《电子测量第七章节频域测量》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子测量第七章节频域测量（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章 频域测量,田宝凤 仪器科学与电气工程学院,主要内容,7.1 扫频仪概述 7.2 扫频仪工作原理 7.3 频标单元 7.4 Y通道单元 7.5 频谱分析仪工作原理 7.6 本章小结,2,教学侧重点,扫频仪的构成与原理 FFT频谱分析仪构成与原理 扫频超外差式频谱分析仪构成与原理 频标单元产生框图与原理,7.1扫频仪概述,扫频仪：又称频率特性测试仪。可用来测定各种有源或无源网络的传输特性、阻抗特性等，如：测定调频放大器、宽频带放大器、各种滤波器、鉴频器等幅频特性。 扫频仪是一种能够完成上述功能并具有显示装置的扫频信号发生器。,4,7.1.1 常用术语,有效频率范围： 扫频信号发生器产生的载
2、波频率范围。 扫频宽度： 扫频所覆盖的频率范围内的最高频率与最低频率之差。 扫频中心频率： 窄带扫频或对称扫频时，扫频宽度为0的载波频率。,5,7.1.2 扫频仪中的关键器件,（1）变容二极管 变容二极管与普遍二极管类似，也是由一个PN结构成的。所谓变容二极管是指它的结电容随外加偏压而改变，并呈现明显的非线性特性。 变容二极管电容公式：,6,公式中：U是外加电压，反向偏置时是负值，正向偏置时是正值。 UT是内建电压， K与n是常数。,7.1.2扫频仪中的关键器件,（2）电调谐变容二极管 变容二极管有三类：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。 电
3、调谐变容二极管用在频率调制电路中，其作用是：当加到PN结上的偏压变化时，结电容Cj跟随变化，从而改变电路的谐振频率，达到电调谐的目的。,7,7.2扫频仪工作原理,7.2.1整机电路原理框图,8,频标单元,扫频单元,被测网络,衰减器,检波器,Y通道,控制部分,斜波信号发生器,X通道,扫频仪电路工作原理框图,7.2.1整机电路原理框图,扫频仪的构成：扫频信号源和显示系统。 1、扫频信号源由扫频单元、频标单元和衰减器三部分构成。具有以下功能： (1) 能产生频率做线性变化的扫频信号； (2) 扫频信号的输出是等幅的，且具有一定功率； (3) 扫频信号的频偏尽可能大且中心频率可调； (4) 扫频信号线
4、性度良好； (5) 能产生和扫频信号同步的频率标记； (6) 输出阻抗要恒定。 2、显示系统由斜波电压发生器、X、Y轴通道放大器及示波管组成。,9,7.2.1整机电路原理框图,扫频仪工作原理： 1.斜波信号发生器一方面送给X通道提供扫描信号；另一方面又控制扫频信号源的振荡频率，使其产生从低频到高频的周期性重复变化的等幅正弦波输送给被测电路，称为扫频信号。 2.这样，就使扫频信号的频率变化规律与扫描电压一致，从而使得每个扫描点与扫频信号输出的频率有一一对应的确定关系，故X轴相应地成为频率坐标轴。 3.被测电路的输出信号经峰值检波探头检出幅频特性曲线送给Y通道，同时频率标记也送给Y通道，并最终在屏
5、幕上显示出被测网络的幅频特性曲线。,10,7.2.2单元电路工作原理,1、扫频单元,11,扫频单元工作原理框图,扫频振荡器一般采用变容二极管作为压控元件，由于变容二极管的C-U特性曲线不是线性的，因此为了获得线性的扫频振荡，加入线性校正电路。,7.2.2单元电路工作原理,2、固定振荡器,12,固定振荡器电路,中心频率控制电压取自于面板上的电位器，中心频率控制电压一经确定，固频振荡器就会产生固定频率的振荡信号。改变中心频率控制电压就是改变变容二极管的偏压，即改变振荡频率。,7.2.2单元电路工作原理,3、扫频振荡器,13,扫频振荡器电路,穿心电容的作用是旁路掉杂散的高频干扰信号。 扫频振荡器工作
6、在开关状态，即在工作区产生扫频振荡，而在休止期内停振。,7.2.2单元电路工作原理,扫频信号产生过程,14,7.2.2单元电路工作原理,4、混频器和低通滤波器 混频器就是将两个不同频率的信号加到非线性 器件进行频率变换后取其差频或和频。 低通滤波器就是将混频之后的和频信号滤除 掉，保留差频。,15,7.3频标单元,16,频标单元工作原理框图,频标是频率标记的简称。频率标记是用一定形式的标记对频率特性曲线上的任意点进行定量描述。 频标的形状大致四种：菱形频标、脉冲频标、线频标及光点式频标。,7.3频标单元,1、单一频标产生的工作原理,17,单一频标产生的工作原理框图,7.3频标单元,扫频信号中必
7、然含有与正弦波固定频率fg相等的瞬时值频率。 当扫频信号的频率自fmin向fg接近时，频差越来越小；当频率扫变到等于fg时，产生零拍差频；而当扫频信号频率向fmax接近时，则频差越来越大。 差频信号波形在fg处是中间疏两边越来越密。这个波形经低通滤波器后，高频成分被滤掉，只有在fg附近的低频成分保留下来，而且离开fg愈远的差频信号幅度衰减愈大。 这部分被保留下来的差频信号形状如同一个菱形，常被叫做“菱形频标”。,18,7.3频标单元,2、产生多个频标的工作原理,19,多个频标产生原理框图,7.3频标单元,20,设标准信号频率为fg，则谐波信号源输出信号频率为基波fg及各次谐波2fg、3fg、4
8、fg、。扫频信号与谐波信号源输出信号经混频器混频后，再经低通滤波输出差频信号，由此得到一系列零差点。例如在f=fg处差频为零，于是在f=fg处形成“菱形频标”。同理，在f=2fg、f=3fg处也形成菱形频标。,图6.3.5 多个菱形频标波形图,7.4 Y通道单元,对Y通道单元的具体要求： (1)有较高的输入阻抗。 (2)有较好的频率特性。 为了使被测信号在屏幕上稳定显示，要求扫描的正程和逆程加起来不得超过20ms。被测信号加入的时间（工作期）就是一个前沿陡峭的脉冲波，因而要求频率特性要好。 (3)要求有较小的漂移。 漂移会使图像上下移动，最好办法是采用差动放大器。,21,图6.4.1 Y通道单
9、元原理框图,扫频仪中的时序图,测试实例,电路幅频特性的测量,22,当被测设备输入阻抗和扫频仪的输出阻抗相等时，采用空载电缆线连接被测设备；当不等时，应在扫频仪和被测设备之间加一个阻抗匹配网络。,7.5频谱分析仪工作原理,7.5.1 时域和频域的关系 7.5.2 频谱分析仪的分类 7.5.3 技术性能指标 7.5.4 操作使用要点,23,7.5.1时域和频域的关系,电信号随时间的变化特性，称为时域分析，一般采用电子示波器来测试波形。 电信号用它所包含的各种频率分量（频谱分布）来表示，称为频域分析，用频谱分析仪来测量。,24,25,6.6.1时域和频域的关系,7.5.1时域和频域的关系,任何周期信
10、号都可以展开成傅立叶级数。级数的每一项在频谱上都可以画成一条直线，代表信号的一种成分。 如：,26,7.5.2频谱分析仪的分类,频谱分析仪按其工作原理分为实时频谱分析仪和非实时频谱分析仪。 实时频谱分析仪能同时观测显示其规定频率范围内的所有频率分量，而且保持了两个信号间的相位关系，不仅能分析周期信号、随机信号，还能分析瞬时信号。分为多通道滤波式频谱仪和FFT式频谱仪。 非实时频谱分析仪常采用扫描调谐式。扫描调谐式频谱分析仪对输入信号按时间顺序进行扫描调谐，在某一瞬间只能测量显示一个频率，逐次测量显示被测信号的全部频率范围。只能分析在规定时间内频谱几乎不变的周期性重复信号。包括扫描射频调谐型频谱
11、仪和扫频超外差式频谱仪。,27,7.5.2频谱分析仪的分类,FFT型实时频谱仪,28,图6.7.4 FFT频谱仪的简化框图,7.5.2频谱分析仪的分类,29,FFT采用有限长度时间来计算，因而会产生频谱泄漏。解决这一问题的办法是利用窗口函数。,衰减器：扩大了信号的测量范围。 模拟低通滤波器：滤除了频带外多余的频率分量。 取样器和A/D转换器：完成信号的取样和量化，模拟量转换为数字量。 数字滤波器：采用频率取样式，降低取样频率和减小存储空间，保证了频率分辨力又避免频谱混叠。 处理器：完成FFT计算。 显示器：显示测量结果。,7.5.2频谱分析仪的分类,扫频超外差式频谱仪 基于这样的思想：若在频率
12、轴上有一个特定的窗口，只有进入窗口的信号才能被检测到。当窗口从一个频率点扫描到另一个频率点时，就可以得到被测信号在不同频率点上的频谱分布。 采用中频窄带滤波器代替窗口，并固定在一个频率点上，利用扫描振荡器，使混频得到的中频信号逐个通过这个窗口实现频率扫描。,30,图6.7.5 信号频谱分布图,7.5.2频谱分析仪的分类,扫频超外差式频谱仪（续）,31,工作原理：扫频振荡器是仪器内部振荡源，它受锯齿波扫描电压调制，当扫频振荡器的频率在一定范围内自动扫动时，输入信号中的各个频率分量在混频器中产生差频信号 ，依次落入中频放大器的通带内(这个通带是固定的)，获得中频增益，经检波后加到y放大器，使亮点在
13、屏幕上的垂直偏移正比于该频率分量的幅值。 由于扫描电压在调制扫频振荡器的同时，又驱动x放大器，从而可以在屏幕上显示出被测信号的线状频谱图。图中的中频放大器相当于固定通带滤波器。,7.5.3 技术性能指标,（1）频率范围：频率范围是指能达到频谱分析仪规定性能的工作频率区间，如安捷伦公司的ESA-E系列频谱分析仪频率范围最高可达325GHz。 （2）频率分辨率：是指频谱分析仪能把靠得很近的两个频谱分量分辨出来的能力。由于屏幕显示的谱线实际上是窄带滤波器的动态幅频特性，因而频谱分析仪的分辨率主要取决于窄带滤波器的通频带宽度，因此定义窄带滤波器幅频特性的3 dB带宽为频谱仪的分辨率。,32,左图：观察到的谱线。,右图：3dB带宽过宽， 分辨力太低时的图形。,7.5.4操作使用要点,（1）电源要求：220V交流稳压电源。 （2）静电防护：操作在防静电工作台上完成。 （3）对输入信号的要求：某些频谱仪要求输入信号无直流成分。 （4）更换电池：电池用于动态RAM中数据不丢失。两种方法：取出旧电池10min内放入新电池；在开启频谱仪之后更换电池。,33,7.6 本章小结,重点： 电调谐变容二极管的作用 扫频仪电路工作原理框图及阐述工作原理 频标信号产生的框图与原理 FFT型频谱仪的框图及各部分功能 难点： 扫频超外差式频谱仪的工作原理及框图,34,
