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1、第第6章章 频域测量频域测量6.1 扫频仪概述扫频仪概述 扫频仪，又称频率特性测试仪，用来测定各扫频仪，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）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。的传输特性、阻抗特性和反射特性等。电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件6.1.1 常用术语常用术语1.扫频信号发生器扫频信号发生器 2.扫频仪扫频仪 3.有效频率范围有效频率范围4.扫频宽度扫频宽度 5.扫频中心频率扫频中心频率 6.扫频方式扫频方式7.自
2、动扫频自动扫频 8.手动扫频手动扫频 9.触发扫频触发扫频10.单次触发扫频单次触发扫频 11.对数扫频对数扫频 12.起止扫频起止扫频13.标志扫频标志扫频 14.窄带扫频外扫频窄带扫频外扫频 15.频率标志频率标志16.分辨率分辨率 17.扫频线性误差扫频线性误差 18.扫频时间扫频时间电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件6.1.2 扫频仪中的关键器件扫频仪中的关键器件1、变容二极管、变容二极管电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件变容二极管等效电路图表变容二极管等效电路图表变容特性曲线变容特性曲线电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件2、电
3、协调变容二极管、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、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。仪中使用的是电调谐变容二极管。电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件6.2 扫频仪工作原理扫频仪工作原理6.2.1整机电路原理框图整机电路原理框图 它主要由扫频信号源和显示系统两大部分构成。它主要由扫频信号源和显示系统两大部分构成。电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件1、扫频信号源的构成及功能、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扫频信号源由
4、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以下功能:能产生频率做线性变化的扫频信号；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；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；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；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；能产生和扫频信号同步的频率标记；输出阻抗要恒定。输出阻抗要恒定。电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件2、显示系统的构成及功能、显示系统的构成
5、及功能 对于显示系统而言，主要的要求有两点：轨对于显示系统而言，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迹明亮而清晰，在不失真的前提下要有足够高的增益。增益。 显示系统主要由斜波电压发生器，显示系统主要由斜波电压发生器，x，y 轴通轴通道放大器及示波管等电路构成。道放大器及示波管等电路构成。电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件线性系统幅频特性的测量线性系统幅频特性的测量 正弦稳态下的正弦稳态下的系统函数系统函数或或传输函数传输函数 就反映了该系统激励就反映了该系统激励与响应的关系与响应的关系 式中，式中， 也可写成也可写成 ，就是下面要测量的幅频特性。，就是下面要测量
6、的幅频特性。 是相频特性本节不讨论。是相频特性本节不讨论。 电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件静态频率特性测量静态频率特性测量-点频法点频法 点频法就是点频法就是“逐点逐点”测量幅频特性的方法，注意测量幅频特性的方法，注意明确被测电路和明确被测电路和选用相应仪器选用相应仪器。 f0K( f )f特点特点：所测出的幅频特性是我们需要的所测出的幅频特性是我们需要的电路系统在稳态情况下电路系统在稳态情况下的静态特性曲线的静态特性曲线。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由但由于要逐点测量，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。这种方法于频率离散而不连续，可能遗漏掉某
7、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。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并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到高连续变化并且周期性重复，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。到示波器上显示，就可自动地描绘出幅频特性曲线。 电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件动态频率特性测量动态频率特性测量扫频法扫频法 1.扫频法的工作原理扫频法的工作原理 扫频法扫频法可以实现频率特性的可以实现
8、频率特性的自动测绘自动测绘，而且不会像点频法那样而且不会像点频法那样遗漏掉某些细节的问题。更值得注意的是，扫频法是在一定扫遗漏掉某些细节的问题。更值得注意的是，扫频法是在一定扫描速度下获得被测电路的描速度下获得被测电路的动态频率特性动态频率特性，这比较符合被测电路，这比较符合被测电路的实际应用情况。的实际应用情况。 扫频仪扫频仪 = 扫源扫源 + 示波示波器器电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件2.动态频率特性动态频率特性 随着扫描速度的提高，频率特性将扫频方向偏移，如图随着扫描速度的提高，频率特性将扫频方向偏移，如图示。图中示。图中为静态特性，为静态特性，、为依次提高扫速时的动态为依次提
9、高扫速时的动态特性曲线。可以看出特性曲线。可以看出动态频率特性动态频率特性有以下特点：有以下特点： (1)顶部最大值下降；顶部最大值下降； (2)特性曲线被展宽；特性曲线被展宽； (3)扫速愈高，偏移愈严重。扫速愈高，偏移愈严重。 图图 动态特性曲线动态特性曲线 其原因是由于通常与频率其原因是由于通常与频率特性有关的电路，实际上是由特性有关的电路，实际上是由动态元件动态元件L、C等元件组成的等元件组成的(如调谐电路如调谐电路)，信号在其上建立，信号在其上建立或消失都需要一定的时间，扫频或消失都需要一定的时间，扫频速度太快时，信号在其上来不及速度太快时，信号在其上来不及建立或消失，故谐振曲线出现
10、建立或消失，故谐振曲线出现滞后且展宽，出现了滞后且展宽，出现了“失敏失敏”或或“钝化钝化”现象。现象。 电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件6.2.2 单元电路工作原理单元电路工作原理1.扫频单元扫频单元电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件2、固定振荡器、固定振荡器电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件3、扫频振荡器、扫频振荡器电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件3. 扫频信号源1)扫频信号的产生方法扫频信号的产生方法 磁调电感：通过改变低频磁心的导磁系数改变振荡回路中磁调电感：通过改变低频磁心的导磁系数改变振荡回路中高频线圈的电感量高频线圈的电感量 ，适用于几十到几百，适用于几
11、十到几百MHz的频段。的频段。 变容二极管电调扫频：变容二极管是变容二极管电调扫频：变容二极管是PN结电容随外加偏结电容随外加偏置电压高低变化，置电压高低变化，PN结电容结电容Cd与反向偏置电压与反向偏置电压U成反比。成反比。 合成扫频源：通过软件使扫频源按照一定的频率间隔和停合成扫频源：通过软件使扫频源按照一定的频率间隔和停留时间，将输出频率依次锁定在一定范围内的一系列频点上，留时间，将输出频率依次锁定在一定范围内的一系列频点上，达到扫频效果。达到扫频效果。 常用于微波频段常用于微波频段 ，覆盖高达，覆盖高达10倍频程、扫频线性好倍频程、扫频线性好 YIG电调扫频：电调扫频：YIG是一种单晶
12、铁氧体材料钇铁石榴石的是一种单晶铁氧体材料钇铁石榴石的简称，具有铁磁谐振特性将简称，具有铁磁谐振特性将YIG做成小球，置于直流磁场做成小球，置于直流磁场H0内，产生铁磁谐振，谐振频率内，产生铁磁谐振，谐振频率（单位（单位MHz）为）为 =0.0112 H0电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件2) 扫频信号的技术特性扫频信号的技术特性有效扫频宽度：即扫频源输出的扫频线性和振幅平稳性均有效扫频宽度：即扫频源输出的扫频线性和振幅平稳性均符合要求的最大频率覆盖范围，符合要求的最大频率覆盖范围， 0时，称为窄带扫频；时，称为窄带扫频； 0时，称为宽带扫频时，称为宽带扫频 扫频线性：表示扫频振荡器的压
13、控振荡器的压控特性曲扫频线性：表示扫频振荡器的压控振荡器的压控特性曲线的非线性（或线性）程度，可以用线性系数表征线的非线性（或线性）程度，可以用线性系数表征 振荡平稳性：通常用扫频信号的寄生调幅表示。调幅振荡平稳性：通常用扫频信号的寄生调幅表示。调幅系数为系数为A212A A1 1电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件4、混频器和低通滤波器、混频器和低通滤波器电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件6.3 频标单元频标单元电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件1、单一频标产生的工作原理、单一频标产生的工作原理电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件2、产生多个频标的工作原理、产生多个频标的
14、工作原理 以以10MHz通用频标为例来说明获得多个频标的通用频标为例来说明获得多个频标的工作原理：工作原理：电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件10MHz频标频标电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件3、频标单元电路分析、频标单元电路分析 本电路包括四个部分：本电路包括四个部分：10MHz晶振、隔离放大晶振、隔离放大器、波发生器及混频滤波电路。器、波发生器及混频滤波电路。电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件中心频率和扫频范围中心频率和扫频范围 本扫频仪工作时是以本扫频仪工作时是以某中心频率某中心频率为中心进行为中心进行扫频扫频的。的。 现以第现
15、以第波段为例说其工作情况，中心频率是人工手调振荡回波段为例说其工作情况，中心频率是人工手调振荡回路中的可变电容路中的可变电容C，例如图中调到，例如图中调到100MHz。扫频是扫描电流。扫频是扫描电流IM作用于调制线圈作用于调制线圈LC使振荡频率在使振荡频率在100MHz中心频率的基础上产中心频率的基础上产生生7.5MHz 的频偏，即扫频范围最大只有的频偏，即扫频范围最大只有15MHz。 100MHz100MHz75MHz75MHz150MHz150MHzf fo of fL LC CI IM MI IM MC C92.5MHz92.5MHz107.5MHz107.5MHz电子测量频域测量课件电
16、子测量频域测量课件3.频标产生的原理频标产生的原理 下图框图右侧给出了频标产生电路的组成，现以下图框图右侧给出了频标产生电路的组成，现以1MHz频标为频标为例进行说明。例进行说明。 图图 频标的形成过程频标的形成过程100.02MHz100.02MHz99.98MHz99.98MHz1MHz1MHz振荡信号振荡信号的的100100次谐波次谐波100MHz100MHz图图 加有频标的波形加有频标的波形(b)(b)(a)(a)电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件扫描信号与回扫处理扫描信号与回扫处理 本仪器为简化设计，节约成本，是本仪器为简化设计，节约成本，是利用利用50Hz市电降压后用来做市电
17、降压后用来做扫描信号的扫描信号的。本仪器是采用在回扫期间令振荡停振的办法（原。本仪器是采用在回扫期间令振荡停振的办法（原理框图中的理框图中的“截止脉冲形成电路截止脉冲形成电路”即是加扫频振荡器的停振信号）即是加扫频振荡器的停振信号） 电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件6.4 Y通道单元通道单元电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件Y通道单元的具体要求为：通道单元的具体要求为：有较高的输入阻抗有较高的输入阻抗;有较好的频率特性有较好的频率特性;要求有较小的漂移要求有较小的漂移;电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件扫频仪举例扫频仪举例BT-3型频率特性测试仪型频率特性测试仪 BT-3G
18、型扫频仪主要用来测试宽带放大器、雷达接收机的型扫频仪主要用来测试宽带放大器、雷达接收机的中频放大器、电视接收机的视频率特性及鉴频器特性，是一种较中频放大器、电视接收机的视频率特性及鉴频器特性，是一种较为典型的频率特性测试仪。为典型的频率特性测试仪。 1.BT-3G扫频仪的主要技术性能：扫频仪的主要技术性能： (1)中心频率：在中心频率：在1MHz300MHz内可任意调节，分内可任意调节，分1MHz75 MHz、75MHz150MHz、150MHz300MHz三个波段三个波段； (2)扫频频偏：扫频频偏：最大频偏最大频偏7.5MHz； (3)扫频信号输出：输出电压扫频信号输出：输出电压0.1V（
19、有效值），输出阻抗（有效值），输出阻抗75； (4)寄生调幅系数：最大频偏时寄生调幅系数：最大频偏时7.5%； (5)调频非线系数：最大频偏时调频非线系数：最大频偏时5MHz；将将低低阻阻检检波波器器和和自自校校准准插插座座分分别别接接Y输输入入和和扫扫频频输输出出插插座座，调调整整Y增增益益使使得得扫扫描描曲曲线线为为5大大格格，并并记下此值记下此值电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件（3）扫频仪与单协调回路的连接方法：）扫频仪与单协调回路的连接方法： 注意：检波器为高阻检波器，扫频输出为带鳄注意：检波器为高阻检波器，扫频输出为带鳄鱼夹的高频电缆。鱼夹的高频电缆。电子测量频域测量课件电子
20、测量频域测量课件（3）调节输出衰减为）调节输出衰减为47dB，单调谐回路的幅频特，单调谐回路的幅频特性曲线性曲线:该单调谐回路的增益为该单调谐回路的增益为47dB，即放大量为，即放大量为100余倍。余倍。电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件2、 双谐调回路的扫频测量双谐调回路的扫频测量步骤如下：步骤如下：双谐调回路原理图：双谐调回路原理图：电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件扫频仪各旋钮预置如实例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扫频仪与双谐调回路的连接方法与实例1相同；相同；调整输出衰减为调整输出衰减为50dB，被测双谐调回路的幅频，被测双谐调回路的幅频特性
21、曲线如图：特性曲线如图：电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件3、相位鉴频器的扫频测量、相位鉴频器的扫频测量电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件相位鉴频器的特性曲线相位鉴频器的特性曲线电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件4、利用扫频仪测量振荡器的振荡频率、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、用扫频仪测量无源的高通滤波器高通滤波器电路原理图高通滤波器电路原理图电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件1频道高通滤波器特性曲线频道高通滤波器特性曲线电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件6、主要技术指标、主要技术指标扫频范围：扫频范围：1300MHz；扫频宽度：
22、扫频宽度：100MHz;扫频非线性：扫频非线性：+-5%；输出电压：输出电压：0.5V(3.33mW)+-10%;输出平坦度：输出平坦度：+-0.25dB;输出衰减：输出衰减：070dB,1dB步进；步进；输出阻抗：输出阻抗：75欧；欧；频率标记：频率标记：50MHz、10MHz/1MHz复合及外接复合及外接三种，外接频标灵敏度优于三种，外接频标灵敏度优于300mV；显示部分垂直灵敏度：优于显示部分垂直灵敏度：优于20mV(峰峰-峰）峰）/cm;显示屏幕有效尺寸：显示屏幕有效尺寸：100mm*80mm。电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件6.7 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理6.7.
23、1 时域和频域的关系时域和频域的关系电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件常见电信号波形图与频谱图的对应关系常见电信号波形图与频谱图的对应关系电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件 表中纯正弦波，只显示一条谱线，表中纯正弦波，只显示一条谱线，f0=1/T，线高等于正弦波的幅值；方波含有线高等于正弦波的幅值；方波含有1,3,5.奇次谐奇次谐波；三角波与梯形波也含有波；三角波与梯形波也含有1,3,5.奇次谐波，但奇次谐波，但各分量的幅值与方波不同；而锯齿波含有各分量的幅值与方波不同；而锯齿波含有1,2,3.各次谐波，按自然数排列。这些均可通过傅里叶各次谐波，按自然数排列。这些均可通过傅里叶级数
24、求出。级数求出。电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件6.7.2频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类 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两大类。仪和非实时频谱分析仪两大类。 实时频谱分析仪按工作原理又可分为多通道实时频谱分析仪按工作原理又可分为多通道（信道）滤波式、时基压缩式、扫频超外差（信道）滤波式、时基压缩式、扫频超外差式、相关存储滤波式、快速傅里叶变换（式、相关存储滤波式、快速傅里叶变换（FFT）式）式等。等。电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件1、FFT型实时频谱仪型实时频谱仪电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件2、扫
25、频超外差式频谱仪、扫频超外差式频谱仪电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件6.7.3 信号频谱测量信号频谱测量1、调幅信号分析、调幅信号分析（1）扫频法）扫频法电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件（2） 时域法时域法电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件（3） FFT频域法频域法电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件（4） 调幅（调幅（AM）信号测量方法的选择）信号测量方法的选择电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件2、调频信号分析、调频信号分析 调频信号的频谱是由无限边带组成的，然而调频信号的频谱是由无限边带组成的，然而在窄带调频情况下，只有两个主要的边带，它们在窄带调频情况下，
26、只有两个主要的边带，它们的幅度相对于载波幅度为的幅度相对于载波幅度为:电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件(1)扫频频域法扫频频域法 (2)贝塞尔贝塞尔(Bessel)零点法零点法电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件(3)哈伯雷哈伯雷(Haberly)法法电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件(4)斜率检波解调法斜率检波解调法 斜率检波解调法是将频谱仪设置在零扫宽的斜率检波解调法是将频谱仪设置在零扫宽的位置上位置上(SPAN=0Hz)，利用中频滤波器的斜率来解调，利用中频滤波器的斜率来解调信号的。如果信号正好处于频谱仪中心频率处，即信号的。如果信号正好处于频谱仪中心频率处，即中频信号
27、位于中频滤波器中心处，显示信号就变成中频信号位于中频滤波器中心处，显示信号就变成一根直线，幅度上没有变化。如果调节频谱仪中心一根直线，幅度上没有变化。如果调节频谱仪中心频率，使得信号位于中频滤波器的斜边上，任何频频率，使得信号位于中频滤波器的斜边上，任何频率变化就变为幅度变化，因此得到解调波形。这种率变化就变为幅度变化，因此得到解调波形。这种方法对测量非正弦调制方法对测量非正弦调制(如噪声、音频、数字调制如噪声、音频、数字调制)的峰值频偏是非常重要的。的峰值频偏是非常重要的。电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件(5)调频调频(FM)信号测量方法的选择信号测量方法的选择电子测量频域测量课件电
28、子测量频域测量课件3、脉冲调制信号分析、脉冲调制信号分析(1)窄带测量窄带测量电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件(2)宽带测量宽带测量电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件4、复合信号频谱分析、复合信号频谱分析电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件6.7.4 技术性能指标技术性能指标(1)频率分辨率频率分辨率(2)显示平均噪声电平显示平均噪声电平(3)视频滤波器和视频平均视频滤波器和视频平均(4)动态范围动态范围(5)检波器与检波方式检波器与检波方式(6)噪声边带噪声边带(7)假响应假响应(8)剩余响应剩余响应(9)多重响应多重响应(10)交调失真交调失真(11)增益压缩增益压缩(12)冲击带宽冲击带宽(13)预选器预选器电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件6.7.5 操作使用要点操作使用要点1、选型依据、选型依据2、使用要点、使用要点(1)电源要求电源要求(2)静电防护静电防护(3)对输入信号的要求对输入信号的要求(4)更换电池更换电池(5)地址设置地址设置(6)其他说明其他说明电子测量频域测量课件电子测量频域测量课件
