第章频域测量

1、第7章 频域测量7.1 扫频仪（简介）7.2 扫频仪工作原理 7.3 频标单元 7.4 Y通道单元7.5 操作使用 7.6 测试实例7.9 频谱分析仪工作原理7.1 扫频仪（简介） 扫频仪又称频率特性测试仪。可用来测定调频放大器、宽频放大器、各种滤波器，以及其他有源或无源网络的频率特性。在示波管显示图形的水平方向为被测信号的频率，垂直方向为被测信号的幅度，其频率特性是连续变化的。扫频仪在电子测量中很重要。7.1.1 (术语)频率特性测量1、点频测量法（手动）（2）列表fi(MHz)2.324.326.327.328.329.3210.3212.3214.32VO(V)0.570.821.422

2、.102.512.101.420.820.57VO(V)0.51.01.52.00fi(MHz)8.32 fo（4）特点测量次数多测量时间长能反映相邻点频率突变的情况若改变一个元器件参数，又要重测一次。所以点频测量法只适合要求不高的场合。（1）调信号发生器的频率，用电压表或示波器测被测电路输出端的电压。信号发生器Y1Y2示波器 被测电路（3）作图7.1 扫频仪简介2、扫频测量法（自动）7.1.1 频率特性测量被测电路VCO锯齿波发生器Y1Y2示波器 fV框图中三部分是扫频仪重要部件（4）特点：实现半自动快速测量可边测边调以达规定指标可迅速判断元器件对频率特性的影响反映的频率特性全面无间隙配合其

3、他设备可对产品进行监控。（3）操作示波器面板可看到被测电路的频率特性曲线。X (Y1)方向（锯齿波电压V与频率F成正比）为频率轴。（2）将示波器置于XY模式，其中（1）用锯齿波电压控制VCO（压控振荡器）实现V/F变换，将点频法的手工调节频率改为自动调节。 扫频信号发生器是扫频仪的重要部件，实质是V/F（电压/频率）转换器，将线性锯齿波电压转换成频率（如图所示），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VCOVt0ftf0VmaxVminfmaxfmin扫频波产生方法1、PN结电容7.1扫频仪简介tf0扫频波fminfmaxfmax特点：反压越大PN结越宽电容越小，反而亦之

4、。（7.1.1）-常数内电场外电场常数频率范围二极管电容特性图7.1.6cCmaxCmin+U7.1.2 扫频仪的关键部件等效v为扫描信号，当仅有VQ时的电容为CjQ ，其中心频率大当变容二极管置于LC振荡器调谐回路中（图7.1.7）时，产生扫频信号。2、电调谐变容二极管（扫频） 在二极管两端加变化的反向电压，PN结的电容也会改变，进而改变振荡频率，产生扫频信号。图7.1.6(c)f0fminfmax图7.1.7二极管电容特性+U7.2 扫频仪工作原理7.2.1 基本组成主要部分组成：1、显示系统：由扫描电压发生器；X、Y轴放大器；示波管等组成（同示波器不赘述)。2、扫频信号源：由扫频信号发生

5、器(受锯齿波控制的VCO)产生约200mV扫频信号，频标发生器(产生菱形的标志用于读取频率值)和衰减器(dB读数)等组成。第7章 频域测量频标单元扫频输出Y输入 图7.2.1 扫频仪的原理框图及测试波形图7.2.2 扫频单元工作原理框图固定变容管组成的扫频发生器的频率为500800MHz由三点式振荡器产生固定频率500MHz扫频信号、固定信号经混频器、低通滤波器取其差频，产生0 300MHz、200mV的扫频信号(经放大器)。经7档0 70dB衰减后输出频偏为f=150MHz、幅度为20020010-3.5mV的扫频信号。 1、扫频单元 产生一个等幅的、失真小、频率随时间线性变化的电压。 7.

6、2.2 单元电路工作原理7.2 扫频仪工作原理2、固定振荡器固定图7.2.3（b）等效电路三点式振荡条件：发射极具有两个同性电抗，基极和集电极具有两个异性电抗（简称射同它异）。振荡圆频率：振荡频率随变容二极管反向电压的大小而变。作用：产生扫频信号的中心频率，其频率约500MHz。图7.2.2 扫频单元工作原理框图3、扫频振荡器固定 图7.2.4（a）是利用结电容组成的电容三点式扫频振荡器。振荡频率受锯齿波电压的控制，可以产生f 150MHz的频偏。图7.2.4（a）的等效电路锯齿波电压 自动电平控制电路用于引入负反馈，实现自动增益调整，使扫频信号幅度稳定。 锯齿波电压发生器保证在调节扫频宽度时

7、不引起中心频率变化。这样屏幕上的曲线只有宽度变化而中心位置基本不变。图7.2.2 扫频单元工作原理框图作用：产生扫频信号，其频率范围为500800MHz 。4、混频器和低通滤波器固定(LCR)大小将500MHz的固定频率和扫频(500800MHz)信号经过混频器、滤波器后取出它们的差频0 300MHz作为扫频信号。图7.2.5（a）为二极管双平衡混频器。其二极管通断受固定频率控制。混频输出：式中RL为低通滤器的负载，RD为二极管导通电阻，I为两个频率之差。6.2.2 单元电路工作原理 图7.2.5混频器和滤波器(LCR)大小二极管双平衡混频器优点：组合频率少、动态范围大、两个信号间的串扰小（隔

8、离度可达-40dB）等。缺点：混频增益小于1，理论上混频损耗为7dB，这可由后续放大器进行补偿，达到符合要求的扫频输出。固定5、衰减器扫频信号的最大输出电压（衰减0dB）约为200mV。为了便于测量网络的增益，用dB开关。 经7档0 70dB衰减后输出频偏为f=150MHz、幅度为20020010-3.5mV的扫频信号。图7.3.2c7.3 频标（频率标记）单元f010M镜像反射1、单一频标产生的原理扫频fs和固频fg经混频低通后取其差值。当fs中的fgh=fg时vo=0，当fgh渐近、渐远fg时vo有所下降（如图c）。c图信号经低通滤波和反相放大后产生接近菱形的频标。fghfsafgbfs扫

9、频信号固频信号混频器低通-放大fgvo第7章 频域测量图7.3.3 频标波形图d2、产生多个频标的原理fgfs2fg3fg4fg1fg2fg3fg4fgtf4fg3fg 2fg 1fg扫频特性tv图7.3.4(b)1fg2fg3fgNfgvofsfgNfg扫频信号10M晶振谐波发生器混频器低通频标放大器Y轴（N=1、2、）10M20M30M40M10M频标输出7.3 频标单元图7.3.4（a）10M频标原理图7.3.5 多频标10分频器谐波发生器混频器低通扫频信号10M晶振谐波发生器混频器低通频标放大器Y轴f050镜像反射100150200250300MHz当选择50MHz频标时，全屏显示的频

10、标图形(图7.5.2b)当选择10/1MHz频标时，全屏显示的频标图形(图7.5.2a)f102030MHz0镜像反射频标选择50M晶振谐波发生器混频器低通7.3频标单元图7.3.1 频标单元方框图7.4 Y轴通道单元扫频信号被测网络检波前置放大Y偏转板末级放大频标发生器衰减器dB读数扫频仪是示波器功能的扩展，X、Y通道与示波器相似。Y轴特殊部分是：v(dB)f(MHz)00dB3dB300 有较高的输入阻抗：Y轴输入来自阻抗大于200K 峰值检波器探头。有较小的漂移：特别是电压漂移、温度漂移一定要小，否则影响扫频仪的稳定性能。有较好的频率特性：扫频发生器输出信号在0300MHz 范围内其伏频

11、特性应该平坦。有低噪声Y轴放大器：Y轴输入信号可能较低，所以Y轴放大器应是低噪声，否则扫描线变粗，影响读数。第7章 频域测量图7.4.1 Y通道框图7.5 操作使用 1、指标： (1) 扫频范围:0 300MHz; (2) 扫频宽度:大于100MHz; (3) 扫频输出电压:0.5V; (4) 扫频输出衰减:7档170dB; (5) 扫频输出阻抗:75; (6) Y轴减:1/10/100; (7) 垂直灵敏度:20mV/div; (8) 频标:50/1/10/外接三档。第7章 频域测量2、扫频仪内外结构BT3G频率特性测试仪Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/AC/DC1 10100 外1/105

12、0频标幅度中心频率 30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减检波探头 被 测 电 路2、扫频仪内外结构ft0dB1dB2dB3dB4dB10dB20dB30dB扫频发生器Y轴主放大器“扫频输出”“Y输入”110100X轴主放大器“Y衰减”频标发生器“扫频衰减”探头被测电路图7.5.1BT3G频率特性测试仪Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/AC/DC1 10100 外1/1050频标幅度中心频率 30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减1、测量前准备（8步）开机（“短键”）；调“Y位移”使扫描基线在“第1线”位；调“亮度”适当，调“聚焦”良好

13、，调“线性”水平（右旋右低、左旋左低）；探头电缆短接“扫频输出”和“Y输入” ，“Y衰减”在1，出现双线；调“Y增益”使上线在“第6线”位，此时2线间有5大格（定标%）;探头*7.6 测试实例（10步）第7章 频域测量图7.5.1BT3G频率特性测试仪Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/AC/DC1 10100 外1/1050频标幅度中心频率 30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减探头按内频标“1/10”键，上线叠有菱形频标，调“频标幅度”可改变频标大（顺时针）小（逆时针）；调“中心频率”，频标可右（顺时针）左（逆时针）移动，找到频标的缺口（有特殊标记），该标记为频率

14、起点；调“扫频宽度”可改变频标的疏（顺时针）密（逆时针）程度，使其适中（能看到10个左右频标）。1、测量前准备（8步）0 1 2 3 4 5 67 8 9 10MHz图7.5.12、 测试实例（2步） 1、单峰：前8步就绪后接入“被测电路”（若通频带不超过10MHz）即可显示附有频标的幅频特性（通常超过定标的5格，这是由于电路放大作用）；按“扫频衰减”键，使幅频特性降至定标时的5格，则被测电路的增益为“扫频衰减”量的代数和（图示增益AdB=20+10+4+3+2=39dB）。中心频率f0为峰点频率。7.6 测试实例BT3G频率特性测试仪Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/AC/DC1 10100

15、外1/1050频标幅度中心频率 30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减0 1 2 3 4 5 67 8 9 10MHz探头被测电路f0.5f0.5=9.5 6.7=2.8MHzAdB=39dBf0=8.2M图7.6.2 2、测量双（峰）特性时注意两点BT3G频率特性测试仪Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/AC/DC1 10100 外1/1050频标幅度中心频率 30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减探头被测电路11f010910.510.3510.7f0.5f0.70.25f0.7=0.6Mf0.5=10.85-10.15=0.7MHz

16、AdB=44dBf0=10.5M5格高度的认定：5格高度线上下的面积目测应基本相等，操作“扫频衰减”时要仔细些。中心频率的认定：在特性曲线中设一垂线使垂线左右两边的面积目测相等，则垂线对应的频率为中心频率f0。若曲线基本对称，中心频率为凹点频率（该例）。二、 测试实例图7.6.2图7.6.33、回路品质因数Q值的测量BT3G频率特性测试仪Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/AC/DC1 10100 外1/1050频标幅度中心频率 30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减探头被测电路f0.7 测量70.7%高度的带宽f0.7和中心频率f0后，经计算可以得到： 。 f0.7

17、=9.27.2=2MHzf0=8.2MMHz根据前例单峰特性曲线，被测电路的品质因数Q=4.1二、 测试实例图7.5.14、 测量高频阻抗（不定标）（1）测量输入阻抗（ri）Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/AC/DC1 10100 外1/1050频标幅度中心频率 30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减ARP1当RP1调到使指示高度为A/2时可见：输入阻抗ri是电位器RP1的当前值当电路含选频回路时经步后得到的ri值为f0下的输入阻抗。1011ri为f0=10.6M下RP1当前值v1探头被测电路i二、 测试实例图7.5.1RP2（2）测量输出阻抗（ro）Y增益Y位移

18、亮度聚焦线性开关+/AC/DC1 10100 外1/1050频标幅度中心频率 30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减A1011ro为f0=10.6M下RP2当前值探头v1被测电路i第步后被测电路输出电压为iro，显示高度为A。第步调RP2使指示高度为A/2，被测电路输出电压为输出阻抗ro是RP2的当前值可见当电路含选频回路时，经步后得到的ro值为f0下的输出阻抗。二、 测试实例7.9 频谱分析仪工作原理fu图7.9.1周期信号频谱 fo2fo3foNfo7.9.1时域和频域的关系 按信号在时域上变化的特点可分为周期信号与非周期信号 ；任何周期性信号都可以用付里叶级

19、数展开为频域上的离散频谱。tu3fo2fofof图7.9.2 时域与频域的三维关系图从时域看从频域看以锯齿波为例：第7章 频域测量K2(t)tT02T0T0/2-T1T11fu fo3fo5fo双开关K2(t)的波形、频谱和展开式。表7.9.1为常见信号的波形和频谱 频谱分析的意义之一：发现干扰，进而消除干扰。 若用频谱仪发现K2(t)频谱中混有不相关的干扰信号fr，则可由相应的滤波器滤除干扰信号。fufr陷波特性7.9.1时域和频域fu fo3fo5fofr有干扰的信号特性图7.9.3（7.9.2）7.9.2 频谱分析仪（频谱仪）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

20、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；按输入通道数目分类：单通道频谱仪、多通道频谱仪；按工作频带分类：高频、射频、低频等频谱仪。重点讨论模拟式频谱仪，简介数字式频谱仪。7.9 频谱仪1、FFT（快速傅立叶变换）实时频谱仪 输入信号首先经过可变衰减器以提供不同的幅度测量范围，然后经低通滤波器除去仪器频率范围之外的高频分量。接下来对信号进行时域波形的采样和量化，转变为数字信息。经数字滤波后由微处理器利用FFT计算波形的频谱，并将结果显示出来。s模拟滤波FFT数字信号处理器数字滤波显示器取样电路ADCf衰减器ui图7.9.4

21、 FFT频谱仪7.9 频谱仪分类 2、模拟式频谱仪模拟式基本形式： 模拟式频谱仪以扫描式为基础构成，采用滤波器和混频器将被分析信号中各频率分量逐一分离。所有早期的频谱仪几乎都属于模拟滤波式或超外差结构，并被沿用至今。fi输入滤波检波显示f1fnuiuo滤波器中心频率f0可调uituo fo2fo3f0Nfof7.9 频谱仪（1）扫频法频谱仪 扫频滤波式频谱仪与顺序滤波法类似，是一种非实时频谱测量。结构简单，价格低廉。缺点是电调谐滤波器损耗大、调谐范围窄、频率特性不均匀、分辨率差，目前这种方法只适用于窄带频谱分析。 电调谐器中的变容二极管受锯齿波电压控制，形成中心频率在整个宽带频率范围内可调谐的

22、窄带滤波器。当它的谐振频率改变时，滤波器就分离出特定的频率分量。 2、模拟式频谱仪（2）外差式频谱仪组成 主要包括输入通道、混频电路、中频处理电路、检波和视频滤波等部分组成。 基本原理 外差式频谱仪的原理类似现行超外差式收音机、电视机普遍使用的自动调谐方式，通过改变扫频本振的频率fL来捕获待测信号fx中的不同频率分量。该方案是实施频谱分析的传统途径，在高频段占据优势。为了提高精度和测量范围，通常要混频3、4次。 视频滤波X放大Y放大fx检波扫描信号发生器振荡器fLIF滤波中频信号处理输入电路fI =fL- fX混频器图7.9.6 2、模拟式频谱仪高中频很难实现窄带滤波和性能良好的检波，需要进行

23、多级混频、变频(振混合一)处理。第一混频实现高中频频率变换，再由第二、三级甚至第四级混频将固定的中频逐渐降低。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，选择差频分量。输入通道视频滤波X放大Y放大fx检波扫描信号发生器振荡器fLIF滤波中频信号处理输入电路fI =fL- fX混频器带通滤波带通滤波带通滤波射频输入100KHz3GHz第一本振4GHz6.9GHz3.9GHz第二本振第三本振3.56GHz340MHz329.3MHz10.7MHz（2）外差式频谱仪图7.9.6外差式频谱仪特点频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变，是目前频谱仪中数量最大的一种。由于被分析的频谱依次被顺序采样，

24、因而是非实时分析。只能提供幅度谱，不能提供相位谱（举例）。视频滤波X放大Y放大fx检波扫描信号发生器振荡器fLIF滤波中频信号处理输入电路fI =fL- fX混频器K2(t)tT02T0T0/2-T1T11fu fo3fo5fo相位谱fu fo3fo5fo幅度谱（4）外差式频谱仪图7.9.6中频信号预处理中频信号预处理主要是在被检测之前完成对固定中频信号的自动增益放大、中频滤波等处理。中频滤波器的带宽通常可程控，以提供不同的频率分辨率。视频滤波X放大Y放大fx检波扫描信号发生器振荡器fLIF滤波中频信号处理输入电路fI =fL- fX混频器中频信号幅度调节 ：由自动增益控制(AGC)电路完成。

25、末级混频的增益必须能以小步进精密调节，以保持后续电路中的最大信号电平固定而不受前端的影响。 中频滤波器 ：用于减小噪声带宽、分辨各频率分量。频谱仪的分辨率带宽由最后一个中频滤波器的带宽决定。数字滤波器选择性较好、没有漂移，能够实现极稳定的窄分辨率带宽。 （4）外差式频谱仪图7.9.6包络检波器由二极管和并联RC电路串接而成。视频滤波X放大Y放大fx检波扫描信号发生器振荡器fLIF滤波中频信号处理输入电路fI =fL- fX混频器RD时包络检波器不会出现惰性失真当满足当满足RLRD时检波效率d可以达到90%以上式中调幅度输出调幅波的包络输入调幅波fI图7.9.6FFT频谱分析仪与外差式频谱分析仪

26、比较FFT分析仪比外差式频谱仪测量速度快。外差式频谱仪的测量速度受限于分辨率带宽，在较低频段区分紧邻的谱线需要很窄的滤波器，导致扫描时间很长才能把谱线“拉开”。而FFT分析仪的速度仅取决于量化和FFT计算所需的时间。所以在相等的频率分辨率下，FFT分析仪较外差式频谱仪快得多。由于FFT分析仪需使用高速ADC进行过采样，可分析的频率范围受限于A/D器件的速度，因而在频率覆盖范围上FFT分析仪不及外差式频谱仪。 现代频谱仪将外差式扫描频谱分析技术与FFT数字信号处理技术相结合，兼有两种技术的优点： 前端仍采用传统的外差式结构，而在中频处理部分采用数字结构，中频信号由ADC量化，FFT则由通用微处理

27、器或专用数字逻辑实现。这种方案充分利用了外差式频谱仪的频率范围和FFT优秀的频率分辨率，使得在很高的频率上进行极窄带宽的频谱分析成为可能，整机性能大大提高。1个载频2个边频7.9.3 信号频谱测量1、调幅信号分析测得边频c信号比载频c信号低26dB，则：调幅度Ma按(7.9.4式)：调幅波vAM的时域表达式：调幅波波形fccc+c图7.9.7 调幅波频谱上边频下边频7.9 频谱仪2、调频信号分析（扫频频域法）调频波vFM的时域表达式：调频波波形(fm 为频偏)双边带宽：BW=2(+1)F调频指数：fcfc+fmfcfm可见：当1时BW2F，为窄带调频（只有1个载频2个边频，如图7.9.10）。此fcfc+FfcF图7.9.10 窄带调频谱时：当显示的频谱dB=40dB，F=1KHz时。则调频波的最大频偏为：7.9.3 信号频谱测量还有贝塞尔法、哈布雷法、斜率检波法。3、脉冲调制信号分析K1(t)tT-T-2T2TT/2-单开关K1(t)的时域表达式:cn0n图7.9.13 当 =T/8时频谱-0cn-当 =T/4时频谱n特点：当T不变时，谱线间隔是固定的；当脉宽 减小时，谱线从纵轴附近逐渐向两边“拉开”，即频带宽度逐渐增大，而且幅度逐渐变低。实际显示的频谱为幅度谱而不是相位谱，即所有频谱