽带扫频以较宽频带的基波扫频振荡器为基础，除了 直接输出这个低频段信号外，还可将它加到可选倍 率n的倍频器中以产生若干个较高频段。基波回路 与倍频器是同时调谐的。这种倍频式（

10、谐波式）宽带扫频源较全基波 式构造简单，但在高频段输出时可能夹杂来自低频 段的部分谐波频率寄生信号；另外，倍频之后的信 号寄生调频及噪声也随之倍增。电子测量原理第20页10.1.3 相频特性测量测量线性系统的相频特性时，常以被 测电路输入端的信号作为参考信号，输出端 信号作为被测信号，所测的输入/输出相位 差就是电路的相频特性点。相位测量同样可采用点频或扫频法以 获得相频特性曲线：扫频法所得的相频特性 主要是被测网络的相位和时延特性的动态测 量；本节主要讨论对单频点上的网络时延特 性和相位差进行点频测量，以及用于点频测 量的相频特性测量仪器，常见的有如低频段 的模拟式相位计、数字式相位计，高频

11、段的 矢量电压表等。电子测量原理第21页双稳型鉴相器也称双稳型鉴相器，是模拟式相位计。采用 “过零时间法”实现相位差测量，即测量两个同频 信号波形的同向过零点之间的时间间隔并与被测信 号周期相比，从而得到相位差值。电子测量原理第22页数字式相位计有两种：相位-时间变换型将两个信号的相位 差转换成时间差，再用计数器测量该时间间隔；相 位-电压变换型将相位差转换成相应的电压值，然 后用数字电压表完成测量。瞬时值型数字相位计属于相位-时间变换型。 由于被测信号在传输过程中的干扰会直接影响计数 门的开启和关闭时间，因此瞬时值型相位计的测量 结果较不稳定。可以采用多次测量求平均的办法以 提高测量精度。

12、电子测量原理第23页瞬时值型数字相位计u1作为参考的信号在通道1中，用作计数门的启动信号 。u1、u2间的相位差首先被处理成两个过零脉冲的时间间隔 T，其中由u1产生的过零脉冲启动主计数门，由u2产生的 过零脉冲负责关闭计数门。若计数门的计数值为N，则相位差的计算式为:电子测量原理第24页矢量电压表矢量电压表是一种能同时测量信号幅度和相 位的测量仪器，本质上属于矢量网络分析仪。电子测量原理第25页矢量电压表（续）矢量电压表较多采用的相频特性测量方法是 脉冲触发式。上图是一种宽频带双通道矢量电压表 ，其相位差测量范围为-180o+180o。高频信号u1、u2分别加到两个取样头变换为 固定的中频信

13、号，同时保持了高频输入原有的波形 、幅度及信号间的相位关系。取样后的中频信号经 过带通滤波器进行电压幅度测量，同时被整形为方 波，然后进入双稳态触发型相位计中实现相位测量 。固定的中频信号单独输出还可用于调幅度及波形 失真等参数的测量。电子测量原理第26页10.2 网络分析仪u10.2.1 网络分析的基本概念u10.2.2 网络分析系统u10.2.3 反射参数测量u10.2.4 传输参数测量u10.2.5 S参数的全面测量及误差修正电子测量原理第27页10.2.1 网络分析的基本概念网络分析概述微波网络S参数S参数的流图表示及计 算q网络对实际物理电路和元件进行的数学抽象 ，主要研究外部特性。

14、q网络分析在感兴趣的频率范围内，通过线性 激励-响应测试确定元件的幅频特性和相频特性的 过程。q网络分析仪通过正弦扫频测量获得线性网络 的传递函数以及阻抗函数的仪器。q频谱测量表征电路单元的信号特性，而网络测量 表征电路单元组成的系统特性。电子测量原理第28页网络分析概述u线性网络与非线性网络线性网络（系统）：仅改变输入信号的 幅度和（或）相位，不会产生新的频率信号 ；非线性网络（系统）：改变输入信号的 频率，或产生其他频率成分。网络分析总是假定被分析网络是线性的，因 而可以基于正弦扫频法进行频率特性的定量分析。 非线性网络通常使用频谱仪进行测量。 电子测量原理第29页网络分析概述（续）u网络

15、分析参数标量反射 参数：标量传输 参数：矢量反射 参数：矢量网络 参数：矢量相位 ：品质因数 Q电子测量原理第30页微波网络S参数微波网络常用散射参数（S参数）表示。任何 网络都可用多个S参数表征其端口特性，对n端口网 络需要n2个S参数。S10、S21、S12、S22：表示双端口网络的四个S参数，即散射参量。电子测量原理第31页微波网络S参数（续）u散射方程uu S S参数的物理意义参数的物理意义b1、b2: 端口1、2上的所有出射波 a1、a2: 端口1、2上的入射波 S10:端口2匹配时端口1的反射系数 S21:端口2匹配时的正向传输系数S22:端口1匹配时端口2的反射系数 S12:端口

16、1匹配时的反向传输系数电子测量原理第32页S参数的流图表示及计算u 信流图使用节点代表信号，用支路和箭头代表信号及 其流动的方向，并用支路旁标代表支路的传递函数 即信号大小。上图所示的双端口网络可用流图表示 如下：电子测量原理第33页S参数的流图表示及计算（续1）u梅森（Mason）不接触环路法则T：信流图所代表的网络的增益或传输函数 Tk：第k条路径上所有支路系数的乘积：信流图行列式，即信流图所代表的网络的联立方 程组的行列式k：与第k条开路不接触的子信流图的行列式 电子测量原理第34页S参数的流图表示及计算（续2）u 信流图计算举例在双端口网络的端口2上终接一个反射系数为L的负载 ：由梅森法则 ：故有：电子测量原理第35页10.2.2 网络分析系统网络分析仪是通过测定网络的反射参数和传输 参数，从而对网络中元器件特性的全部参数进行全 面描述的测量仪器，用于实现对线性网络的频率特 性测量。网络分析仪能够完成