电子测量技术-频域测量

1、在示波管显示图形的在示波管显示图形的水平方向水平方向为为被测信号的被测信号的频率频率，垂直方向垂直方向为被测信号的为被测信号的幅度幅度，其频，其频率特性是连续变化的。率特性是连续变化的。（2）列表列表fi(MHz) 2.32 4.326.327.328.329.3210.3212.3214.32VO(V)0.57 0.821.422.102.512.101.420.820.57VO(V)0.51.01.52.00fi(MHz)8.32 fo（4）特点特点测量次数多测量次数多测测量时间长量时间长能反映相邻点频能反映相邻点频率突变的情况率突变的情况若改变一个若改变一个元器件参数，又要重测一次。元器

2、件参数，又要重测一次。所以点频测量法所以点频测量法只适只适合要求不高的场合合要求不高的场合。（1）调调信号发生器的信号发生器的频率频率，用电压表或示波器测被用电压表或示波器测被测测电路输出端的电路输出端的电压。电压。信号发生器信号发生器Y1Y2示波器示波器 被测电路被测电路（3）作图作图被测电路被测电路VCO锯齿波发生器锯齿波发生器Y1Y2示波器示波器 fV框图中框图中三部分三部分是扫频仪重要部件是扫频仪重要部件（4）特点：特点：实现半自动实现半自动快速快速测测量量可可边测边调边测边调以达规定指标以达规定指标可可迅速迅速判断元器件判断元器件对频率特性的影响对频率特性的影响反映的频率特性反映的频

3、率特性全面全面无间隙无间隙配配合其他设备可对产品进行合其他设备可对产品进行监控监控。 扫频信号发生器是扫频仪的重要部件，实质是扫频信号发生器是扫频仪的重要部件，实质是V/F（电压（电压/频率）频率）转换器转换器，将，将线性线性锯齿波电压锯齿波电压转换转换成频率成频率（如图如图所示），并将其作为被测电路的输入信号源。所示），并将其作为被测电路的输入信号源。7.1.2 扫频仪的关键部件扫频仪的关键部件VCOVt0ftf0VmaxVminfmaxfmin扫频波产生方法扫频波产生方法1、PN结电容结电容tf0扫频波扫频波fminfmaxfmaxjQLCf1210特点：特点：反压越反压越大大PNPN结越

4、宽电结越宽电容越小，反而容越小，反而亦之。亦之。TjUKC(=（7.1.1）nU1)- -常数常数内电场内电场外电场外电场常数常数频率范围频率范围minmax121121jjLCfLC二极管电容二极管电容特性特性图图7.1.6cUCmaxCmin+U7.1.2 扫频仪的关键部件扫频仪的关键部件等等效效0jjQLCCvV1、，当当maxjCminjCjQLCf1210中心频率中心频率大大当当变容二极管置于变容二极管置于LC振荡器振荡器调谐回路中（图调谐回路中（图7.1.7）时，产）时，产生扫频信号。生扫频信号。2、电调电调谐谐变容二极管变容二极管（扫频）（扫频） 在二极管两端加在二极管两端加变化

5、的反向电压，变化的反向电压，PN结的结的电容电容也会改变也会改变，进而，进而改变振荡频率改变振荡频率，产生扫频信号。，产生扫频信号。图图7.1.6(c)f0fminfmax图图7.1.7二极管电容二极管电容特性特性U+U主要部分组成：主要部分组成：1、显示系统显示系统：由扫描电压发由扫描电压发生器；生器；X、Y轴轴放大器；示波放大器；示波管等组成（同管等组成（同示波器示波器不赘述不赘述)。2、扫频信号源扫频信号源：由：由扫频信号发生器扫频信号发生器(受锯齿波控制的受锯齿波控制的VCO)产生约产生约200mV扫频信号，扫频信号，频标发生器频标发生器(产生菱形产生菱形的标志用于的标志用于读取频率读

6、取频率值值)和衰减器和衰减器(dB读数读数)等组成。等组成。频标频标单元单元扫频输扫频输出出Y输入输入 图图7.2.1 扫频仪的原理框图及测试波形扫频仪的原理框图及测试波形图图7.2.2 扫频单元工作原理框图扫频单元工作原理框图beC3CVDC图图7.2.3（b）等效电路）等效电路)111(13cebeVDoscCCCCL图图7.2.2 扫频单元工作原理框图扫频单元工作原理框图图图7.2.4（a）的等效）的等效电路电路beCceCVDC图图7.2.2 扫频单元工作原理框图扫频单元工作原理框图(LCR)大大小小tVRRiIsmDLIcos222(LCR)大大小小5、衰减器、衰减器扫频信号的最扫频

7、信号的最大输出电压（大输出电压（衰减衰减0）约）约为为200mV。为了便于测量为了便于测量网络的增益，网络的增益， 用用cf010M镜像镜像反射反射1、单一频标产生的原理单一频标产生的原理扫频扫频fs和固频和固频fg经混频低通后取其差值。当经混频低通后取其差值。当fs中的中的fgh=fg时时vo=0，当，当fgh渐近、渐远渐近、渐远fg时时vo有所下降（如图有所下降（如图c）。）。c图信号经图信号经低通滤波低通滤波和和反相放大反相放大后产生接近后产生接近菱形菱形的的频标频标。fghfsafgbtVtvgsomo)sin()(ttVkVtvgsgmsmosinsin)(fs扫频扫频信号信号固频固

8、频信号信号混混频频器器低通低通-放大放大fgvoov频标波形图频标波形图d2、产生多个频标的原理产生多个频标的原理fgfs2fg3fg4fg1fg2fg3fg4fgtf4fg3fg 2fg 1fg扫频特性扫频特性tv1fg2fg3fgNfgvofsfgNfg扫频信号扫频信号10M晶振晶振谐波发生器谐波发生器混频器混频器低通低通频频标标放放大大器器Y轴轴（N=1、2、）10M20M30M40M10M频标输出频标输出10分频器分频器谐波发生器谐波发生器混频器混频器低通低通扫频信号扫频信号10M晶振晶振谐波发生器谐波发生器混频器混频器低通低通频频标标放放大大器器Y轴轴f050镜像反射镜像反射1001

9、50200250300MHz当选择当选择50MHz频标时，全屏显示的频标图形频标时，全屏显示的频标图形(图图7.5.2b)当选择当选择10/1MHz频标时，全屏显示的频标图形频标时，全屏显示的频标图形(图图7.5.2a)f102030MHz0镜像反射镜像反射频标选择频标选择50M晶振晶振谐波发生器谐波发生器混频器混频器低通低通扫频扫频信号信号被测被测网络网络检波检波前置前置放大放大Y偏偏转板转板末级末级放大放大频标发生器频标发生器衰减器衰减器dB读数读数v(dB)f(MHz)00dB3dB300BT3G频率特性测试仪频率特性测试仪Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦线性线性开关开关+/AC/D

10、C 1 10 100 外外1/1050频标幅度频标幅度中心中心频率频率 30dB20104321扫频扫频宽度宽度扫频扫频输出输出Y输入输入外接外接频标频标Y衰减衰减扫频衰减扫频衰减检波探头检波探头 被被 测测 电电 路路ft0dB1dB2dB3dB4dB10dB20dB30dB扫频发生器扫频发生器Y轴主轴主放大器放大器“扫频输出扫频输出”“Y输入输入” 1 10 100X轴主轴主放大器放大器“Y衰减衰减”频标发生器频标发生器“扫频衰减扫频衰减”探头探头被测电路被测电路图图7.5.1BT3G频率特性测试仪频率特性测试仪Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦线性线性开关开关+/AC/DC 1 10

11、100 外外1/1050频标幅度频标幅度中心中心频率频率 30dB20104321扫频扫频宽度宽度扫频扫频输出输出Y输入输入外接外接频标频标Y衰减衰减扫频衰减扫频衰减开机（开机（“短键短键”）；）；调调“Y位移位移”使扫描基线在使扫描基线在“第第1线线”位；位；调调“亮度亮度”适当，调适当，调“聚焦聚焦”良好，调良好，调“线性线性”水平（右旋右低、左旋左低）；水平（右旋右低、左旋左低）；探头电缆探头电缆短接短接“扫频输出扫频输出”和和“Y输入输入” ，“Y衰减衰减”在在 1，出现双线；出现双线；调调“Y增益增益”使上线在使上线在“第第6线线”位，此位，此时时2线间有线间有5大格大格（定标定标%

12、）;探头探头图图7.5.1BT3G频率特性测试仪频率特性测试仪Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦线性线性开关开关+/AC/DC 1 10 100 外外1/1050频标幅度频标幅度中心中心频率频率 30dB20104321扫频扫频宽度宽度扫频扫频输出输出Y输入输入外接外接频标频标Y衰减衰减扫频衰减扫频衰减探头探头按内频标按内频标“1/10”键，上线叠有菱形频标，调键，上线叠有菱形频标，调“频标频标幅度幅度”可改变频标可改变频标大（顺大（顺时针）时针）小（逆小（逆时针）；时针）；调调“中心频率中心频率”，频标可，频标可右（顺右（顺时针）时针）左（逆左（逆时针）移时针）移动，找到频标的缺口（有特殊

13、动，找到频标的缺口（有特殊标记标记），该标记为），该标记为频率频率起点起点；调调“扫频宽度扫频宽度”可改变频标的可改变频标的疏（顺疏（顺时针）时针）密（逆密（逆时针）程度，使其时针）程度，使其适中适中（能看到（能看到10个左右个左右频频标）。标）。0 1 2 3 4 5 67 8 9 10MHz图图7.5.1BT3G频率特性测试仪频率特性测试仪Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦线性线性开关开关+/AC/DC 1 10 100 外外1/1050频标幅度频标幅度中心中心频率频率 30dB20104321扫频扫频宽度宽度扫频扫频输出输出Y输入输入外接外接频标频标Y衰减衰减扫频衰减扫频衰减0 1 2

14、 3 4 5 67 8 9 10MHz探头探头被测电路被测电路 f0.5 f0.5=9.5 6.7=2.8MHzf0=8.2M图图7.6.2BT3G频率特性测试仪频率特性测试仪Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦线性线性开关开关+/AC/DC 1 10 100 外外1/1050频标幅度频标幅度中心中心频率频率 30dB20104321扫频扫频宽度宽度扫频扫频输出输出Y输入输入外接外接频标频标Y衰减衰减扫频衰减扫频衰减探头探头被测电路被测电路11f010910.510.35 10.7 f0.5 f0.70.25 f0.7=0.6M f0.5=10.85-10.15=0.7MHzf0=10.5M图

15、图7.6.2图图7.6.3BT3G频率特性测试仪频率特性测试仪Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦线性线性开关开关+/AC/DC 1 10 100 外外1/1050频标幅度频标幅度中心中心频率频率 30dB20104321扫频扫频宽度宽度扫频扫频输出输出Y输入输入外接外接频标频标Y衰减衰减扫频衰减扫频衰减探头探头被测电路被测电路 f0.77 . 00ffQ f0.7和中心频率和中心频率f0后，经计后，经计算可以得到：算可以得到： 。 f0.7=9.27.2=2MHzf0=8.2MMHz1 . 422 . 8Q根据根据前例前例单峰特性曲线，被测电路的品质因数单峰特性曲线，被测电路的品质因数Q=4

16、.1图图7.5.1Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦线性线性开关开关+/AC/DC 1 10 100 外外1/1050频标幅度频标幅度中心中心频率频率 30dB20104321扫频扫频宽度宽度扫频扫频输出输出Y输入输入外接外接频标频标Y衰减衰减扫频衰减扫频衰减A2ARP11v当当RP1调到使指示调到使指示高度为高度为A/2时时211111vrRrvviPi可见：可见：输入阻抗输入阻抗ri是电位器是电位器RP1的当前值的当前值当电路当电路含选频含选频回路时回路时经经步后得到的步后得到的ri值为值为f0下的输入阻抗。下的输入阻抗。1011ri为为f0=10.6M下下RP1当前值当前值v1探头探头

17、被测被测电路电路irori图图7.5.1RP2Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦线性线性开关开关+/AC/DC 1 10 100 外外1/1050频标幅度频标幅度中心中心频率频率 30dB20104321扫频扫频宽度宽度扫频扫频输出输出Y输入输入外接外接频标频标Y衰减衰减扫频衰减扫频衰减A2A1011ro为为f0=10.6M下下RP2当前值当前值探头探头v1被测被测电路电路irori第第步步后被测电路后被测电路输出输出电电压为压为iro，显示高度为，显示高度为A。第第步步调调RP2使指示使指示高度为高度为A/2，被测电路，被测电路输出输出电压电压为为输出阻抗输出阻抗ro是是RP2的当前值的当

18、前值222)/(2PoPooPoRrRrirRiir可见可见当电路含选频回路时，当电路含选频回路时，经经步后得到的步后得到的ro值为值为f0下的输出阻抗。下的输出阻抗。fu图图7.9.1周期信号频谱周期信号频谱 fo2fo3foNfo7.9.1时域和频域的关系时域和频域的关系tu3fo2fofof图图7.9.2 时域与频域的时域与频域的三维三维关系图关系图从时域看从时域看从频域看从频域看以锯齿波为例：以锯齿波为例：K2(t)tT02T0T0/2-T1T11fu fo3fo5fo双开关双开关K2(t)的波形、频谱和展开式。的波形、频谱和展开式。表表7.9.1为常见信号的波形和频谱为常见信号的波形

19、和频谱 频谱分析的意义之一：频谱分析的意义之一：发现发现干扰干扰，进而，进而消除干扰消除干扰。 若用频谱仪发现若用频谱仪发现K2(t)频谱中频谱中混有混有不相关不相关的的干扰信号干扰信号fr，则可则可由相应的滤波器滤除干扰信号。由相应的滤波器滤除干扰信号。fufr陷波特性陷波特性7.9.1时域和频域时域和频域fu fo3fo5fofr有干扰的信号特性有干扰的信号特性图图7.9.3)5cos513cos31(cos4)(002ttttK（7.9.2）s模拟模拟滤波滤波FFT数字信号数字信号处理器处理器数字数字滤波滤波显示器显示器取样电路取样电路ADCf衰减器衰减器ui模拟式基本形式：模拟式基本形

20、式：fi输入输入滤波滤波检波检波显示显示f1 fnuiuo滤波器中心滤波器中心频率频率f0可调可调uituo fo2fo3f0Nfof视视频频检检波波器器X放放大大Y放放大大ux 电电调调谐谐滤滤波波器器锯锯齿齿波波发发生生器器基本原理基本原理 外差式频谱仪的原理类似现行外差式频谱仪的原理类似现行超外差超外差式收音机、式收音机、电视机普遍使用的自动调谐方式，通过改变扫频本振电视机普遍使用的自动调谐方式，通过改变扫频本振的频率的频率fL来捕获待测信号来捕获待测信号fx中的不同频率分量。该方中的不同频率分量。该方案是实施频谱分析的传统途径，在案是实施频谱分析的传统途径，在高频段占据优势高频段占据优

21、势。为了提高精度和测量范围，为了提高精度和测量范围，通常要混频通常要混频3、4次次。 视频视频滤波滤波X放大放大Y放大放大fx检波检波扫描信号扫描信号发生器发生器振荡器振荡器fLIF滤波滤波中频信号处理中频信号处理输入输入电路电路fI =fL- fX混频器混频器高中频很难实现窄带滤波和性能良好的检波，需要进高中频很难实现窄带滤波和性能良好的检波，需要进行行多级混频、多级混频、变频变频(振混合一振混合一)处理。第一混频实现处理。第一混频实现高高中频频率变换，中频频率变换，再由第二、三级甚至第四级混频将再由第二、三级甚至第四级混频将固固定的中频逐渐降低定的中频逐渐降低。每级混频之后有相应的带通滤波

22、。每级混频之后有相应的带通滤波器抑制高次谐波交调分量，器抑制高次谐波交调分量，选择差频分量选择差频分量。视频视频滤波滤波X放大放大Y放大放大fx检波检波扫描信号扫描信号发生器发生器振荡器振荡器fLIF滤波滤波中频信号处理中频信号处理输入输入电路电路fI =fL- fX混频器混频器带通滤波带通滤波带通滤波带通滤波带通滤波带通滤波射频输入射频输入100KHz3GHz第一本振第一本振4GHz6.9GHz3.9GHz第二本振第二本振第三本振第三本振3.56GHz340MHz329.3MHz10.7MHz视频视频滤波滤波X放大放大Y放大放大fx检波检波扫描信号扫描信号发生器发生器振荡器振荡器fLIF滤波

23、滤波中频信号处理中频信号处理输入输入电路电路fI =fL- fX混频器混频器K2(t)tT02T0T0/2-T1T11fu fo3fo5fofu fo3fo5fo)3cos31(cos4)(02tttK视频视频滤波滤波X放大放大Y放大放大fx检波检波扫描信号扫描信号发生器发生器振荡器振荡器fLIF滤波滤波中频信号处理中频信号处理输入输入电路电路fI =fL- fX混频器混频器视频视频滤波滤波X放大放大Y放大放大fx检波检波扫描信号扫描信号发生器发生器振荡器振荡器fLIF滤波滤波中频信号处理中频信号处理输入输入电路电路fI =fL- fX混频器混频器RDmaxmax2max1aaLMMCR50,103294. 0)(22. 21DLRKRLDmAVdRRVVcmmaVVMmcmVVVmaxmcmVVVmincmVfI1个载频个载频2个边频个边频tVtVtVcmcmccm)cos(2)cos(2costtVtVttVVVttMVvcmccmccmmcmcacmAMcoscoscoscos)cos1 (cos)cos1 (dBMVVMacmcma265 . 0log205 . 0log20测得边频测得边频 c信号比载信号比载频频 c信号低信号低26dB，则：，则：调幅度调幅度Ma按按(7.9.4式式)：%101 . 01022026a