电子测量技术(6.0)

1、电子测量技术西南交通大学电气工程学院孙永奎Email: 6 频域测量技术电子测量技术6 频域测量技术6.1 概述6.2 频谱分析仪6 频域测量技术电子测量技术6.1 概 述频域和时域的关系频谱分析常用频域测试仪器6 频域测量技术电子测量技术6.1.1 频域和时域的关系时域测量频域测量时间频率振幅6 频域测量技术电子测量技术6.1.2 频谱分析6 频域测量技术电子测量技术v频谱密度由无穷个冲激函数组成频谱密度由无穷个冲激函数组成离散性离散性：频谱是离散的，由无穷多个冲激函数：频谱是离散的，由无穷多个冲激函数组成；组成；谐波性谐波性：谱线只在基波频率的整数倍上出现，：谱线只在基波频率的整数倍上出现

2、，即谱线代表的是基波及其高次谐波分量的幅度即谱线代表的是基波及其高次谐波分量的幅度或相位信息；或相位信息；收敛性收敛性：各次谐波的幅度随着谐波次数的增大：各次谐波的幅度随着谐波次数的增大而逐渐减小。而逐渐减小。1.周期信号的频谱特性6 频域测量技术电子测量技术v频谱密度函数频谱密度函数F (j)是是的连续函数的连续函数v当当f (t)为实函数时，有为实函数时，有F(j) = F*(-j) v当当f (t)为虚函数时，有为虚函数时，有F(j) = -F*(-j)v无论无论f (t)为实函数或虚函数，为实函数或虚函数，幅度谱幅度谱|F(j)|关于关于纵轴对称，相位谱纵轴对称，相位谱e j()关于原

3、点对称关于原点对称2.非周期信号的频谱特性6 频域测量技术电子测量技术v脉冲宽度脉冲宽度是时域概念是时域概念指在一个周期内脉冲波形的两个零点之间的时指在一个周期内脉冲波形的两个零点之间的时间间隔间间隔；v 频带宽度频带宽度（带宽）是频域概念（带宽）是频域概念在周期信号频谱中，从零频率到需要考虑的最在周期信号频谱中，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高次谐波频率之间的频段即为该信号的有效占有带宽有带宽；实际应用中，常把零频到频谱包络线第一个零实际应用中，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点间的频段作为频带宽带3.脉冲宽度和频带宽度6 频域测量技术电子测

4、量技术v信号信号f(t)的能量定义为的能量定义为4.信号的能量谱dttfE 2)()( 21( )()2SF j令令 dSE 0)()( 能量密度谱，简称能量谱或能谱，能量密度谱，简称能量谱或能谱，表示单位频带内所含能量。任何带宽表示单位频带内所含能量。任何带宽内的信号能量均与能量谱曲线下相应内的信号能量均与能量谱曲线下相应的面积成正比的面积成正比 6 频域测量技术电子测量技术5.信号的功率谱v信号信号f(t)的功率定义为的功率定义为 222)(1lim)(TTTdttfTP dTjFPT2)(lim21)( 令令2()1( )lim2pTF jST， 则则有有 dSPp 0)()(功率密度谱

5、，简称功率谱，表示单位频功率密度谱，简称功率谱，表示单位频带内单位频带内的功率带内单位频带内的功率 6 频域测量技术电子测量技术6.信号的频谱分析技术v频谱分析以付里叶分析为理论基础，可对不同频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段的信号进行线性或非线性分析对信号本身的频率特性对信号本身的频率特性分析分析对线性系统非线性失真的测量对线性系统非线性失真的测量6 频域测量技术电子测量技术7. 频谱分析仪的基本原理vFFT分析（分析（实时分析）法实时分析）法在特定时段中对时域数字信号进行在特定时段中对时域数字信号进行FFT变换，变换，得到频域信息并获取相对于频率的幅

6、度、相位得到频域信息并获取相对于频率的幅度、相位信息信息6 频域测量技术电子测量技术7. 频谱分析仪的基本原理（续）v离散时域信号的频谱特性离散时域信号的频谱特性时域时域周期周期非周期非周期连续连续离散离散频域频域周期周期非周期非周期连续连续离散离散付付氏氏变变换换6 频域测量技术电子测量技术7. 频谱分析仪的基本原理（续）v非实时分析法非实时分析法扫频式扫频式分析分析差差频式频式分析（外差式分析）分析（外差式分析）6 频域测量技术电子测量技术8. 频谱分析仪的分类v按按分析处理方法分析处理方法分类分类：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模拟拟/数字混合式频谱仪数字混合

7、式频谱仪v按按基本工作原理基本工作原理分类：扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪分类：扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪v按按处理的实时性处理的实时性分类：实时频谱仪、非实时频谱仪；分类：实时频谱仪、非实时频谱仪；v按按频率轴刻度频率轴刻度分类：恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分类：恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪分析式频谱仪v按按输入通道数目输入通道数目分类：单通道、多通道频谱仪；分类：单通道、多通道频谱仪；v按按工作频带工作频带分类：高频、射频、低频等频谱仪分类：高频、射频、低频等频谱仪6 频域测量技术电子测量技术8. 频谱分析仪的分类（续）v模拟式频谱仪与数字式频谱仪模拟式频谱仪与数字式频

8、谱仪 模拟式频谱仪：模拟式频谱仪：以扫描式为基础构成，以扫描式为基础构成，采用滤波器或混频器采用滤波器或混频器将被分析信号中各频将被分析信号中各频率分量逐一分离。所率分量逐一分离。所有早期的频谱仪几乎有早期的频谱仪几乎都属于模拟滤波式或都属于模拟滤波式或超外差结构，并被沿超外差结构，并被沿用至今用至今 数字式频谱仪：非扫数字式频谱仪：非扫描式，以数字滤波器或描式，以数字滤波器或FFT变换为基础构成。精变换为基础构成。精度高、性能灵活，但受到度高、性能灵活，但受到数字系统工作频率的限制。数字系统工作频率的限制。目前单纯的数字式频谱仪目前单纯的数字式频谱仪一般用于低频段的实时分一般用于低频段的实时

9、分析，尚达不到宽频带高精析，尚达不到宽频带高精度频谱分析度频谱分析6 频域测量技术电子测量技术8. 频谱分析仪的分类（续）v实时频谱仪和非实时频谱仪实时频谱仪和非实时频谱仪 一般认为，实时分析是指在长度为一般认为，实时分析是指在长度为T的时段内，的时段内，完成频率分辨率达到完成频率分辨率达到1/T的谱分析；或者待分析信号的谱分析；或者待分析信号的带宽小于仪器能够同时分析的最大带宽。的带宽小于仪器能够同时分析的最大带宽。 在一定频率范围数据分析速度与数据采集速度在一定频率范围数据分析速度与数据采集速度相匹配，不发生积压现象，这样的分析就是实时的；相匹配，不发生积压现象，这样的分析就是实时的；如果

10、待分析的信号带宽超过这个频率范围，则是非如果待分析的信号带宽超过这个频率范围，则是非实时分析。实时分析。6 频域测量技术电子测量技术8. 频谱分析仪的分类（续）v恒带宽与恒百分比带宽分析式频谱仪恒带宽与恒百分比带宽分析式频谱仪 恒带宽分析式频谱仪：恒带宽分析式频谱仪：频率轴为线性刻度，信号的基频分量和各次谐波分量在横轴上等间距排列，适用于周期信号和波形失真的分析。 恒百分比带宽分析式频谱仪恒百分比带宽分析式频谱仪：频率轴采用对数刻度，频率范围覆盖较宽，能兼顾高、低频段的频率分辨率，适用于噪声类广谱随机信号的分析。6 频域测量技术电子测量技术6.1.3 常用频域测试仪器1. 频率特性测试仪(扫频

11、仪)2. 频谱分析仪3. 网络分析仪6 频域测量技术电子测量技术6.2 频谱分析仪频谱分析仪的种类外差式频谱分析仪频谱分析仪的主要性能指标频谱分析仪实例6 频域测量技术电子测量技术6.2.1 频谱分析仪的种类6 频域测量技术电子测量技术以模拟滤波器为基础，用滤波器来实现信号中个频率成分的分离，分离出的频率分量经检波器检波成直流后，由显示器显示出来。6 频域测量技术电子测量技术（1）并行滤波式频谱分析仪（2）顺序滤波式频谱分析仪6 频域测量技术电子测量技术（3）扫描式频谱分析仪（4）外差式频谱分析仪6 频域测量技术电子测量技术以数字方式对信号进行频谱分析，精度高，动态范围宽，工作频率不高。6 频域测量技术电子测量技术（1）数字滤波式频谱分析仪（2）FFT频谱分析仪6 频域测量技术电子测量技术将外差技术和数字技术结合进行频谱分析，频率范围广，分辨力高。6 频域测量技术电子测量技术6.2.2 外差式频谱分析仪6 频域测量技术电子测量技术6 频域测量技术电子测量技术6 频域测量技术电子测量技术6.2.3 频谱分析仪的主要性能指标6 频域测量技术电子测量技术6.2.3 频谱分析仪的主要性能指标kHz30kHz106 频域测量技术电子测量技术6.2.