常用仪器基本的原理与使用课件

1、常用仪器的基本原理与使用网络分析仪频谱分析仪10/12/20221常用仪器的基本原理与使用网络分析仪10/10/20221目的：了解仪器的原理；讨论怎样规范使用仪器；准确测量；合理保护仪器。10/12/20222目的：了解仪器的原理；讨论怎样规范使用仪器；准确测量；合理保关于仪器保护 1、不能直接连接仪器接口到直流电源上 2、不能将大功率信号直接连接到仪器 3、仪器要良好接地 4、不能用湿的手操作仪器10/12/20223关于仪器保护10/10/20223关于仪器测试 1、仪器也是有一定测量误差的 2、正确的测试方法才能得到正确的测试结果 3、正确的测试结果应该是可以重复的 4、不同测试人员测

2、试结果是一致的10/12/20224关于仪器测试10/10/20224仪器正确测量保证仪器是经过校准的每一年需校准一次仪器的准确性（到专门的校准点校准）每次作测试前需要对仪器作校准关于测量误差具体要参考仪器手册 具体可以参考“Optimizing the spectrum analyzer amplitude accuracy.pdf”测量人员必须保证测试误差最小化10/12/20225仪器正确测量保证仪器是经过校准的10/10/20225 一些常用单位的意义 dB相对值，不能独立存在 dBc相对载波dB C(carrier):载波，主信号 dBm绝对值0dBm=1mW;10dBm=10mW

3、dBuV0dBuV=1uV;20dBuV=10uV ppm百万分之一10/12/20226 一些常用单位的意义 dB相对值，不 基本概念1失真：任何通信系统失真都考虑，纯粹的线性系统、无源器件也一样（在高功率时，如Mixer） 2误差 ：系统误差；随机误差；漂移误差 3无失真传输：要求被测器件在要求的带宽幅度平坦，相位响应呈线性。 4 高频传输：功率以行波的形式传播，特性阻抗等于负载阻抗时以最大功率传播；特性阻抗不等于负载阻抗时部分信号将被反射，形成驻波。 5 Smith chart:恒定电阻的规迹表现为圆，恒定电抗的规迹表现为圆弧，匹配点在圆点。 10/12/20227 基本概念1失真：任何

4、通信系统失真都考虑，纯粹的线性系Z = ZoL=0GSmith chartGLZ = 0=180 O1(short) Z = L=0 O1G(open) Constant XConstant R10/12/20228Z = ZoL=0GSmith chartGLZ = 0网络分析仪和频谱分析仪的区别.Amplitude RatioFrequency AmplitudeFrequency8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHzMeasures known signalMeasures unknown signals Network analyzers:mea

5、sure components, devices, circuits, sub-assembliescontain source and receiverdisplay ratioed amplitude and phase(frequency or power sweeps)offer advanced error correction Spectrum analyzers:measure signal amplitude characteristicscarrier level, sidebands, harmonics.)can demodulate (& measure) comple

6、x signalsare receivers only (single channel)can be used for scalar component test (nophase) with tracking gen. or ext. source(s)10/12/20229网络分析仪和频谱分析仪的.Amplitude RatioFr网络分析仪的原理与使用网络分析仪用来测量器件的幅度、相位、群延时、阻抗等网络分析仪的构成：激励源、信号分离器件、用于检测的接收机、显示器件电路10/12/202210网络分析仪的原理与使用网络分析仪用来测量器件的幅度、相位、群网络分析仪的结构框图RECEIVER

7、 / DETECTORPROCESSOR / DISPLAYREFLECTED(A)TRANSMITTED(B)INCIDENT (R)SIGNALSEPARATIONSOURCEIncidentReflectedTransmittedDUT10/12/202211网络分析仪的结构框图RECEIVER / DETECTORP1激励源：内置锁相压控振荡器 10/12/2022121激励源：内置锁相压控振荡器10/10/2022122 信号分离器件：分功器（电阻性宽带器件，插损大）；定向耦合器（插损小，带宽小）； 定向电桥（测量宽带反射信号，有显著插损）。Test PortDetectordire

8、ctional couplersplitterbridgemeasure incident signal for referenceseparate incident and reflected signalsRECEIVER / DETECTORPROCESSOR / DISPLAYREFLECTED(A)TRANSMITTED(B)INCIDENT (R)SIGNALSEPARATIONSOURCEIncidentReflectedTransmittedDUT10/12/2022132 信号分离器件：分功器（电阻性宽带器件，插损大）；定向耦合调谐接收机（Tuned Receiver）Vec

9、tor(magnitude and phase)IF FilterIF = F LOFRFRFLOADC / DSP3 检测的接收机：用调谐接收机技术放大检波，有二极管检波（宽 带）和调谐接收机技术（窄带）。宽带检波适于测量如混频器之类的有内部本振的元件；窄带检波适于测量强抑制性器件如滤波器。 标量分析仪用二极管检波（动态范围小，可测量到-60dBm，最大动态75dB）；10/12/202214调谐接收机（Tuned Receiver）VectorIF Scalar broadband (no phase information)DiodeDCACRF10/12/202215Scalar br

10、oadband (RECEIVER / DETECTORPROCESSOR / DISPLAYREFLECTED(A)TRANSMITTED(B)INCIDENT (R)SIGNALSEPARATIONSOURCEIncidentReflectedTransmittedDUTmarkerslimit linespass/fail indicatorslinear/log formatsgrid/polar/Smith chartsACTIVE CHANNELRESPONSESTIMULUSENTRYINSTRUMENT STATE R CHANNELRLTSHP-IB STATUSNETWOR

11、K ANYZER50 MH-20GHzPORT 2PORT 110/12/202216RECEIVER / DETECTORPROCESSOR /CH1 S21&Mlog MAG1 dB/REF 0 dB CorCH2 MEMlog MAGREF 0 dB1 dB/ CorUncorrectedAfter two-port calibrationSTART 2 000.000 MHzSTOP 6 000.000 MHzx212After response calibrationMeasuring filter insertion loss10/12/202217CH1 S21&Mlog MAG

12、1 dB/REF 0 dBHigh-Dynamic Range MeasurementsCH1START775.000000MHz Cor Avg10 PRmCH1MEMLOG15 dB/REF 3 dBCH2MEMLOG15 dB/REF 3 dBCH2START775.000000MHzSTOP 1000.000000MHzSTOP 1000.000000MHz Cor Avg10 PRm Standard 8753ES8753ES Special Option H1610/12/202218High-Dynamic Range Measurement网络分析仪的误差Es： 正向传输源失配

13、误差Es：反向传输源失配误差Ert：正向传输反射跟踪误差Ert：反向传输反射跟踪误差El： 正向传输负载失配误差El：反向传输负载失配误差Ett：正向传输跟踪误差Ett：反向传输跟踪误差Ex： 正向传输隔离误差Ex：反向传输隔离误差10/12/202219网络分析仪的误差Es： 正向传输源失配误差Es：反向传输网络分析的误差校正1标量网络分析仪的校正方法： 二端口网络中的信号是矢量信号（复信号），而标量网络分析仪只能对矢量信号中的信号幅度进行测量，丢失了信号的相位信息，因此标量网络分析只能用于精度要求不高的场合，同时标量网络分析的修正只能使用幅度校正不能采用矢量校正，（即用电缆直接将检波探头和

14、源输出端口相连），10/12/202220网络分析的误差校正10/10/202220矢量网络分析仪的校正方法1 频率响应修正法。 频响修正是直接用直通电缆连接网络仪的输入输出端口进行传输校正的一种方法，这种方法与标量网络分析仪的频响校正方法相同，但是在幅度校正的同时也校正了相位信息，并且矢量网络分析仪是使用比值方法进行测量所以测量精度较标量网络分析仪校正有了更高的精度，由于这种校正方法简单运算量小所以适合生产测试过程中的校正，既提高的测试结果的精度又有很快的测试速度。10/12/202221矢量网络分析仪的校正方法1 频率响应修正法。 2 单端口反射校正： 在需要测量反射的场合如阻抗测试、反射

15、系数测试，需要对矢量网络分析仪的反射端口进行校正，通过使用校正器件（开路器、短路器、负载）得到在三种条件下的测量结果然后通过网络仪内部的计算机进行运算得到网络的误差数据。10/12/2022222 单端口反射校正： 在需要测量反射的场合如网络分析仪反射校准1. 按CALCALMENUS11（或S22视习惯而定），出现图所示的菜单 2. 接开路校准件，按OPEN；3.接短路校准件，按SHORT （注意短路一定要保持和地良好短接）；4.接50校准件，按LOAD； 5 按下“RESPONSE”键，完成校准。 6 存储校准10/12/202223网络分析仪反射校准1. 按CALCALMENUS11（或

16、仪器显示反射测试回波图驻波图10/12/202224仪器显示反射测试回波图驻波图10/10/202224圆图显示10/12/202225圆图显示10/10/20222510/12/20222610/10/202226网络分析仪传输校准10/12/202227网络分析仪传输校准10/10/202227幅度测试8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHzDUT测试仪器连接Tracking generatorRF inTG outf = IFSpectrum analyzerIFLODUT10/12/202228幅度测试8563ASPECTRUM ANALYZER

17、Linear electrical length added+yieldsFrequency(Electrical delay function)FrequencyRF filter responseDeviation from linear phasePhase 1 /DivoPhase 45 /DivoFrequencyLow resolutionHigh resolution相位测试10/12/202229 Linear electrical length adde阻抗测试 接头一定要接好，拧紧。 一定要校准仪器 分析仪显示的阻抗测试图10/12/202230阻抗测试 接头一定要接好，拧

18、紧。10/10/202230Frequency Sweep - Filter TestCH1 S11log MAG5 dB/REF 0 dBCENTER 200.000 MHzSPAN 50.000 MHz Return losslog MAG10 dB/REF 0 dBCH1 S21 START .300 000 MHzSTOP 400.000 000 MHz Cor 69.1 dB Stopband rejectionInsertion lossSCH1 21log MAG1 dB/REF 0 dB Cor Cor START 2 000.000 MHzSTOP 6 000.000 MHz

19、x212m1: 4.000 000 GHz -0.16 dBm2-ref: 2.145 234 GHz 0.00 dB1ref210/12/202231Frequency Sweep - Filter TestC10/12/20223210/10/202232Frequency-Translating DevicesMedium-dynamic range measurements (35 dB)High-dynamic range measurements (100 dB)FilterReference mixerRef out Ref in AttenuatorAttenuatorPowe

20、r splitterESG-D4000ADUTAttenuator8753ES FilterAttenuatorAttenuatorRef InStart: 900 MHzStop: 650 MHzStart: 100 MHzStop: 350 MHzFixed LO: 1 GHzLO power: 13 dBmFREQ OFFSON offLOMENUDOWNCONVERTERUPCONVERTERRF LORF LOVIEW MEASURERETURN8753ES1210/12/202233Frequency-Translating DevicesMHigh-Power Amplifier

21、sSourceBRA+43 dBm max input (20 watts!)PreampAUT8720ES Option 085DUTRef InAUTPreamp8753ES 85118A High-Power Amplifier Test System10/12/202234High-Power AmplifiersSourceBRAHigh-Dynamic Range MeasurementsCH1START775.000000MHz Cor Avg10 PRmCH1MEMLOG15 dB/REF 3 dBCH2MEMLOG15 dB/REF 3 dBCH2START775.00000

22、0MHzSTOP 1000.000000MHzSTOP 1000.000000MHz Cor Avg10 PRm Standard 8753ES8753ES Special Option H1610/12/202235High-Dynamic Range MeasurementMultiport Device Test log MAG10 dB/REF 0 dB1_ -1.9248 dBCH1 S21CH1 START 775.000 000 MHzSTOP 925.000 000 MHzCorHldPRmCH2 S12log MAGREF 0 dB10 dB/CH2 START 775.00

23、0 000 MHzSTOP 925.000 000 MHzCorHldPRm11 839.470 000 MHz PASS211_ -1.2468 dB 880.435 000 MHz PASSDuplexer Test - Tx-Ant and Ant-RxMultiport analyzers and test sets:improve throughput by reducing the number of connections to DUTs with more than two portsallow simultaneous viewing of two paths (good f

24、or tuning duplexers)include mechanical or solid-state switches, 50 or 75 ohmsdegrade raw performance so calibration is a must (use two-port cals whenever possible)Agilent offers a variety of standard and custom multiport analyzers and test sets8753 H3910/12/202236Multiport Device Test log MAG87050E/

25、87075C Standard Multiport Test SetsFor use with 8712E family50 : 3 MHz to 2.2 GHz, 4, 8, or 12 ports75 : 3 MHz to 1.3 GHz, 6 or 12 portsTest Set Cal and SelfCal dramatically improve calibration timesSystems offer fully-specified performance at test ports Once a month:perform a Test Set Cal with exte

26、rnal standards to remove systematic errors in the analyzer, test set, cables, and fixtureOnce an hour:automatically perform a SelfCal using internal standards to remove systematic errors in the analyzer and test setDUTFixtureTest Set CalTest Set CalSelfCalSelfCal10/12/20223787050E/87075C Standard Mu

27、ltipoPower Sweeps - CompressionSaturated output powerOutput Power (dBm)Input Power (dBm)Compression regionLinear region (slope = small-signal gain)10/12/202238Power Sweeps - CompressionSatuCH1 S21 1og MAG 1 dB/ REF 32 dB 30.991 dB 12.3 dBmPower Sweep - Gain Compression0START -10 dBm CW 902.7 MHz STO

28、P 15 dBm11 dB compression: input power resulting in 1 dB drop in gain10/12/202239CH1 S21 1og MAG 1 d不同样式的网络分析仪10/12/202240不同样式的网络分析仪10/10/202240E5100A/B Network AnalyzerE5100A/B180, 300 MHzeconomicalfast, smalltarget markets: crystals, resonators, filtersequivalent-circuit modelsevaporation-monitor-

29、function option10/12/202241E5100A/B Network AnalyzerE5100 log MAG10 dB/REF 0 dB1_ -1.9248 dBCH1 S21CH1 START 775.000 000 MHzSTOP 925.000 000 MHzCorHldPRmCH2 S12log MAGREF 0 dB10 dB/CH2 START 775.000 000 MHzSTOP 925.000 000 MHzCorHldPRm11 839.470 000 MHz PASS211_ -1.2468 dB 880.435 000 MHz PASSDuplex

30、er Test - Tx-Ant and Ant-Rx8753 H3910/12/202242 log MAG10 dB/REF 0 dB1_ -1.94395A/4396B500 MHz (4395A), 1.8 GHz (4396B)impedance-measuring optionfast, FFT-based spectrum analysistime-gated spectrum-analyzer optionIBASICstandard test fixtures10/12/2022434395A/4396B10/10/20224310/12/20224410/10/202244

31、频谱分析仪的原理与使用频谱分析仪的用途：频谱分析仪用来测量信号的特征，主要有载波电平（信号功率）、边带、谐波和相位噪生，周期、波形，通常显示没有处理的原信号的信息。最常用的有谐波失真、双音（tow-tone）交调失真和杂波(spur)探测。10/12/202245频谱分析仪的原理与使用频谱分析仪的用途：频谱分析仪用来测量信频谱仪一些常用术语RBW(resolution bandwidth)：分辨带宽VBW(video bandwidth)：视频带宽SPAN：扫描带宽SWEEP TIME：扫描时间10/12/202246频谱仪一些常用术语RBW(resolution bandwi频谱仪常用键介绍

32、PEAK：Span:BW:Sweep:Mark:AMPLITUDE:10/12/202247频谱仪常用键介绍PEAK：10/10/202247频谱分析仪的结构图10/12/202248频谱分析仪的结构图10/10/202248频谱分析仪工作原理简述一般频谱仪采用超外差方式，能提供宽的频率覆盖范围，在中频进行信号处理，信号与本振混频当混频信号等于中频时，检波器输出信号被放大并使CRT显示器产生垂直偏转，扫描震荡器保证CRT显示的水平频率轴和本地震荡器调谐同步，它同时驱动水平CRT偏转和调谐LO。目前较先进的频谱仪采用在中频后用高速A/D转换，转换成数字信号进行处理。实际频谱仪一般采用多级中频。1

33、0/12/202249频谱分析仪工作原理简述一般频谱仪采用超外差方式，能提供宽的频SA Input AttenuatorAdjust level of signal into the spectrum analyzer输入衰减器测试：将输入衰减器测试改变10dB，如果显示的信号不变，则频谱分析仪的压缩对基波或双音信号的测量没有影响。输入衰减器不影响内部噪声电平（因内部噪声主要是由中放第一级产生），只影响到混频器的信号电平，降低信噪比。希望用可能小的衰减得到最好的信噪比。输入衰减器不影响显示（中放补偿插损）。10/12/202250SA Input AttenuatorAdjust leveSA

34、 MixerMixer Translates the input to a higher frequency Mixer is nonlinear (Lo-input) is the critical frequency其实是一乘法器.10/12/202251SA MixerMixer10/10/202251Local oscillator(LO)LO a voltage-controlled oscillator LO frequency is controlled by the sweep generatorsweep generator Controls the horizontal d

35、eflection of the display10/12/202252Local oscillator(LO)LO a voltaSA IF filterIntermediate frequency(IF) filter（ RBW ）RBW越小，经过滤波器的噪声就越少，频谱仪噪底也可以越低。观察对比2个信号，RBW必须比2个信号的间距小观察微弱信号需要小的RBW，否则信号被噪声湮没了相同的span，小的RBW扫描时间较长如果看SCDMA信号，假如RBW10kHz。此时自然整个channel的功率不能被直接读出， SCDMA信号占400多kHz10/12/202253SA IF filterIntermediate frequDetectorFollow the peak variations of the IF filter output Positive detector: largest