頻域測量與儀器

1、頻域測量與儀器 第 5 章 1第第5 5章章 頻域測量與儀器頻域測量與儀器 5.1 頻率特性測試儀工作原理頻率特性測試儀工作原理 5.2 AH1254B型寬頻帶掃頻儀型寬頻帶掃頻儀 5.3 頻譜儀頻譜儀本章小結(jié)本章小結(jié)頻域測量與儀器 第 5 章 2第第5章章 頻域測量與儀器頻域測量與儀器學習參考：學習參考：頻域測量儀器包括掃頻儀、頻譜儀等儀器，主要用于測量頻率特性曲線、頻譜特性曲線，也是常用測試儀器之一。要求通過學習掌握儀器的基本組成與原理、了解它們的使用。 本章要點：本章要點：掃頻儀、頻譜儀的組成原理與性能指標及應用。 頻域測量與儀器 第 5 章 35.1 頻率特性測試儀工作原理頻率特性測試

2、儀工作原理 5.1.1 頻率特性測量法頻率特性測量法頻率特性測試儀簡稱為掃頻儀，是一種能在示波器熒光屏上直接觀測到各種電路頻率特性曲線等的頻域測量儀器，由此可以測算出被測電路頻帶寬度、品質(zhì)因數(shù)、電壓增益、輸入輸出阻抗及傳輸線特性阻抗等參數(shù)。掃頻儀與示波器的區(qū)別在于前者能夠自身提供測試時所需要的信號源，并將測試結(jié)果以曲線形式顯示在熒光屏上。被測電路的頻率特性曲線即幅頻特性曲線，測量方法包括點頻測量法和掃頻測量法。點頻測量法即靜態(tài)測量法，由人工逐次改變輸入正弦信號的頻率，逐點記錄對應頻率的輸出信號幅度而得到幅頻特性頻域測量與儀器 第 5 章 4曲線。該方法繁瑣、費時、不直觀、測量誤差大。 掃頻測量

3、法即動態(tài)測量法，其原理框圖如圖5.1所示。掃描信號源一方面為示波器提供掃描信號u1；另一方面又控制掃頻信號源的振蕩頻率，使其產(chǎn)生從低頻到高頻的周期性重復變化的等幅正弦波u2輸送給被測電路，u2稱為掃頻信號。被測電路的輸出信號u3經(jīng)峰值檢波探頭檢出幅頻特性曲線u4，并最終顯示出幅頻特性曲線來。 由于掃頻信號是連續(xù)變化的，故掃頻測量法無測試頻率的斷點，該方法操作方便直觀。掃頻信號源掃描信號源示波器被測電路峰值檢波探頭u1u2u3u1u4XY圖5.1 幅頻特性的掃頻測量原理框圖頻域測量與儀器 第 5 章 55.1.2 掃頻儀工作原理掃頻儀工作原理由上述分析可見，掃頻儀實質(zhì)上是掃頻信號源與示波器X-Y

4、方式的結(jié)合。其組成框圖及工作波形如圖5.2所示。掃頻信號源，即頻率受控振蕩器，在掃描信號u1控制下產(chǎn)生掃頻信號u3。掃描信號源產(chǎn)生的掃描信號u1、掃頻起停控制信號u2分別是掃頻信號源的頻率控制信號及停振控制信號，u1還是示波器的水平掃描信號。當掃頻信號u3為鋸齒波電壓時，由于正程掃描速度慢，回程掃描速度快，使得掃描正程、掃描回程得到的波形不重合而無法觀測，如圖5.3(a)所示。當掃頻信號u3為正弦波電壓號頻域測量與儀器 第 5 章 6X放大器掃描信號源掃頻信號源被測電路檢波探頭Y放大器頻標信號形成電路混頻器晶振u2u1u1u3u4u5tttttu1u2u3u4u5(b)(a)圖5.2 掃頻儀組

5、成框圖及工作波形正程回程u(f)fu(f)f(a)(b)圖5.3 掃頻儀掃描正程和掃描逆程的不重合頻域測量與儀器 第 5 章 7u3在掃描回程時停振，使顯示出的波形為被測波形和用作水平軸的水平回掃線的組合，如圖5.3(b)所示。 檢波探頭用于解調(diào)出經(jīng)過被測電路的掃頻信號的振幅（包絡）變化情況，得到被測電路的幅頻特性曲線。 頻標形成電路用于產(chǎn)生進行頻率標度的頻標信號，以便讀出各點對應的頻率值。5.1.3 產(chǎn)生掃頻信號的方法產(chǎn)生掃頻信號的方法產(chǎn)生掃頻信號的方法很多，比較常用的是變?nèi)荻O管掃頻。圖5.4為變?nèi)荻O管掃頻振蕩器原理圖，其中VT1組成電容三點式振蕩器，變?nèi)荻O管VD1、VD2與L1、L2

6、及VT1的結(jié)電容組成振蕩回路，C1為隔直電容，L3為高頻扼流圈。調(diào)制信號經(jīng)L3頻域測量與儀器 第 5 章 8同時加至變?nèi)莨躒D1、VD2的兩端，當調(diào)制電壓隨時間作周期性變化時，VD1、VD2結(jié)電容的容量也隨之變化，從而使振蕩器產(chǎn)生掃頻信號。 5.1.4 頻標產(chǎn)生電路頻標產(chǎn)生電路 掃頻儀采用在幅頻特性曲線上疊加頻標的方法進行頻率標度，包括菱形頻標和針形頻標兩種，一般由差頻電路產(chǎn)生。 L1L2R1R2C1VD1VD2L3R3VT1+EC調(diào)制信號掃頻信號圖5.4 變?nèi)荻O管掃頻振蕩器原理圖頻域測量與儀器 第 5 章 91. 菱形頻標菱形頻標圖5.5(a)為菱形頻標產(chǎn)生原理圖，它對掃頻信號與標準信號的

7、基波、諧波進行混頻而得到“零差頻”的菱形頻標，如圖5.5(b)所示。設標準信號頻率為fs，則諧波信號源輸出信號頻率為基波fs及各次諧波fs1、fs2、fs3、fs4、fs5、。掃頻信號與諧波信號源輸出信號經(jīng)混頻器混頻后，再經(jīng)低通濾波輸出差頻信號，由此得到一系列零差點。例如在f=fs1處差頻為零，而f在fs1點附近差頻越來越大，由于低通濾波器的選通性，在靠近零差點的幅度最大，兩邊信號幅度迅速衰減，于是在f=fs1處形成“菱形頻標”。同理，在f=fs2、f=fs3處也形成菱形頻標。菱形頻標與幅頻特性曲線疊加便出現(xiàn)圖5.5(b)所示的圖形，配合標準信號源可讀出頻標的頻率值。 頻域測量與儀器 第 5

8、章 10標準信號源諧波信號源掃頻信號源被測電路檢波探頭頻標混頻低通濾波Y放大器(b)(a)圖5-5 菱形頻標產(chǎn)生原理fSfS1、fS2、fS3、fS4、fS5fS1fS2fS3fS4fS5fS1fS2fS3fS4fS5頻域測量與儀器 第 5 章 11菱形頻標是由低通濾波器對差頻信號的選擇性而形成的，其選擇性不可能無限高，故菱形頻標總要占有一定的寬度，只有在特性曲線上占有的寬度相對較窄時，才能形成相對很細的可分辨的頻標，否則頻標相互靠近、連接、甚至局部疊加，難以確定頻率值。故菱形頻標適于高頻測量。BT-3C型頻率特性測試儀采用差頻法產(chǎn)生菱形頻標，為了提高頻標的準確度，采用頻率分別為1MHz和10

9、MHz的晶體振蕩器產(chǎn)生菱形頻標。2. 針形頻標針形頻標在低頻掃頻儀中常用針形頻標，其產(chǎn)生方法與菱形頻標相似。利用菱形差頻信號觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器，使之輸出一個窄脈沖，窄脈沖經(jīng)整形后再與幅頻特性曲線在Y放大器中疊加，最頻域測量與儀器 第 5 章 12后出現(xiàn)在幅頻特性曲線上。窄脈沖的寬度可由單穩(wěn)觸發(fā)器調(diào)節(jié)得很窄，所以產(chǎn)生的頻標形似細針，稱之為針形頻標，適用于低頻測量。例如，BT-4型低頻頻率特性測試儀即采用針形頻標。 5.1.5 技術指標技術指標 1. 有效掃頻寬度和中心頻率有效掃頻寬度和中心頻率 有效掃頻寬度是指在掃頻線性和振幅平穩(wěn)性能符合要求的前提下，一次掃頻能達到的最大的頻率覆蓋范圍，即f=fma

10、xfmin式中，f為有效掃頻寬度；fmax為掃頻最高頻率；fmin為掃頻最低頻率。 頻域測量與儀器 第 5 章 13 掃頻信號中心頻率f0定義為f0=(fmax+fmin)/2 相對掃頻寬度定義為有效掃頻寬度與中心頻率之比，即 通常把f遠小于信號瞬時頻率的掃頻信號稱為窄帶掃頻，f和瞬時頻率可以相比擬的稱為寬帶掃頻。 通常把f遠小于中心頻率的掃頻信號稱為窄帶掃頻，f和中心頻率可以相比擬的稱為寬帶掃頻。 2. 掃頻線性掃頻線性 掃頻線性是指掃頻信號瞬時頻率的變化和調(diào)制電壓瞬時值minmaxminmax02ffffff頻域測量與儀器 第 5 章 14變化之間的吻合程度，吻合程度越高，掃頻線性越好。

11、3. 振幅平穩(wěn)性振幅平穩(wěn)性 在幅頻特性測試中，必須保證掃頻信號的幅度恒定不變。掃頻信號的振幅平穩(wěn)性通常用它的寄生調(diào)幅來表示，寄生調(diào)幅越小，振幅平穩(wěn)性越好。 5.2 AH1254B型寬頻帶掃頻儀型寬頻帶掃頻儀 AH1254型寬頻帶掃頻儀是由晶體管及集成電路組成的電子測量儀器，其主要特點是：掃頻寬度和中心頻率均可在1300MHz內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；設置有直流電源輸出，以方便對VHF頻段高頻頭的測試；具有點頻信號輸出，可作為一般信號發(fā)生器使用。 頻域測量與儀器 第 5 章 155.2.1 性能指標性能指標（1）中心頻率1300MHz內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。（2）掃頻頻偏Fmin1MHz，F(xiàn)max300MHz。（3）掃頻

12、非線性系數(shù)掃頻頻偏在40MHz內(nèi)不大于5%。（4）掃頻信號輸出電壓不小于250mV。（5）掃頻信號輸出阻抗75。頻域測量與儀器 第 5 章 16（6）寄生調(diào)幅系數(shù)頻偏在40MHz內(nèi)不大于5%，300MHz內(nèi)不大于10%。（7）輸出衰減10dB6，1dB10步進。（8）頻標1MHz、10MHz（復合），50MHz及外接。（9）Y軸輸入衰減分1、10、100三擋。（10）Y軸輸入靈敏度4mV/div。頻域測量與儀器 第 5 章 17（11）輔助電壓輸出+12V（0.5A），AGC時06V可調(diào)，AFT時012V可調(diào)。（12）38MHz輸出電壓不小于100mV。5.2.2 工作原理工作原理AH1254

13、B型掃頻儀的原理框圖如圖5.6所示。它由掃頻信號發(fā)生器、頻標發(fā)生器、顯示器、38MHz信號發(fā)生器及電源等部分組成。掃頻信號發(fā)生器包括方波及三角波發(fā)生器、線性頻率變換器、掃頻振蕩器、混頻器、定頻振蕩器、穩(wěn)幅放大器、寬頻域測量與儀器 第 5 章 18定頻振蕩器混頻器掃頻振蕩器穩(wěn)幅放大器寬帶放大器衰減器Y軸放大器線性頻率變換器高頻電壓產(chǎn)生器頻標發(fā)生器X軸放大器CRT方波、三角波發(fā)生器電源變壓器穩(wěn)壓電源38MHz信號發(fā)生器掃頻輸出Y軸輸入圖5.6 AH1254型寬帶掃頻儀原理框圖38MHz輸出15V、12V+18V、+24V+40V頻域測量與儀器 第 5 章 19帶放大器、衰減器等電路。方波及三角波發(fā)

14、生器將降壓后的50Hz市電放大整形稱為方波，再通過積分得到三角波。三角波一路送往X軸放大器作為掃描信號；另一路送往線性頻率變換器進行非線性處理，使加至掃頻振蕩器的調(diào)制信號波形成凹形上升狀。這樣處理的目的是為了補償變?nèi)荻O管的變?nèi)萏匦詭淼姆蔷€性影響，使掃頻信號的瞬時頻率隨時間線性變化。方波信號用于控制掃頻振蕩器，使得在電子束回掃期間振蕩器停振，從而在熒光屏上形成一條水平基線。 為了使掃頻信號有較寬的頻率調(diào)節(jié)范圍及頻偏，本儀器通過差頻方式來獲取掃頻信號。定頻振蕩器與掃頻振蕩器均工作于較高頻率，它們的輸出信號在混頻器中混頻后輸出1300MHz的掃頻信號。該信號經(jīng)寬帶放大、衰減后由面板直接輸出。頻域

15、測量與儀器 第 5 章 205.2.3 面板結(jié)構(gòu)圖面板結(jié)構(gòu)圖圖5.7為AH1254B型掃頻儀前面板結(jié)構(gòu)圖，面板上各開關旋鈕的作用如下：圖5.7 AH1254B型掃頻儀前面板圖1112131415161718頻域測量與儀器 第 5 章 21（1）電源亮度旋鈕電源亮度旋鈕（見圖5.7中）拉出時，儀器接通電源；順時針旋轉(zhuǎn)，波形亮度加強，反之，變暗。（2）Y軸位移旋鈕Y軸移位旋鈕（見圖5.7中）控制特性曲線上下移動，兼作控制Y軸的輸入耦合方式：拉出時為直流（DC）耦合，推入時為交流（AC）耦合。（3）影像極性開關影像極性開關（見圖5.7中）拉出時，熒光屏上顯示的幅頻特性曲線與Y軸輸入信號同方向（同相）

16、，反之，為反方向（反相）。頻域測量與儀器 第 5 章 22（4）中心頻率旋鈕中心頻率旋鈕（見圖5.7中）用于調(diào)節(jié)掃頻信號的中心頻率。（5）頻率偏移旋鈕頻率偏移旋鈕（見圖5.7中）用于調(diào)節(jié)掃頻信號的頻偏量。（6）輸出衰減旋鈕控制掃頻信號的輸出幅度，分粗調(diào)衰減（見圖5.7中）及細調(diào)衰減（見圖5.7中）兩組，衰減量為兩組旋鈕讀數(shù)之和。頻域測量與儀器 第 5 章 23（7）Y軸衰減開關Y軸衰減開關（見圖5.7中）用于控制特性曲線幅度的大小，自左至右分別為1、10、100擋衰減。（8）頻標增益旋鈕頻標增益旋鈕（見圖5.7中）用于控制屏幕上頻標幅度的大小。（9）外接輸入插座外接輸入插座（見圖5.7中）用于

17、接收外部頻標輸入信號。（10）射頻輸出（75）插座射頻輸出插座（見圖5.7中 ）用于輸出掃頻信號。11頻域測量與儀器 第 5 章 24（11）AGC旋鈕AGC旋鈕（見圖5.7中 ）拉出時，三路輔助電源（見圖5.7中 ）接通；順時針旋轉(zhuǎn)時，AGC插孔輸出電壓逐漸增大。（12）38MHz輸出插座38MHz輸出插座（見圖5.7中 ）輸出38MHz的定頻信號。（13）“ 、AFT、AGC、+12V”插孔“ 、AFT、AGC、+12V”插孔（見圖5.7中 ）分別輸出AFT（012V）、AGC（06V）、+12V三路直流電壓，這三路電壓稱為輔助電源。（14）頻標選擇（MHz）開關頻標選擇開關（見圖5.7中

18、 ）控制頻標的頻率值，自左至1214131415頻域測量與儀器 第 5 章 25右分別為“1，10”、“50”、“外接”三擋，其中“1，10”擋為復合擋，即按下該鍵，屏幕上同時顯示出1MHz（幅度?。┖?0MHz（幅度大）兩種頻標。 （15）AFT旋鈕 AFT旋鈕（見圖5.7中 ）用于調(diào)節(jié)AFT插孔輸出電壓的大小。 （16）Y軸輸入插座 Y軸輸入插座（見圖5.7中 ）用于接收被測電路經(jīng)檢波后的包絡信號。 （17）Y軸增益旋鈕 Y軸增益旋鈕（見圖5.7中 ）用于調(diào)節(jié)特性曲線幅度大161718頻域測量與儀器 第 5 章 26小。熒光屏上掃描線的長短，無需經(jīng)常調(diào)整。 另外，掃頻儀后面板上還有下列開關

19、旋鈕及插座： （1）X軸增益電位器 X軸增益電位器用于調(diào)節(jié)熒光屏上掃描線的長短，無需經(jīng)常調(diào)整。 （2）X軸位移電位器 X軸位移電位器用于調(diào)節(jié)掃描線在水平方向上的位置，無需經(jīng)常調(diào)整。 （3）工作選擇開關 工作選擇開關用于控制射頻輸出（75）插座輸出信號的類型：開關撥向“掃頻”時輸出掃頻信號，撥向“點頻”時輸出定頻域測量與儀器 第 5 章 27頻信號，信號頻率由“中心頻率”旋鈕控制。在點頻狀態(tài)下掃頻儀相當于一臺寬頻信號發(fā)生器（1300MHz）。 5.2.4 掃頻儀的檢查、校正及使用掃頻儀的檢查、校正及使用 1. 掃頻儀的檢查、校正掃頻儀的檢查、校正 儀器使用之前檢查電源電壓，電源亮度旋鈕拉出時接通

20、電源。 調(diào)節(jié)輝度、聚焦旋鈕，以得到足夠的亮度和細的掃描線，并選擇合適的輸入極性“+、”和AC、DC耦合方式。 檢查儀器內(nèi)部頻標部分，選擇頻標1MHz、10 MHz或50MHz，此時掃描基線上呈現(xiàn)頻標信號，調(diào)節(jié)頻標幅度旋鈕可以均勻地調(diào)節(jié)頻標幅度。 頻域測量與儀器 第 5 章 28檢查掃頻范圍。將“頻標選擇”置于50，頻標幅度調(diào)至適當位置，即對應于熒光屏的中心位置，旋轉(zhuǎn)“中心頻率”旋鈕時，掃頻信號中心頻率的移動范圍應能在1300MHz內(nèi)連續(xù)變化。頻偏的檢查?！邦l標選擇”仍置于50，“頻率偏移”旋鈕由最小旋至最大，頻偏量應能在1300MHz內(nèi)連續(xù)變化。檢查掃頻信號寄生調(diào)幅系數(shù)。將連接“射頻輸出”端的

21、電纜與連接“Y軸輸入”端的檢波探頭對接，“粗衰減”及“細衰減”均置于0，“Y軸衰減”置于1，調(diào)節(jié)“Y軸增益”旋鈕，使熒光屏上顯示出高度適當?shù)木匦畏娇?，如圖5.8所示，設方框最大值為A，最小值為B，則寄生調(diào)幅系數(shù)為： %100BABAm頻域測量與儀器 第 5 章 29對應不同的掃頻頻偏，在整個頻段內(nèi)m應滿足技術性能中規(guī)定的要求。 檢查掃頻信號的非線性系數(shù)。仍按上述連接方法連接，“中心頻率”處任意位置，調(diào)節(jié)頻率偏移旋鈕使頻偏在40MHz以內(nèi)，讀出在中心頻率f0兩邊頻偏量f相等的水平距離，如圖5.9所示，記下偏離f0的最大距離A、最小距離B，則非線性系數(shù)為： AB圖5.8 掃頻信號寄生調(diào)幅AB圖5.

22、9 掃頻信號非線性f0f0ff0+f%100BABA頻域測量與儀器 第 5 章 30檢查掃頻輸出電壓。將后面板上的工作選擇開關置于“點頻”位置，調(diào)節(jié)頻率偏移旋鈕使頻偏最小，將超高頻毫伏表經(jīng)75電纜接至射頻輸出端，此時整個頻段內(nèi)其輸出電壓應不小于250mV。2. 使用方法及注意事項使用方法及注意事項掃頻儀檢查、校正之后，即可進行測試。使用方法及注意事項如下：測試時注意輸出、輸入電纜和輸入檢波探頭的接線盡量短，探頭探針不應再接另外接線。測試帶有檢波輸出的被測設備時，可直接用輸入電纜連接到Y(jié)軸輸入端。如果被測設備帶有直流電位，Y軸輸入應選擇AC耦合方式，以免損壞儀器。頻域測量與儀器 第 5 章 31

23、如需要特殊的頻率標記，可選擇外頻標，在外頻標插座上加上所需的頻率信號，此信號應大于50mV有效值。5.2.5 掃頻儀的應用掃頻儀的應用掃頻儀的應用很廣泛，尤其在無線電、電視、雷達及通信等領域內(nèi)的應用更加普遍。BT-3C型掃頻儀的應用舉例如下：1.電路幅頻特性的測量電路幅頻特性的測量按圖5.10所示連接掃頻儀與被測電路，并根據(jù)被測電路的工作頻率及測試條件，調(diào)節(jié)掃頻儀面板上有關開關旋鈕，如“中心頻率”、“輸出衰減”等，則可在熒光屏上獲得被測電路的幅頻特性曲線。頻域測量與儀器 第 5 章 32BT-3C型掃頻儀的輸出特性阻抗為75，如果被測電路的輸入阻抗也為75，可以用同軸電纜將掃頻信號輸出端連接到

24、被測電路輸入端。否則，應當在兩者之間加阻抗匹配電路。 2.電路參數(shù)的測量電路參數(shù)的測量 根據(jù)顯示的幅頻特性曲線可以得出各種電路參數(shù)，電路連接如圖5.10所示。 （1）增益 調(diào)節(jié)好幅頻特性后，用粗、細調(diào)衰減器控制掃頻信號電壓幅度，使其符合電路要求的輸入信號幅度，注意衰減器的總衰減量被測電路圖5.10掃頻儀與被測電路的連接掃頻輸出Y軸輸入頻域測量與儀器 第 5 章 33應不大于放大器設計的總增益。若顯示器的幅頻高度為H，輸出衰減為B1（dB），將檢波探頭與掃頻輸出端短接，改變“輸出衰減”，使幅頻高度仍為H，此時輸出衰減的讀數(shù)若為B2(dB)，則該放大器增益為：A=(B2B1) (dB) 應當注意，

25、在得到衰減量B1讀數(shù)后，應保持掃頻儀的“Y軸增益”旋鈕位置不變，否則，測量結(jié)構(gòu)不準確。 （2）帶寬 對于寬帶電路，可以直接用掃頻儀的內(nèi)頻標，方便地顯示和讀出頻率特性曲線的寬度，為了更準確地測量，有時也使用外頻標。頻域測量與儀器 第 5 章 34對于窄帶調(diào)諧電路，可以由圖形曲線看出諧振頻率f0，如圖5.11所示。使掃頻儀輸出衰減置于3dB處，調(diào)整Y增益，使圖形峰點與屏幕上某一水平刻度線（虛線AA）相切，然后使掃頻信號輸出電壓增加3dB，則曲線與虛線AA相交，兩交點所對應頻率即為上下頻率fH、fL。則帶寬為：BW=fHfL （3）回路Q值 電路連接如圖5.10，在用外接頻標測出回路的諧振頻率f0和

26、fH、fL后，回路Q值的計算如下： Q=f0/BWAAfLfHf0圖5.11單調(diào)諧回路帶寬的測量頻域測量與儀器 第 5 章 353.高頻阻抗的測量高頻阻抗的測量掃頻儀還可以測量電路的輸入、輸出阻抗及電纜特性阻抗，但測量精確度不很高，但使用方便，操作簡單。（1）輸入阻抗和輸出阻抗的測量按圖5.12(a)所示進行連接，圖中RP1、RP2為無感電阻。測量時，先將RP1短路、RP2斷開，調(diào)節(jié)掃頻儀面板上的有關開關旋鈕，使屏幕顯示的幅頻特性曲線的高度為A格，如圖5.12所示。撤去RP1上的短路線，調(diào)節(jié)RP1直至熒光屏顯示的曲線高度為A/2格，則RP1的電阻即為被測電路的輸入電阻。將RP1重新短路，使曲線

27、高度仍為A格，接通RP2并調(diào)節(jié)其值直至曲線高度為A/2格，則RP2的電阻值即為被測電路的輸出阻抗。 頻域測量與儀器 第 5 章 36應當注意，當被測電路含有選頻回路時，熒光屏上顯示的曲線將不可能是一條平坦直線，這時可在曲線上選取一個參考點來測量，但所得的阻抗值是對該頻率而言的。（2）傳輸線特性阻抗的測量按圖5.13所示進行連接。傳輸線的一端接可變電阻器，另一端于掃頻輸出電纜、檢波探頭并接。Y軸輸入掃頻輸出RP被測傳輸線圖5.13 測量傳輸線特性阻抗的連接示意圖Y軸輸入掃頻輸出RP1RP2被測網(wǎng)絡圖5.12 測量輸入、輸出電阻的連接示意圖AA/2（b）（a）頻域測量與儀器 第 5 章 37測量時

28、，調(diào)節(jié)可變電阻RP直至熒光屏上顯示的波形為一平坦直線，此時RP的電阻值即為傳輸線的特性阻抗。 5.3 頻譜儀頻譜儀觀察某一個信號特性的最普遍方法是用示波器來顯示波形，它能夠?qū)⒈粶y信號的波形顯示在熒光屏上，并對信號的幅度、頻率等進行時域分析，但不能顯示出構(gòu)成非正弦信號頻率分量的情況。頻譜儀即頻譜分析儀，能夠?qū)?gòu)成非正弦波信號的基波與各次諧波的頻率及幅度顯示在Y軸輸入掃頻輸出RP被測傳輸線圖5.13 測量傳輸線特性阻抗的連接示意圖頻域測量與儀器 第 5 章 38熒光屏上，從而得到非正弦波的頻譜圖，從中得到時域觀測所不能得到的獨特信息。頻譜儀除應用于信號的頻譜分析外，還用于放大器的諧波失真、信號發(fā)生

29、器的頻譜純度以及系統(tǒng)的頻率特性分析等。 頻譜儀按其工作原理分為數(shù)字式和模擬式兩大類，目前應用比較普遍的是模擬式頻譜儀。模擬式頻譜儀分為順序濾波式、掃頻濾波式、掃頻外差式等，主要用于射頻段和微波頻段。數(shù)字式頻譜儀主要用于低頻段和超低頻段。本節(jié)重點討論掃頻外差式頻譜儀。 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，頻域測量與儀器 第 5 章 39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，該方式為順序濾波式，原理框圖如圖5.14所示。 順序濾波式頻譜儀需要采用大量高穩(wěn)

30、定度的窄帶濾波器，因儀器造價較高而較少采用。使用比較普遍的是掃頻外差式頻譜儀。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 順序濾波式頻譜儀原理圖頻域測量與儀器 第 5 章 40掃頻外差式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?！皰哳l”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，即相當于選取一系列被測信號的頻率分量。例

31、如，假設中頻頻率為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第二個6MHz信號。依此類推，將順序得到第三、四、五個中頻。可頻域測量與儀器 第 5 章 41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，得到相應頻率成分的幅度值，該幅度值與對應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

32、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。 頻譜儀的實際構(gòu)成要比圖5.15(a)復雜得多，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 42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大量程和提高輸入阻抗。再者采用頻標信號以便直接讀出頻率值。然后為了使幅值坐標“對數(shù)化”（取對數(shù)），還應在Y通道的檢波器和Y放大器之間

33、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測量與儀器 第 5 章 43頻譜儀的實際構(gòu)成要比圖5.15(a)復雜得多，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大量程和提高輸入阻抗。再者采用頻標信號以便直接讀出

34、頻率值。然后為了使幅值坐標“對數(shù)化”（取對數(shù)），還應在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 445.3.2 頻譜儀組成原理實例頻譜儀組成原理實例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

35、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。對儀器校準時，將10kHz、10mV的校準信號接至前置放大器，對儀器進行幅度校準。 頻域測量與儀器 第 5 章 45掃頻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，150

36、Hz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)字頻率計掃頻振蕩器校準信號電壓表檢波器對數(shù)校準RP2RP3中頻輸出線性校準RP1fxf0fwui直流輸出圖5.16 BP-28型音頻頻譜儀原理框圖頻域測量與儀器 第 5 章 46器可供選擇，以取得合適的頻率坐標分度；掃頻振蕩器的頻率用微電動機實現(xiàn)自動掃頻。由于儀器可以對信號或系統(tǒng)的各種諧波進行準確的測量，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 頻譜儀的技術指標

37、頻譜儀的技術指標 （1）頻率范圍 頻率范圍是指能夠達到儀器規(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 47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，需要較寬的掃頻寬度；為了分析頻譜圖中的細節(jié)，則需要窄帶掃描。因此，頻譜儀的掃頻寬度應是可調(diào)的。每厘米相對應的掃頻寬度，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，即本機振蕩器頻率掃描完整個掃頻寬度所需要的時間，實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。

38、 （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 48顯示的譜線實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。 由于窄帶濾波器的幅頻特性曲線形狀與速度有關，因此，分辨力亦與掃頻速度有關。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。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。

39、（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頻域測量與儀器 第 5 章 49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90dB。為了適應不同測量的需要，頻譜儀的幅值顯示方式具有兩種選擇：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，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

40、“掃頻寬度”、“頻率標記”、“頻帶寬度”都頻域測量與儀器 第 5 章 50是可調(diào)的。應根據(jù)被測信號頻譜的特性合理地選擇使用有關的旋鈕。 （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，則掃頻寬度應大于2fm（fm為最大音頻調(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，可參考表5-1進行選擇。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 51（3）掃頻速度的選擇當掃頻寬度與靜態(tài)分辨力選定后，掃頻速度的選擇以獲得較高的動態(tài)分辨力為準則。同時還應合理地處理它與分析時間的矛盾，因為在掃頻寬度一定時，掃頻速度的選擇實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。當動、靜態(tài)分辨力相等時，動態(tài)分辨力最高，但分析時間長。一般可按下列經(jīng)驗式選擇：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 52vsBq2 式中，vs為掃頻速度，單位為Hz/s；