電子測量與儀器課件第五章頻域測量與儀器2

1、頻域測量與儀器 第 5 章 1 5.3.1 頻譜儀的組成及工作原理頻譜儀的組成及工作原理 模擬式頻譜儀的最簡單原理是利用一系列窄帶濾波器，依次選取被測信號中不同頻率的信號，并借助于掃描信號，將不同頻率信號的幅度并排顯示在熒光屏上，得到被測信號的頻譜圖，該方式為順序?yàn)V波式，原理框圖如圖5.14所示。 順序?yàn)V波式頻譜儀需要采用大量高穩(wěn)定度的窄帶濾波器，因儀器造價(jià)較高而較少采用。使用比較普遍的是掃頻外差式頻譜儀。頻域測量與儀器 第 5 章 2窄帶濾波器窄帶濾波器門電路檢波器Y放大器掃描電路窄帶濾波器門電路門電路X放大器uxfx圖5.14 順序?yàn)V波式頻譜儀原理圖頻域測量與儀器 第 5 章 3掃頻外差式

2、頻譜儀的工作原理如圖5.15(a)所示。所謂“掃頻外差式”包括外差和掃頻兩個含意?！巴獠睢奔幢菊裥盘枺磼哳l振蕩信號）與被測信號經(jīng)混頻器差頻產(chǎn)生固定中頻信號，因此儀器只要采用一個窄帶濾波器即可，而中頻放大器則起到窄帶濾波器的作用。“掃頻”即本振信號頻率是連續(xù)改變的。在本振頻率掃頻時，本振頻率和被測信號順序差頻得到中頻，即相當(dāng)于選取一系列被測信號的頻率分量。例如，假設(shè)中頻頻率為6MHz、本振頻率從9MHz掃頻到13MHz，若被測信號包括3、4、5、6、7MHz五個頻率成分，當(dāng)本振頻率為9MHz時與3MHz被測信號頻率差頻得到第一個6MHz信號；本振頻率掃到10MHz時和4MHz的被測信號差頻得到

3、第二個6MHz信號。依此類推，將順序得到第三、四、五個中頻?？深l域測量與儀器 第 5 章 4見被測信號在一定頻率范圍內(nèi)，有一個頻率分量就有一個中頻輸出，中頻信號經(jīng)檢波器解調(diào)出各自的振幅，經(jīng)過放大后加到Y(jié)偏轉(zhuǎn)板，得到相應(yīng)頻率成分的幅度值，該幅度值與對應(yīng)頻率信號的幅度成正比。加到X偏轉(zhuǎn)板的鋸齒波掃描電壓就是本振掃頻振蕩器的調(diào)制電壓，因而水平軸變?yōu)轭l率軸，這樣熒光屏上就顯示出了被測信號的頻譜圖。由于窄帶濾波器存在一定的帶寬，故顯示的頻譜線并非理想的直線，而是一排窄帶濾波器的動態(tài)幅頻特性曲線，如圖5.15(b)所示。 頻譜儀的實(shí)際構(gòu)成要比圖5.15(a)復(fù)雜得多，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先為了獲得較

4、高的靈敏度而采用多次變頻的方法，以便在幾個中頻頻率上進(jìn)行電壓放大提高靈敏度，如果在一個中頻上增加放大器級數(shù)來提高靈敏度，則很容易頻域測量與儀器 第 5 章 5引起振蕩，而且多次變頻還可以提高頻率分辨力。其次采用輸入衰減器來擴(kuò)大量程和提高輸入阻抗。再者采用頻標(biāo)信號以便直接讀出頻率值。然后為了使幅值坐標(biāo)“對數(shù)化”（取對數(shù)），還應(yīng)在Y通道的檢波器和Y放大器之間接入對數(shù)放大器。對數(shù)放大是指輸出信號的幅度是輸入信號幅度的對數(shù)，即壓縮譜線幅度，使得在熒光屏有效高度范圍內(nèi)得到大的動態(tài)范圍?；祛l器中頻放大器Y放大器掃頻振蕩器鋸齒波掃描電路X放大器(a)(b)uifx圖5.15 掃頻外差式頻譜儀組成框圖檢波頻域

5、測量與儀器 第 5 章 6頻譜儀的實(shí)際構(gòu)成要比圖5.15(a)復(fù)雜得多，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先為了獲得較高的靈敏度而采用多次變頻的方法，以便在幾個中頻頻率上進(jìn)行電壓放大提高靈敏度，如果在一個中頻上增加放大器級數(shù)來提高靈敏度，則很容易引起振蕩，而且多次變頻還可以提高頻率分辨力。其次采用輸入衰減器來擴(kuò)大量程和提高輸入阻抗。再者采用頻標(biāo)信號以便直接讀出頻率值。然后為了使幅值坐標(biāo)“對數(shù)化”（取對數(shù)），還應(yīng)在Y通道的檢波器和Y放大器之間接入對數(shù)放大器。對數(shù)放大是指輸出信號的幅度是輸入信號幅度的對數(shù)，即壓縮譜線幅度，使得在熒光屏有效高度范圍內(nèi)得到大的動態(tài)范圍。頻域測量與儀器 第 5 章 75.3.2

6、 頻譜儀組成原理實(shí)例頻譜儀組成原理實(shí)例BP-28型音頻（20Hz20MHz）頻譜儀的結(jié)構(gòu)如同選頻電壓表，其組成框圖如圖5.16所示。被測信號經(jīng)輸入衰減獲得合適電平（10mV）后，送至前置放大器，由低通濾波器濾除20kHz以上的分量，再送入變頻器，在變頻器中使被測信號與掃頻信號差頻，當(dāng)被測信號中的某一分量與掃頻信號相差一個中頻時，其差頻分量通過選頻放大器及中頻衰減器，分別送入線性放大器或?qū)?shù)放大器，再經(jīng)中頻放大器輸出至機(jī)外，另一路經(jīng)檢波器接到電壓表。同時在檢波器后將直流信號輸出。對儀器校準(zhǔn)時，將10kHz、10mV的校準(zhǔn)信號接至前置放大器，對儀器進(jìn)行幅度校準(zhǔn)。 頻域測量與儀器 第 5 章 8掃頻

7、振蕩器中的可變電容器與直流輸出電位器RP3的刻度盤同軸，使振蕩器的頻率與直流輸出電壓和刻度線三者同步，于是直流輸出的每一個電壓值即代表不同的頻率值，并由刻度線讀出。當(dāng)用直流輸出電壓驅(qū)動記錄儀的X軸時，X軸的移動距離代表頻率值，出現(xiàn)在X軸某一位置的譜線長度，表示被測信號該頻率分量的幅值。該儀器的選頻放大器中使用晶體濾波器，可在4Hz，30Hz，150Hz三種頻率上人工選擇；有線性放大器和對數(shù)放大輸入衰減器前置放大器低通濾波器變頻器選頻放大器中頻衰減器中頻放大器線性放大器對數(shù)放大器數(shù)字頻率計(jì)掃頻振蕩器校準(zhǔn)信號電壓表檢波器對數(shù)校準(zhǔn)RP2RP3中頻輸出線性校準(zhǔn)RP1fxf0fwui直流輸出圖5.16

8、BP-28型音頻頻譜儀原理框圖頻域測量與儀器 第 5 章 9器可供選擇，以取得合適的頻率坐標(biāo)分度；掃頻振蕩器的頻率用微電動機(jī)實(shí)現(xiàn)自動掃頻。由于儀器可以對信號或系統(tǒng)的各種諧波進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，因而可作為高靈敏度諧波失真儀使用；可提供音頻掃頻信號，用以測量頻率特性曲線；由于中心頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因而亦可作為有源濾波器使用。 5.3.3 頻譜儀的技術(shù)指標(biāo)頻譜儀的技術(shù)指標(biāo) （1）頻率范圍 頻率范圍是指能夠達(dá)到儀器規(guī)定性能的工作頻率范圍。 （2）掃頻寬度 掃頻寬度又稱為分析譜寬，其含義是頻譜儀在一次測量頻域測量與儀器 第 5 章 10分析過程中（即一個掃描正程）顯示的頻率范圍。為了觀測被測信號頻譜的全貌，

9、需要較寬的掃頻寬度；為了分析頻譜圖中的細(xì)節(jié)，則需要窄帶掃描。因此，頻譜儀的掃頻寬度應(yīng)是可調(diào)的。每厘米相對應(yīng)的掃頻寬度，稱為頻寬因數(shù)。掃頻寬度很寬的頻譜儀稱為全景頻譜儀，可以觀測到信號頻譜的全貌。 每完成一次頻譜分析所需要的時間稱為分析時間，即本機(jī)振蕩器頻率掃描完整個掃頻寬度所需要的時間，實(shí)際上就是掃描正程時間。掃頻寬度與分析時間之比稱為掃頻速度。 （3）頻率分辨力 頻率分辨力是指頻譜儀能夠分辨的最小譜線間隔。它表征了頻譜儀分辨兩個很接近的頻率分量的能力。由于熒光屏頻域測量與儀器 第 5 章 11顯示的譜線實(shí)際上是窄帶濾波器的動態(tài)幅頻特性，因此定義幅頻特性的3dB帶寬為頻譜儀的分辨力。 由于窄帶

10、濾波器的幅頻特性曲線形狀與速度有關(guān)，因此，分辨力亦與掃頻速度有關(guān)。包括以下兩種： 掃頻速度為零時，靜態(tài)幅頻特性曲線的3dB帶寬稱為靜態(tài)分辨力。 在掃頻工作（掃頻速度不為零）時，動態(tài)幅頻特性曲線的3dB帶寬稱為動態(tài)分辨力。在技術(shù)說明書中給出的一般是靜態(tài)分辨力，而動態(tài)分辨力則與使用有關(guān)。顯然，動態(tài)分辨力低于靜態(tài)分辨力，而且速度越快，動態(tài)分辨力越低。 （4）動態(tài)范圍 動態(tài)范圍是表征頻譜儀同時顯示大信號與小信號的真實(shí)頻域測量與儀器 第 5 章 12頻譜能力，動態(tài)范圍的上限由頻譜儀的非線性失真所決定。頻譜儀的動態(tài)范圍一般在60dB以上，有時甚至達(dá)90dB。為了適應(yīng)不同測量的需要，頻譜儀的幅值顯示方式具有

11、兩種選擇：線性顯示和對數(shù)顯示。對數(shù)顯示時要用到對數(shù)放大器，而線性顯示用線性放大器。 （5）靈敏度 靈敏度是表征頻譜儀測量微小信號的能力。定義顯示幅度為滿刻度時輸入信號的電平值為頻譜儀的靈敏度。靈敏度與儀器內(nèi)部噪聲及掃頻速度有關(guān)，掃頻速度加快，動態(tài)幅頻特性峰值降低，使靈敏度下降，并產(chǎn)生幅值誤差。 5.3.4 頻譜儀的使用頻譜儀的使用 在頻譜儀面板上“掃頻寬度”、“頻率標(biāo)記”、“頻帶寬度”都頻域測量與儀器 第 5 章 13是可調(diào)的。應(yīng)根據(jù)被測信號頻譜的特性合理地選擇使用有關(guān)的旋鈕。 （1）掃頻寬度的選擇 掃頻寬度是根據(jù)被測信號的頻譜寬度來選擇的。例如要分析一個調(diào)幅波，則掃頻寬度應(yīng)大于2fm（fm為

12、最大音頻調(diào)制頻率），若要觀測是否存在二次諧波的調(diào)制邊帶，則應(yīng)大于4fm。 （2）帶寬的選擇 靜態(tài)分辨力Bq越高（數(shù)值越?。?，要求掃頻寬度越窄，反之，變寬。為了使Bq與掃頻寬度相適應(yīng)，可參考表5-1進(jìn)行選擇。一般來說，寬帶掃頻可選Bq=150Hz，而窄帶掃頻可選Bq=6Hz。頻域測量與儀器 第 5 章 14（3）掃頻速度的選擇當(dāng)掃頻寬度與靜態(tài)分辨力選定后，掃頻速度的選擇以獲得較高的動態(tài)分辨力為準(zhǔn)則。同時還應(yīng)合理地處理它與分析時間的矛盾，因?yàn)樵趻哳l寬度一定時，掃頻速度的選擇實(shí)際上就是分析時間的選擇。分析時間越長，即掃頻速度越慢，則動態(tài)分辨力越接近靜態(tài)分辨力。當(dāng)動、靜態(tài)分辨力相等時，動態(tài)分辨力最高，

13、但分析時間長。一般可按下列經(jīng)驗(yàn)式選擇：表表5-1 頻譜儀靜態(tài)分辨力的參考范圍頻譜儀靜態(tài)分辨力的參考范圍掃頻寬度530kHz1.510kHz2kHz靜態(tài)分辨力150Hz30Hz6Hz頻域測量與儀器 第 5 章 15vsBq2 式中，vs為掃頻速度，單位為Hz/s；Bq為靜態(tài)分辨力，單位為Hz。 現(xiàn)代頻譜儀通常裝有微處理器，可根據(jù)輸入信號，自動設(shè)置最佳分析帶寬、分析時間等參數(shù)，無需人工調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自動操作，并具有高的準(zhǔn)確度和高分辨力。 5.3.5 頻譜儀的應(yīng)用頻譜儀的應(yīng)用 頻譜儀是一種多功能的測量儀器，可用來測量信號電平、諧波失真、調(diào)制系數(shù)、頻率穩(wěn)定度、頻譜純度。用于查找干擾的實(shí)例如下：頻域測量與儀

14、器 第 5 章 161.測量發(fā)射機(jī)的輻射型雜波輻射測量發(fā)射機(jī)的輻射型雜波輻射無線發(fā)射機(jī)的輻射型雜波輻射是指用標(biāo)準(zhǔn)信號作為調(diào)制信號，發(fā)射機(jī)除載波和由調(diào)制信號決定的邊帶以外離散頻率的輻射，它對接收機(jī)，尤其對于接收帶寬過大的接收機(jī)將造成嚴(yán)重的影響。發(fā)射機(jī)頻譜儀信號發(fā)生器S“輸出”圖5.17 發(fā)射機(jī)的雜波輻射測量圖5.17為測量發(fā)射機(jī)雜波輻射的電路連接圖，圖中“輸出”是指通過天線輸出。首先使發(fā)射機(jī)在未調(diào)制狀態(tài)下工作，將頻譜儀調(diào)整在發(fā)射機(jī)載頻頻率上，則載波峰值電平在屏幕上顯示在0dB線上。然后調(diào)節(jié)頻譜儀的頻率旋鈕在100kHz1000MHz或4倍載頻的范圍內(nèi)變化，記下各雜波輻射電平。最頻域測量與儀器 第

15、 5 章 17后在發(fā)射機(jī)上加調(diào)制信號，重復(fù)以上測量過程。 當(dāng)載波功率大于25W時，離散頻率的雜波輻射功率應(yīng)比載波功率電平小70dB；當(dāng)載波功率小于或等于25W時，離散頻率的輻射功率電平應(yīng)不大于2.5V。 2.測量接收機(jī)的雜波輻射 接收機(jī)的雜波輻射是指由接收機(jī)引起的輻射。雜波輻射電平包括： 雜波輻射在天線端的功率電平。 由機(jī)箱和設(shè)備結(jié)構(gòu)屏蔽不良引起的輻射，即機(jī)箱輻射。 發(fā)射機(jī)頻譜儀信號發(fā)生器S“輸出”圖5.17 發(fā)射機(jī)的雜波輻射測量頻域測量與儀器 第 5 章 18圖5.18為測量電路連接圖，圖中“輸入”是指通過天線輸入。首先打開接收機(jī)電源，將開關(guān)S置于“1”，用頻譜儀尋找100kHz2GHz以內(nèi)

16、的任何雜波輻射分量。然后將開關(guān)S置于“2”，用信號發(fā)生器輸出模擬雜波輻射分量的信號，以確定其雜波輻射分量的電平值。 在測量機(jī)箱輻射時，應(yīng)將被測接收機(jī)置于屏蔽室內(nèi)或無輻射的場所。技術(shù)指標(biāo)為：在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，任何雜波輻射分量的功率均不超過2nW。接收機(jī)頻譜儀信號發(fā)生器“輸入”圖5.18 接收機(jī)的雜波輻射測量12S頻域測量與儀器 第 5 章 19本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要介紹了頻域測量及儀器的組成與工作原理。本章主要介紹了頻域測量及儀器的組成與工作原理。 （1）掃頻儀是一種能直接觀測被測電路幅頻特性曲線的儀器，可以用來測）掃頻儀是一種能直接觀測被測電路幅頻特性曲線的儀器，可以用來測量被測電路帶寬

17、、品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)，主要由掃描信號源、掃頻信號源、頻標(biāo)電路量被測電路帶寬、品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)，主要由掃描信號源、掃頻信號源、頻標(biāo)電路和示波器（和示波器（X-Y方式）等組成。方式）等組成。 （2）掃頻儀的頻標(biāo)分為菱形頻標(biāo)和針形頻標(biāo)，用于進(jìn)行頻率標(biāo)度，一般利）掃頻儀的頻標(biāo)分為菱形頻標(biāo)和針形頻標(biāo)，用于進(jìn)行頻率標(biāo)度，一般利用差頻電路產(chǎn)生，二者分別適于高頻、低頻測量。用差頻電路產(chǎn)生，二者分別適于高頻、低頻測量。 （3）頻譜儀是信號頻域分析的重要工具。頻譜儀除用于信號的頻譜分析外，）頻譜儀是信號頻域分析的重要工具。頻譜儀除用于信號的頻譜分析外，還用于分析放大器的諧波失真、信號發(fā)生器的頻譜純度以及系統(tǒng)的頻率特性等。還用于分析放大器的諧波失真、信號發(fā)生器的頻譜純度以及系統(tǒng)的頻率特性等。 (4）頻譜儀按其工作原理分為數(shù)字式和模擬式兩大類。最常用的是掃頻外差）頻譜儀按其工作原理分為數(shù)字式和模擬式兩大類。最常用的是掃頻外差式模擬頻