《电子测量实用技术》模块8频域测量技术

电子测量实用技术

模块提示：观察一个电信号的普通方法是显示信号波形，即以时间t为水平轴，是在时间域内观察信号，称为信号的时域分析。示波器是典型的时域信号分析仪。一个过程或信号既可以表示为时间的函数，也可表示为频率或角频率的函数，即以频率f为水平轴，称为信号的频域分析或频谱分析。频率特性测试仪和频谱分析仪是重要的频域测量仪器。前者在频域内对元器件，电路或系统的特性进行动态测量，显示频率特性曲线；后者可对信号的频谱进行分析，显示信号的频谱分布图。模块8频域测量技术测量任务：扫频仪的测量实训，频谱仪的测量实训电子测量实用技术8.1时域测量和频域测量的比较8.2线性系统频率特性测量8.3频谱分析测量模块总结与归纳模块学习要点：电子测量实用技术8.1时域测量和频域测量的比较时域和频域测量的比较可用图8.1来说明，图8.1信号的时域和频域分析电子测量实用技术8.2线性系统频率特性测量

频率特性是放大器的一项重要特性，它用来衡量放大器对于不同频率信号的适应程度。线性系统对正弦输入信号的稳态响应，称为系统的频率响应，也称频率特性。频率特性的幅度随频率的变化规律称幅频特性，相位随频率的变化规律称相频特性。 8.2.1基本测量方法

从测量原理上讲，网络的频率特性测量主要有点频测量法和扫频测量法两种。电子测量实用技术1.点频测量法点频测量法就是通过逐点测量一系列规定频率点上的网络增益（或衰减）来确定幅频特性曲线的方法，其原理如图8.2所示

图8.2点频法测量幅频特性

电子测量实用技术2.扫频测量法扫频测量法是在点频测量法的基础上发展起来的。它是利用一个扫频信号发生器取代了点频法中的正弦信号发生器，用示波器取代了点频法中的电压表来显示信号通过被测电路后幅度的变化。图8.3扫频法测量幅频特性方框图电子测量实用技术8.2.2扫频仪能够在示波管屏幕上直接显示被测电路幅频特性曲线的图示测量仪器叫频率特性测试仪，频率特性测试仪在雷达技术、调频通信、电视广播和电子教学等方面有着广泛的应用。频率特性测试仪最常用的也称扫频仪，扫频仪基于扫频原理，利用示波管直观显示被测系统的幅频特性。它是在静态逐点测量法基础上发展起来的一种快速、简便、实时、动态、多参数、直观的测量仪器，广泛应用于电子工程等领域。电子测量实用技术1.基本工作原理扫频仪是将扫频信号源及示波器的X-Y显示功能结合为一体，并增加了某些附属电路而构成的一种通用电子仪器，用于测量网络的幅频特性，测量方法采用扫频测量法。其原理框图如图8.4所示，主要电路包括扫频信号发生器、扫描电压发生器、频标电路、检波放大及显示等几部分。

电子测量实用技术图8.4扫频仪的简要原理框图产生一个频率在较宽范围内随时间按一定规律重复、连续变化的等幅、小失真正弦信号，主要包括扫频振荡器、稳幅电路及衰减器。扫描电压发生器产生的扫描电压既加至x轴，又加至扫频信号发生器，使扫频信号的频率变化规律与扫描电压一致，从而使得每个扫描点与扫频信号输出的频率有一一对应的确定关系。差频法产生电子测量实用技术变容二极管扫频振荡电路

变容二级管的压控特性曲线变容二极管扫频振荡电路锯齿电压电子测量实用技术磁调制扫频振荡器图8.6磁调制扫频原理图

所谓磁调制扫频，就是用调制电流所产生的磁场去控制振荡回路电感量，从而产生频率随调制电流变化的扫频信号。电子测量实用技术菱形频标产生电路图8.7菱形频标信号产生电路方框图电子测量实用技术电子测量实用技术2.主要技术指标扫频仪的主要技术指标有：有效扫频宽度、扫频线性、幅度不平坦性等。（1）有效扫频宽度和中心频率

有效扫频宽度也称扫频频偏，是指在扫频线性和幅度不平坦性符合要求的前提下，一次扫频能达到的最大频率范围，即 Δf=fmax—-fmin

式中,Δf为有效扫频宽度；fmax、fmin为一次扫频时能达到的最高和最低瞬时频率。电子测量实用技术中心频率定义为

而把Δf/f0称为相对扫频宽度，即

通常把Δf远小于信号瞬时频率值的扫频信号称为窄带扫频，把Δf可以和信号瞬时频率相比拟的扫频信号称为宽带扫频。电子测量实用技术

（2）扫频非线性系数 扫频线性表示扫频信号频率与扫描电压之间线性相关的程度，常用扫频非线性系数来表示，定义为df——频率的微小变化量du——扫描电压的微小变化量k越接近1扫频线性越好电子测量实用技术

（3）幅度不平坦性 在幅频特性测量中，必须保证扫频信号的幅度保持不变。扫频信号的幅度不平坦性常用它的寄生调幅系数m来表示，定义为：

式中，A、B表示扫频信号的最大和最小幅度。

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在实际中可采用如图8.8所示的测试方法。输出衰减置为0dB，选择内频标、Y增益适中，在一定频偏内观察，屏幕上出现方框，则寄生调幅系数按上式可求。图8.8扫频寄生调幅系数的测量图电子测量实用技术3.扫频仪的分类（1）按用途划分按用途划分，扫频仪可分为通用扫频仪、专用扫频仪、宽带扫频仪、阻抗图示仪、微波综合测量仪（2）按频率划分按频率划分，扫频仪可分为低频扫频仪、高频扫频仪、电视扫频仪等。电子测量实用技术4.扫频仪的使用

扫频仪的应用范围十分广泛，在无线电通信、广播电视、雷达导航、卫星地球站等领域内，为有关电路的频率特性测量或鉴频器特性的测量，以及研究、分析或改善电路性能等提供了方便的条件。除此之外，扫频仪还能用于传输线特性阻抗的测量。电子测量实用技术

（1）BT3C-B频率特性测试仪面板和技术参数

BT3C-B型频率特性测试仪广泛应用于（1-300）MHz范围内各种无线电网络、接收和发射设备的扫频动态测试。本仪器功能齐全，既可以在1-300MHz范围内全频段一次扫频，满足宽带测试需要，也可窄带扫频和给出稳定的单频信号输出。如图8.9是它的面板配置图。电子测量实用技术BT3C-B频率特性测试仪电子测量实用技术1.屏幕2.电源开关3.亮度4.x位移5.x幅度6.外频标输入端口7.LED显示8.细衰减按钮9.粗衰减按钮10.y输入端口11.y位移12.扫描输出端口13.y增益14.y方式选择15.扫频功能16.频标功能17.扫频宽度18.频标幅度19.中心频率图8.9BT-3C型频率特性测试仪的面板配置图电子测量实用技术BT-3C扫频仪的主要技术参数中心频率：1－300MHz范围任意调节；扫频宽度：最大频偏≥±20MHz，最小频偏≤±0.5MHz；扫频非线性系数：小于10%（扫频频偏在±15MHz内）；输出扫频信号电压：大于0.5V（有效值）；输出阻抗：75Ω±20%。频标信号：1MHz/10MHz、50MHz、外接。扫频信号衰减：粗衰减，10dB×7步进；细衰减，1×9dB步进；寄生调幅系数：小于7%（扫频频偏在±15MHz内）；检波探测器性能：输入电容不大于5pF，最大允许直流电300V；示波部分的垂直输入灵敏度：大于250mm／V。电子测量实用技术扫频方式：①全扫：中心频率150MHz；②窄扫：1-300MHz连续可调

CW（点频）方式：频偏最小。可作一般信号发生器用。探头：两种连接电缆，一种带探头（内装检波器），另一种是不带探头的同轴电缆连线。电子测量实用技术(2)BT3C-B扫频仪的基本操作和电气性能检查接通电源，通电预热10分钟左右，调好辉度，扫描线细且清晰，亮度适中。2)检查内部频标，将“频标选择”置“10.1MHz”，“频标幅度”旋至适中，“全扫窄扫点扫”置“窄扫”，顺时针旋转“中心频率”旋钮，扫描线上的频标向右平移，当旋到底时屏幕上应出现一个顶端凹陷的频标，如图8.10所示电子测量实用技术图8.10扫频信号零频标的识别

将“频标选择”置“外标”，其它频标信号消失，此标记仍然存在，则此标记为“零频”频标。电子测量实用技术3)扫频范围检查：“窄扫”状态下频标选择50MHz，频标幅度调节适当位置，对应于屏幕中心位置，旋转“中心频率”旋钮时，扫频信号中心频率应能在1Hz~300MHz范围内连续变化。4)扫频频偏的检查：“全扫”状态下，屏幕上应有6根50MHz频标标志，并可看到左边的“零频”标。“窄扫”状态下，调节“扫频宽度”旋钮频偏量应在±1~20MHz内连续可调，频标选择10.1MHz时，屏幕上呈现的频标数最多为3个。电子测量实用技术5)寄生调幅系数检查(输出平坦度检查)：将连接“RF输出”的电缆与连接y输入的检波探头对接，粗细、调衰减均置于0dB，y方式选择开关置×1挡，适当调节y位移旋钮和y增益旋钮，使屏幕上出现如图8.8所示高度适中的方框，假设方框最大处的高度为A格，最小处的高度为B格，则寄生调幅系数m可按式(8-7)求得。要求在整个频率范围内m≤7%。图8.8扫频寄生调幅系数的测量图(8-7)电子测量实用技术6)扫频非线性系数检查：按上述5)的连接，扫频方式选“窄扫”，“频标选择”置10.1MHz挡，调节“扫频宽度”使频偏在±15MHz以内，读出中心频率fo两边频偏量相等的水平距离A、B，如图8.11所示，则扫频非线性系数r为：(8-8)图8.11扫频信号非线性系数检查要求r≤±10%电子测量实用技术7)扫频输出电压(功率)检查：在扫频输出口接超高频毫伏表测量其电压值，面板粗细衰减器置0，扫频功能置“点扫”处，这时输出应大于500×（1±10%）mV。电子测量实用技术(3)使用注意事项

1)测试时，输出、输入电缆应尽量短，并保证良好接地，切忌在检波头上加长导线。

2)测试带有检波输出的被测设备时，可直接用输入电缆连接到y输入端。

3)如果被测设备输出端有直流电位时，则y输入端应选择AC输入方式，以免损坏仪器。例如测试电视机公共通道曲线。

4)如需要特殊的频率标记，可选择外频标，在外频标输入端加入所需的频率信号，此信号电压应大于500mV有效值。电子测量实用技术(4)扫频仪的应用举例

1)电路幅频特性的测量测量电路如图8.12所示。图8.12幅频特性的测量电子测量实用技术图8.13典型滤波器的频率特性测量曲线

图8.13给出了典型滤波器的频率特性测量曲线。电子测量实用技术2)电路参数的测量从上面所测得的幅频特性上可以求得各种电路参数。①增益的测量。一种方法：在调好幅频特性的基础上，用粗、细调衰减器和“y增益”控制扫频信号的电压幅度，使图形高度便于读取数据，记下此时屏幕上显示的图形高度A，输出总衰减B1（dB）；再将检波探头直接和扫频输出端短接，保持“y增益”不变，调节“输出衰减”，使图形高度仍为A，此时输出衰减的读数若为B2（dB）,则该放大器的增益为：(8-9)电子测量实用技术

另一种方法是：在进行增益测量前先进行“0dB”校正，即将扫频仪的输出电缆直接与检波电缆对接，粗、细衰减置“0dB”，调节“y增益”旋钮，使屏幕上显示的两条水平线占有一定格数，这个格数称“0dB”校正线，然后接入被测电路，在保持“y增益”不变情况下，调节粗、细调衰减，使显示的幅频特性曲线高度处于“0dB”校正线高度，此时为粗调输出衰减B1（dB），细调输出衰减为B2（dB），则该放大器的增益为：(8-10)电子测量实用技术图8.14扫频仪测量带宽

②带宽的测量测量带宽时，先调节扫频仪输出衰减和调整Y增益，使频率特性曲线的顶部与屏幕上某一水平刻度线相切（如图8.14（a）中与AB线相切）。

保持Y增益不变，将扫频仪输出衰减减小3dB,此时曲线上移，被测电路带宽为：（8-11）电子测量实用技术③回路Q值的测量。测量时电路连接和测量方法与测回路带宽相同，在用外接频标测出回路的谐振频率f0以及上、下截止频率fH和fL后，按下面的公式即可计算出回路的Q值。(8-12)电子测量实用技术8.3频谱分析测量8.3.1频谱分析概念

1.频谱分析实际测量中，绝对纯的正弦信号是不存在的。通常将合成信号的所有正弦波的幅度按频率的高低依次排列所得到的图形称为频谱。

频谱分析就是在频率域内，以频率为变量，对信号的频谱结构及其特性进行描述。

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测量信号所含频率分量的仪器有两类，一类称为谐波分析仪，它利用选频电路逐一选出信号所含的频率成分，每次只能测量一个频率分量的大小，选频电压表就属于这一类。另一类是频谱分析仪，主要用于分析信号中所包含的频率成分，即分析信号的频谱分布。能同时显示出较宽范围的频谱，但只能给出振幅谱或功率谱，不能直接给出相位信息。电子测量实用技术2.频谱分析与示波测试的区别

频谱仪和示波器都可用来观察同一物理现象，两者所得的结果应该是相同的。但由于两者是从不同角度去观察同一事物，故所得到的现象只能反映事物的不同侧面。从测量观点看，这两类仪器各有特点。

（1）某些在时域较复杂的波形，在频域的显示可能较为简单。图8.17信号在时域和频域的显示情况电子测量实用技术

（2）某些在频域不能区分的波形，在时域能清楚显示。如图8.18(a)，(b)。电子测量实用技术t

(a)用示波器易观察波形的相位不同图8.18示波器和频谱仪对比观察相位不同的波形A0tA0tA0tA0t①②①②(b)用频谱仪观察的频谱相同电子测量实用技术

（3）当信号中所含的各频率分量的幅度只是略有不同时，用示波器很难定量分析失真的程度，如图8.19(a)，但是频谱仪对于信号的基波和各次谐波含量的大小则一目然，如图8.19(b)。电子测量实用技术(a)用示波器不容易观察波形的失真A0tA0tA0tA0t

(b)用频谱仪容易观察微小的幅度和相位变化图8.19用示波器和频谱仪观察微小失真的波形电子测量实用技术3．获取频谱的基本方案(1)同时分析（并行滤波）原理图输入信号

BPFnVnAABPF1V1ABPF2V2A优点：能实时分析；缺点：需要大量硬件电子测量实用技术(2)顺序分析原理图

电子开关

BPF2

BPF1

BPFn

ACRTA输入信号优点：节省许多滤波器、放大器和显示器，可在CRT上直接显示频谱图。缺点：各频谱分量的测量不是同时进行，不具有实时性。电子测量实用技术(3)调节滤波器方式输入信号

CRT

可调滤波器A

A优点：使顺序分析方案达到极度简化。缺点：可调滤波器的通带难以做得很窄，其调谐范围也难以做得很宽。滤波特性难恒定。电子测量实用技术

克服了可调滤波器的缺点，用频率可调的本地振荡频率fo与被测信号的某一频谱分量的频率fx混频，所得的差频（或和频）恰好等于中频滤波器通带的中心频率，此时在中频窄带滤波器的输出端就能得到一个幅度正比于该频谱分量幅度的信号。(4)扫频外差方式成为通信、测量以及许多其他方面广泛使用的方案。

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8.3.2频谱分析仪的工作原理通常频谱仪无论是对确定信号还是周期信号，所分析的大多是功率谱。前面阐述的滤波法是分析功率谱的方法之一。图8.21示出了滤波式频谱仪的基本结构。输入信号经过带通滤波器或扫描调谐式滤波器，选出各个频率分量，经检波后进行显示或记录，完成频谱分析。图8.21滤波式频谱分析法的简要原理框图信号输入带通滤波器或扫描调谐式滤波

显示或记录

检波器电子测量实用技术图8.22扫频外差式频谱分析仪的原理框图滤波法——扫频外差式频谱仪的原理框图

外差式频谱分析仪具有频率范围宽、灵敏度高、频率分辨力可变等优点，是频谱仪中数量最多的一种，高频频谱仪几乎全部采用外差式。电子测量实用技术

8.3.3频谱仪的主要技术参数

1.输入频率范围指频谱仪能够正常工作的最大频率区间。该范围上限和下限由扫描本振的频率范围决定。

现代频谱仪的频率范围通常可从低频段至射频段，甚至微波段，如1Hz~300GHz。这里的频率指中心频率，即位于显示频谱宽度中心的频率。电子测量实用技术2.频率分辨力

是指能够分辨的最小谱线间隔，它表征了频谱仪能够将频率靠在一起的信号在屏幕上分开显示的能力。图8.23分辨力对频谱观测的影响分辨力取决于窄带滤波器幅频特性的带宽。一般定义窄带滤波器幅频特性的3dB带宽为频谱仪的分辨力带宽。电子测量实用技术3.灵敏度灵敏度是指频谱分析仪显示最小信号电平的能力。定义为显示幅度为满刻度时，输入信号的最小电平值。许多频谱分析仪的灵敏度可达-135dB~-115dB.4.动态范围频谱分析仪能以给定精度测量、分析输入端同时出现的两个信号的最大功率比(用dB表示)，实际上表示频谱仪显示大信号和小信号的频谱的能力。电子测量实用技术8.3.4频谱分析仪的应用如图8.24为两款频谱分析仪装置面板图图8.24两款频谱分析仪面板图电子测量实用技术1.信号参数的测量

（1）信号失真度的测量

1)谐波失真度的定义纯正弦信号通过电路后，如果电路存在非线性，则输出信号除包含原基波分量外，还会含有新产生的其他谐波分量，这就是电路产生的谐波失真（也称非线性失真）。谐波失真度是用来描述信号失真程度的参量。对于纯电阻负载，谐波失真度定义为全部谐波电压（或电流）有效值与基波电压（或电流）有效值之比，即

(8-12)

U1为基波电压有效值；U2，U3，…,Un为各次谐波电压有效值；D0可简称为失真系数或失真度。电子测量实用技术2)谐波失真度的测量利用频谱分析仪可测量信号失真度。例如，某音频放大器对输入正弦信号ui=UmsinΩt进行放大，输出信号为uO，对uO进行频谱分析观察到如图8.25的频谱，谱线间隔恰为基波频率Ω，电子测量实用技术图8.25输出信号频谱

则按谐波失真度定义式可计算出输出信号失真度。电子测量实用技术

在调幅波、调频波、调相波中，调制度是高频已调波的一个重要参数，这里主要讨论如何利用频谱分析仪测量调幅度。例如单频调制时，调幅波的数学表达式为：