頻域測(cè)量與儀器

1、頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 1第第5 5章章 頻域測(cè)量與儀器頻域測(cè)量與儀器 5.1 頻率特性測(cè)試儀工作原理頻率特性測(cè)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(cè)量與儀器 第 5 章 2第第5章章 頻域測(cè)量與儀器頻域測(cè)量與儀器學(xué)習(xí)參考：學(xué)習(xí)參考：頻域測(cè)量?jī)x器包括掃頻儀、頻譜儀等儀器，主要用于測(cè)量頻率特性曲線、頻譜特性曲線，也是常用測(cè)試儀器之一。要求通過(guò)學(xué)習(xí)掌握儀器的基本組成與原理、了解它們的使用。 本章要點(diǎn)：本章要點(diǎn)：掃頻儀、頻譜儀的組成原理與性能指標(biāo)及應(yīng)用。 頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 35.1 頻率特性測(cè)試儀工作原理頻率特性測(cè)試

2、儀工作原理 5.1.1 頻率特性測(cè)量法頻率特性測(cè)量法頻率特性測(cè)試儀簡(jiǎn)稱為掃頻儀，是一種能在示波器熒光屏上直接觀測(cè)到各種電路頻率特性曲線等的頻域測(cè)量?jī)x器，由此可以測(cè)算出被測(cè)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(cè)試時(shí)所需要的信號(hào)源，并將測(cè)試結(jié)果以曲線形式顯示在熒光屏上。被測(cè)電路的頻率特性曲線即幅頻特性曲線，測(cè)量方法包括點(diǎn)頻測(cè)量法和掃頻測(cè)量法。點(diǎn)頻測(cè)量法即靜態(tài)測(cè)量法，由人工逐次改變輸入正弦信號(hào)的頻率，逐點(diǎn)記錄對(duì)應(yīng)頻率的輸出信號(hào)幅度而得到幅頻特性頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 4曲線。該方法繁瑣、費(fèi)時(shí)、不直觀、測(cè)量誤差大。 掃頻測(cè)量

3、法即動(dòng)態(tài)測(cè)量法，其原理框圖如圖5.1所示。掃描信號(hào)源一方面為示波器提供掃描信號(hào)u1；另一方面又控制掃頻信號(hào)源的振蕩頻率，使其產(chǎn)生從低頻到高頻的周期性重復(fù)變化的等幅正弦波u2輸送給被測(cè)電路，u2稱為掃頻信號(hào)。被測(cè)電路的輸出信號(hào)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(lái)。 由于掃頻信號(hào)是連續(xù)變化的，故掃頻測(cè)量法無(wú)測(cè)試頻率的斷點(diǎn)，該方法操作方便直觀。掃頻信號(hào)源掃描信號(hào)源示波器被測(cè)電路峰值檢波探頭u1u2u3u1u4XY圖5.1 幅頻特性的掃頻測(cè)量原理框圖頻域測(cè)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(shí)質(zhì)上是掃頻信號(hào)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(hào)源，即頻率受控振蕩器，在掃描信號(hào)u1控制下產(chǎn)生掃頻信號(hào)u3。掃描信號(hào)源產(chǎn)生的掃描信號(hào)u1、掃頻起?？刂菩盘?hào)u2分別是掃頻信號(hào)源的頻率控制信號(hào)及停振控制信號(hào)，u1還是示波器的水平掃描信號(hào)。當(dāng)掃頻信號(hào)u3為鋸齒波電壓時(shí)，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(wú)法觀測(cè)，如圖5.3(a)所示。當(dāng)掃頻信號(hào)u3為正弦波電壓號(hào)頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 6X放大器掃描信號(hào)源掃頻信號(hào)源被測(cè)電路檢波探頭Y放大器頻標(biāo)信號(hào)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(cè)量與儀器 第 5 章 7u3在掃描回程時(shí)停振，使顯示出的波形為被測(cè)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(guò)被測(cè)電路的掃頻信號(hào)的振幅（包絡(luò)）變化情況，得到被測(cè)電路的幅頻特性曲線。 頻標(biāo)形成電路用于產(chǎn)生進(jìn)行頻率標(biāo)度的頻標(biāo)信號(hào)，以便讀出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值。5.1.3 產(chǎn)生掃頻信號(hào)的方法產(chǎn)生掃頻信號(hào)的方法產(chǎn)生掃頻信號(hào)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(diǎn)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(hào)經(jīng)L3頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 8同時(shí)加至變?nèi)莨躒D1、VD2的兩端，當(dāng)調(diào)制電壓隨時(shí)間作周期性變化時(shí)，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(hào)。 5.1.4 頻標(biāo)產(chǎn)生電路頻標(biāo)產(chǎn)生電路 掃頻儀采用在幅頻特性曲線上疊加頻標(biāo)的方法進(jìn)行頻率標(biāo)度，包括菱形頻標(biāo)和針形頻標(biāo)兩種，一般由差頻電路產(chǎn)生。 L1L2R1R2C1VD1VD2L3R3VT1+EC調(diào)制信號(hào)掃頻信號(hào)圖5.4 變?nèi)荻O管掃頻振蕩器原理圖頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 91. 菱形頻標(biāo)菱形頻標(biāo)圖5.5(a)為菱形頻標(biāo)產(chǎn)生原理圖，它對(duì)掃頻信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的

7、基波、諧波進(jìn)行混頻而得到“零差頻”的菱形頻標(biāo)，如圖5.5(b)所示。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率為fs，則諧波信號(hào)源輸出信號(hào)頻率為基波fs及各次諧波fs1、fs2、fs3、fs4、fs5、。掃頻信號(hào)與諧波信號(hào)源輸出信號(hào)經(jīng)混頻器混頻后，再經(jīng)低通濾波輸出差頻信號(hào)，由此得到一系列零差點(diǎn)。例如在f=fs1處差頻為零，而f在fs1點(diǎn)附近差頻越來(lái)越大，由于低通濾波器的選通性，在靠近零差點(diǎn)的幅度最大，兩邊信號(hào)幅度迅速衰減，于是在f=fs1處形成“菱形頻標(biāo)”。同理，在f=fs2、f=fs3處也形成菱形頻標(biāo)。菱形頻標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源可讀出頻標(biāo)的頻率值。 頻域測(cè)量與儀器 第 5

8、章 10標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源諧波信號(hào)源掃頻信號(hào)源被測(cè)電路檢波探頭頻標(biāo)混頻低通濾波Y放大器(b)(a)圖5-5 菱形頻標(biāo)產(chǎn)生原理fSfS1、fS2、fS3、fS4、fS5fS1fS2fS3fS4fS5fS1fS2fS3fS4fS5頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 11菱形頻標(biāo)是由低通濾波器對(duì)差頻信號(hào)的選擇性而形成的，其選擇性不可能無(wú)限高，故菱形頻標(biāo)總要占有一定的寬度，只有在特性曲線上占有的寬度相對(duì)較窄時(shí)，才能形成相對(duì)很細(xì)的可分辨的頻標(biāo)，否則頻標(biāo)相互靠近、連接、甚至局部疊加，難以確定頻率值。故菱形頻標(biāo)適于高頻測(cè)量。BT-3C型頻率特性測(cè)試儀采用差頻法產(chǎn)生菱形頻標(biāo)，為了提高頻標(biāo)的準(zhǔn)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(biāo)。2. 針形頻標(biāo)針形頻標(biāo)在低頻掃頻儀中常用針形頻標(biāo)，其產(chǎn)生方法與菱形頻標(biāo)相似。利用菱形差頻信號(hào)觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器，使之輸出一個(gè)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(cè)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(biāo)形似細(xì)針，稱之為針形頻標(biāo)，適用于低頻測(cè)量。例如，BT-4型低頻頻率特性測(cè)試儀即采用針形頻標(biāo)。 5.1.5 技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo) 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(dá)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(cè)量與儀器 第 5 章 13 掃頻信號(hào)中心頻率f0定義為f0=(fmax+fmin)/2 相對(duì)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(yuǎn)小于信號(hào)瞬時(shí)頻率的掃頻信號(hào)稱為窄帶掃頻，f和瞬時(shí)頻率可以相比擬的稱為寬帶掃頻。 通常把f遠(yuǎn)小于中心頻率的掃頻信號(hào)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(hào)瞬時(shí)頻率的變化和調(diào)制電壓瞬時(shí)值minmaxminmax02ffffff頻域測(cè)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(cè)試中，必須保證掃頻信號(hào)的幅度恒定不變。掃頻信號(hào)的振幅平穩(wěn)性通常用它的寄生調(diào)幅來(lái)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(cè)量?jī)x器，其主要特點(diǎn)是：掃頻寬度和中心頻率均可在1300MHz內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；設(shè)置有直流電源輸出，以方便對(duì)VHF頻段高頻頭的測(cè)試；具有點(diǎn)頻信號(hào)輸出，可作為一般信號(hào)發(fā)生器使用。 頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 155.2.1 性能指標(biāo)性能指標(biāo)（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(hào)輸出電壓不小于250mV。（5）掃頻信號(hào)輸出阻抗75。頻域測(cè)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(jìn)。（8）頻標(biāo)1MHz、10MHz（復(fù)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(cè)量與儀器 第 5 章 17（11）輔助電壓輸出+12V（0.5A），AGC時(shí)06V可調(diào)，AFT時(shí)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(hào)發(fā)生器、頻標(biāo)發(fā)生器、顯示器、38MHz信號(hào)發(fā)生器及電源等部分組成。掃頻信號(hào)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(cè)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(biāo)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(hào)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(cè)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(guò)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(hào)；另一路送往線性頻率變換器進(jìn)行非線性處理，使加至掃頻振蕩器的調(diào)制信號(hào)波形成凹形上升狀。這樣處理的目的是為了補(bǔ)償變?nèi)荻O管的變?nèi)萏匦詭?lái)的非線性影響，使掃頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率隨時(shí)間線性變化。方波信號(hào)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(hào)有較寬的頻率調(diào)節(jié)范圍及頻偏，本儀器通過(guò)差頻方式來(lái)獲取掃頻信號(hào)。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(hào)在混頻器中混頻后輸出1300MHz的掃頻信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)寬帶放大、衰減后由面板直接輸出。頻域

15、測(cè)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(guān)旋鈕的作用如下：圖5.7 AH1254B型掃頻儀前面板圖1112131415161718頻域測(cè)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(shí)，儀器接通電源；順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，波形亮度加強(qiáng)，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(dòng)，兼作控制Y軸的輸入耦合方式：拉出時(shí)為直流（DC）耦合，推入時(shí)為交流（AC）耦合。（3）影像極性開關(guān)影像極性開關(guān)（見圖5.7中）拉出時(shí)，熒光屏上顯示的幅頻特性曲線與Y軸輸入信號(hào)同方向（同相）

16、，反之，為反方向（反相）。頻域測(cè)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(hào)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(hào)的頻偏量。（6）輸出衰減旋鈕控制掃頻信號(hào)的輸出幅度，分粗調(diào)衰減（見圖5.7中）及細(xì)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(cè)量與儀器 第 5 章 23（7）Y軸衰減開關(guān)Y軸衰減開關(guān)（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(biāo)增益旋鈕頻標(biāo)增益旋鈕（見圖5.7中）用于控制屏幕上頻標(biāo)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(biāo)輸入信號(hào)。（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(hào)。11頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 24（11）AGC旋鈕AGC旋鈕（見圖5.7中 ）拉出時(shí)，三路輔助電源（見圖5.7中 ）接通；順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(hào)。（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(biāo)選擇（MHz）開關(guān)頻標(biāo)選擇開關(guān)（見圖5.7中

18、 ）控制頻標(biāo)的頻率值，自左至1214131415頻域測(cè)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(fù)合擋，即按下該鍵，屏幕上同時(shí)顯示出1MHz（幅度?。┖?0MHz（幅度大）兩種頻標(biāo)。 （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(cè)電路經(jīng)檢波后的包絡(luò)信號(hào)。 （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(cè)量與儀器 第 5 章 26小。熒光屏上掃描線的長(zhǎng)短，無(wú)需經(jīng)常調(diào)整。 另外，掃頻儀后面板上還有下列開關(guān)

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(zhǎng)短，無(wú)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(wú)需經(jīng)常調(diào)整。 （3）工作選擇開關(guān) 工作選擇開關(guān)用于控制射頻輸出（75）插座輸出信號(hào)的類型：開關(guān)撥向“掃頻”時(shí)輸出掃頻信號(hào)，撥向“點(diǎn)頻”時(shí)輸出定頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 27頻信號(hào)，信號(hào)頻率由“中心頻率”旋鈕控制。在點(diǎn)頻狀態(tài)下掃頻儀相當(dāng)于一臺(tái)寬頻信號(hào)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(shí)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(xì)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(biāo)部分，選擇頻標(biāo)1MHz、10 MHz或50MHz，此時(shí)掃描基線上呈現(xiàn)頻標(biāo)信號(hào)，調(diào)節(jié)頻標(biāo)幅度旋鈕可以均勻地調(diào)節(jié)頻標(biāo)幅度。 頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 28檢查掃頻范圍。將“頻標(biāo)選擇”置于50，頻標(biāo)幅度調(diào)至適當(dāng)位置，即對(duì)應(yīng)于熒光屏的中心位置，旋轉(zhuǎn)“中心頻率”旋鈕時(shí)，掃頻信號(hào)中心頻率的移動(dòng)范圍應(yīng)能在1300MHz內(nèi)連續(xù)變化。頻偏的檢查?！邦l標(biāo)選擇”仍置于50，“頻率偏移”旋鈕由最小旋至最大，頻偏量應(yīng)能在1300MHz內(nèi)連續(xù)變化。檢查掃頻信號(hào)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(duì)接，“粗衰減”及“細(xì)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(dāng)?shù)木匦畏娇?，如圖5.8所示，設(shè)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(cè)量與儀器 第 5 章 29對(duì)應(yīng)不同的掃頻頻偏，在整個(gè)頻段內(nèi)m應(yīng)滿足技術(shù)性能中規(guī)定的要求。 檢查掃頻信號(hào)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(hào)寄生調(diào)幅AB圖5.

22、9 掃頻信號(hào)非線性f0f0ff0+f%100BABA頻域測(cè)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(guān)置于“點(diǎn)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(shí)整個(gè)頻段內(nèi)其輸出電壓應(yīng)不小于250mV。2. 使用方法及注意事項(xiàng)使用方法及注意事項(xiàng)掃頻儀檢查、校正之后，即可進(jìn)行測(cè)試。使用方法及注意事項(xiàng)如下：測(cè)試時(shí)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(yīng)再接另外接線。測(cè)試帶有檢波輸出的被測(cè)設(shè)備時(shí)，可直接用輸入電纜連接到Y(jié)軸輸入端。如果被測(cè)設(shè)備帶有直流電位，Y軸輸入應(yīng)選擇AC耦合方式，以免損壞儀器。頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 31

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

24、被測(cè)電路輸入端。否則，應(yīng)當(dāng)在兩者之間加阻抗匹配電路。 2.電路參數(shù)的測(cè)量電路參數(shù)的測(cè)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(xì)調(diào)衰減器控制掃頻信號(hào)電壓幅度，使其符合電路要求的輸入信號(hào)幅度，注意衰減器的總衰減量被測(cè)電路圖5.10掃頻儀與被測(cè)電路的連接掃頻輸出Y軸輸入頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 33應(yīng)不大于放大器設(shè)計(jì)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(shí)輸出衰減的讀數(shù)若為B2(dB)，則該放大器增益為：A=(B2B1) (dB) 應(yīng)當(dāng)注意，

25、在得到衰減量B1讀數(shù)后，應(yīng)保持掃頻儀的“Y軸增益”旋鈕位置不變，否則，測(cè)量結(jié)構(gòu)不準(zhǔn)確。 （2）帶寬 對(duì)于寬帶電路，可以直接用掃頻儀的內(nèi)頻標(biāo)，方便地顯示和讀出頻率特性曲線的寬度，為了更準(zhǔn)確地測(cè)量，有時(shí)也使用外頻標(biāo)。頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 34對(duì)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(diǎn)與屏幕上某一水平刻度線（虛線AA）相切，然后使掃頻信號(hào)輸出電壓增加3dB，則曲線與虛線AA相交，兩交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)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(biāo)測(cè)出回路的諧振頻率f0和

26、fH、fL后，回路Q值的計(jì)算如下： Q=f0/BWAAfLfHf0圖5.11單調(diào)諧回路帶寬的測(cè)量頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 353.高頻阻抗的測(cè)量高頻阻抗的測(cè)量掃頻儀還可以測(cè)量電路的輸入、輸出阻抗及電纜特性阻抗，但測(cè)量精確度不很高，但使用方便，操作簡(jiǎn)單。（1）輸入阻抗和輸出阻抗的測(cè)量按圖5.12(a)所示進(jìn)行連接，圖中RP1、RP2為無(wú)感電阻。測(cè)量時(shí)，先將RP1短路、RP2斷開，調(diào)節(jié)掃頻儀面板上的有關(guān)開關(guān)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(cè)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(cè)電路的輸出阻抗。 頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 36應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)被測(cè)電路含有選頻回路時(shí)，熒光屏上顯示的曲線將不可能是一條平坦直線，這時(shí)可在曲線上選取一個(gè)參考點(diǎn)來(lái)測(cè)量，但所得的阻抗值是對(duì)該頻率而言的。（2）傳輸線特性阻抗的測(cè)量按圖5.13所示進(jìn)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(cè)傳輸線圖5.13 測(cè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)圖5.12 測(cè)量輸入、輸出電阻的連接示意圖AA/2（b）（a）頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 37測(cè)量時(shí)

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(shí)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(gè)信號(hào)特性的最普遍方法是用示波器來(lái)顯示波形，它能夠?qū)⒈粶y(cè)信號(hào)的波形顯示在熒光屏上，并對(duì)信號(hào)的幅度、頻率等進(jìn)行時(shí)域分析，但不能顯示出構(gòu)成非正弦信號(hào)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(hào)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(cè)傳輸線圖5.13 測(cè)量傳輸線特性阻抗的連接示意圖頻域測(cè)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(shí)域觀測(cè)所不能得到的獨(dú)特信息。頻譜儀除應(yīng)用于信號(hào)的頻譜分析外，還用于放大器的諧波失真、信號(hào)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(yīng)用比較普遍的是模擬式頻譜儀。模擬式頻譜儀分為順序?yàn)V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(diǎn)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(jiǎn)單原理是利用一系列窄帶濾波器，依次選取被測(cè)信號(hào)中不同頻率的信號(hào)，并借助于掃描信號(hào)，頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 39將不同頻率信號(hào)的幅度并排顯示在熒光屏上，得到被測(cè)信號(hào)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)

30、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。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(cè)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(gè)含意?！巴獠睢奔幢菊裥盘?hào)（即掃頻振蕩信號(hào)）與被測(cè)信號(hào)經(jīng)混頻器差頻產(chǎn)生固定中頻信號(hào)，因此儀器只要采用一個(gè)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(hào)頻率是連續(xù)改變的。在本振頻率掃頻時(shí)，本振頻率和被測(cè)信號(hào)順序差頻得到中頻，即相當(dāng)于選取一系列被測(cè)信號(hào)的頻率分量。例

31、如，假設(shè)中頻頻率為6MHz、本振頻率從9MHz掃頻到13MHz，若被測(cè)信號(hào)包括3、4、5、6、7MHz五個(gè)頻率成分，當(dāng)本振頻率為9MHz時(shí)與3MHz被測(cè)信號(hào)頻率差頻得到第一個(gè)6MHz信號(hào)；本振頻率掃到10MHz時(shí)和4MHz的被測(cè)信號(hào)差頻得到第二個(gè)6MHz信號(hào)。依此類推，將順序得到第三、四、五個(gè)中頻。可頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 41見被測(cè)信號(hào)在一定頻率范圍內(nèi)，有一個(gè)頻率分量就有一個(gè)中頻輸出，中頻信號(hào)經(jīng)檢波器解調(diào)出各自的振幅，經(jīng)過(guò)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(duì)應(yīng)頻率信號(hào)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(cè)信號(hào)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(dòng)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(gè)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(gè)中頻頻率上進(jìn)行電壓放大提高靈敏度，如果在一個(gè)中頻上增加放大器級(jí)數(shù)來(lái)提高靈敏度，則很容易頻域測(cè)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(lái)擴(kuò)大量程和提高輸入阻抗。再者采用頻標(biāo)信號(hào)以便直接讀出頻率值。然后為了使幅值坐標(biāo)“對(duì)數(shù)化”（取對(duì)數(shù)），還應(yīng)在Y通道的檢波器和Y放大器之間

33、接入對(duì)數(shù)放大器。對(duì)數(shù)放大是指輸出信號(hào)的幅度是輸入信號(hào)幅度的對(duì)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(dòng)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(cè)量與儀器 第 5 章 43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(gè)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(gè)中頻頻率上進(jìn)行電壓放大提高靈敏度，如果在一個(gè)中頻上增加放大器級(jí)數(shù)來(lái)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(lái)擴(kuò)大量程和提高輸入阻抗。再者采用頻標(biāo)信號(hào)以便直接讀出

34、頻率值。然后為了使幅值坐標(biāo)“對(duì)數(shù)化”（取對(duì)數(shù)），還應(yīng)在Y通道的檢波器和Y放大器之間接入對(duì)數(shù)放大器。對(duì)數(shù)放大是指輸出信號(hào)的幅度是輸入信號(hào)幅度的對(duì)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(dòng)態(tài)范圍。頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 445.3.2 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(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)與掃頻信號(hào)差頻，當(dāng)被測(cè)信號(hào)中的某一分量與掃頻信號(hào)相差一個(gè)中頻時(shí)，其差頻分量通過(guò)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(jī)外，另一路經(jīng)檢波器接到電壓表。同時(shí)在檢波器后將直流信號(hào)輸出。對(duì)儀器校準(zhǔn)時(shí)，將10kHz、10mV的校準(zhǔn)信號(hào)接至前置放大器，對(duì)儀器進(jìn)行幅度校準(zhǔn)。 頻域測(cè)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(gè)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(dòng)記錄儀的X軸時(shí)，X軸的移動(dòng)距離代表頻率值，出現(xiàn)在X軸某一位置的譜線長(zhǎng)度，表示被測(cè)信號(hào)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(duì)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(duì)數(shù)放大器數(shù)字頻率計(jì)掃頻振蕩器校準(zhǔn)信號(hào)電壓表檢波器對(duì)數(shù)校準(zhǔn)RP2RP3中頻輸出線性校準(zhǔn)RP1fxf0fwui直流輸出圖5.16 BP-28型音頻頻譜儀原理框圖頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 46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(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃頻。由于儀器可以對(duì)信號(hào)或系統(tǒng)的各種諧波進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)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(hào)，用以測(cè)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)

37、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(cè)量頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 47分析過(guò)程中（即一個(gè)掃描正程）顯示的頻率范圍。為了觀測(cè)被測(cè)信號(hào)頻譜的全貌，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(duì)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(cè)到信號(hào)頻譜的全貌。 每完成一次頻譜分析所需要的時(shí)間稱為分析時(shí)間，即本機(jī)振蕩器頻率掃描完整個(gè)掃頻寬度所需要的時(shí)間，實(shí)際上就是掃描正程時(shí)間。掃頻寬度與分析時(shí)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(gè)很接近的頻率分量的能力。由于熒光屏頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 48顯示的譜線實(shí)際上是窄帶濾波器的動(dòng)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(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(shí)，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(shí)，動(dòng)態(tài)幅頻特性曲線的3dB帶寬稱為動(dòng)態(tài)分辨力。在技術(shù)說(shuō)明書中給出的一般是靜態(tài)分辨力，而動(dòng)態(tài)分辨力則與使用有關(guān)。顯然，動(dòng)態(tài)分辨力低于靜態(tài)分辨力，而且速度越快，動(dòng)態(tài)分辨力越低。

39、（4）動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍是表征頻譜儀同時(shí)顯示大信號(hào)與小信號(hào)的真實(shí)頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 49頻譜能力，動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍一般在60dB以上，有時(shí)甚至達(dá)90dB。為了適應(yīng)不同測(cè)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(duì)數(shù)顯示。對(duì)數(shù)顯示時(shí)要用到對(duì)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(cè)量微小信號(hào)的能力。定義顯示幅度為滿刻度時(shí)輸入信號(hào)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(dòng)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(biāo)記”、“頻帶寬度”都頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 50是可調(diào)的。應(yīng)根據(jù)被測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)的頻譜寬度來(lái)選擇的。例如要分析一個(gè)調(diào)幅波，則掃頻寬度應(yīng)大于2fm（fm為最大音頻調(diào)制頻率），若要觀測(cè)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)值越小），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(lái)說(shuō)，寬帶掃頻可選Bq=150Hz，而窄帶掃頻可選Bq=6Hz。頻域測(cè)量與儀器 第 5 章 51（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(dòng)態(tài)分辨力為準(zhǔn)則。同時(shí)還應(yīng)合理地處理它與分析時(shí)間的矛盾，因?yàn)樵趻哳l寬度一定時(shí)，掃頻速度的選擇實(shí)際上就是分析時(shí)間的選擇。分析時(shí)間越長(zhǎng)，即掃頻速度越慢，則動(dòng)態(tài)分辨力越接近靜態(tài)分辨力。當(dāng)動(dòng)、靜態(tài)分辨力相等時(shí)，動(dòng)態(tài)分辨力最高，但分析時(shí)間長(zhǎng)。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(cè)量與儀器 第 5 章 52vsBq2 式中，vs為掃頻速度，單位為Hz/s；