第五章 频域测量

电子测量授课教师：路辉联系电话：82316487电子邮件：mluhui@163.com第五章频域测量5.1线性系统概述5.2频率特性测试——扫频仪5.3频谱特性测试——频谱分析仪5.1线性系统概述线性系统,是一个能用线性微分方程描述的系统。它具有频率不变性和迭加性。线性系统通常用传递函数来描述，即系统的初始状态为零的条件下，系统输出的拉氏变换与输入的拉氏变换的比：频率特性又称频率响应，它是系统或元件对不同频率正弦输入信号的响应特性。

频率特性也是一种数学模型

与传递函数一样，它描述了系统的内在特性，与外界因素无关。决定于系统结构和参数。频率特性描述的是一种稳态响应特性

可以用频率特性来分析系统的稳定性、动态性能、稳态性能。5.1线性系统概述可用幅频特性|H(jω)|和相频特性φ(ω)来全面表征一个系统的频率特性：设系统或环节的传递函数为令，可得系统或环节的频率特性代数形式：5.2频率特性测试示波器只能显示被测信号的幅度与时间的关系，称时域测量。扫频仪（频谱仪）是显示信号的幅度与频率的关系，称频域测量。是把时间轴转化成频率轴，是调频和扫频技术相结合，用以测量元器件和线性系统的幅频特性，如各种放大器、滤波器等。频谱仪是显示被测信号的各个频率分量的幅值，是对信号进行频域分析的重要仪器。可以测信号电平、谐波失真等。本章包括两个基本测量问题：

1、线性系统频率特性的测量

2、信号的频谱分析5.2频率特性测试一、测量方法点频法：烦琐、不能观测全貌、静态特性扫频法：扫频仪简单、方便、实时显示、不会漏掉细节、动态特性二、扫频图示法的测量原理：5.2频率特性测试扫频仪由四部分组成：利用示波器的显示原理，把时间轴变成频率轴。包括扫频信号发生器、放大显示电路、频率标记发生器和电源。三、扫频信号发生器：扫频信号是指振幅恒定，频率在一定范围由低向高来回扫动的正弦信号。有变容二级管式和磁饱和电抗器式扫频信号发生器。原理框图输出衰减器：用于改变扫频信号的输出幅度。在扫频仪中，衰减器通常有两种。一组是粗衰减，每档10dB或20dB；另一组是细衰减，每档1dB或2dB。大多数扫频仪的输出衰减可达100dB。5.2频率特性测试（一）扫频信号的主要工作特性扫频宽度——最大频率覆盖范围。例BT30——300MHz用相对值表示扫频线性－－扫频信号频率的变化规律和预定扫频规律之间的吻合程度。即：扫频信号在一定频率范围内是线性的，可用线性系数表示。它表示扫频振荡器的变容二极管的非线性程度，表现在刻度上是刻度的非线性。

线性系数越接近1，压控曲线线性越好5.2频率特性测试振幅平稳性可用扫频信号的寄生调幅来表示（二）变容二极管扫频等效电路如图稳幅电路的原理框图5.2频率特性测试势垒电容与外加电压的关系：变容管在零偏压时的电容。PN结的内建电位差，硅管=0.6v电容指数，决定于PN结中杂质浓度的分布情况，对于突变结变容管，，而超突变结变容管变容二极管构成的振荡回路工作原理：基于PN结反向偏置时，结电容与偏置电压有关这一原理制成的。扫频振荡器的扫频速度受扫描锯齿波电压控制，其瞬时频率随时间在谐振频率附近作线性变化，既其频率值一般为几十至几百MHZ。5.2频率特性测试变容管扫频振荡器的优点：电路简单，频偏宽，对调制信号几乎不消耗功率。它一般用于晶体管化的扫频仪中。5.2频率特性测试变容管扫频仪的组成及原理5.2频率特性测试5.2频率特性测试5.2频率特性测试改进办法：只用正程，消隐逆程(锯齿波扫描），从而产生单峰曲线；但是仍存在显示误差。降低扫速，使动态趋近静态产生原因：被测电路延时响应三角波扫频发生器工作波形图5.2频率特性测试静态与动态特性差异：1、谐振点向f扫描方向偏移。扫速越快偏离越甚2、对称性改变，及3dB带宽增加,幅度降低。5.2频率特性测试它是利用非线性电感的调频方法，它具有寄生调幅小，相对扫频宽度大，电路简单等优点。缺点是需要调制功率大，大多采用电子管电路，并且用市电作为调制信号。如早期BT3（0—300M）——带磁心的电感线圈的电感量——空心线圈的电感量——有效导磁系数——增量导磁系数（导磁率）——导磁系数的利用率磁调制扫频振荡器正是利用铁磁材料的导磁率随所加的磁场强度而变化这一特性来实现扫频的。---B-H曲线斜率磁芯线圈Lc与磁芯关系：（三）磁调制扫频5.2频率特性测试工作原理：将绕有高频线圈的高频磁心放置在低频磁心的磁路内，则将被磁化，当通过低频磁心的调制线圈中的电流变化时，将引起的增量导磁系数的变化。优点：寄生调幅小，但它要求调制信号的功率较大，因此，这种电路普遍应用于电子管化的扫频仪中。5.2频率特性测试四、频率标记：用于频率值的标定，频率标记简称频标主要有四种方法（模拟法）：差频法、电压比较法、吸收法、选频法差频法：形成菱形频标，适用于高频扫频仪中。（频标宽度）5.2频率特性测试5.2频率特性测试系列频标的产生：扫频信号在由低变高过程中，与标准信号产生差频，零差频被取出，形成频标。不断改变标准信号频率，频标将在幅频特性曲线上移动。荧光屏上的频标显示方式：光点扫描式、光栅增辉式光点扫描式：1、大屏幕显示受到限制，因无法给磁偏转线圈（垂直）提供信号波形电流2、难于在屏幕上直接显示经过校准的频率和电平刻度线，故测量准确度不易提高。光栅增辉式：可克服上述缺点。5.2频率特性测试基本原理：类似于电视机显示图像的原理。首先在长余辉示波屏幕上产生光栅，光栅是垂直的，平时是消隐的，看不见，故有“暗光栅”之称。屏幕上所显示的曲线是通过相应的增辉脉冲在每条暗光栅的不同高度上产生的亮点构成的，只要暗光栅足够多，光点就可连成一条曲线。（类似于逐点描迹）绝对电平：在阻抗匹配的情况下功率电平

电压电平基准量P0、V0取1mw、0.775v则为零电平（功率0dBm、0dB)若在600电阻上测量，0.775v电压刚好吸收1mw功率，则功率电平等于电压电平。5.2频率特性测试5.2频率特性测试5.2频率特性测试电子频率刻度线：与电平刻度一样，同样是要显示刻度，故也要加在阴极上；只要把设定电压和水平扫描电压比较，就可在水平扫描的响应位置得到增辉脉冲，而水平扫描电压又和频率成比例，因此只要设定电压准确，就可得到准确的频率刻度线。只不过电平刻度是光点组成，而频率刻度是垂直扫线组成。如要进一步较准则可用差频法产生菱形频标。(图见P358)五、扫频仪的应用广泛应用于无线电、通信等领域，动态测量的最大优点可在测量过程中对电路进行调整。

1、电路参数的测量：

a、增益的测量：比较法

A=B2-B1（dB)b、带宽的测量：

Bw=fh—fl

c、回路Q值的测量

Q=f0/Bw5.2频率特性测试六、多频测量是利用多个频率信号作为测试信号的一种频域测量技术。多频信号是指一组离散频率的正弦波集合。特例:素数正弦波，选择从3开始的若干个素数倍最小角频的正弦信号的合成波作测试信号，如3、5、7、11、13、17、19、23等，把其作为被测网络的输入信号，并在对应频点上测输出，即可得到其幅频特性。该方法可有效抑制被测系统非线性对测量结果的影响。这可以从理论上严格证明。其简单物理概念为：1、素输除1和它本身外不能被其它数整除，故因被测网络非线性产生的高次谐波，不会与较高的素数正弦波频率相同。2、除2以外的素数都为奇数，而任意两个奇数的和、差均为偶数，这样当采用从3开始的素数正弦波作激励信号时，由系统非线性产生互调制的和、差频信号也非素数正弦波，因此他们不会对输出造成影响。综上所述，多频测量是把由多个正弦波组成的测试信号同时加到被测系统的输入，而不像点频法和扫频那样，输入是点频或连续变化的信号，可大大提高测量的速度。而计算机与频率合成技术，使之成为可能。5.3频谱分析仪如何表示信号：时间频率幅度tfV频域时域图示方法：如果不是正弦波？矩形波、三角波、脉冲波等5.3频谱分析仪5.3频谱分析仪“谱”—按一定规律排列的图像。频谱—信号按频率顺序排列的各种成分。—幅度谱、相位谱频谱分析—对任意电信号频谱进行的研究。示波器只能进行时域显示，实时显示被测图形扫频仪只能观测被测电路的幅频特性如果观测任意信号的各频率分量及其幅值就要用频谱分析仪幅度和频率都绝对值定标的现代频谱分析仪，可对AM、FM、脉冲调制及其它信号的频率、电平、调制度、调制失真、谐波失真、宽窄带噪声、增益、衰减等多种参数进行测量。配接天线可测场强、干扰。内置或外接跟踪发生器，可组成包括显示器在内的跟踪扫频仪。频谱仪已成为具有频率计、功率计、调制度仪、全景接收机、频率特性测试仪、扫频仪、场强计、干扰仪等多种功能的综合测试设备，广泛用于广播、电视、通信、雷达、导航、电子对抗及电路的设计、制造、维修等方面。5.3频谱分析仪频谱仪的分类按工作频率分：有低频频谱仪、射频频谱仪及微波频谱仪。按频带宽度分：有宽频带频谱仪，窄带频谱仪。按结构特点分：有台式、便携式、模块式。按输入通道数目分类有：单通道、多通道频谱仪按分析处理方法分类：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模拟/数字混合式频谱仪。按处理的实时性分类：实时频谱仪、非实时频谱仪。5.3频谱分析仪一、实时频谱仪：能同时显示其规定频率范围内所有频率分量，并且保持两个信号间的时间关系。使得它不仅能分析周期信号、随机信号，而且能分析瞬时信号。实用的实时频谱仪又分为多通道频谱仪和快速傅立叶频谱仪两类。（一）多通道频谱仪：模拟式由于受滤波器数量及带宽的限制，这类频谱仪主要工作在音频频段（20Hz——20K）。5.3频谱分析仪（二）FFT频谱分析仪：数字式傅立叶变换的唯一性表明了信号及其频谱之间的一一对应关系，这一性质给信号的变换、处理、鉴别、和恢复提供了理论依据。它可以进行信号的幅度谱和相位谱的分析。频谱函数的幅度频谱代表信号中各频率分量的振幅大小。-------------相位--------------------------相差------快速傅立叶频谱仪的核心是以函数进行傅立叶变换的数学计算为基础的计算机分析。因此需要使用高速数字计算机进行数字功率谱的计算。根据抽样定理：最低取样速率应该大于或等于被取样信号的最高频率的两倍。现代傅立叶频谱仪的工作频段一般在DC—100KHz的低频段用。如HP3562A的分析频带为64Hz—100KHz，国内永华厂的RE—201为20Hz—25KHz。5.3频谱分析仪二、非实时频谱仪——扫描调谐频谱仪这类频谱仪对输入信号按时间顺序进行扫描调谐，因此它只能分析在规定时间内频谱几乎不变化的周期重复信号。这类频谱仪有很宽的工作频率范围。从DC—几十GHz，（适于作全景接收）。常用的扫描调谐型频谱仪又分为：扫描射频调谐型和超外差型两类。（一）扫描射频调谐频谱仪利用中心频率可电调的带通滤波器来调谐和分辨输入信号。如国产的RS—13全景接收机。这种类型的频谱仪分辨力、灵敏度等指标都比较差。5.3频谱分析仪（二）超外差频谱仪：经由一至几次的变频过程其实质上是一台具有扫频和窄带滤波功能的超外差接收机。按其被扫频的本振频率又分为扫中频型和扫前端（第一本振）型。前者如国产的BP—1，QF4021等，优点是成本低，分辨带宽较窄，无法实现全景接收。其工作是顺序地进行分析，被测信号中各个频率分量的幅值也是顺序地显示在屏幕上。显示的谱线是窄带滤波器的幅频特性曲线形状和真正的信号频谱。5.3频谱分析仪

第一变频器

第三变频器第二

变频器F1IFF2IFF3IFFRF

射频衰减器F1lo

第一

本振YTOYTF

带宽滤波器

对数放大器LOG扫描斜波发生器检波器显示器

低通滤波器

低通滤波器

带通滤波器

步进放大器MXR1MXR25.3频谱分析仪频谱仪的主要工作特性：(1)频率分辨力——窄带滤波器幅频特性的3dB带宽为频谱仪的分辨力。指能够分辨的最小谱线间隔。表征了频谱仪能将频率紧挨在一起的信号区分开来的能力；它取决于窄带滤波器的幅频特性的带宽。f(a)(b)(c)输入频谱屏幕谱线形状分辨力太低图形5.3频谱分析仪如何选择窄带滤波器（RBW）的分辨力带宽？基本的回答是：频谱仪扫过频率间隔的速度必须低到足以使通过滤波器的信号可达到其峰值幅度，否则会产生不正确的信号测量结果。用一个窄的RBW滤波器在宽的频率范围情况下，会使一次扫描要很长的时间。因此，要保持扫描速度合理，分辨力带宽必须随扫速的增大而增大。有“静态分辨力”——静态幅频特性曲线3dB带宽；“动态分辨力”——动态幅频特性曲线3dB带宽。dB5.3频谱分析仪(2）有效频率范围：指频谱仪能够进行分析的信号的频率范围。（3）输入信号电平与动态范围（4）扫频宽度(频谱宽度）和分析时间扫频宽度——频谱仪在一次测量分析过程中显示的频率范围。分析时间——完成一次频谱分析所需的时间，即一次扫描正程的时间。也称扫描时间。扫频速度——扫频宽度与分析时间之比。动态范围：既扫频仪的最佳输入电平范围。主要由混频级的非线性决定。一般为70-100dB5.3频谱分析仪

2398频谱分析仪：

带有准峰值解调选件，具有9K-120KHZ的滤波器，适合现代EMC测试。

技术指标:

频率范围：9KHZ-2.7GHZ

频率精度：1HZ

分辨范围：300HZ-3MHZ

幅度指标:

测量范围：20DBN-108DBM

显示范围：0-80DB

相位噪声：-90DBC/HZ

重量：8.2kg5.3频谱分析仪5.3频谱分析仪5.3频谱分析仪频谱仪的正确使用：

1、扫频宽度：根据被测信号的频谱宽度进行选择。如调幅波可选2fm(调制频率），若考虑二次谐波的调制边带，可选4fm。

2、带宽Bq选择：Bq选择要与扫频宽度相当，一般原则：宽带扫频Bq=150hz,窄带Bq=6hz