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1、 第第7章章电路频率特性的测量技术电路频率特性的测量技术1内容提要：内容提要：n简介频域测试的特点；说明频域测试简介频域测试的特点；说明频域测试的基本方法；对频率特性测试仪的工的基本方法；对频率特性测试仪的工作原理和电路构成进行分析，介绍频作原理和电路构成进行分析，介绍频谱分析仪器的使用和测试方法。谱分析仪器的使用和测试方法。2重点：重点： 频率特性测试仪、外差式频谱分析仪频率特性测试仪、外差式频谱分析仪的工作原理及测试方法。的工作原理及测试方法。难点：难点： 频率特性测试仪、频谱分析仪的工作频率特性测试仪、频谱分析仪的工作原理和电路结构。原理和电路结构。3 7.1 概述概述n1频域和时域的关
2、系频域和时域的关系n通常一个过程或信号可以表示为时间通常一个过程或信号可以表示为时间t的函的函数数f(t)，示波器常用来观测信号电压随时间，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。的变化，是典型的时域分析仪器。n过程或信号还可以表示为频率过程或信号还可以表示为频率f 或角频率或角频率的函数的函数s()，频率特性测试仪、频谱分析仪，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仪器。值为因变量进行分析的仪器。4n任何一个过程或信号，既可在时域进行分任何一个过程或信号，既可在时域进行分析来获取其各种特性
3、，也可以在频域进行，析来获取其各种特性，也可以在频域进行，如图如图7.1所所示示 电压电压频率频率时间时间频域频域时域时域图图7.1 7.1 时间、频率和幅度的三维坐标时间、频率和幅度的三维坐标52常用频域测试仪器常用频域测试仪器（1）频率特性测试仪）频率特性测试仪6（2）频谱分析仪）频谱分析仪7 7.2 频率特性测试仪频率特性测试仪n 频率特性测试仪简称扫频仪，是频率特性测试仪简称扫频仪，是一种在示波管屏幕上直接显示被测放一种在示波管屏幕上直接显示被测放大器幅频特性曲线的图示测量仪器，大器幅频特性曲线的图示测量仪器，它的横坐标为频率轴、纵坐标为电平它的横坐标为频率轴、纵坐标为电平值，显示的图
4、形上叠加有频率标志。值，显示的图形上叠加有频率标志。87.2.1 频率特性测试原理频率特性测试原理 n 1点频测量法点频测量法 点频测量法亦称逐点测量法，就是通过逐点测量一点频测量法亦称逐点测量法，就是通过逐点测量一系列规定频率点上的网络增益系列规定频率点上的网络增益( (或衰减或衰减) )来确定幅频来确定幅频特性曲线的方法。原理框图如图特性曲线的方法。原理框图如图7-17-1所示。所示。图图7-1 7-1 点频测量法测量幅频特性曲线原理框图点频测量法测量幅频特性曲线原理框图9n测量时，从被测电路的低频率端开始逐点调测量时，从被测电路的低频率端开始逐点调高信号发生器的频率，记录相应的输入电压高
5、信号发生器的频率，记录相应的输入电压和输出电压和输出电压 。然后以频率。然后以频率f为横坐标，以为横坐标，以 (或或 )为纵坐标，就可以在为纵坐标，就可以在直角坐标系上描绘出所测的幅频特性曲线。直角坐标系上描绘出所测的幅频特性曲线。 10n2扫频测量法扫频测量法 以扫频信号发生器作为信号源，使信号频率在一定以扫频信号发生器作为信号源，使信号频率在一定范围内按一定规律作周期性的连续变化，从而代替范围内按一定规律作周期性的连续变化，从而代替信号频率的手工调节，并且用示波器来代替电子电信号频率的手工调节，并且用示波器来代替电子电压表，直接描绘出被测电路的幅频特性曲线。压表，直接描绘出被测电路的幅频特
6、性曲线。 扫频输出扫频输出扫频信号发生器扫频信号发生器示波器示波器被测电路被测电路宽带检波宽带检波图图62 62 扫频测量法测量幅频特性曲线原理框图扫频测量法测量幅频特性曲线原理框图 117.2.2 扫频仪常用的基本概念及分类扫频仪常用的基本概念及分类 n1常用的基本概念常用的基本概念（1）扫频宽度扫频宽度：扫频所覆盖的频率范围内最高频率：扫频所覆盖的频率范围内最高频率与最低频率之差。与最低频率之差。（2）中心频率中心频率：位于显示频谱宽度中心的频率。：位于显示频谱宽度中心的频率。（3）频偏频偏：调频波中的瞬时频率与中心频率的差。：调频波中的瞬时频率与中心频率的差。（4）调制非线性调制非线性：
7、指在屏幕显示平面内产生的频率：指在屏幕显示平面内产生的频率线性误差，表现为扫描信号的频率分布不均匀。线性误差，表现为扫描信号的频率分布不均匀。12n2扫频仪的分类扫频仪的分类（1）按频率划分按频率划分低频扫频仪；低频扫频仪；高频扫频仪；高频扫频仪；电视高频扫频仪电视高频扫频仪等。等。（2）按用途划分按用途划分 通用扫频仪；通用扫频仪；专用扫频仪；专用扫频仪；宽带扫频仪；宽带扫频仪； 微波综合测试仪等。微波综合测试仪等。137.2.3 扫频仪的组成及原理扫频仪的组成及原理 n扫频仪由扫频信号发生器、示波器、频标电路、扫频仪由扫频信号发生器、示波器、频标电路、正弦波发生器、输出衰减器和稳幅电路等部
8、分组正弦波发生器、输出衰减器和稳幅电路等部分组成。其组成框图如图成。其组成框图如图6363所示。所示。 14n1正弦波发生器正弦波发生器 正弦波发生器产生扫频振荡器所需的调制信号和示正弦波发生器产生扫频振荡器所需的调制信号和示波管的扫描信号。波管的扫描信号。 n2扫频信号发生器扫频信号发生器 扫频信号发生器实际上是一种调频振荡器，是扫频扫频信号发生器实际上是一种调频振荡器，是扫频仪的仪的核心部分核心部分，它产生频率按一定规律变化的扫频，它产生频率按一定规律变化的扫频信号。在扫频仪中应用的调频方式主要有磁调制，信号。在扫频仪中应用的调频方式主要有磁调制，变容二极管，宽带扫频等几种。变容二极管，宽
9、带扫频等几种。 15n3频标电路频标电路 频率标记简称频率标记简称频标频标,是用一定形式的标记对扫是用一定形式的标记对扫频测量中所得到的图形的频率值进行定量，频测量中所得到的图形的频率值进行定量，即利用频标来确定图形上任意点的频率值。即利用频标来确定图形上任意点的频率值。包括包括菱形频标菱形频标和和针形频标针形频标，菱形频标适用于，菱形频标适用于高频测量，而针形频标适用于低频测量。高频测量，而针形频标适用于低频测量。 19频标扫频信号晶体振荡器谐波发生器带通滤波器混频器7-5 7-5 频标电路的原理框图频标电路的原理框图 20n晶体振荡器产生的信号经谐晶体振荡器产生的信号经谐波发生器产生一系列
10、的谐波波发生器产生一系列的谐波分量，这些基波和谐波分量分量，这些基波和谐波分量与扫频信号一起进入频标混与扫频信号一起进入频标混频器进行混频。当扫频信号频器进行混频。当扫频信号的频率正好等于基波或某次的频率正好等于基波或某次谐波的频率时，混频器产生谐波的频率时，混频器产生零差频（零拍）；当两者的零差频（零拍）；当两者的频率相近时，混频器输出差频率相近时，混频器输出差频，频值随扫频信号的瞬时频，频值随扫频信号的瞬时频偏的变化而变化。差频信频偏的变化而变化。差频信号经低通滤波及放大后形成号经低通滤波及放大后形成菱形图形，这就是菱形频标。菱形图形，这就是菱形频标。 图图66 66 菱形频标菱形频标 2
11、1n 4输出衰减器输出衰减器 输出衰减器用于改变扫频信号的输出幅度。输出衰减器用于改变扫频信号的输出幅度。在扫频仪中，衰减器通常有两组：一组为粗在扫频仪中，衰减器通常有两组：一组为粗衰减，一般是按每挡为衰减，一般是按每挡为10dB或或20dB步进衰步进衰减；另一组为衰减，按每挡为减；另一组为衰减，按每挡为1dB或或2dB步步进衰减。多数扫频仪的输出衰减量可达进衰减。多数扫频仪的输出衰减量可达100dB。 22n5稳幅电路稳幅电路 稳幅电路的作用是减少寄生调幅。扫频振荡器在产稳幅电路的作用是减少寄生调幅。扫频振荡器在产生扫频信号的过程中，都会不同程度地改变着振荡生扫频信号的过程中，都会不同程度地
12、改变着振荡回路的回路的Q值，从而使振荡幅度随调制信号的变化而值，从而使振荡幅度随调制信号的变化而变化，即产生了寄生调幅。抑制寄生调幅的方法很变化，即产生了寄生调幅。抑制寄生调幅的方法很多，多，最常用的方法最常用的方法是：从扫频振荡器的输出信号中是：从扫频振荡器的输出信号中取出寄生调幅分量并加以放大，再反馈到扫频振荡取出寄生调幅分量并加以放大，再反馈到扫频振荡器去控制振荡管的工作点工作电压，使扫频信号的器去控制振荡管的工作点工作电压，使扫频信号的振幅恒定。振幅恒定。23n3扫频仪的应用扫频仪的应用（1）电路幅频特性的测量）电路幅频特性的测量 图图7-13 7-13 幅频特性的测量线路图幅频特性的
13、测量线路图 28n（2 2）电路参数的测量）电路参数的测量 增益的测量增益的测量 如图如图7-137-13所示将经过零分贝校正的所示将经过零分贝校正的BT3BT3型扫频仪与被测型扫频仪与被测电路连接好，调节两个电路连接好，调节两个“输出衰减输出衰减”旋钮，使屏幕上显旋钮，使屏幕上显示的幅频特性曲线的幅度恰好为示的幅频特性曲线的幅度恰好为H H，此时，此时，“输出衰减输出衰减”旋钮所指的分贝数（旋钮所指的分贝数（dBdB）就是被测电路的增益。）就是被测电路的增益。带宽的测量带宽的测量 利用频标能方便地测量出屏幕上所显示的幅频特性曲线利用频标能方便地测量出屏幕上所显示的幅频特性曲线的频带宽度。观测
14、并记录曲线上的频标个数，然后算出的频带宽度。观测并记录曲线上的频标个数，然后算出带宽。带宽。29ABAB fLfH (a) (b)(a) (b)图图7.14 7.14 扫频仪测量带宽时荧光屏显示的图形扫频仪测量带宽时荧光屏显示的图形307.4 7.4 频率特性测试仪的主要技术指标频率特性测试仪的主要技术指标1扫频非线性系数扫频非线性系数k 表示扫频信号频率与扫描电压之间线性相关的表示扫频信号频率与扫描电压之间线性相关的程度，用程度，用f-u 曲线的斜率变化来表示。曲线的斜率变化来表示。式中式中 （7-1） 频率的微小变化量；频率的微小变化量； 电压的微小变化量；电压的微小变化量； K 扫频的非
15、线性系数。扫频的非线性系数。 31n实际中可采用图实际中可采用图7.15的测试方法。中心频率可在的测试方法。中心频率可在任意频率上，调节频偏为任意频率上，调节频偏为15MHz，则扫频非线，则扫频非线性系数为性系数为式中式中 A频偏的最大变化量；频偏的最大变化量； B频偏的最小变化量；频偏的最小变化量； k扫频的非线性系数。扫频的非线性系数。ABfo-ffofo+f 图图7.15 7.15 扫频非线性系数的测量图扫频非线性系数的测量图322扫频宽度扫频宽度 扫频宽度也称为扫频频偏，为扫频中心扫频宽度也称为扫频频偏，为扫频中心频率的最高与最低值的差值。频率的最高与最低值的差值。 （7-3）式中 扫
16、频宽度；扫频宽度； 扫频的最高频率；扫频的最高频率； 扫频的最低频率。扫频的最低频率。 333扫频信号的寄生调幅系数扫频信号的寄生调幅系数n输出衰减置为输出衰减置为0dB，选择内频标，选择内频标，Y增益适中，增益适中，在额定的在额定的15MHz频偏内观察，屏幕上出现方框，频偏内观察，屏幕上出现方框，则寄生调幅系数为则寄生调幅系数为 n式中式中 nA矩形框的最大值；矩形框的最大值；nB矩形框的最小值；矩形框的最小值；n 扫频的寄生调幅系数。扫频的寄生调幅系数。 AB 图图7.16 7.16 扫频寄生调幅系数的测量图扫频寄生调幅系数的测量图344.稳定性稳定性 扫频中心频率和扫频范围作为信号源的频
17、率指标，扫频中心频率和扫频范围作为信号源的频率指标，应具有足够的稳定性。应具有足够的稳定性。5.扫频信号电压扫频信号电压 是扫频信号发生器的输出电压，应满足被测系统是扫频信号发生器的输出电压，应满足被测系统处于线性工作状态的要求，一般有效值大于处于线性工作状态的要求，一般有效值大于0.1V。6.频率标记频率标记 一般有一般有1MHz、10MHz、50MHz及外接四种。及外接四种。7.输出阻抗输出阻抗 扫频信号发生器的输出阻抗一般选择扫频信号发生器的输出阻抗一般选择75，以配，以配合被测电路。合被测电路。35 7.3 频谱分析仪频谱分析仪7.3.1频谱分析的基本概念频谱分析的基本概念1频谱分析频
18、谱分析 通常将合成信号的所有正弦波的幅度通常将合成信号的所有正弦波的幅度按频率的高低依次排列所得到的图形称为按频率的高低依次排列所得到的图形称为频谱频谱。 频谱分析频谱分析就是在频率域内对信号及特就是在频率域内对信号及特性进行描述。性进行描述。 362.示波测试与频谱分析的特点示波测试与频谱分析的特点 示波器和频谱仪都可用来观察同一物理现象，示波器和频谱仪都可用来观察同一物理现象，两者所得的结果应该是相同的。但由于两者是从两者所得的结果应该是相同的。但由于两者是从不同角度去观察同一事物，故所得到的现象只能不同角度去观察同一事物，故所得到的现象只能反映事物的不同侧面。反映事物的不同侧面。（1）某
19、些在时域较复杂的波形，在频域的显示可）某些在时域较复杂的波形，在频域的显示可能较为简单。能较为简单。 （2）某些在频域不能区分的波形，在时域能清楚）某些在频域不能区分的波形，在时域能清楚显示。显示。（3）当信号中所含的各频率分量的幅度只是略有）当信号中所含的各频率分量的幅度只是略有不同时，用示波器很难定量分析失真的程度，但不同时，用示波器很难定量分析失真的程度，但是频谱仪对于信号的基波和各次滤波含量的大小是频谱仪对于信号的基波和各次滤波含量的大小则一目了然。则一目了然。37t ( (a)a)用示波器易观察波形的相位不同用示波器易观察波形的相位不同图图7.13 7.13 示波器和频谱仪对比观察相
20、位不同的波形示波器和频谱仪对比观察相位不同的波形A0tA0tA0tA0t(b)(b)用频谱仪观察的频谱相同用频谱仪观察的频谱相同38(a)(a)用示波器不容易观察波形的失真用示波器不容易观察波形的失真A0tA0tA0tA0t (b)(b)用频谱仪容易观察微小的幅度和相位变化用频谱仪容易观察微小的幅度和相位变化图图7.14 7.14 用示波器和频谱仪观察微小失真的波形用示波器和频谱仪观察微小失真的波形397.3.2频谱分析仪的工作原理频谱分析仪的工作原理n1滤波式频谱分析滤波式频谱分析图图7.16 7.16 滤波式频谱分析仪的基本组成滤波式频谱分析仪的基本组成信号输入信号输入 带通滤波器或带通滤
21、波器或 扫描调谐式滤波扫描调谐式滤波 显示或记录显示或记录 检波器检波器437.3.3常用频谱分析仪介绍常用频谱分析仪介绍1并行滤波实时频谱仪并行滤波实时频谱仪根据顺序分析的基本方法构建。根据顺序分析的基本方法构建。图图7.18 7.18 并行滤波实时频谱分析仪框图并行滤波实时频谱分析仪框图输入输入信号信号输入输入放大器放大器滤波器滤波器2 2滤波器滤波器1 1滤波器滤波器n n电电子子开开关关CRTCRT输出输出放大器放大器扫描发生器扫描发生器检波器检波器1 1检波器检波器2 2检波器检波器n n452档级滤波器式频谱分析仪 为了减少检波器的数量，将电子开关加在检波器前，使检波器公用，这种方
22、法原理十分简明，如图7.19所示。图图7.19 7.19 档级滤波器式频谱分析仪框图档级滤波器式频谱分析仪框图电电子子开开关关BPF2BPF2BPF1BPF1BPFnBPFn输入输入信号信号输入输入放大器放大器CRTCRT检波器检波器输出输出放大器放大器463扫描式频谱分析仪 在档级滤波器式频谱分在档级滤波器式频谱分析仪析仪的基础上，将若干的基础上，将若干通带衔接的滤波器用一个通带衔接的滤波器用一个中心频率可电控调谐的带通中心频率可电控调谐的带通滤波器代替，通过扫描调谐完成整个频带的频谱分析，滤波器代替，通过扫描调谐完成整个频带的频谱分析，如图如图7.207.20所示。所示。输入输入 信号信号
23、CRTCRT 检波器检波器 输出输出 放大器放大器 电调谐带通滤波器电调谐带通滤波器 扫描发生器扫描发生器 图图7.20 7.20 外差式频谱分析仪框图外差式频谱分析仪框图474外差式频谱分析仪 外差式频谱分析仪采用扫频技术进行频率外差式频谱分析仪采用扫频技术进行频率调谐，其核心部分如同一台外差式接收机。调谐，其核心部分如同一台外差式接收机。图图7.21 7.21 外差式频谱分析仪外差式频谱分析仪的构成框图的构成框图输入输入信号信号CRTCRT输出输出放大器放大器混频器混频器滤波器滤波器中频中频放大器放大器检波器检波器扫描发生器扫描发生器放大器放大器中频中频放大器放大器487.3.4频谱分析仪
24、的主要技术指标频谱分析仪的主要技术指标1频谱分析仪的参数频谱分析仪的参数（1）频率范围）频率范围达到频谱分析仪规定性能的工作频率区间。达到频谱分析仪规定性能的工作频率区间。（2）扫频宽度）扫频宽度频谱分析仪在一次分析过程种所显示的频率范围，也频谱分析仪在一次分析过程种所显示的频率范围，也称为分析宽度。扫频宽度与分析时间之比就是扫频速称为分析宽度。扫频宽度与分析时间之比就是扫频速度。度。（3）扫描时间）扫描时间扫描一次整个频率量程并完成测量所需要的时间，也扫描一次整个频率量程并完成测量所需要的时间，也称分析时间。称分析时间。51（4）测量范围）测量范围指在任何环境下可以测量的最大信号与最小信号的
25、指在任何环境下可以测量的最大信号与最小信号的比值。一般在比值。一般在145dB和和165dB之间。之间。（5）灵敏度）灵敏度指频谱分析仪测量微弱信号的能力，定义为显示幅指频谱分析仪测量微弱信号的能力，定义为显示幅度为满刻度时，输入信号的最小电平值。度为满刻度时，输入信号的最小电平值。（6）分辨率）分辨率分辨率是指频谱分析仪能把靠得很近的、相邻的二分辨率是指频谱分析仪能把靠得很近的、相邻的二个频谱分量分辨出来的能力。个频谱分量分辨出来的能力。（7）动态范围）动态范围分析仪能以给定精度测量、分析输入端同时出现的分析仪能以给定精度测量、分析输入端同时出现的两个信号的最大功率比（用两个信号的最大功率比
26、（用dB表示）。表示）。522频谱分析仪的特性频谱分析仪的特性（1）覆盖频带宽（）覆盖频带宽（30Hz325GHz）（2）幅值范围宽）幅值范围宽 （-156dBm30dBm）（3）有供标量测量用的跟踪发生器）有供标量测量用的跟踪发生器（4）对小信号检测的灵敏度极高）对小信号检测的灵敏度极高（5）极好的频率稳定性）极好的频率稳定性（6）频率和幅值分辨率高）频率和幅值分辨率高（7）具有数字解调能力）具有数字解调能力532采用频谱仪分析系统频率特性采用频谱仪分析系统频率特性n（1）前面板及主要控键作用）前面板及主要控键作用57（2）测试波形显示与分析）测试波形显示与分析图图7.25 7.25 滤波器输出的频谱图滤波器输出的频谱图58图图7.26 7.26 混频器输出的频谱图混频器输出的频谱图59
