频谱分析仪的使用方法

1、频谱分析仪的使用方法13MHz 信号。一般情况下，可以用示波器判断 13MHz 电路信号的存在与否， 以及信号的幅度是否正常，然而，却无法利用示波器确定 13MHz 电路信号的频 率是否正常，用频率计可以确定 13MHz 电路信号的有无，以及信号的频率是否 准确，但却无法用频率计判断信号的幅度是否正常。 然而， 使用频谱分析仪可迎 刃而解，因为频谱分析仪既可检查信号的有无，又可判断信号的频率是否准确， 还可以判断信号的幅度是否正常。同时它还可以判断信号，特别是 VCO 信号是 否纯净。可见频谱分析仪在手机维修过程中是十分重要的。另外，数字手机的接收机、 发射机电路在待机状态下是间隙工作的， 所

2、以在 待机状态下， 频率计很难测到射频电路中的信号， 对于这一点， 应用频谱分析仪 不难做到。一、使用前须知在使用频谱分析仪之前，有必要了解一下分贝 (dB)和分贝毫瓦(dBm)的基本 概念，下面作一简要介绍。1分贝 (dB) 分贝是增益的一种电量单位， 常用来表示放大器的放大能力、 衰减量等， 表示的 是一个相对量，分贝对功率、电压、电流的定义如下：分贝数： 101g(dB)分贝数 =201g(dB)分贝数 =201g(dB)例如：A功率比B功率大一倍，那么，101gA/B=10182 3dB,也就是说，A 功率比 B 功率大 3dB，2分贝毫瓦 (dBm)分贝毫瓦(dBm)是一个表示功率绝

3、对值的单位，计算公式为：分贝毫瓦 =101g(dBm)例如，如果发射功率为Imw，则按dBm进行折算后应为：101glmw/ 1mw=0dBm。 如果发射功率为40mw，贝U 10g40w/ 1mw-46dBm。二、频谱分析仪介绍生产频谱分析仪的厂家不多。我们通常所知的频谱分析仪有惠普(现在惠普的测试设备分离出来，为安捷伦 )、马可尼、惠美以及国产的安泰信。相比之下， 惠普的频谱分析仪性能最好，但其价格也相当可观，早期惠美的 5010频谱分析 仪比较便宜， 国产的安泰 5010频谱分析仪的功能与惠美的 5010差不多，其价格 却便宜得多。下面以国产安泰 5010 频谱分析仪为例进行介绍。1 性

4、能特点AT5010最低能测到，即是-100dBm。一般示波器在Imv，频率计要在20mv 以上，跟频谱仪比相差 10000倍。如用频率计测频率时，有的频率点测量很难， 有的频率点测最不准， 频率数字显示不稳定， 甚至测不出来。 这主要足频率计灵 敏度问题，即信号低于 20mv 频率计就无能为力了， 如用示波器测量时， 信号 5 失真示波器看不出来，在频谱仪上万分之一的失真都能看出来。但需注意的是， 频谱仪测量的是高频信号， 其高灵敏度也就决定了， 要注意被测 信号的幅度范围，以免损坏高频头，在之间，超过其范围应另加相应的衰减器。AT5010频谱分析仪频率范围在1000MHz(1G)，其系列还有

5、3G、8G、12G 等产品。AT5010 频谱分析仪可同时测量多种 (理论上是无数个 )频率及幅度， Y 轴表示幅 度， X 轴表示频率，因此能直观的对信号的组成进行频率幅度和信号比较，这种 多对比件的测量，示波器和频率计是无法完成的。2性能指标(1) 频率频率范围： 0151050MHz中心频率显示精度：士 lOOkHz 频率显示分辨率： lOOkHz扫频宽度：100kHz/格一100MHz /格中频带宽 (一 3dB)： 400kHz 和 20kHz扫描速度： 43Hz(2) 幅度幅度范围：一 100+13dBm屏幕显示范围：80dBm(10dB/格)参考电平：一 27-13dBm(每级1

6、0dB)参考电平精度： 2dD平均噪声电平：一 99dBm(3) 输入。输入阻抗： 50n插座： BNC衰减器： 040dB输入衰减精度： 1dDm最大输入电平： +10dBm、 +25V(DC)3安泰 5010 频谱分析仪功能介绍安泰 5010 频谱分析仪面板功能示意图如图 4-4 所示。(1) 聚焦旋钮(FOCJS):用于光点锐度调节。(2) 亮度调节旋钮(1NTENS):用于光点亮暗调节。(3) 电源开关(POWER):被按下后，频谱分析仪开始工作。(4) 轨迹旋钮(TR):即使有磁性(铍膜合金)屏蔽，地球磁场对水平扫描线的影响仍 不可能避免。 通过轨迹旋钮内装的一个电位器来调整轨迹；

7、使水平扫描线与水平 刻度线基本对齐。频谱分析仪测量场强方法? 中心议题： ? 频谱仪的电平刻度的转换和阻抗匹配问题? 频谱分析仪防过载? 选择合适的中频带宽测试? 解决方案： ? 采用中频替代法? 输入衰减器不宜放在 0dB 的位置? 频谱分析仪是一种应用广泛的信号分析仪器。 它可用来测量信号的频率、电平、 波形失真、 噪声电平、 频谱特性等，加上标准天线还可用来测量场强。它的主要特点是：能宽频带连续扫描，并将测得的信号在CRT 屏上直观地显示出来。在整个频段内，电平显示范围大于 70dB ，在无线电电波测量中可以很方便地 看出频谱占用和信号活动情况，所以在很多场合，频谱仪正在替代场强仪成为电

8、波测量中一种新的被广泛 应用的仪器。但必竟二者设计上有差异，因此使用侧重面应有所有同，否则将会带来很大的测量误差。? 一、电平刻度的转换和阻抗匹配问题?通常，频谱仪的显示刻度单位是 dBm ,而在场强测量和有关电波传播问题讨论中，习惯采用dB卩v/m为单位，因此首先就有一个单位转换问题。实际上场强测量就是标准天线端感应电压的测量，因此只要将 频谱仪的读数换算成电压单位，加上天线的天线系数即可求得待测场强。?频谱仪的单位换算系数随其输入阻抗的不同而不同，对于50 Q系统，? VdBuV=PdBm+107dB 而对于 75 Q 系统，则 VdBuV=PdBm+? 现代频谱仪多采用微机处理，显示刻度

9、可以自动转换。在实际测量中要特别注意天线阻抗与测试系统 的匹配问题，避免产生失配误差。由于频谱仪在使用中是进行宽带扫描，所以所用天线要求也都是宽带天 线，而宽带天线的 VSWR 一般都较大， 如果与频谱仪联接的不是匹配天线， 则要对所用天线的天线系数重 新校对。? 在实际测量中，输入衰减器不宜放在 0dB 的位置，如果衰减器置 0，输入信号直接接到混频器上，则 阻抗特性变差，造成较大的失配误差。? 二、防止频谱分析仪过载? 一般测试接收机的输入端都有带有调谐式高放电路，以抑制带外信号，提高灵敏度。? 而频谱分析仪由于其宽带连续快速扫描的特性，输入端一般都直接接到第一混频器上。当信号电平较 高时

10、，混频器工作在非线性变频状态， 将产生高阶互调和混频增益压缩， 而且过高的电平 （一般大于 5dBm ） 将烧坏混频器，故在使用中要合理地选择射频衰减器以确保线性工作状态。? 为使混频器进行线性变频，中频放大器进行线性放大，使示波屏上出现的假响应电平缩至最小，这就 要求加在混频器上的输入信号功率越小越好； 而为了扩大测量电平的动态范围， 则要求输入功率越大越好。 为此对输入信号电平的选择有如下三个规定：? （ 1）最佳输入信号电平在频谱仪输入混频器上输入信号时，使所产生的失真电平小于某个规定电平 时的输入信号电平叫最佳输入电平。它随混频器的构造不同而有所不同，通常频谱仪的最佳输入电平是 -30

11、dBm 。用这样的电平输入时，规定频谱仪产生的失真电平和假响应电平小于 -90dBm ，即在 -30dBm 到-90dBm 间出现的信号是真正的信号，这时，显示器的动态范围有60dB。? （2）线性输入信号电平， 使输入混频器的特性保持线性的最大输入信号电平叫线性输入电平。 所谓 “线 性”，是指允许输入混频器有 1dB 的增益压缩。 增益压缩 1dB, 约产生% 的误差。 当加到混频器的信号电平 在线性输入电平范围内时，则增益压压缩小于 1dB ，这并不意味着在频谱仪显示器上不同生失真响应和假 响应。只有当输入到混频器的信号功率等于最佳输入电平时，在示波屏上才不出现假响应。通常，频谱仪 的线

12、性输入电平是-5dBm 到-10dBm ，视输入混频器的特性而定。? （3）最大输入电平频谱仪输入回的烧毁电平叫频谱仪的最大输入电平。它由输入衰减器和混频器的 特性决定。输入混频器的烧毁电平的典型值是 +10dBm ，输入衰减器的烧毁电平是 +30dBm 。? 在实际测量中，为使测量不失真，或使假响应电平减至最小，应经常使用最佳输入电平。就输入端是 单个大信号而言。采用最佳输入电平，将会得到较满意的测量结果。但当输入端存在多个高电平信号时， 即使这些信号可能在频谱仪的工作频带外，终因输入端没有选择性，这些信号功率的迭加很容易使混频器 过载产生高阶交互调失真，从而产生假响应，因此有必要对所测信号

13、以外的信号功率加以衰减，最好的办 法是加一个跟踪滤波器，即预选器，如美国 HP 公司和西德 R/S 公司都有为其频谱仪配套的预选器。? 有些频谱分析仪没有配套的预选器，但可根据测量频段加固定的带通滤波器。此时，用频谱分析仪和 跟踪信号发生器对通带内波动、插入损耗仔细进行测量并一一记录下来，在测量场强时计入到天线校正系 数去。如果连带通滤波器也没有，那么可按照所测频段配置合适的高通滤波器。实践证明，强电台及电磁 干扰大多集中在中、短波及调频波段、 VHF 低端，在采用高通滤波器后，可把被测频段以下的信号衰减 40dB 以上，这样可大大减少互调、交调失真。? 检验混频器是否工作在最佳状态，可以采用

14、射频衰减器增加10dB ，显示减少 10dB 的方法验证。通常， -30-35dBm 为混频器的最佳工作状态，即频谱仪的最佳输入电平为 -30-35dBm 。最佳输入电平 的择定为以后进一步的精确测量打下了良好基础。? 三、选择合适的中频带宽? 频谱仪的中频带宽（又称分辨率带宽）很多，从 1MHz 到 1kHz 以下约有 10 档左右。? 但由于频谱仪的连续扫描特性， 它的滤波器是高斯型的矩形系数较大， 一般 60dB ：3dB 带宽为 10:1 。 而测试接收机的中频滤波器矩形系数较小，一般 60dB:6dB 带宽为 2:1 （一般测试接收机为双调谐回路， 且 B3= ）。频谱仪的噪声系数较

15、大，典型值为 19dB ，因此在频带宽相同的情况下，频谱仪的噪声电平比 测试接收机高。? 了解这些不同后，就可以根据实测情况及所测信号的特点，选择合适的中频带宽。如?果要测量间隔25KHZ的两相邻信号，若它们的电平相差不大，则用10KHZ的中频带宽就可以区分两 信号。如果电平相差较大，则必须用3kHz或1kHz的中频带宽才能区分两信号。在选择中频带宽时，还应注意扫描时间，太快会使滤波器来不及响应，导致测量不准。有些频谱仪有自动调节功能，特别是现代 较先进的它可将扫描时间自动调节到与扫描频宽、中频带宽相适应。若是手动调节的，应注意一旦中频带 宽改变，扫描时间也要相应地变化，以保证准确测量。?如果

16、要测量较弱信号，就要减小中频带宽，使频谱仪的噪声电平低于被测信号。频谱仪一般给岀最小 中频带宽以下的平均噪声电平，中档频谱仪的典型值为-115dBm 。为保证测量结果有效，应使信噪比优于 6dB，故它可测量的最小电平为-109dBm 即-2dB叮。实际上可测的最小电平还受到频谱仪杂散响应指标 的影响，而且当被测信号小于1gV时，通过机壳、电源线等引入干扰会使测量结果不可靠。?四、怎样保证测量精度?测试接收机都装有标准脉冲振荡器，以便在测量状态，如频率、衰减器、中频带宽改变时随时可进行 校准。其测量精度主要由标准振荡器的准确度及输入失配误差来决定，一般为2dB。?频谱仪系采用固定频率的标准信号进

17、行校准，当测量频率不同时就会产生误差。同时，射频衰减器参 考电平、中频带宽、显示刻度等的改变都会产生误差。对于现代频谱仪这些误差一般为：?校准信号绝对误差土?频率响应（包括输入失配）土2dB?射频衰减器改变 12dB?参考电平改变?中频带宽改变 1dB?显示刻度改变 1dB? CRT显示非线性误差 12dB?粗看起来，这些误差相加超过，?但实际上与测量方法有很大关系。测量时，如能保持与校准时的仪器设置状态一样，就可使误差减至 最小。一般是采用中频替代法，即在不改变中频带宽及显示刻度的情况下，通过改变参考电平。使校准信 号电平与被测信号电平等于相应的参考电平时，则被测信号电平值等于校准信号电平值

18、加上参考电平的改 变量。值得注意的是，测量时保持信噪比大于12dB，这种测量的误差仅取决于整个误差的前四项可达到2dB。浅析频谱分析仪和EMI接收机随着电力技术的广泛应用，带来了很大的便利，但同时也带来了不容忽视的电磁干扰(EMI)问题，这就要求必须对EMI特性进行准确的测量，这对提高电力电子装置的电磁兼容性(EMC)具有重要意义。近几年，在整个电磁兼容测量技术及所属服务领域不断岀现许多新的器和测试方法，最基本且有效的测试设备还是 和EMI接收机。1频谱谈到测量电信号，电气工程师首先想到的可能就是。示波器是一种将电压幅度随时间变化的规律显示 岀来的仪器，它相当于电气工程师的眼睛，使你能够看到线

19、路中电流和电压的变化规律，从而掌握的工作 状态。但是示波器并不是电磁干扰测量与诊断的理想工具。这是因为：(1) 最关键的是动态范围，干扰频谱不同分量的差别有5个量级以上，需要100 dB以上的动态范围；而八位的示波器仅有 40 dB左右的动态范围，不能满足电磁干扰的测量要求。(2) 所有电磁兼容标准中的电磁干扰极限值都是在频域中定义的，而示波器显示岀的是时域波形，因此测试得到的结果无法直接与标准比较。为了将测试结果与标准相比较，必须将时域波形变换为频域频谱。(3) 电磁干扰相对于电路的工作信号往往都是较小的，并且电磁干扰的频率往往比信号高，而当一些幅度较低的高频信号叠加在一个幅度较大的低频信号

20、时，用示波器无法进行测量。(4) 示波器的灵敏度在毫伏级，而由接收到的电磁干扰的幅度通常为微伏级，因此示波器不能满足灵敏度的要求。测量电磁干扰更合适的仪器是频谱分析仪，频谱分析仪是一种将电压幅度随频率变化的规律显示岀来 的仪器，它显示的波形称为频谱。频谱分析仪克服了示波器在测量电磁干扰中的缺点，它能够精确测量各 个频率上的干扰强度。对于电磁干扰问题的分析而言，频谱分析仪是比示波器更有用的仪器，用频谱分析仪可以直接显示岀 信号的各个频谱分量。1. 1频谱分析仪的原理频谱分析仪是一台在一定频率范围内扫描接收的接收机，它的原理图如图1所示。In pul. JHFinpviLocaJ cwilliit

21、arEnvelopeDiHplay频谱分析仪采用频率扫描超外差的工作方式。混频器将天线上接收到的输入信号与本振产生的信号混 频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被进行 放大，然后显示岀来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间输岀的频率 是不同的。当本的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频 率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。根据这个频谱，就能够知道被测设备是否有超过标 准规定的干扰发射，或产生干扰的信号频率是多少。1 2 的使用方法要获得正确的测量结果，必须正确地操作

22、频谱分析仪。本节简单介绍频谱分析仪的使用方法。正确使 用频谱分析仪的关键是正确设置频谱分析仪的各个参数。下面解释频谱分析仪中主要参数的意义和设置方 法。(1) 频率扫描范围规定了频谱分析仪扫描频率的上限和下限。通过调整扫描频率范围，可以对感兴趣的频率进行细致的 观察。在频率分辨率一定的情况下，扫描频率范围越宽，则扫描一遍所需要时间越长，频谱上各点的测量 精度越低，因此，在可能的情况下，尽量使用较小的频率范围。在设置这个参数时，可以通过设置扫描开 始频率和终止频率来确定，例如：startfrequency=l MHz stop frequency=llMHz也可以通过设置扫描中心频率和频率范围来

23、确定，例如：frequency=6 MHz ，span=10 MHz。这两种设置的结果是一样的。(2) 中频分辨带宽规定了频谱分析仪的中频带宽，这项指标决定了仪器的选择性和扫描时间。调整分辨带宽可以达到两 个目的，一个是提高仪器的选择性，以便对频率相距很近的两个信号进行区别。另一个目的是提高仪器的 灵敏度。因为任何电路都有热噪声，这些噪声会将微弱信号淹没，而使仪器无法观察微弱信号。噪声的幅 度与仪器的通频带宽成正比， 带宽越宽， 则噪声越大。因此减小仪器的分辨带宽可以减小仪器本身的噪声， 从而增强对微弱信号的检测能力。分辨带宽一般以3 dB(或者6 dB)带宽来表示。当分辨带宽变化时，屏幕上显

24、示的信号幅度可能会发生 变化。若测量信号的带宽大于通频带带宽，则当带宽增加时，由于通过中频放大器的信号总能量增加，显 示幅度会有所增加。 若测量信号的带宽小于通频带宽， 如对于单根谱线的信号， 则不管分辨带宽怎样变化， 显示信号的幅度都不会发生变化。信号带宽超过中频带宽的信号称为宽带信号，信号带宽小于中频带宽的 信号称为窄带信号。根据信号是宽带信号还是窄带信号能够有效地鉴别干扰源。(3) 扫描时间仪器接收的信号从扫描频率范围的最低端扫描到最高端所使用的时间叫做扫描时间。扫描时间与扫描 频率范围是相匹配的。如果扫描时间过短，频谱仪的中频不能够充分响应，结果幅度和频率的显示值变为 不正确。(4)

25、视频带宽视频带宽至少与分辨带宽相同，最好为分辨带宽的 3至 5倍。视频带宽反映的是测量接收机中位于包 络检波器和模数之间的视频放大器的带宽。改变视频带宽的设置，可以减小噪声峰一峰值的变化量，提高 较低信噪比信号测量的分辨率和复现率，易于发现隐藏在噪声中的小信号。13 频谱仪的种类频谱仪通常可以分为常规扫频分析仪和实时频谱分析仪，通过比较可以知道实时频谱分析仪适用性更 强。(1) 常规扫频分析仪图2是常规扫频分析仪的框图。此例涉及两个RF输入信号。RF信号通过扫描定位振荡器被转化为IF(中间频率)o IF输岀通过带通滤波器，此处频谱分析仪分辨率被定义。MixerRF inputKesolutio

26、n,_. filterLocaloscillatorDetector Diaplay图2扫频分析仪的摄念滤波器由Fstart扫至Fstop，见图3。此时仅观察到滤波器带宽内的一个点的信号。信号A首先被探测和显示，然后是信号B(间歇信号，如突发现象一般不会被探测到，除非在滤波器扫过时，在某一准确时间出现)oS 3滤波器的扫频分解率(2) 实时频谱分析仪实时频谱分析仪是由一系列带通滤波器组成，如下图4所示。信号通过这些滤波器观察和连续纪录。信号A和B同时米集和显示，如图 5RF inputfiUrl .Detector 1f1 *filer 2Drtcrtof21-R(*scution filer

27、 3Deiecior 3li 申91I11Resdu lionDetflctni ”H删4 实时频谱分析仪的嘅念Orteurrent Aequitk)n图5 同时釆常2 EMI接收机由电力电子设备产生的电磁发射通常是宽带、连续的，其频率范围从工频到几十兆赫。通常传导EMI应在这一频率范围被测量。由于许多国家和国际标准只在MHz30 MHz的频率范围内确定传导发射，传导EMI的测量也仅仅在这一范围内讨论信号的测量方法。在MHz30 MH濒率乃至低至10 kHz范围内的EMI分量，由EMI接受装置测量。EMI接收机测得的是 一个被测设备的输岀电压。实质上EMI接收机是可调谐的、 有频率选择的、具有

28、精密的振幅响应的电压计，如图6所示。中噸放为一岡-k频蠟廿-I血衷图6测接收机方框图各部分功能如下:(1) 。可由电压、电流探头、各类天线等部件组成。根据测量的目的，选用不同部件来提取信号。(2) 输入衰减器。可将外部进来的过大信号或干扰电平给予衰减，调节衰减量高低，保证测量接收机输入的电平在测量接收机可测范围之内，同时也可避免过电压或过电流造成测量接收机损坏。(3) 校准信号源。与普通接收机相区别，测量接收机本身提供内部校准信号源，可随时对测量接收机的增益加以自我校准，以保证测量值的准确。(4) 。利用选频放大原理，仅选择所需的测量信号进入下级电路，而外来的各种杂散信号(包括镜像频率信号、中

29、频率信号、交调谐波信号等)均排除在外。(5) 混频器。将来自射频放大器的射频信号和来自本机振荡器的信号合成产生一个差频信号输入到中频 放大级，由于差频信号的频率远低于射频信号频率，使得中频放大级增益得以提高。(6) 本机振荡器。提供一个频率稳定的高频振荡信号。(7) 中频放大器。由于中频放大器的调谐电路可提供严格的频率带宽，又能获得较高的增益， 因此保证接收机的总选择性和整机灵敏度。(8) 检波器。测量接收机的检波方式与普通接收机的检波方式有着重大差异。测量接收机除可接收正弦波信号外，更常用于测量脉冲骚扰电平，因此测量接收机除了通常具有的平均值检波功能外还增加了峰值检波和准峰值检波功能。3频谱仪和接收机原理差异频谱分析仪是当前频谱分析的主要工具，尤其是扫频外差式频谱分析仪是当今频谱仪的主流，应用扫 频测量技术，通过扫频信号源得到外差信号进行频域动态分析。接收机是进行EMC测试的主要工具，以点频法为基础，应用本振调谐的原理测试相应频点的电平值。接收机的扫描模式应当是以步进点频调谐的方 式得到的。3. 1基本原理图根据工作原理，频谱分析仪和接收机可分为模拟式和数，字式两大类。外差式