第6章 电路频率特性的测量技术

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？什么是线性系统的频率特性？ 线性网络线性网络 正弦信号正弦信号稳态响应稳态响应 H(j)：频率响应频率响应 或频率特性或频率特性 幅度幅度|H(j)|：幅频特性幅频特性 相位相位() ：相频特性相频特性 信号的频谱分析：可由频谱分析仪完成信号的频谱分析：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

2、，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方法 1. 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，注意明确被测明确被测 电路和选用相应仪器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

3、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. 扫频测量法扫频测量法 扫频信号发生器被测电路峰值

4、检波器 扫描发生器XY v1 v2 v3 v4 v5 关 键 环 节 优点：扫频信号的频率连续变化，扫频测量所得优点：扫频信号的频率连续变化，扫频测量所得 的频率特性是动态频率特性，也不会漏掉细节。的频率特性是动态频率特性，也不会漏掉细节。 不足：如果输入的扫频信号频率变化速度快于系不足：如果输入的扫频信号频率变化速度快于系 统输出响应时间，则频率的响应幅度会出现不足，统输出响应时间，则频率的响应幅度会出现不足， 扫频测量所得幅度小于点频测量的幅度；电路中扫频测量所得幅度小于点频测量的幅度；电路中 LC元件的惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会元件的惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会 产生频率偏离。

5、产生频率偏离。 3. 频率特性测试仪工作原理频率特性测试仪工作原理 扫频仪的组成：扫频仪的组成：利用示波器的显示原理，把时间轴变成利用示波器的显示原理，把时间轴变成 频率轴。主要由四部分组成：频率轴。主要由四部分组成：扫频信号发生器扫频信号发生器、放大显示电放大显示电 路路、频率标记发生器频率标记发生器和和电源电源。 扫频信号发生器的基本工作原理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。 扫 描 发 生 器 扫 频 振 荡 器 输 出 衰 减 器 稳 幅 电 路 扫

6、频信号 典型的扫频源应具备下列三方面功能：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；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。频标、专用于某项测试的专用频标及活动频标。 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

7、，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

8、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

9、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

10、频谱仪 实时频谱仪和非实时频谱仪 恒带宽与恒百分比带宽分析式频谱仪 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。 档级滤波式频谱仪档级滤波式频谱仪 并行滤波式频谱仪并行滤波式频谱仪 扫频滤波式频谱仪扫频滤波式频谱仪 数字滤波式频谱仪数字滤波式频谱仪 u档级滤波式频谱仪 u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，能够满足实时分

11、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。 u扫频滤波式频谱仪 u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。 u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

12、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。 6.外差式频谱仪的主要性能指标 频率指标频率指标 幅度指标幅度指标 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

13、。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

14、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： CHzBRBW N Span ASpanff refx % 1 % 其中：其中：f绝对频率精度，单位绝对频率精度，单位Hz；ref参参 考频率（本振频率）相对精度；考频率（本振频率）相对精度；fx频率读数；频率读数； N完成一次扫描所需的频率点数；完成一次扫描所需的频率点数；A% Span的精度，的精度，B%RBW的精度，的

15、精度，C频率常频率常 数。不同的频谱仪有不同的数。不同的频谱仪有不同的A、B、C值。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。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