《电子测量技术》课件-第8章

第8章频域测量技术8.1频域测量的原理与分类8.2线性系统频率特性测量8.3频谱分析测量8.4谐波失真度测量

8.1频域测量的原理与分类

8.1.1频域测量的原理对于一个过程或信号,它具有时间—频率—幅度的三维特性,如图8.1所示。

图8.1信号的三维特性

8.1.2频域测量的分类

根据实际应用的需求,频域分析和测量的对象和目的也各不相同,通常有以下几种:

(1)频率特性测量:主要对网络的频率特性进行测量,包括幅频特性、相频特性、带宽及回路Q值等。

(2)选频测量:利用选频电压表,通过调谐滤波的方法,选出并测量信号中某些频率分量的大小。

(3)频谱分析:用频谱分析仪分析信号中所含的各个频率分量的幅值、功率、能量和相位关系,以及振荡信号源的相位噪声特性、空间电磁干扰等。

(4)调制度分析测量:对各种频带的射频信号进行解调,恢复调制信号,测量其调制度,如调幅波的调幅系数、调频波的频偏、调频指数以及它们的寄生调制参量。

(5)谐波失真度测量:信号通过非线性器件都会产生新的频率分量,俗称非线性失真。

8.2线性系统频率特性测量

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。通常情况下,线性系统的频率特性是复函数,它的绝对值称为幅频特性,表示频率特性的幅度随频率的变化规律;它的相位称为相频特性,表示系统产生的相移随频率的变化规律。线性系统频率特性的测量包括幅频特性和相频特性的测量。

8.2.1基本测量方法

1.点频测量法

点频测量法属于静态测量法。

动态测量法则能较好地反映被测网络的实际特性,图8.2中的曲线2就是使用动态测量法所获得的曲线。这时,曲线略有右移,最大值也略有降低。

图8.2静、动态测量曲线

2.扫频测量法

所谓扫频,就是利用某种方法,使激励正弦信号的频率随时间变化按一定规律在一定范围内反复扫动。这种频率扫动的正弦信号称为扫频信号。

扫频测量法就是将等幅扫频信号加至被测电路输入端,然后用显示器来显示信号通过被测电路后振幅的变化。由于扫频信号的频率是连续变化的,因此在屏幕上可直接显示出被测电路的幅频特性。

扫频测量法是一种动态测量法,它使我们可以测量被测器件或系统的动态特性。与点频测量法相比,扫频测量法具有以下优点:

(1)可实现网络频率特性的自动或半自动测量,特别是在进行电路测试时,人们可以一面调节电路中的有关元件,一面观察荧光屏上频率特性曲线的变化,随时判明元件变化对幅频特性产生的影响,并迅速调整,以查找电路的故障。

(2)由于扫频信号的频率是连续变化的,因此,所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的,不会出现由于点频法中频率点离散而遗漏细节的问题,且能够观察到电路存在的各种冲激变化(如脉冲干扰等),更符合被测电路的应用特性。

(3)扫频测量法操作简单、速度快,可实现频率特性测量的自动化,已成为一种广泛使用的方法。

3.多频测量法

多频测量是利用多频信号作为激励信号的一种频域测量技术。所谓多频信号,是指由若干频率离散的正弦波组成的集合。多频测量将这个多频信号作为激励,同时加到被测系

统的输入端,并检测被测网络输出信号在这些频率点的频谱,在与输入进行比较之后就可以得到被测网络的频率特性。

4.广谱快速测量法

当系统对非线性失真的要求较高时,可采用白噪声作为测量的激励信号。

8.2.2相频特性测量

线性系统的频率特性还包括相频特性。在一些实际的应用系统中,相频特性对系统的性能有很大的影响。如图8.3所示图8.3线性系统的相频特性测量

8.2.3扫频仪

频率特性测量最常用的仪器是扫频仪。扫频仪又称频率特性测量仪,是一种根据扫频测量法制成的分析电路频率特性的电子测量仪器。扫频仪能够直接在显示屏上显示放大器、滤波器、鉴频器以及其他有源或无源网络的频率特性,与示波器不同的是,它的横坐标为频率轴,纵坐标为电平值,而且在显示图形上叠加有频率标志,可对电路幅频特性、带宽等进行定量测量。

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。其原理框图如图8.4所示

对扫频信号发生器的基本要求有以下几点:

(1)中心频率范围大且可以连续调节。

(2)扫频宽度要宽且可任意调节,常用频偏进行描述。

(3)寄生调幅要小。

(4)扫描线性度要好。

图8.4扫频仪的简要原理框图

实现扫频振荡的方法很多,目前广泛采用的是利用变容二极管实现扫频振荡;若要获得较高的扫频频率(几十到几百兆赫兹),可采用磁调电感的扫频方法;若要得到更高的扫频频率(千兆赫兹级),则可采用YIG(钇铁石榴石)扫频。它们通过改变振荡回路元件(电感或电容)的参数值来改变振荡信号的频率,其扫频宽度和扫描线性受到一定的限制。为保证扫频仪有很宽的工作频率范围,往往将整个工作频段划分成几个分波段,还可以通过混频的方法获得更高的工作频率,如图8.5所示。

图8.5混频法拓展扫频仪至更高的工作频率

2.主要技术指标

扫频仪的主要技术指标包括有效扫频带宽、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

2)扫频线性

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,常用扫频线性系数来表示,定义为

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来表示,定义为

3.扫频仪的分类

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、微波综合测量仪等;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。

4.扫频仪的应用

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、鉴频器的特性测量,以及电路性能等的研究、分析或改善提供了方便的条件。除此之外,扫频仪还能用于传输线特性阻抗的测量。

1)电路幅频特性的测量

幅频特性测量电路如图8.6所示。图8.6幅频特性的测量

图8.7给出了典型滤波器的频率特性测量曲线图8.7典型滤波器的频率特性测量曲线

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。在调好幅频特性的基础上,用粗、细调衰减器控制扫频信号的电压幅度,使它符合被测电路设计时要求的输入信号幅度。衰减器的总衰减量应不小于放大器设计的总增益。记下此时屏幕上显示的幅频高度A,输出总衰减B1(dB)。将检波探头直接和扫频输出端短接,改变“输出衰减”,使幅频特性的高度仍为A,此时输出衰减的读数若为B2(dB),则该放大器的增益为

(2)带宽的测量。被测电路的连接方法同幅频特性的测量一样。

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8.8中与AB线相切);然后保持Y增益不变,将扫频仪输出衰减减小3dB,则此时屏幕上的曲线将上移而与AB线相交,两交点处的频率即分别为下截止频率fL

和上截止频率fH。因而被测电路的带宽为

图8.8扫频仪测量带宽

(3)回路Q值的测量。测量时电路连接和测量方法与回路带宽的测量相同,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:

8.3频谱分析测量

8.3.1选频测量当只需要测量信号中某些频率分量幅值的大小时,可以选用谐波分析仪进行测量。图8.9所示为外差式谐波分析仪的原理框图。

图8.9外差式谐波分析仪的原理框图

8.3.2频谱分析仪

频谱测量的目的是分辨信号的性质和能量分布。

1.频谱分析仪的原理

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。分析功率谱的方法有三种:滤波法、相关函数傅里叶变换法和直接傅里叶变换法。后两种都是通过傅里叶变换计算来完成的,故可将它们归为计算法。

1)滤波式频谱分析

图8.10示出了滤波式频谱仪的简要原理框图。图8.10滤波式频谱仪的简要原理框图

实际应用中,要获得足够高的频率分辨率和足够宽的工作频带,使用大量中心频率不同的带通滤波器是不现实的,实际采用的大都为外差扫频方式。其基本原理是:将选频测量与扫频测量结合,此时本地振荡器受扫频电压控制,这样输入信号实际上与一个本地的扫频信号进行混频,得到一固定的中频信号,然后对这个中频信号进行检波、放大,得到其幅值后送至Y轴,而X轴表示与扫频电压相对的输入信号的频率,这样通过连续扫描就在屏幕上直接得到了被测输入信号的频谱,并能够保证较高的频率分辨率和较高的测量灵敏度。其原理简图如图8.11所示。

图8.11外差扫频方式频谱分析法的原理简图

2)计算法频谱分析

计算法频谱分析仪的构成如图8.12所示。

图8.12计算法频谱分析仪框的构成图

2.频谱分析仪的分类

频谱分析仪的种类繁多,按信号处理方式可分为模拟式、数字式、模拟数字混合式;按工作频带不同可以分为高频频谱仪、低频频谱仪、音频频谱仪;按工作原理不同大致可分为滤波法和计算法两大类;按其分析的实时性又可分为实时和非实时频谱分析仪。

模拟式频谱仪以模拟滤波器为基础,用滤波器来实现信号中各频率成分的分离,使用频率很宽,可以覆盖低频至射频及微波频段,如目前使用最广的外差式频谱分析仪。模拟式频谱仪的工作方式有并行滤波法、时间压缩法、傅里叶变换法、顺序滤波法、扫频滤波法和扫频外差法等,其中前三种为实时频谱分析,后三种为非实时频谱分析。

数字式频谱仪是以数字滤波器或快速傅里叶变换为基础而构成的。

1)并行滤波实时频谱仪

并行滤波实时频谱仪又称为多通道滤波式频谱分析仪,其原理如图8.13所示。图8.13并行滤波实时频谱仪的原理框图

2)扫频滤波式频谱仪

扫频滤波式频谱仪利用一个中心频率由扫频电压调节的带通滤波器来实现工作频带内的频谱分析,其原理框图如图8.14所示。图8.14扫频滤波式频谱仪的原理框图

3)扫频外差式频谱仪

借助外差式收音机和扫频的原理,将输入信号与仪器内部的本地振荡信号进行混频,通过线性地调整本地振荡源的频率,使其与被测信号中各频率成分形成固定的差频,用相对频移的方法取代图8.14中的电调谐带通滤波器,就构成了扫频外差式频谱仪,其原理框图如图8.15所示。

图8.15扫频外差式频谱仪的原理框图

4)时基压缩式实时频谱仪

用并行模拟滤波法进行窄带的实时分析,需要大量的滤波器和检波器;采用数字滤波式频谱分析仪时,工作频率受到数字电路工作速度的限制;外差法虽然无须大量的滤波器,但不能进行实时分析,而且随着带宽变窄,需要很长的扫描分析时间。

时基压缩式实时频谱分析仪又称为模拟数字混合式频谱分析仪,其原理框图如图8.16所示。

图8.16时基压缩式频谱仪的原理框图

5)数字式频谱仪

随着数字信号处理技术的成熟与应用,频谱分析仪也走向了数字化。用数字滤波器代替上述模拟频谱分析仪中的模拟滤波器、用数字平方检波和均方算法代替二极管检波,就构成了数字滤波式频谱分析仪。它具有更高的精度、更好的稳定性和一致性,但大量的窄带数字滤波器对数字信号处理的速度提出了很高的要求。根据前面的介绍,分析信号频谱更直接的方法是进行傅里叶变换。对数字采样后的信号通过FFT方法计算DFT,即可同时得到其离散频谱,再经平方就可获得功率谱。这就是FFT频谱分析仪的核心,它已成为低频频谱分析的主要方法,如现在广为流行的虚拟仪器(VI)中的频谱分析功能就是基于高速数据采集和计算机快速傅里叶变换(FFT)实现的。

6)采用数字中频的外差式频谱分析仪

数字式频谱分析仪目前由于受到A/D采样速率和数字信号处理器处理速度的限制,无法实现对射频及微波信号的频谱实时分析,为解决这一问题,采用数字中频的外差式频谱分析仪诞生了。这种分析仪融合了外差扫描与数字信号处理及实时分析技术,在传统模拟外差式频谱分析仪的基础上,在中频及以后部分采用了全数字技术,通过数字滤波和FFT的方法,使分辨力和分析速度都大为提高,频谱分析仪的性能得到很大改善。

3.频谱分析仪的主要技术参数

频谱分析仪的参数较多,并且不同种类的频谱仪参数也不完全相同,但以下技术参数是最基本的。

1)频率范围

频率范围是指能达到频谱分析仪规定性能的工作频率区间,如安捷伦公司的ESA－E系列频谱分析仪频率范围可达325GHz。

2)扫频宽度、分析时间、扫频速度

扫频宽度也称分析宽度,是指频谱分析仪在一次扫描分析过程中所显示的频率范围,也就是本机振荡器的扫频宽度。

3)频率分辨率

频率分辨率是指频谱分析仪能把靠得很近的两个频谱分量分辨出来的能力。由于屏幕显示的谱线实际上是窄带滤波器的动态幅频特性,因而频谱分析仪的分辨率主要取决于窄

带滤波器的通频带宽度,因此定义窄带滤波器幅频特性的3dB带宽为频谱仪的分辨率。

4)动态范围与测量范围

频谱分析仪的动态范围定义为,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)。

5)灵敏度

灵敏度是指频谱分析仪测量微弱信号的能力,定义为显示幅度为满刻度时,输入信号的最小电平值。灵敏度受分析仪中存在的噪声、杂波、失真以及杂散响应的限制,并且与

扫速有关,扫速越快,动态幅频特性峰值就越低,灵敏度也越低。许多频谱分析仪通过开启内置的前置放大器来提高灵敏度,其灵敏度可达-155~-135dBm。

4.频谱分析仪的应用

1)对信号参数进行测量

由上述频谱仪的工作原理可知,用频谱仪可以测量信号本身(即基波)及各次谐波的频率、幅度、功率谱,以及各频率分量之间的间隔,具体包括:

(1)直接测量各次谐波的频率、幅值,用以判断失真的性质及大小。

(2)可以用作选频电压表,如测量工频干扰的大小。

(3)根据谱线的抖动情况,可以测量信号频率的稳定度。

(4)测试调幅、调频、脉冲调制等调制信号的功率谱及边带辐射。

(5)测量脉冲噪声,测试瞬变信号。

2)信号仿真测量

对于声音信号来说,通常说的“音色”是对频谱而言的,音色如何是由其谐波成分决定的。各种乐器或歌唱家的音色可用频谱来鉴别。

3)电子设备生产调测

频谱分析仪可显示信号的各种频率成分及幅度,在生产、检测中常用于调测分频器、倍频器、混频器、频率合成器、放大器及各种电子设备整机等,可测量其增益、谐波失真、相位噪声、杂波辐射等,如频谱分析仪是无线电通信设备整机检测的重要仪器。图8.17给出了发射机杂散辐射测量的示意图。

图8.17发射机杂波辐射的测量

4)电磁干扰(EMI)的测量

频谱分析仪是电磁干扰的测试、诊断和故障检修中用途最广的一种工具。频谱分析仪对于电磁兼容(EMC)工程师来说就像数字电路设计工程师手中的逻辑分析仪一样重要,如

在诊断电磁干扰源并指出辐射发射区域时,采用便携式频谱分析仪是很方便的。测试人员可在室内对被测产品进行连续观察和测试,还可以用电场或磁场探头探测被测设备的泄漏

区域,通常这些区域包括箱体接缝、CRT前面板、接口线缆、键盘线缆、