第四章-频率和相位的测量

1、本章要点 本章主要介绍测量频率的方法，以及电子本章主要介绍测量频率的方法，以及电子数字频率计的结构与原理。用电子数字频数字频率计的结构与原理。用电子数字频率计测量频率，是今后测量频率的主要手率计测量频率，是今后测量频率的主要手段，也是频率计的发展方向。段，也是频率计的发展方向。 相位计和整步表是电力系统运行中常用仪相位计和整步表是电力系统运行中常用仪表，本章对其作一般性介绍，以供相关专表，本章对其作一般性介绍，以供相关专业使用。业使用。第一节第一节 频率的测量方法频率的测量方法1.电动系频率表的结构电动系频率表的结构 采用比率表型，两可动线圈空间错开采用比率表型，两可动线圈空间错开90。无工。

2、无工作时呈随遇平衡状态。被测频率等于固定线圈回作时呈随遇平衡状态。被测频率等于固定线圈回路的谐振频率时，指针停在标尺中心，即固定线路的谐振频率时，指针停在标尺中心，即固定线圈轴线位置，标尺两边示值分别为大于或小于谐圈轴线位置，标尺两边示值分别为大于或小于谐振频率的值。振频率的值。2 .电动系频率表工作原理电动系频率表工作原理 按接线图，两可动线圈所受力矩分别为按接线图，两可动线圈所受力矩分别为: 由于两个力矩方向相反，当平衡时两者相等。联由于两个力矩方向相反，当平衡时两者相等。联立可得立可得:1111010201coscos ()1/ cos(1/)Mk IIIILCk IUCRLC22220

3、22202cos(90)cos()1 sin(1/)Mk IIIIRk IUIRRRLC02001tan()()RRCLRC3 .电动系频率表标尺特性电动系频率表标尺特性 当被测频率等于谐振频率时当被测频率等于谐振频率时 偏转角偏转角= 0，指针位于标尺中心，即固定线圈位置。，指针位于标尺中心，即固定线圈位置。 若被测频率若被测频率 0 ，则，则 ，为负角时，为负角时，指针将会顺时针偏转。指针将会顺时针偏转。 若被测频率若被测频率 0 ，则，则 ，为正角时，为正角时，指针将会顺时针偏转。指针将会顺时针偏转。 1LC10LC10LC2、用变换式频率表测量工频、用变换式频率表测量工频1.变换式频率

4、表的结构变换式频率表的结构 变换式频率表由磁电系测量机构和变换电路组成，变换式频率表由磁电系测量机构和变换电路组成，变换电路包含方波形成、微分、整流、指示和偏变换电路包含方波形成、微分、整流、指示和偏置五个环节，通过变换电路，被测频率转换为一置五个环节，通过变换电路，被测频率转换为一定大小的直流电流，然后通过磁电系测量机构进定大小的直流电流，然后通过磁电系测量机构进行测量行测量 。 微分电路整流电路指示仪表偏置电路双向限幅2.变换式频率表工作原理变换式频率表工作原理 被测电压经稳压管双向限幅并经微分转换为尖脉被测电压经稳压管双向限幅并经微分转换为尖脉冲，由于电容小充电时间短，可形成尖脉冲波，冲

5、，由于电容小充电时间短，可形成尖脉冲波，若用若用 表示充电电流，则电流脉冲波形可用下式表示充电电流，则电流脉冲波形可用下式表示：表示： 通过磁电系测量机构的电流平均值为：通过磁电系测量机构的电流平均值为：012iiitRCiUieR0001002112(1)iiiiiittTTR CR CCPiUCUIi dtedteTTRT 由于电路中由于电路中C0、Ri 很小故上式可简化为：很小故上式可简化为： 按式可知，通过磁电系测量机构的电流可以反映按式可知，通过磁电系测量机构的电流可以反映被测频率的大小。被测频率的大小。02CPIUC f3 .变换式电动系频率表标尺特性变换式电动系频率表标尺特性 工

6、频频率表所测量的频率范围并不工频频率表所测量的频率范围并不要求从要求从0开始，标尺一般为开始，标尺一般为4555Hz、9001100Hz等等。变换式等等。变换式频率表可通过调节偏置电阻，改变频率表可通过调节偏置电阻，改变机械零点的频率读数。得到相应标机械零点的频率读数。得到相应标尺。以尺。以4565Hz的频率表为例，被的频率表为例，被测输入信号经微分得到的电流方向测输入信号经微分得到的电流方向是从上到下，经过偏置电路的电流是从上到下，经过偏置电路的电流是从下到上，调节偏置电路使偏置是从下到上，调节偏置电路使偏置电流平均值等于电流平均值等于45Hz时输入尖脉冲时输入尖脉冲电流的平均值，则机械零点

7、的频率电流的平均值，则机械零点的频率值就等于值就等于45Hz。选择指示电表的灵。选择指示电表的灵敏度使满度为敏度使满度为65Hz。 3、用振簧式频率表测量工频、用振簧式频率表测量工频 早期还常用振簧式频率表测量工频频率，振簧式早期还常用振簧式频率表测量工频频率，振簧式频率表是利用交流电磁铁吸引一排机械振动频率频率表是利用交流电磁铁吸引一排机械振动频率不同的簧片，簧片固有振动频率与电源频率相同不同的簧片，簧片固有振动频率与电源频率相同时，产生共振的簧片振幅最大，从窗口看，好像时，产生共振的簧片振幅最大，从窗口看，好像簧片顶端被拉长。可以从产生共振的簧片位置读簧片顶端被拉长。可以从产生共振的簧片位

8、置读出频率值。出频率值。 1.比较法比较法 将被测频率与标准频率相比较，通过检测差拍、将被测频率与标准频率相比较，通过检测差拍、李沙育图形或混频后的频率求得被测频率。李沙育图形或混频后的频率求得被测频率。差拍法李沙育图形测频率混频法2.无源测量法无源测量法 无源测量法是指测量电路不需要另加电源，直接无源测量法是指测量电路不需要另加电源，直接用被测信号进行测量如文氏电桥测频率用被测信号进行测量如文氏电桥测频率 和谐振回和谐振回路测频率。路测频率。14312211()()j1/j1 2XXXRRRCRCfRC12XfLC谐振回路测频率 文氏电桥测频率3.计数法计数法 计数法可适用于工频、低频与高频

9、，由于集成化计数法可适用于工频、低频与高频，由于集成化程度的提高，计数器电路体积小，价格便宜，几程度的提高，计数器电路体积小，价格便宜，几乎取代了所有其他形式的测频仪器。乎取代了所有其他形式的测频仪器。计数法测频率计数法测周期频率的定义：频率的定义： 单位时间单位时间(1秒秒)内周期性事件重复的次数，记为内周期性事件重复的次数，记为f。 若某一信号在若某一信号在T秒时间内重复变化了秒时间内重复变化了N次，则该信次，则该信号的频率为：号的频率为： fx=N/T 因此，对频率的测量需确定一个因此，对频率的测量需确定一个取样时间取样时间T，在，在该时间内对被测信号重复变化的次数累加计数，若该时间内对

10、被测信号重复变化的次数累加计数，若计计数值为数值为N，根据定义可得到被测信号频率值：，根据定义可得到被测信号频率值： fx=N/T T=NTx第二节第二节数字频率计的测量原理数字频率计的测量原理 将被测的周期性信号经过整形后形成的同周期的脉冲序将被测的周期性信号经过整形后形成的同周期的脉冲序列列fx，通过一个，通过一个“闸门闸门” 送入计数器，并由一个送入计数器，并由一个“门控门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。 与与门门T Tx xT TT Tx xT TA AB BC CN Nf fx xTNfx或或门门T Tx xT

11、TT Tx xT Tf fx xB BC CN NA ATNfx 硬件计数频率计其结构如下图所示，被测信号通硬件计数频率计其结构如下图所示，被测信号通过整形，转换为与被测信号频率相同的脉冲，然过整形，转换为与被测信号频率相同的脉冲，然后对脉冲进行计数，也就是把频率测量转换为脉后对脉冲进行计数，也就是把频率测量转换为脉冲个数的测量。计数器可选用专用的集成电路，冲个数的测量。计数器可选用专用的集成电路，外围再配上显示器、放大整形以及电源电路即可外围再配上显示器、放大整形以及电源电路即可组成频率计。组成频率计。 (1)输入通道输入通道 输入通道包括放大、整形电路。各种被测信号输入通道包括放大、整形电

12、路。各种被测信号(如正弦如正弦波、三角波、锯齿波等波、三角波、锯齿波等)经过放大、整形后转换成矩形经过放大、整形后转换成矩形脉冲信号，然后在主闸门的控制下进入十进制计数器。脉冲信号，然后在主闸门的控制下进入十进制计数器。 (2)时间基准电路时间基准电路 由晶体振荡器和分频器组成。石英晶体振荡器产生稳由晶体振荡器和分频器组成。石英晶体振荡器产生稳定的时钟信号，经过分频后可以得到一系列周期已知定的时钟信号，经过分频后可以得到一系列周期已知的标准信号。这些信号可以作为计数器的标准计数脉的标准信号。这些信号可以作为计数器的标准计数脉冲冲(填充脉冲填充脉冲)，也可以作为各种时间基准，控制计数器，也可以作

13、为各种时间基准，控制计数器的门电路。的门电路。 (3)控制电路控制电路 控制电路在所选择的基准时间内打开主闸门，允许整控制电路在所选择的基准时间内打开主闸门，允许整形后的被测脉冲信号输入到计数器中。形后的被测脉冲信号输入到计数器中。 (4)计数器和显示器计数器和显示器 对控制门输出的信号进行计数，并显示计数值。对控制门输出的信号进行计数，并显示计数值。通用计数器一般都具有通用计数器一般都具有测频测频和和测周测周两种方式。基本两种方式。基本 组成组成如图所示。如图所示。通用计数器的基本组成和工作方式通用计数器的基本组成和工作方式如图中如图中A输入端输入端(fA=fx)，晶振标准频率，晶振标准频率

14、fc信号接到信号接到B输入端输入端(fB=fc)，则计数器工作在测频方式，此时：，则计数器工作在测频方式，此时：cxNffm若将被测信号若将被测信号fx接到图中接到图中B输入端输入端(即即fB=fx)，晶振标准频率，晶振标准频率fc信号接到信号接到A输入端输入端(即即fA=fc)，则称计数器工作在测周方式，此，则称计数器工作在测周方式，此时，时，xcNTmf理论上讲测量频率与测量周期是等效的，但从实际测量来看，理论上讲测量频率与测量周期是等效的，但从实际测量来看，通用计数器工作在测频方式和工作在测周方式，其测量误差通用计数器工作在测频方式和工作在测周方式，其测量误差和范围都不一样。和范围都不一

15、样。1.软件计数频率计的结构软件计数频率计的结构 软件计数是指用单片机软件进行计数而构成的频软件计数是指用单片机软件进行计数而构成的频率计，它由单片机，以及外围配置的显示器件、率计，它由单片机，以及外围配置的显示器件、放大整形、电源等电路组成。放大整形、电源等电路组成。2.软件计数频率计的工作原理软件计数频率计的工作原理 整形放大：将任意波形的被测信号，转换为前沿整形放大：将任意波形的被测信号，转换为前沿陡峭的脉冲，以利计数。陡峭的脉冲，以利计数。 计数：由单片机内部的计数单元完成，每当被测计数：由单片机内部的计数单元完成，每当被测信号从低到高变化时，将计数器加信号从低到高变化时，将计数器加

16、1，并由内部，并由内部时钟计时，每一秒所计的变化次数，就等于被测时钟计时，每一秒所计的变化次数，就等于被测信号的频率。信号的频率。 数码转换与显示：读出的频率值由软件将它转换数码转换与显示：读出的频率值由软件将它转换为七段码，送为七段码，送LED数码管显示。数码管显示。1. 秒信号时间不准造成的误差：秒信号时间不准造成的误差： 由于电子数字频率计是把规定的一秒钟内所计的由于电子数字频率计是把规定的一秒钟内所计的信号个数作为频率，如果秒信号本身不准确，必信号个数作为频率，如果秒信号本身不准确，必然造成计数误差。然造成计数误差。2.触发误差：触发误差： 由于干扰造成计数器的误触发所产生的误差。由于

17、干扰造成计数器的误触发所产生的误差。3.量化误差：量化误差： 计数闸门开启时间不刚好是被测信号周期的整数计数闸门开启时间不刚好是被测信号周期的整数倍，而且脉冲到达时刻不刚好是闸门开启时刻，倍，而且脉冲到达时刻不刚好是闸门开启时刻，因此在相同的开启时间内，可能会有正负一个数因此在相同的开启时间内，可能会有正负一个数的误差。的误差。量化误差示意图量化误差示意图 计数闸门开启时间计数闸门开启时间不刚好是被测信号周期不刚好是被测信号周期的整数倍造成的量化误的整数倍造成的量化误差。差。 在时间在时间 T 内脉冲个内脉冲个数为数为7.5,测出数可能为测出数可能为6。 计数开始不刚好是第计数开始不刚好是第一

18、个脉冲到达时刻，造成一个脉冲到达时刻，造成的量化误差。的量化误差。 在时间在时间 T 内，被测脉内，被测脉冲个数为冲个数为7，测出数可能，测出数可能为为5。第三节第三节 E312系列数字频率系列数字频率一、频率计数器专用集成电路一、频率计数器专用集成电路ICM7226B二、由二、由ICM7226B组成的组成的E312X系列数字频率计电系列数字频率计电路路第四节第四节 相位的测量方法相位的测量方法一、相位含义一、相位含义 相位一般是指两个同频率波形，过零点的时间差。相位一般是指两个同频率波形，过零点的时间差。而在工业供电系统中通常指电压、电流两波形过而在工业供电系统中通常指电压、电流两波形过零点

19、的时间差。因为一个电压、电流过零点的时零点的时间差。因为一个电压、电流过零点的时间差角，对应一个该角的余弦即功率因数，所以间差角，对应一个该角的余弦即功率因数，所以工业上测量相位角，与测量功率因数都可称为相工业上测量相位角，与测量功率因数都可称为相位测量。位测量。二、测量相位方法二、测量相位方法 1.直接法：可用指示仪表，例如变换式、电动式或直接法：可用指示仪表，例如变换式、电动式或数字式相位表进行测量。数字式相位表进行测量。 2.间接法：通过测量电压、电流、功率求得间接法：通过测量电压、电流、功率求得I、U间的相位角。间的相位角。 3.比较法：可以用示波器测量两个波形间的相位差。比较法：可以

20、用示波器测量两个波形间的相位差。 变换式相位表由电压回路、电流回路和指示电路变换式相位表由电压回路、电流回路和指示电路三部分构成，通过检流计的电流三部分构成，通过检流计的电流 式中式中U0、U1值与值与u、I 相位差有关。因此可根据检相位差有关。因此可根据检流计的电流值测得相位差。流计的电流值测得相位差。121212UUIIIRR1、当、当 u、i 同相时变换式相位表波形同相时变换式相位表波形1、当、当 u、i 同相时变换式相位表波形同相时变换式相位表波形156125162151162 1.VD VD 2. VD VD 3. VD VDuUUiUiUuiUuiU只有 正半波，才能有电流通过、形

21、成压降、如图中红线所示。的正半波可以在上形成压降， 的负半波可以在上形成压降，如图中黑线所示。同相时，由 、 在上的压降的平均值，等于 、 在上的压降的平均值，因此通过检流计的电流平均值为零，对应相位差示值为零。2、当、当 u、i 相位差为相位差为 90时变换式相位表波形时变换式相位表波形15612516215116212 1. VDVD VD VD 2. 90 VD VD,90 uUUiUiUuiUuiUUU正半波，有电流通过、形成压降、如图中红线所示。 的正半波可以在上形成压降，的负半波可以在上形成压降如图中黑线所示。相位差为时，、在上的压降，比、在上的压降大一倍 通过检流计的电流平均值不

22、为零。其示值对应相位差为，由于、为稳压管压降 ，1ui、 同时在上面形成的压降并不比单独形成的大。 u、i 同相时同相时： 通过电表的电流平均值为零。在整个周期内，指通过电表的电流平均值为零。在整个周期内，指针都停在零点。针都停在零点。 u、i 相位差为相位差为90时时： 通过电表的电流平均值最大，电表指针将停在最通过电表的电流平均值最大，电表指针将停在最大位置。大位置。 u、i 相位差不同相位差不同： 电表指针将停在不同位置。电表指针将停在不同位置。通过表头的电流可反映通过表头的电流可反映 u、i间的相位间的相位第五节第五节电动系相位表电动系相位表 采用比率型结构，两个可动线圈在空间错开采用

23、比率型结构，两个可动线圈在空间错开角。角。无工作时呈随遇平衡状态。适当配置无工作时呈随遇平衡状态。适当配置L1、R1， 可可使指针即可动线圈使指针即可动线圈A的轴线位置与标尺中心夹角的轴线位置与标尺中心夹角等于被测等于被测U、I 间的相位角。间的相位角。 按接线图，两可动线圈所受力矩分别为：按接线图，两可动线圈所受力矩分别为：111111222222 coscos( ) coscos() cos()cos( ) cos()cosMk I II Ik I IMk I II Ik I I121221121 ,coscos cos()cos() ( ) cos MMkkIIIIUI当时 可动部分平衡

24、 并考虑可动线圈的结构基本相同可认为联立求解得配置电路阻抗，使为与的相位差，为两个可动线圈的夹角 ，可得如果按相位角刻度，则分度均匀，如按刻度，分度将是不均匀的。 电动系三相相位表与电动系单相相位表的结构完电动系三相相位表与电动系单相相位表的结构完全相同，只是两个可动线圈所连接的元件不同，全相同，只是两个可动线圈所连接的元件不同，单相相位表接单相相位表接R、L元件，而三相相位表两路都是元件，而三相相位表两路都是接电阻，分别为：接电阻，分别为：R1、R2 。 电动系三相相位表只适用于负载对称的三相三线电动系三相相位表只适用于负载对称的三相三线制，使用时可动线圈制，使用时可动线圈B1通过电阻通过电

25、阻R1接接A、B相，可相，可动线圈动线圈B2不接电感而是通过电阻不接电感而是通过电阻R2接接A、C相。从相。从相量图可知：相量图可知：1221 30 30cos(30)cos cos()cos(30) F()I II III指针偏转角指针偏转角 是相位角是相位角 的函数，指针位置可直接反映的函数，指针位置可直接反映相位角。相位角。 相位的数字化测量主要采用过零鉴相法相位的数字化测量主要采用过零鉴相法过零鉴相法测量相位的原理框图过零鉴相法测量相位的原理框图相位的数字化测量过零鉴相法测量相位的波形图过零鉴相法测量相位的波形图 设两个同频率信号的周期为设两个同频率信号的周期为 T ，相位差为，相位差

26、为 x ，两信号波形过零点的时间差为，两信号波形过零点的时间差为 Tx ，则存在下列关系式则存在下列关系式xxTT0360所以所以 0360TTxx相位-时间式数字相位计相位相位-时间式相位计框图时间式相位计框图 标准脉冲数标准脉冲数 xxTfTTN000设信号设信号u1和和u2的周期为的周期为 T ，则有：，则有： 0360 xxTT将将TxTx代入，得：代入，得：TfNx000360相位相位-时间式相位计波形图时间式相位计波形图 TTW2xxfTTfTTWNN00200202360360令令 ，则，则 020/36010nT fxnN102第六节第六节整步表整步表 由固定线圈由固定线圈A1

27、、A2、A3和一个可动的和一个可动的Z形铁心组形铁心组成，成，A做成圆筒状套在轴套做成圆筒状套在轴套C上，上，A2、A3做成方扁做成方扁形，互成形，互成90夹角套在夹角套在A的外面。转轴可在轴套的外面。转轴可在轴套中转动，在转轴的上、下两端，各固定一个扇形中转动，在转轴的上、下两端，各固定一个扇形铁片铁片D、两铁片、两铁片Z字形，铁片受力时可带动轴和指字形，铁片受力时可带动轴和指针旋转。针旋转。 测量时，将线圈测量时，将线圈A串接一电阻串接一电阻R，接在已在运行的，接在已在运行的发电机或电网的发电机或电网的A、B相上。令电阻数值远大于线相上。令电阻数值远大于线圈圈A的感抗，可认为线圈的感抗，可

28、认为线圈A是一个电阻性电路，电是一个电阻性电路，电压与电流同相。线圈压与电流同相。线圈A2、A3分别与分别与R1、R3串联，串联，然后与电阻然后与电阻R2接成一个不对称星形，接在待并发接成一个不对称星形，接在待并发电机的电机的A、B、C三相上，电路连接如图三相上，电路连接如图 . 标尺上只注明标尺上只注明“快快”、“慢慢”和一条红色的同步和一条红色的同步点，当待并发电机的频率比电网频率高时，指针点，当待并发电机的频率比电网频率高时，指针将顺时针旋转，表示待并发电机的转速偏快。待将顺时针旋转，表示待并发电机的转速偏快。待并发电机的频率比电网频率低时，指针将逆时针并发电机的频率比电网频率低时，指针

29、将逆时针旋转，表示待并发电机的转速偏慢。，待并发电旋转，表示待并发电机的转速偏慢。，待并发电机与电网的相位差越大，指针离红点也越远，指机与电网的相位差越大，指针离红点也越远，指针偏离红点同时反映了两个频率和相位的差异针偏离红点同时反映了两个频率和相位的差异 扫频仪、频谱仪扫频仪、频谱仪 功能：观测各种电路频率特性曲线，并可以测算功能：观测各种电路频率特性曲线，并可以测算出被测电路频带宽度、品质因数、电压增益、输出被测电路频带宽度、品质因数、电压增益、输入输出阻抗及传输线特性阻抗等参数。入输出阻抗及传输线特性阻抗等参数。 幅频特性曲线测量方法：点频测量法、扫频测量幅频特性曲线测量方法：点频测量法

30、、扫频测量法。法。点频测量法点频测量法：由人工逐次改变输入正弦信号的频：由人工逐次改变输入正弦信号的频率，逐点记录对应频率的输出信号幅度而得到幅率，逐点记录对应频率的输出信号幅度而得到幅频特性曲线。频特性曲线。扫频测量法：扫频测量法：利用扫频仪对频率特性曲线进行测利用扫频仪对频率特性曲线进行测量的方法。量的方法。 扫频仪组成：在示波器扫频仪组成：在示波器XY方式基础上，增加扫方式基础上，增加扫描信号源、扫频信号源、检波探头。描信号源、扫频信号源、检波探头。（1）扫描信号源）扫描信号源 作用：产生扫描电压作用：产生扫描电压u1、扫频起停控制信号、扫频起停控制信号u2。u1除用于示波器水平扫描外，

31、还是扫频信号除用于示波器水平扫描外，还是扫频信号u3的的频率调制信号。频率调制信号。 U2：控制扫频信号源在扫描正程时振荡，以在荧：控制扫频信号源在扫描正程时振荡，以在荧光屏上得到幅频特性曲线；扫描回程时使扫频信光屏上得到幅频特性曲线；扫描回程时使扫频信号源停止振荡，以在荧光屏上得到一条水平基线。号源停止振荡，以在荧光屏上得到一条水平基线。X放大器扫描信号源扫频信号源被测电路检波探头Y放大器频标信号形成电路混频器晶振u2u1u1u3u4u5（a）（b）tttttu1u2u3u4u5图5.1 扫频仪的基本组成框图及工作波形（2）扫频信号源）扫频信号源 作用：在作用：在u1、u2控制下产生频率随控

32、制下产生频率随u1电压增大而电压增大而升高的扫频信号升高的扫频信号u3，并输出，并输出u3给被测电路。给被测电路。（3）检波探头）检波探头 作用：对被测电路输出进行峰值检波，并将检波作用：对被测电路输出进行峰值检波，并将检波输出信号送往输出信号送往Y放大器。放大器。（4）频标产生电路）频标产生电路 作用：产生进行频率标度的频标信号，以便读出作用：产生进行频率标度的频标信号，以便读出各点对应的频率值。各点对应的频率值。（5）Y放大器放大器 作用：对检波输出信号进行放大、处理。作用：对检波输出信号进行放大、处理。 方法：磁调电感法、方法：磁调电感法、YIG（钇铁石榴石）谐振法、（钇铁石榴石）谐振法

33、、变容二极管法等。变容二极管法等。 变容二极管法：由变容二极管法：由V1等组成电容三点式振荡器，等组成电容三点式振荡器，VD1、VD2与与L1、L2及及V1的结电容组成振荡回路，的结电容组成振荡回路，C1为隔直电容，为隔直电容，L3为高频扼流圈。调制信号经为高频扼流圈。调制信号经L3同时加至变容管同时加至变容管VD1、VD2的两端，当调制电压随的两端，当调制电压随时间作周期性变化时，时间作周期性变化时，VD1、VD2结电容的容量也结电容的容量也随之变化，从而使振荡器产生扫频信号。随之变化，从而使振荡器产生扫频信号。 L1L2R1R2C1VD1VD2L3R3V1+EC调制信号扫频信号图5.3 变

34、容二极管法扫频振荡器原理图 频标分类：菱形频标和针形频标。频标分类：菱形频标和针形频标。1. 菱形频标菱形频标 工作原理：工作原理：对扫频信号与标准信号的基波、谐波进对扫频信号与标准信号的基波、谐波进行混频而得到行混频而得到“零差频零差频”的菱形频标。设标准信号频的菱形频标。设标准信号频率为率为fs，则谐波信号源输出信号频率为基波，则谐波信号源输出信号频率为基波fs及各次谐及各次谐波波fs1、fs2、fs3、fs4、fs5、。扫频信号与谐波信号。扫频信号与谐波信号源输出信号经混频器混频后，再经低通滤波输出差频源输出信号经混频器混频后，再经低通滤波输出差频信号，由此得到一系列零差频点。例如在信号

35、，由此得到一系列零差频点。例如在f=fs1处差频处差频为零，而为零，而f在在fs1点附近差频越来越大，由于低通滤波器点附近差频越来越大，由于低通滤波器的选通性，在靠近零差频点的幅度最大，两边信号幅的选通性，在靠近零差频点的幅度最大，两边信号幅度迅速衰减，于是在度迅速衰减，于是在f=fs1处形成处形成“菱形频标菱形频标”。 适应性：高标准信号源适应性：高标准信号源2. 针形频标针形频标 工作原理：利用菱形差频信号触发单稳触发器，工作原理：利用菱形差频信号触发单稳触发器，使之输出一窄脉冲，窄脉冲经整形后再与幅频特性使之输出一窄脉冲，窄脉冲经整形后再与幅频特性曲线在曲线在Y放大器中叠加，最后出现在幅

36、频特性曲线放大器中叠加，最后出现在幅频特性曲线上。上。 适应性：低频测量。适应性：低频测量。 标准信号源谐波信号源扫频信号源被测电路检波探头频标混频低通滤波Y放大器（b）（a）图5.4 菱形频标产生原理fsfs1、fs2、fs3、fs4、fs5fs1fs2fs3fs4fs5fs1fs2fs3fs4fs51. 有效扫频宽度和中心频率有效扫频宽度和中心频率 有效扫频宽度：在扫频线性和振幅平稳性能符合有效扫频宽度：在扫频线性和振幅平稳性能符合要求的前提下，一次扫频能达到的最大频率覆盖范要求的前提下，一次扫频能达到的最大频率覆盖范围，即围，即f=fmaxfmin 扫频信号中心频率：扫频信号从低频到高频

37、之间扫频信号中心频率：扫频信号从低频到高频之间中心位置的频率，定义式为：中心位置的频率，定义式为：f0=(fmax+fmin)/2 相对扫频宽度：有效扫频宽度与中心频率之比。相对扫频宽度：有效扫频宽度与中心频率之比。 通常把通常把f远小于信号中心频率的扫频信号称为窄远小于信号中心频率的扫频信号称为窄带扫频，带扫频，f和中心频率可以相比拟的称为宽带扫频。和中心频率可以相比拟的称为宽带扫频。2. 扫频线性扫频线性 扫频线性：扫频信号的瞬时频率和调制信号电压扫频线性：扫频信号的瞬时频率和调制信号电压瞬时值之间的线性关系。瞬时值之间的线性关系。3. 振幅平稳性振幅平稳性 扫频信号的振幅平稳性通常用它的

38、寄生调幅来表扫频信号的振幅平稳性通常用它的寄生调幅来表示，寄生调幅越小，振幅平稳性越好。示，寄生调幅越小，振幅平稳性越好。 主要特点：扫频宽度和中心频率均可在主要特点：扫频宽度和中心频率均可在1MHz300MHz内连续调节；设置有直流电源输出，以方便对内连续调节；设置有直流电源输出，以方便对VHF频段高频头的测试；具有点频信号输出，可作为一频段高频头的测试；具有点频信号输出，可作为一般信号发生器使用。般信号发生器使用。中心频率中心频率扫频频偏扫频频偏扫频非线性系数扫频非线性系数扫频信号输出电压扫频信号输出电压 扫频信号输出阻抗扫频信号输出阻抗 寄生调幅系数寄生调幅系数输出衰减输出衰减频标频标Y

39、轴输入衰减轴输入衰减Y轴输入灵敏度轴输入灵敏度 辅助电压输出辅助电压输出 38MHz输出电压输出电压2.2 工作原理工作原理 组成：扫频信号发生器、频标发生器、显示器、组成：扫频信号发生器、频标发生器、显示器、38MHz信号发生器及电源。信号发生器及电源。图5.5 AH1254型宽带扫频仪组成框图定频振荡器混频器扫频振荡器稳幅放大器宽带放大器衰减器Y轴放大器线性频率变换器高频电压产生器频标发生器X轴放大器CRT方波、三角波发生器电源变压器稳压电源38MHz信号发生器扫频输出Y轴输入38MHz输出15V、12V+18V、+24V+40V检波器扫频信号发生器图5.6 AH1254B型扫频仪前面板图

40、电源亮度旋钮电源亮度旋钮 Y轴位移旋钮轴位移旋钮影像极性开关影像极性开关中心频率旋钮中心频率旋钮频率偏移旋钮频率偏移旋钮 输出衰减旋钮输出衰减旋钮Y轴衰减开关轴衰减开关频标增益旋钮频标增益旋钮外接输入插座外接输入插座 射频输出射频输出 AGC旋钮旋钮 38MHz输出插座输出插座“、AFT、AGC、+12V”插孔插孔 频标选择（频标选择（MHz）开关）开关AFT旋钮旋钮Y轴输入插座轴输入插座Y轴增益旋钮轴增益旋钮扫频仪后面板上的开关旋钮及插座：扫频仪后面板上的开关旋钮及插座：X轴增益电位器轴增益电位器 X轴位移电位器轴位移电位器工作选择开关工作选择开关1. 检查、校正检查、校正仪器使用之前检查电

41、源电压。仪器使用之前检查电源电压。调节辉度、聚焦旋钮。调节辉度、聚焦旋钮。检查仪器内部频标部分。检查仪器内部频标部分。检查扫频范围。检查扫频范围。频偏的检查。频偏的检查。检查扫频信号寄生调幅系数。检查扫频信号寄生调幅系数。检查扫频信号的非线性系数。检查扫频信号的非线性系数。检查扫频输出电压。检查扫频输出电压。2. 使用方法与注意事项使用方法与注意事项测试时注意输出、输入电缆和输入检波探头的接测试时注意输出、输入电缆和输入检波探头的接线尽量短，探头探针不应再接另外接线。线尽量短，探头探针不应再接另外接线。测试带有检波输出的被测设备时，可直接用输入测试带有检波输出的被测设备时，可直接用输入电缆连接

42、到电缆连接到Y轴输入端。如果被测设备带有直流电轴输入端。如果被测设备带有直流电位，位，Y轴输入应选择轴输入应选择AC耦合方式，以免损坏仪器。耦合方式，以免损坏仪器。如需要特殊的频率标记，可选择外频标，在外频如需要特殊的频率标记，可选择外频标，在外频标插座上加上所需的频率信号，此信号应大于标插座上加上所需的频率信号，此信号应大于50mV有效值。有效值。 连接扫频仪与被测电路，并根连接扫频仪与被测电路，并根据被测电路的工作频率及测试条据被测电路的工作频率及测试条件，调节扫频仪面板上有关开关件，调节扫频仪面板上有关开关旋钮，如旋钮，如“中心频率中心频率”、“输出输出衰减衰减”等获得幅频特性曲线。等获

43、得幅频特性曲线。 BT3C型扫频仪的输出特性型扫频仪的输出特性阻抗为阻抗为75，如被测电路输入阻，如被测电路输入阻抗也为抗也为75，可用同轴电缆将扫，可用同轴电缆将扫频信号输出端连到被测电路输入频信号输出端连到被测电路输入端。否则，应加阻抗匹配电路。端。否则，应加阻抗匹配电路。被测电路 图5.9 扫频仪与被测电路的连接扫频输出Y轴输入1. 增益增益调节好幅频特性后，用粗、细调衰减器控制扫频调节好幅频特性后，用粗、细调衰减器控制扫频信号电压幅度，使其符合电路要求的输入信号幅度，信号电压幅度，使其符合电路要求的输入信号幅度，注意衰减器的总衰减量应不大于放大器设计的总增注意衰减器的总衰减量应不大于放

44、大器设计的总增益。若显示器的幅频高度为益。若显示器的幅频高度为H，输出衰减为，输出衰减为B1(dB)，将检波探头与扫频输出端短接，改变将检波探头与扫频输出端短接，改变“输出衰减输出衰减”，使幅频高度仍为使幅频高度仍为H，此时输出衰减的读数若为，此时输出衰减的读数若为B2(dB)，则该放大器增益为：，则该放大器增益为：A=(B2B1) (dB)注意，在得到衰减量注意，在得到衰减量B1读数后，应保持扫频仪的读数后，应保持扫频仪的“Y轴增益轴增益”旋钮位置不变；否则，测量结果不准旋钮位置不变；否则，测量结果不准确。确。2. 带宽带宽对于宽带电路，可以直接用扫频仪的内频标，方便地对于宽带电路，可以直接

45、用扫频仪的内频标，方便地显示和读出频率特性曲线的宽度，为了更准确地测量，显示和读出频率特性曲线的宽度，为了更准确地测量，有时也使用外频标。有时也使用外频标。对于窄带调谐电路，由图形曲线看出谐振频率对于窄带调谐电路，由图形曲线看出谐振频率f0。使。使扫频仪输出衰减置于扫频仪输出衰减置于3dB处，调整处，调整Y增益，使图形峰点增益，使图形峰点与荧光屏上某一水平刻度线（虚与荧光屏上某一水平刻度线（虚线线AA ）相切，然后使扫频信）相切，然后使扫频信号输出电压增加号输出电压增加3dB，曲线与，曲线与虚线虚线AA相交，两交点所对应相交，两交点所对应的频率即为上下限频率的频率即为上下限频率fH、fL。则带

46、宽为则带宽为BW=fHfL。AAfLfHf0图5.10单调谐回路带宽的测量3. 回路回路Q值值 在用外接频标测出回路的谐振频率在用外接频标测出回路的谐振频率f0和和fH、fL后，后，回路回路Q值的计算：值的计算：Q=f0/BW3.3 高频阻抗的测量高频阻抗的测量1. 输入阻抗和输出阻抗的测量输入阻抗和输出阻抗的测量Y轴输入扫频输出RP1RP2被测网络图5.11 测量输入、输出电阻的连接示意图AA/2（b）（a）先将先将RP1短路、短路、RP2断开，调节有关开关旋钮，使显示幅断开，调节有关开关旋钮，使显示幅频特性曲线高度为频特性曲线高度为A格。撤去格。撤去RP1上的短路线，调节上的短路线，调节R

47、P1直至直至显示曲线高度为显示曲线高度为A/2格，则格，则RP1的电阻即为被测电路的输入电的电阻即为被测电路的输入电阻。阻。将将RP1重新短路，使曲线高度仍为重新短路，使曲线高度仍为A格，接通格，接通RP2并调节其并调节其值直至曲线高度为值直至曲线高度为A/2格，则格，则RP2的电阻值即为被测电路的输的电阻值即为被测电路的输出阻抗。出阻抗。2. 传输线特性阻抗的测量传输线特性阻抗的测量 Y轴输入扫频输出RP被测传输线图5.12 测量传输线特性阻抗的连接示意图 调节可变电阻调节可变电阻RP直至显示波形为一平坦直线，直至显示波形为一平坦直线，此时此时RP的电阻值即为传输线的特性阻抗。的电阻值即为传

48、输线的特性阻抗。 作用：用于信号频谱分析，以及用于放大器谐波作用：用于信号频谱分析，以及用于放大器谐波失真、信号发生器频谱纯度、系统频率特性分析。失真、信号发生器频谱纯度、系统频率特性分析。 分类：数字式和模拟式。模拟式频谱仪分为顺序分类：数字式和模拟式。模拟式频谱仪分为顺序滤波式、扫频外差式等，主要用于射频段和微波频滤波式、扫频外差式等，主要用于射频段和微波频段。数字式频谱仪主要用于低频段和超低频段。段。数字式频谱仪主要用于低频段和超低频段。 1. 顺序滤波式顺序滤波式 基本原理：利用一系列窄带滤波器，依次选取被测信号中不同频率分量的信号，并借助于扫描电压，将不同频率分量的幅度并排显示在荧光

49、屏上，得到被测信号的频谱图。 特点：需要大量高稳定度的窄带滤波器。 窄带滤波器窄带滤波器门电路峰值检波器Y放大器扫描电路窄带滤波器门电路门电路X放大器uxfx图5.13 顺序滤波式频谱仪原理图2. 扫频外差式扫频外差式 工作原理：被测信号经衰减器进入频谱仪后与扫频工作原理：被测信号经衰减器进入频谱仪后与扫频信号混频得到中频信号。中频信号经中频放大、峰值信号混频得到中频信号。中频信号经中频放大、峰值检波、视频滤波，以及检波、视频滤波，以及Y放大器放大等，送至示波管放大器放大等，送至示波管Y偏转板以显示对应频率分量的频谱幅度。该分量的偏转板以显示对应频率分量的频谱幅度。该分量的频率频率fx为：为：

50、fxfsfI （51）图5.14 扫频外差式频谱仪组成框图（b）（a）混频器中频放大器Y放大器扫频振荡器锯齿波扫描电路X放大器uifx对数放大器中频滤波器检波器视频滤波器衰减器 原理：由于扫频信号的频率是连续变化的，所以原理：由于扫频信号的频率是连续变化的，所以被测信号中符合式（被测信号中符合式（51）关系的频率分量均可显示，）关系的频率分量均可显示，显示幅度与该频率分量的大小成正比。由于锯齿波显示幅度与该频率分量的大小成正比。由于锯齿波扫描电压也是扫频振荡器调制电压，所以亮点相对扫描电压也是扫频振荡器调制电压，所以亮点相对起始点的水平距离与频率成正比，使被测信号的频起始点的水平距离与频率成正

51、比，使被测信号的频谱图显示在荧光屏上。谱图显示在荧光屏上。 特点：与顺序滤波式频谱仪相比，扫频外差式频特点：与顺序滤波式频谱仪相比，扫频外差式频谱仪只需一个窄带滤波器，而中频放大器即起到窄谱仪只需一个窄带滤波器，而中频放大器即起到窄带滤波器的作用。带滤波器的作用。各部分的作用：各部分的作用：输入衰减器输入衰减器 ：除了对输入信号进行衰减以保护混：除了对输入信号进行衰减以保护混频器及其他电路外，还起到与输入设备阻抗匹配的作频器及其他电路外，还起到与输入设备阻抗匹配的作用以实现功率测量。用以实现功率测量。混频器：用于对扫频信号和被测信号进行混频以实混频器：用于对扫频信号和被测信号进行混频以实现信号

52、的频谱搬移得到频谱分量。现信号的频谱搬移得到频谱分量。中频滤波器：用于分辨不同频率的信号。中频滤波器：用于分辨不同频率的信号。检波器：负责将输入信号转换为电压值与频率分量检波器：负责将输入信号转换为电压值与频率分量大小相对应的视频电压。大小相对应的视频电压。视频滤波器：对检波器的输出进行低通滤波。视频滤波器：对检波器的输出进行低通滤波。对数放大器：放大对数放大器：放大“对数化对数化”后输出信号的幅度以后输出信号的幅度以提高测量灵敏度。提高测量灵敏度。输入衰减器前置放大器低通滤波器混频器选频放大器中频衰减器中频放大器线性放大器对数放大器数字频率计扫频振荡器校准信号电压表检波器对数校准RP2RP3

53、中频输出线性校准RP1fxfIfsui直流输出图5.15 BP28型音频频谱仪原理框图1. 频率范围频率范围:达到仪器规定性能指标时被测信号的达到仪器规定性能指标时被测信号的频率范围，取决于扫频振荡器的频率范围。频率范围，取决于扫频振荡器的频率范围。2. 扫频宽度扫频宽度:频谱仪在一次测量过程中显示的频率频谱仪在一次测量过程中显示的频率范围。范围。 全景频谱仪全景频谱仪:扫频宽度很宽的频谱仪，可观测到信扫频宽度很宽的频谱仪，可观测到信号频谱的全貌。号频谱的全貌。 分析时间分析时间:扫频振荡器扫描完整个扫频宽度所需要扫频振荡器扫描完整个扫频宽度所需要的时间。的时间。 扫频速度扫频速度:扫频宽度与

54、分析时间之比。扫频宽度与分析时间之比。3. 频率分辨力频率分辨力:频谱仪能够分辨的最小谱线间隔。频谱仪能够分辨的最小谱线间隔。 频率分辨力取决于频谱仪的分辨率带宽。频率分辨力取决于频谱仪的分辨率带宽。 分辨率带宽与中频滤波器、扫频振荡器等有关。分辨率带宽与中频滤波器、扫频振荡器等有关。静态分辨力静态分辨力:扫频速度为零时，滤波器静态幅频特扫频速度为零时，滤波器静态幅频特性曲线的性曲线的3dB带宽。带宽。动态分辨力动态分辨力:在扫频速度不为零（扫频工作）时，在扫频速度不为零（扫频工作）时，滤波器动态幅频特性曲线的滤波器动态幅频特性曲线的3dB带宽。带宽。4. 动态范围动态范围:表征分析大、小信号

55、频谱的能力。表征分析大、小信号频谱的能力。5. 灵敏度灵敏度：在一定分辨带宽下所显示的平均噪声电：在一定分辨带宽下所显示的平均噪声电平。表征频谱仪发现小信号的能力。与分辨率带宽、平。表征频谱仪发现小信号的能力。与分辨率带宽、视频带宽、衰减器设值有关。视频带宽、衰减器设值有关。1. 扫频宽度的选择扫频宽度的选择 扫频宽度应根据被测信号的频谱宽度进行选择。扫频宽度应根据被测信号的频谱宽度进行选择。2. 带宽的选择带宽的选择 静态分辨力静态分辨力Bq越高（数值越小），要求扫频宽度越高（数值越小），要求扫频宽度越窄；反之，变宽。越窄；反之，变宽。3. 扫频速度的选择扫频速度的选择 当扫频宽度与静态分辨

56、力选定后，扫频速度的选当扫频宽度与静态分辨力选定后，扫频速度的选择以获得较高的动态分辨力为准则。同时还应合理择以获得较高的动态分辨力为准则。同时还应合理处理动态分辨力与分析时间的矛盾。处理动态分辨力与分析时间的矛盾。 1. 主要性能指标主要性能指标（1）频率性能指标）频率性能指标频率范围频率范围 频率分辨力频率分辨力中心频率调节范围中心频率调节范围扫频宽度范围扫频宽度范围分辨率带宽分辨率带宽视频滤波器带宽视频滤波器带宽（2）幅度性能指标）幅度性能指标 幅度范围幅度范围显示显示参考电平范围参考电平范围（3）输入）输入/输出输出连接器连接器输入阻抗、输出阻抗输入阻抗、输出阻抗最大持续射频最大持续射频最大直流输入电压最大直流输入电压音频输出端音频输出端输