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1、第6章 电路频率特性的测量技术,引 言,什么是线性系统的频率特性？,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,6.1 频率特性的特点,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。,6.2 频率特性测试仪的操作使用
2、方法,1. 点频法就是“逐点”测量幅频特性的方法，注意明确被测电路和选用相应仪器。,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。,6.2.1频率特性的测量方法,特点：所测出的幅频特性是我们需要的电路系统在稳态情况下的静态特性曲线。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，可能遗漏掉某些特性突变点。这种方法一般只用于实验室测试研究；若用于生产线则效率太低了。 如果能够在测试过程中，使信号源输出信号频率能自动地从低到高连续变化
3、并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就可自动地描绘出幅频特性曲线。,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。,2. 扫频测量法,扫频信号发生器的基本工作原理,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
4、。,6.3 频谱分析仪的操作使用方法,1.脉冲宽度和频带宽度,周期信号的脉冲宽度和频带宽度是两个不同的概念。有效频带宽度与脉冲宽度成反比。 脉冲宽度是时域概念，指在一个周期内脉冲波形的两个零点之间的时间间隔； 频带宽度（带宽）是频域概念，通常规定：在周期信号频谱中，从零频率到需要考虑的最高次谐波频率之间的频段即为该信号的有效占有带宽，亦称频带宽度。实际应用中，常把零频到频谱包络线第一个零点间的频段作为频带宽带。,2.信号的频谱分析技术,频谱分析以付里叶分析为理论基础，可对不同频段的信号进行线性或非线性分析。 信号频谱分析的内容： 对信号本身的频率特性分析，如对幅度谱、相位谱、能量谱、功率谱等进
5、行测量，从而获得信号不同频率处的幅度、相位、功率等信息； 对线性系统非线性失真的测量，如测量噪声、失真度、调制度、谐波分量的分布情况等。 频谱分析仪的信号追踪产生器可直接测量待测件的频率响应特性，但只能测量振幅。,3.频谱分析仪的基本原理,频谱分析仪是使用不同方法在频域内对信号的电压、功率、频率等参数进行测量并显示的仪器。一般有FFT分析（实时分析）法、非实时分析法两种实现方法。 FFT分析法：在特定时段中对时域数字信号进行FFT变换，得到频域信息并获取相对于频率的幅度、相位信息。可充分利用数字技术和计算机技术，非常适于非周期信号和持续时间很短的瞬态信号的频谱测量。,非实时分析法 在任意瞬间只
6、有一个频率成分能被测量，无法得到相位信息。适用于连续信号和周期信号的频谱测量。 扫频式分析：使分析滤波器的频率响应在频率轴上扫描。 差频式分析（外差式分析）：利用超外差接收机的原理，将频率可变的扫频信号与被分析信号进行差频，再对所得的固定频率信号进行测量分析，由此依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。这是频谱仪最常采用的方法。,4.频谱分析仪的分类,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：恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪； 按输入
7、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。,模拟式频谱仪与数字式频谱仪,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FFT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。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。,实时频谱仪和非实时频谱仪 实时分析应达到的速度与被分析信号的带宽及所要求的频率分辨率有关。一般认为，实时分析是指在长度为T的时段内，完成频率分辨率达到
8、1/T的谱分析；或者待分析信号的带宽小于仪器能够同时分析的最大带宽。 在一定频率范围数据分析速度与数据采集速度相匹配，不发生积压现象，这样的分析就是实时的；如果待分析的信号带宽超过这个频率范围，则是非实时分析。,恒带宽与恒百分比带宽分析式频谱仪 恒带宽分析式频谱仪：频率轴为线性刻度，信号的基频分量和各次谐波分量在横轴上等间距排列，适用于周期信号和波形失真的分析。 恒百分比带宽分析式频谱仪：频率轴采用对数刻度，频率范围覆盖较宽，能兼顾高、低频段的频率分辨率，适用于噪声类广谱随机信号的分析。 目前许多数字式频谱仪可以方便地实现不同带宽的FFT分析以及两种频率刻度的显示，故这种分类方法并不适用于数字
9、式频谱仪。,5.滤波式频谱分析技术,滤波式频谱分析仪原理及分类 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。 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,档级滤波式频谱仪,这种方法简单易行，但在频带较宽或较高频段的情况下需要大量滤波器，仪器体积过大；由于通带窄，分辨力和灵敏度都不是很高。一般用于低频段的音频测试等场合。,并行滤波式频谱仪,与档级滤波式的区别在于每个滤波器之后都有各自的检波器，无需电子开关切换及检波建立时间，因此速度快
10、，能够满足实时分析的需要。但是可显示的频谱分量数目取决于滤波器的数目，所以需要大量的滤波器。,扫频滤波式频谱仪,扫频滤波式频谱仪与档级滤波式一样，是一种非实时频谱测量。结构简单，价格低廉。缺点是电调谐滤波器损耗大、调谐范围窄、频率特性不均匀、分辨率差，目前这种方法只适用于窄带频谱分析。,数字滤波式频谱仪,数字滤波式频谱仪在现代频谱分析仪中占有重要地位。数字滤波器的形状因子较小，因而提高了频谱仪的频率分辨率；具有数字信号处理的高精度、高稳定性、可重复性和可编程性等普遍优点。 利用数字滤波器可以实现频分或时分复用，因此仅用一个数字滤波器就可以实现与并行滤波式等效的实时频谱仪。用单个数字滤波器代替多
11、个模拟滤波器之后，滤波器的中心频率由时基电路控制使之顺序改变。,超外差频谱仪,超外差频谱仪是目前应用的最广泛的频谱仪之一。利用超外差接收机的原理，将频率可变的扫频信号与被分析信号进行差频，再对所得的固定频率信号进行测量分析，由此依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。当扫频振荡器的频率在一定范围扫动时，与输入信号中的各个频率分量在混频器中产生差频（中频），使输入信号的各个频率分量依次落入窄带滤波器的通带内，被滤波器选出并经检波器加到示波器的垂直偏转系统，即光电的垂直偏转正比于该频率分量的幅值。由于示波器的水平扫描电压就是调制扫频振荡器的调制电压，所以水平轴变为频率轴，屏幕上将显示输入信号的频谱
12、。,6.外差式频谱仪的主要性能指标,输入频率范围 频率扫描宽度 频率分辨率 频率精度 扫描时间 相位噪声/频谱纯度,幅度测量精度 动态范围 灵敏度/噪声电平 本振直通/直流响应 本底噪声 1dB压缩点和最大输入电平,频率指标,幅度指标,频率指标,输入频率范围 频谱仪能正常工作的最大频率区间，由扫描本振的频率范围决定。现代频谱仪的频率范围通常可从低频段至射频段，甚至微波段，如1KHz4GHz。 频率扫描宽度（Span） 另有分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等不同叫法。通常根据测试需要自动调节，或人为设置。扫描宽度表示频谱仪在一次测量（也即一次频率扫描）过程中所显示的频率范围，可以小于或等于输入
13、频率范围。,频率分辨率（Resolution） 表征了将最靠近的两个相邻频谱分量分辨出来的能力。主要由中频滤波器的带宽（即RBW）决定，但最小分辨率还受本振频率稳定度的影响。 对滤波式频谱分析仪而言，中频滤波器的3dB带宽决定了可区分的两个等幅信号的最小频率间隔。如果区分不等幅信号，分辨率就与滤波器的形状因子有关。 现代频谱仪通常具有可变的RBW，按照1-3-9或1-2-5的典型步进变化。最小的一档RBW值就是频率分辨率指标，如90Hz。,频率精度 即频谱仪频率轴的读数精度，与参考频率（本振频率）稳定度、扫描宽度Span、分辨率带宽RBW等多项因素有关：,其中：f绝对频率精度，单位Hz；ref
14、参考频率（本振频率）相对精度；fx频率读数；N完成一次扫描所需的频率点数；A%Span的精度，B%RBW的精度，C频率常数。不同的频谱仪有不同的A、B、C值。,扫描时间（Sweep Time，简作ST） 即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。通常扫描时间越短越好，但为保证测量精度，扫描时间必须适当。与扫描时间相关的因素主要有频率扫描范围、分辨率带宽、视频滤波。 现代频谱仪通常有多档扫描时间可选择，最小扫描时间由测量通道的电路响应时间决定。,相位噪声/频谱纯度 相位噪声简称相噪，是频率短期稳定度的指标之一，反映了极短期内的频率变化程度，表现为载波边带，所以也称边带噪声。
15、通常用在源频率的某一频偏上相对于载波幅度下降的dBc数值表示，如在9KHz频偏处90dBc。 相噪由本振信号频率或相位不稳定引起，还与分辨率带宽有关：RBW减小，相噪相应降低。有效设置频谱仪参数可使相噪达到最小，但无法消除。相噪也是影响频谱仪分辨不等幅信号的因素之一。,幅度指标,幅度测量精度 有绝对幅度精度和相对幅度精度之分，均由多方面因素决定。绝对幅度精度是针对满刻度信号的指标，受输入衰减、中频增益、分辨率带宽、刻度逼真度、频响及校准信号本身的精度等的综合影响；相对幅度精度与测量方式有关，在理想情况下仅有频响和校准信号精度两项误差来源，测量精度可以达到非常高。 仪器在出厂前要经过校准，各种误差已被分别记录下来并用于对实测数据进行修正，显示出来的幅度精度已有所提高。,动态范围（Dynamic Range） 即同时可测的最大与最小信号的幅度比。动态范围受限于输入混频器的失真特性、系统灵敏度和本振信号的相位噪声，其上限由频谱仪的非线性失真决定。 灵敏度/噪声电平 频谱仪在特定的分辨率带宽下，或归一化到1Hz带宽时的本底噪声，常以dBm为单位。灵敏度指标描述了频谱仪在没有输入信号时因内部噪声而产生的读数，常用最小可测的信号幅度来代表，数值上等于显示平均噪声电平（DANL）。,
