第6章 電路頻率特性的測(cè)量技術(shù)

1、第6章 電路頻率特性的測(cè)量技術(shù)引 言 什么是線性系統(tǒng)的頻率特性？什么是線性系統(tǒng)的頻率特性？線性網(wǎng)絡(luò)線性網(wǎng)絡(luò)正弦信號(hào)正弦信號(hào)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)H(j)：頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 或頻率特性或頻率特性幅度幅度|H(j)|：幅頻特性幅頻特性相位相位() ：相頻特性相頻特性信號(hào)的頻譜分析：可由頻譜分析儀完成信號(hào)的頻譜分析：可由頻譜分析儀完成線性系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量：可由網(wǎng)絡(luò)分析儀完成線性系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量：可由網(wǎng)絡(luò)分析儀完成6.1 頻率特性的特點(diǎn) 廣義上，信號(hào)頻譜是指組成信號(hào)的全部頻率分量的總集；狹義上，一般的頻譜測(cè)量中常將隨頻率變化的幅度譜稱為頻譜。 頻譜測(cè)量：在頻域內(nèi)測(cè)量信號(hào)的各頻率分量，以獲得信號(hào)的多種參數(shù)

2、。頻譜測(cè)量的基礎(chǔ)是付里葉變換。 頻譜的兩種基本類型 離散頻譜（線狀譜），各條譜線分別代表某個(gè)頻率分量的幅度，每?jī)蓷l譜線之間的間隔相等 連續(xù)頻譜，可視為譜線間隔無(wú)窮小，如非周期信號(hào)和各種隨機(jī)噪聲的頻譜。6.2 頻率特性測(cè)試儀的操作使用方法1. 點(diǎn)頻法就是點(diǎn)頻法就是“逐點(diǎn)逐點(diǎn)”測(cè)量幅頻特性的方法，注意測(cè)量幅頻特性的方法，注意明確被測(cè)明確被測(cè)電路和選用相應(yīng)儀器電路和選用相應(yīng)儀器。 點(diǎn)頻測(cè)量法線性系統(tǒng)頻率特性的經(jīng)典測(cè)量法 每次只能將加到被測(cè)線性系統(tǒng)的信號(hào)源的頻率調(diào)節(jié)到某一個(gè)頻點(diǎn)。依次設(shè)置調(diào)諧到各指定頻點(diǎn)上，分別測(cè)出各點(diǎn)處的參數(shù)，再將各點(diǎn)數(shù)據(jù)連成完整的曲線，從而得到頻率特性測(cè)量結(jié)果。6.2.1頻率特性的

3、測(cè)量方法特點(diǎn)：所測(cè)出的幅頻特性是我們需要的電路系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)情況下的靜態(tài)特性曲線。但由于要逐點(diǎn)測(cè)量，操作繁瑣費(fèi)時(shí)，并且由于頻率離散而不連續(xù)，可能遺漏掉某些特性突變點(diǎn)。這種方法一般只用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試研究；若用于生產(chǎn)線則效率太低了。如果能夠在測(cè)試過(guò)程中，使信號(hào)源輸出信號(hào)頻率能自動(dòng)地從低到高連續(xù)變化并且周期性重復(fù)，利用檢波器將輸出包絡(luò)檢出送到示波器上顯示，就可自動(dòng)地描繪出幅頻特性曲線。 頻率源的輸出能夠在測(cè)量所需的范圍內(nèi)連續(xù)掃描，因此可以連續(xù)測(cè)出各頻率點(diǎn)上的頻率特性結(jié)果并立即顯示特性曲線。2. 掃頻測(cè)量法掃頻測(cè)量法掃頻信號(hào)發(fā)生器被測(cè)電路峰值檢波器掃描發(fā)生器XYv1v2v3v4v5關(guān)鍵環(huán)節(jié)優(yōu)點(diǎn)：掃頻信號(hào)的頻

4、率連續(xù)變化，掃頻測(cè)量所得優(yōu)點(diǎn)：掃頻信號(hào)的頻率連續(xù)變化，掃頻測(cè)量所得的頻率特性是動(dòng)態(tài)頻率特性，也不會(huì)漏掉細(xì)節(jié)。的頻率特性是動(dòng)態(tài)頻率特性，也不會(huì)漏掉細(xì)節(jié)。不足：如果輸入的掃頻信號(hào)頻率變化速度快于系不足：如果輸入的掃頻信號(hào)頻率變化速度快于系統(tǒng)輸出響應(yīng)時(shí)間，則頻率的響應(yīng)幅度會(huì)出現(xiàn)不足，統(tǒng)輸出響應(yīng)時(shí)間，則頻率的響應(yīng)幅度會(huì)出現(xiàn)不足，掃頻測(cè)量所得幅度小于點(diǎn)頻測(cè)量的幅度；電路中掃頻測(cè)量所得幅度小于點(diǎn)頻測(cè)量的幅度；電路中LC元件的惰性會(huì)使幅度峰值有所偏差，因此會(huì)元件的惰性會(huì)使幅度峰值有所偏差，因此會(huì)產(chǎn)生頻率偏離。產(chǎn)生頻率偏離。3. 頻率特性測(cè)試儀工作原理頻率特性測(cè)試儀工作原理 掃頻儀的組成：掃頻儀的組成：利用示

5、波器的顯示原理，把時(shí)間軸變成利用示波器的顯示原理，把時(shí)間軸變成頻率軸。主要由四部分組成：頻率軸。主要由四部分組成：掃頻信號(hào)發(fā)生器掃頻信號(hào)發(fā)生器、放大顯示電放大顯示電路路、頻率標(biāo)記發(fā)生器頻率標(biāo)記發(fā)生器和和電源電源。掃頻信號(hào)發(fā)生器的基本工作原理掃頻信號(hào)發(fā)生器的基本工作原理 能產(chǎn)生掃頻輸出信號(hào)的頻率源稱為掃頻信號(hào)發(fā)生器或掃頻信號(hào)源，簡(jiǎn)稱掃頻源。它既可作為獨(dú)立的測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器，又可作為頻率特性測(cè)量類儀器的前端。 掃 描發(fā) 生 器 掃 頻振 蕩 器 輸 出 衰 減 器穩(wěn) 幅電 路掃頻信號(hào) 典型的掃頻源應(yīng)具備下列三方面功能：典型的掃頻源應(yīng)具備下列三方面功能： 產(chǎn)生掃頻信號(hào)（通常是等幅正弦波）；產(chǎn)生掃頻信

6、號(hào)（通常是等幅正弦波）； 產(chǎn)生同步輸出的掃描信號(hào)，可以是三角波、正弦波或產(chǎn)生同步輸出的掃描信號(hào)，可以是三角波、正弦波或鋸齒波等；鋸齒波等； 產(chǎn)生同步輸出的頻率標(biāo)志，可以是等頻率間隔的通用產(chǎn)生同步輸出的頻率標(biāo)志，可以是等頻率間隔的通用頻標(biāo)、專用于某項(xiàng)測(cè)試的專用頻標(biāo)及活動(dòng)頻標(biāo)。頻標(biāo)、專用于某項(xiàng)測(cè)試的專用頻標(biāo)及活動(dòng)頻標(biāo)。6.3 頻譜分析儀的操作使用方法1.脈沖寬度和頻帶寬度 周期信號(hào)的脈沖寬度和頻帶寬度是兩個(gè)不同的概念。有效頻帶寬度與脈沖寬度成反比。 脈沖寬度是時(shí)域概念，指在一個(gè)周期內(nèi)脈沖波形的兩個(gè)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔； 頻帶寬度（帶寬）是頻域概念，通常規(guī)定：在周期信號(hào)頻譜中，從零頻率到需要考慮的最高

7、次諧波頻率之間的頻段即為該信號(hào)的有效占有帶寬，亦稱頻帶寬度。實(shí)際應(yīng)用中，常把零頻到頻譜包絡(luò)線第一個(gè)零點(diǎn)間的頻段作為頻帶寬帶。2.信號(hào)的頻譜分析技術(shù) 頻譜分析以付里葉分析為理論基礎(chǔ)，可對(duì)不同頻段的信號(hào)進(jìn)行線性或非線性分析。信號(hào)頻譜分析的內(nèi)容： 對(duì)信號(hào)本身的頻率特性分析，如對(duì)幅度譜、相位譜、能量譜、功率譜等進(jìn)行測(cè)量，從而獲得信號(hào)不同頻率處的幅度、相位、功率等信息； 對(duì)線性系統(tǒng)非線性失真的測(cè)量，如測(cè)量噪聲、失真度、調(diào)制度、諧波分量的分布情況等。 頻譜分析儀的信號(hào)追蹤產(chǎn)生器可直接測(cè)量待測(cè)件的頻率響應(yīng)特性，但只能測(cè)量振幅。3.頻譜分析儀的基本原理 頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內(nèi)對(duì)信號(hào)的電壓、功率、頻率

8、等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并顯示的儀器。一般有FFT分析（實(shí)時(shí)分析）法、非實(shí)時(shí)分析法兩種實(shí)現(xiàn)方法。 FFT分析法：在特定時(shí)段中對(duì)時(shí)域數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT變換，得到頻域信息并獲取相對(duì)于頻率的幅度、相位信息?？沙浞掷脭?shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，非常適于非周期信號(hào)和持續(xù)時(shí)間很短的瞬態(tài)信號(hào)的頻譜測(cè)量。非實(shí)時(shí)分析法 在任意瞬間只有一個(gè)頻率成分能被測(cè)量，無(wú)法得到相位信息。適用于連續(xù)信號(hào)和周期信號(hào)的頻譜測(cè)量。掃頻式分析：使分析濾波器的頻率響應(yīng)在頻率軸上掃描。 差頻式分析（外差式分析）：利用超外差接收機(jī)的原理，將頻率可變的掃頻信號(hào)與被分析信號(hào)進(jìn)行差頻，再對(duì)所得的固定頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量分析，由此依次獲得被測(cè)信號(hào)不同頻率成分的幅度信

9、息。這是頻譜儀最常采用的方法。 4.頻譜分析儀的分類 按分析處理方法分類：模擬式頻譜儀、數(shù)字式頻譜儀、模擬/數(shù)字混合式頻譜儀； 按基本工作原理分類：掃描式頻譜儀、非掃描式頻譜儀； 按處理的實(shí)時(shí)性分類：實(shí)時(shí)頻譜儀、非實(shí)時(shí)頻譜儀； 按頻率軸刻度分類：恒帶寬分析式頻譜儀、恒百分比帶寬分析式頻譜儀； 按輸入通道數(shù)目分類：?jiǎn)瓮ǖ馈⒍嗤ǖ李l譜儀； 按工作頻帶分類：高頻、射頻、低頻等頻譜儀。 模擬式頻譜儀與數(shù)字式頻譜儀 實(shí)時(shí)頻譜儀和非實(shí)時(shí)頻譜儀 恒帶寬與恒百分比帶寬分析式頻譜儀 5.濾波式頻譜分析技術(shù) 濾波式頻譜分析儀原理及分類 基本原理：先用帶通濾波器選出待分析信號(hào)，然后用檢波器將該頻率分量變?yōu)橹绷餍盘?hào)，

10、再送到顯示器將直流信號(hào)的幅度顯示出來(lái)。為顯示輸入信號(hào)的各頻率分量，帶通濾波器的中心頻率是多個(gè)或可變的。 檔級(jí)濾波式頻譜儀檔級(jí)濾波式頻譜儀 并行濾波式頻譜儀并行濾波式頻譜儀 掃頻濾波式頻譜儀掃頻濾波式頻譜儀 數(shù)字濾波式頻譜儀數(shù)字濾波式頻譜儀u檔級(jí)濾波式頻譜儀u并行濾波式頻譜儀 與檔級(jí)濾波式的區(qū)別在于每個(gè)濾波器之后都有各自的檢波器，無(wú)需電子開(kāi)關(guān)切換及檢波建立時(shí)間，因此速度快，能夠滿足實(shí)時(shí)分析的需要。但是可顯示的頻譜分量數(shù)目取決于濾波器的數(shù)目，所以需要大量的濾波器。u掃頻濾波式頻譜儀u數(shù)字濾波式頻譜儀 數(shù)字濾波式頻譜儀在現(xiàn)代頻譜分析儀中占有重要地位。數(shù)字濾波器的形狀因子較小，因而提高了頻譜儀的頻率分

11、辨率；具有數(shù)字信號(hào)處理的高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和可編程性等普遍優(yōu)點(diǎn)。 利用數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)頻分或時(shí)分復(fù)用，因此僅用一個(gè)數(shù)字濾波器就可以實(shí)現(xiàn)與并行濾波式等效的實(shí)時(shí)頻譜儀。用單個(gè)數(shù)字濾波器代替多個(gè)模擬濾波器之后，濾波器的中心頻率由時(shí)基電路控制使之順序改變。u超外差頻譜儀 超外差頻譜儀是目前應(yīng)用的最廣泛的頻譜儀之一。利用超外差接收機(jī)的原理，將頻率可變的掃頻信號(hào)與被分析信號(hào)進(jìn)行差頻，再對(duì)所得的固定頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量分析，由此依次獲得被測(cè)信號(hào)不同頻率成分的幅度信息。當(dāng)掃頻振蕩器的頻率在一定范圍掃動(dòng)時(shí)，與輸入信號(hào)中的各個(gè)頻率分量在混頻器中產(chǎn)生差頻（中頻），使輸入信號(hào)的各個(gè)頻率分量依次落入窄帶濾波器的通

12、帶內(nèi)，被濾波器選出并經(jīng)檢波器加到示波器的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，即光電的垂直偏轉(zhuǎn)正比于該頻率分量的幅值。由于示波器的水平掃描電壓就是調(diào)制掃頻振蕩器的調(diào)制電壓，所以水平軸變?yōu)轭l率軸，屏幕上將顯示輸入信號(hào)的頻譜。6.外差式頻譜儀的主要性能指標(biāo)頻率指標(biāo)頻率指標(biāo)幅度指標(biāo)幅度指標(biāo)頻率指標(biāo) 輸入頻率范圍 頻譜儀能正常工作的最大頻率區(qū)間，由掃描本振的頻率范圍決定?，F(xiàn)代頻譜儀的頻率范圍通?？蓮牡皖l段至射頻段，甚至微波段，如1KHz4GHz。 頻率掃描寬度（Span） 另有分析譜寬、掃寬、頻率量程、頻譜跨度等不同叫法。通常根據(jù)測(cè)試需要自動(dòng)調(diào)節(jié)，或人為設(shè)置。掃描寬度表示頻譜儀在一次測(cè)量（也即一次頻率掃描）過(guò)程中所顯示的頻率

13、范圍，可以小于或等于輸入頻率范圍。 頻率分辨率（Resolution） 表征了將最靠近的兩個(gè)相鄰頻譜分量分辨出來(lái)的能力。主要由中頻濾波器的帶寬（即RBW）決定，但最小分辨率還受本振頻率穩(wěn)定度的影響。 對(duì)濾波式頻譜分析儀而言，中頻濾波器的3dB帶寬決定了可區(qū)分的兩個(gè)等幅信號(hào)的最小頻率間隔。如果區(qū)分不等幅信號(hào)，分辨率就與濾波器的形狀因子有關(guān)。 現(xiàn)代頻譜儀通常具有可變的RBW，按照1-3-9或1-2-5的典型步進(jìn)變化。最小的一檔RBW值就是頻率分辨率指標(biāo)，如90Hz。頻率精度 即頻譜儀頻率軸的讀數(shù)精度，與參考頻率（本振頻率）穩(wěn)定度、掃描寬度Span、分辨率帶寬RBW等多項(xiàng)因素有關(guān)： CHzBRBWN

14、SpanASpanffrefx%1% 其中：其中：f絕對(duì)頻率精度，單位絕對(duì)頻率精度，單位Hz；ref參參考頻率（本振頻率）相對(duì)精度；考頻率（本振頻率）相對(duì)精度；fx頻率讀數(shù)；頻率讀數(shù)；N完成一次掃描所需的頻率點(diǎn)數(shù)；完成一次掃描所需的頻率點(diǎn)數(shù)；A%Span的精度，的精度，B%RBW的精度，的精度，C頻率常頻率常數(shù)。不同的頻譜儀有不同的數(shù)。不同的頻譜儀有不同的A、B、C值。值。 掃描時(shí)間（Sweep Time，簡(jiǎn)作ST） 即進(jìn)行一次全頻率范圍的掃描、并完成測(cè)量所需的時(shí)間，也叫分析時(shí)間。通常掃描時(shí)間越短越好，但為保證測(cè)量精度，掃描時(shí)間必須適當(dāng)。與掃描時(shí)間相關(guān)的因素主要有頻率掃描范圍、分辨率帶寬、視頻

15、濾波。 現(xiàn)代頻譜儀通常有多檔掃描時(shí)間可選擇，最小掃描時(shí)間由測(cè)量通道的電路響應(yīng)時(shí)間決定。相位噪聲/頻譜純度 相位噪聲簡(jiǎn)稱相噪，是頻率短期穩(wěn)定度的指標(biāo)之一，反映了極短期內(nèi)的頻率變化程度，表現(xiàn)為載波邊帶，所以也稱邊帶噪聲。通常用在源頻率的某一頻偏上相對(duì)于載波幅度下降的dBc數(shù)值表示，如在9KHz頻偏處90dBc。 相噪由本振信號(hào)頻率或相位不穩(wěn)定引起，還與分辨率帶寬有關(guān)：RBW減小，相噪相應(yīng)降低。有效設(shè)置頻譜儀參數(shù)可使相噪達(dá)到最小，但無(wú)法消除。相噪也是影響頻譜儀分辨不等幅信號(hào)的因素之一。幅度指標(biāo) 幅度測(cè)量精度 有絕對(duì)幅度精度和相對(duì)幅度精度之分，均由多方面因素決定。絕對(duì)幅度精度是針對(duì)滿刻度信號(hào)的指標(biāo)，受輸入衰減、中頻增益、分辨率帶寬、刻度逼真度、頻響及校準(zhǔn)信號(hào)本身的精度等的綜合影響；相對(duì)幅度精度與測(cè)量方式有關(guān)，在理想情況下僅有頻響和校準(zhǔn)信號(hào)精度兩項(xiàng)誤差來(lái)源，測(cè)量精度可以達(dá)到非常高。 儀器在出廠前要經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，各種誤