電子測量技術(shù)-頻域測量

1、在示波管顯示圖形的在示波管顯示圖形的水平方向水平方向為為被測信號的被測信號的頻率頻率，垂直方向垂直方向為被測信號的為被測信號的幅度幅度，其頻，其頻率特性是連續(xù)變化的。率特性是連續(xù)變化的。（2）列表列表fi(MHz) 2.32 4.326.327.328.329.3210.3212.3214.32VO(V)0.57 0.821.422.102.512.101.420.820.57VO(V)0.51.01.52.00fi(MHz)8.32 fo（4）特點特點測量次數(shù)多測量次數(shù)多測測量時間長量時間長能反映相鄰點頻能反映相鄰點頻率突變的情況率突變的情況若改變一個若改變一個元器件參數(shù)，又要重測一次。元器

2、件參數(shù)，又要重測一次。所以點頻測量法所以點頻測量法只適只適合要求不高的場合合要求不高的場合。（1）調(diào)調(diào)信號發(fā)生器的信號發(fā)生器的頻率頻率，用電壓表或示波器測被用電壓表或示波器測被測測電路輸出端的電路輸出端的電壓。電壓。信號發(fā)生器信號發(fā)生器Y1Y2示波器示波器 被測電路被測電路（3）作圖作圖被測電路被測電路VCO鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器Y1Y2示波器示波器 fV框圖中框圖中三部分三部分是掃頻儀重要部件是掃頻儀重要部件（4）特點：特點：實現(xiàn)半自動實現(xiàn)半自動快速快速測測量量可可邊測邊調(diào)邊測邊調(diào)以達(dá)規(guī)定指標(biāo)以達(dá)規(guī)定指標(biāo)可可迅速迅速判斷元器件判斷元器件對頻率特性的影響對頻率特性的影響反映的頻率特性反映的頻

3、率特性全面全面無間隙無間隙配配合其他設(shè)備可對產(chǎn)品進(jìn)行合其他設(shè)備可對產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)控。 掃頻信號發(fā)生器是掃頻儀的重要部件，實質(zhì)是掃頻信號發(fā)生器是掃頻儀的重要部件，實質(zhì)是V/F（電壓（電壓/頻率）頻率）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器，將，將線性線性鋸齒波電壓鋸齒波電壓轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成頻率成頻率（如圖如圖所示），并將其作為被測電路的輸入信號源。所示），并將其作為被測電路的輸入信號源。7.1.2 掃頻儀的關(guān)鍵部件掃頻儀的關(guān)鍵部件VCOVt0ftf0VmaxVminfmaxfmin掃頻波產(chǎn)生方法掃頻波產(chǎn)生方法1、PN結(jié)電容結(jié)電容tf0掃頻波掃頻波fminfmaxfmaxjQLCf1210特點：特點：反壓越反壓越大大PNPN結(jié)越

4、寬電結(jié)越寬電容越小，反而容越小，反而亦之。亦之。TjUKC(=（7.1.1）nU1)- -常數(shù)常數(shù)內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場常數(shù)常數(shù)頻率范圍頻率范圍minmax121121jjLCfLC二極管電容二極管電容特性特性圖圖7.1.6cUCmaxCmin+U7.1.2 掃頻儀的關(guān)鍵部件掃頻儀的關(guān)鍵部件等等效效0jjQLCCvV1、，當(dāng)當(dāng)maxjCminjCjQLCf1210中心頻率中心頻率大大當(dāng)當(dāng)變?nèi)荻O管置于變?nèi)荻O管置于LC振蕩器振蕩器調(diào)諧回路中（圖調(diào)諧回路中（圖7.1.7）時，產(chǎn)）時，產(chǎn)生掃頻信號。生掃頻信號。2、電調(diào)電調(diào)諧諧變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管（掃頻）（掃頻） 在二極管兩端加在二極管兩端加變化

5、的反向電壓，變化的反向電壓，PN結(jié)的結(jié)的電容電容也會改變也會改變，進(jìn)而，進(jìn)而改變振蕩頻率改變振蕩頻率，產(chǎn)生掃頻信號。，產(chǎn)生掃頻信號。圖圖7.1.6(c)f0fminfmax圖圖7.1.7二極管電容二極管電容特性特性U+U主要部分組成：主要部分組成：1、顯示系統(tǒng)顯示系統(tǒng)：由掃描電壓發(fā)由掃描電壓發(fā)生器；生器；X、Y軸軸放大器；示波放大器；示波管等組成（同管等組成（同示波器示波器不贅述不贅述)。2、掃頻信號源掃頻信號源：由：由掃頻信號發(fā)生器掃頻信號發(fā)生器(受鋸齒波控制的受鋸齒波控制的VCO)產(chǎn)生約產(chǎn)生約200mV掃頻信號，掃頻信號，頻標(biāo)發(fā)生器頻標(biāo)發(fā)生器(產(chǎn)生菱形產(chǎn)生菱形的標(biāo)志用于的標(biāo)志用于讀取頻率讀

6、取頻率值值)和衰減器和衰減器(dB讀數(shù)讀數(shù))等組成。等組成。頻標(biāo)頻標(biāo)單元單元掃頻輸掃頻輸出出Y輸入輸入 圖圖7.2.1 掃頻儀的原理框圖及測試波形掃頻儀的原理框圖及測試波形圖圖7.2.2 掃頻單元工作原理框圖掃頻單元工作原理框圖beC3CVDC圖圖7.2.3（b）等效電路）等效電路)111(13cebeVDoscCCCCL圖圖7.2.2 掃頻單元工作原理框圖掃頻單元工作原理框圖圖圖7.2.4（a）的等效）的等效電路電路beCceCVDC圖圖7.2.2 掃頻單元工作原理框圖掃頻單元工作原理框圖(LCR)大大小小tVRRiIsmDLIcos222(LCR)大大小小5、衰減器、衰減器掃頻信號的最掃頻

7、信號的最大輸出電壓（大輸出電壓（衰減衰減0）約）約為為200mV。為了便于測量為了便于測量網(wǎng)絡(luò)的增益，網(wǎng)絡(luò)的增益， 用用cf010M鏡像鏡像反射反射1、單一頻標(biāo)產(chǎn)生的原理單一頻標(biāo)產(chǎn)生的原理掃頻掃頻fs和固頻和固頻fg經(jīng)混頻低通后取其差值。當(dāng)經(jīng)混頻低通后取其差值。當(dāng)fs中的中的fgh=fg時時vo=0，當(dāng)，當(dāng)fgh漸近、漸遠(yuǎn)漸近、漸遠(yuǎn)fg時時vo有所下降（如圖有所下降（如圖c）。）。c圖信號經(jīng)圖信號經(jīng)低通濾波低通濾波和和反相放大反相放大后產(chǎn)生接近后產(chǎn)生接近菱形菱形的的頻標(biāo)頻標(biāo)。fghfsafgbtVtvgsomo)sin()(ttVkVtvgsgmsmosinsin)(fs掃頻掃頻信號信號固頻固

8、頻信號信號混混頻頻器器低通低通-放大放大fgvoov頻標(biāo)波形圖頻標(biāo)波形圖d2、產(chǎn)生多個頻標(biāo)的原理產(chǎn)生多個頻標(biāo)的原理fgfs2fg3fg4fg1fg2fg3fg4fgtf4fg3fg 2fg 1fg掃頻特性掃頻特性tv1fg2fg3fgNfgvofsfgNfg掃頻信號掃頻信號10M晶振晶振諧波發(fā)生器諧波發(fā)生器混頻器混頻器低通低通頻頻標(biāo)標(biāo)放放大大器器Y軸軸（N=1、2、）10M20M30M40M10M頻標(biāo)輸出頻標(biāo)輸出10分頻器分頻器諧波發(fā)生器諧波發(fā)生器混頻器混頻器低通低通掃頻信號掃頻信號10M晶振晶振諧波發(fā)生器諧波發(fā)生器混頻器混頻器低通低通頻頻標(biāo)標(biāo)放放大大器器Y軸軸f050鏡像反射鏡像反射1001

9、50200250300MHz當(dāng)選擇當(dāng)選擇50MHz頻標(biāo)時，全屏顯示的頻標(biāo)圖形頻標(biāo)時，全屏顯示的頻標(biāo)圖形(圖圖7.5.2b)當(dāng)選擇當(dāng)選擇10/1MHz頻標(biāo)時，全屏顯示的頻標(biāo)圖形頻標(biāo)時，全屏顯示的頻標(biāo)圖形(圖圖7.5.2a)f102030MHz0鏡像反射鏡像反射頻標(biāo)選擇頻標(biāo)選擇50M晶振晶振諧波發(fā)生器諧波發(fā)生器混頻器混頻器低通低通掃頻掃頻信號信號被測被測網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)檢波檢波前置前置放大放大Y偏偏轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)板末級末級放大放大頻標(biāo)發(fā)生器頻標(biāo)發(fā)生器衰減器衰減器dB讀數(shù)讀數(shù)v(dB)f(MHz)00dB3dB300BT3G頻率特性測試儀頻率特性測試儀Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦線性線性開關(guān)開關(guān)+/AC/D

10、C 1 10 100 外外1/1050頻標(biāo)幅度頻標(biāo)幅度中心中心頻率頻率 30dB20104321掃頻掃頻寬度寬度掃頻掃頻輸出輸出Y輸入輸入外接外接頻標(biāo)頻標(biāo)Y衰減衰減掃頻衰減掃頻衰減檢波探頭檢波探頭 被被 測測 電電 路路ft0dB1dB2dB3dB4dB10dB20dB30dB掃頻發(fā)生器掃頻發(fā)生器Y軸主軸主放大器放大器“掃頻輸出掃頻輸出”“Y輸入輸入” 1 10 100X軸主軸主放大器放大器“Y衰減衰減”頻標(biāo)發(fā)生器頻標(biāo)發(fā)生器“掃頻衰減掃頻衰減”探頭探頭被測電路被測電路圖圖7.5.1BT3G頻率特性測試儀頻率特性測試儀Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦線性線性開關(guān)開關(guān)+/AC/DC 1 10

11、100 外外1/1050頻標(biāo)幅度頻標(biāo)幅度中心中心頻率頻率 30dB20104321掃頻掃頻寬度寬度掃頻掃頻輸出輸出Y輸入輸入外接外接頻標(biāo)頻標(biāo)Y衰減衰減掃頻衰減掃頻衰減開機（開機（“短鍵短鍵”）；）；調(diào)調(diào)“Y位移位移”使掃描基線在使掃描基線在“第第1線線”位；位；調(diào)調(diào)“亮度亮度”適當(dāng)，調(diào)適當(dāng)，調(diào)“聚焦聚焦”良好，調(diào)良好，調(diào)“線性線性”水平（右旋右低、左旋左低）；水平（右旋右低、左旋左低）；探頭電纜探頭電纜短接短接“掃頻輸出掃頻輸出”和和“Y輸入輸入” ，“Y衰減衰減”在在 1，出現(xiàn)雙線；出現(xiàn)雙線；調(diào)調(diào)“Y增益增益”使上線在使上線在“第第6線線”位，此位，此時時2線間有線間有5大格大格（定標(biāo)定標(biāo)%

12、）;探頭探頭圖圖7.5.1BT3G頻率特性測試儀頻率特性測試儀Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦線性線性開關(guān)開關(guān)+/AC/DC 1 10 100 外外1/1050頻標(biāo)幅度頻標(biāo)幅度中心中心頻率頻率 30dB20104321掃頻掃頻寬度寬度掃頻掃頻輸出輸出Y輸入輸入外接外接頻標(biāo)頻標(biāo)Y衰減衰減掃頻衰減掃頻衰減探頭探頭按內(nèi)頻標(biāo)按內(nèi)頻標(biāo)“1/10”鍵，上線疊有菱形頻標(biāo)，調(diào)鍵，上線疊有菱形頻標(biāo)，調(diào)“頻標(biāo)頻標(biāo)幅度幅度”可改變頻標(biāo)可改變頻標(biāo)大（順大（順時針）時針）?。嫘。鏁r針）；時針）；調(diào)調(diào)“中心頻率中心頻率”，頻標(biāo)可，頻標(biāo)可右（順右（順時針）時針）左（逆左（逆時針）移時針）移動，找到頻標(biāo)的缺口（有特殊

13、動，找到頻標(biāo)的缺口（有特殊標(biāo)記標(biāo)記），該標(biāo)記為），該標(biāo)記為頻率頻率起點起點；調(diào)調(diào)“掃頻寬度掃頻寬度”可改變頻標(biāo)的可改變頻標(biāo)的疏（順疏（順時針）時針）密（逆密（逆時針）程度，使其時針）程度，使其適中適中（能看到（能看到10個左右個左右頻頻標(biāo)）。標(biāo)）。0 1 2 3 4 5 67 8 9 10MHz圖圖7.5.1BT3G頻率特性測試儀頻率特性測試儀Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦線性線性開關(guān)開關(guān)+/AC/DC 1 10 100 外外1/1050頻標(biāo)幅度頻標(biāo)幅度中心中心頻率頻率 30dB20104321掃頻掃頻寬度寬度掃頻掃頻輸出輸出Y輸入輸入外接外接頻標(biāo)頻標(biāo)Y衰減衰減掃頻衰減掃頻衰減0 1 2

14、 3 4 5 67 8 9 10MHz探頭探頭被測電路被測電路 f0.5 f0.5=9.5 6.7=2.8MHzf0=8.2M圖圖7.6.2BT3G頻率特性測試儀頻率特性測試儀Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦線性線性開關(guān)開關(guān)+/AC/DC 1 10 100 外外1/1050頻標(biāo)幅度頻標(biāo)幅度中心中心頻率頻率 30dB20104321掃頻掃頻寬度寬度掃頻掃頻輸出輸出Y輸入輸入外接外接頻標(biāo)頻標(biāo)Y衰減衰減掃頻衰減掃頻衰減探頭探頭被測電路被測電路11f010910.510.35 10.7 f0.5 f0.70.25 f0.7=0.6M f0.5=10.85-10.15=0.7MHzf0=10.5M圖

15、圖7.6.2圖圖7.6.3BT3G頻率特性測試儀頻率特性測試儀Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦線性線性開關(guān)開關(guān)+/AC/DC 1 10 100 外外1/1050頻標(biāo)幅度頻標(biāo)幅度中心中心頻率頻率 30dB20104321掃頻掃頻寬度寬度掃頻掃頻輸出輸出Y輸入輸入外接外接頻標(biāo)頻標(biāo)Y衰減衰減掃頻衰減掃頻衰減探頭探頭被測電路被測電路 f0.77 . 00ffQ f0.7和中心頻率和中心頻率f0后，經(jīng)計后，經(jīng)計算可以得到：算可以得到： 。 f0.7=9.27.2=2MHzf0=8.2MMHz1 . 422 . 8Q根據(jù)根據(jù)前例前例單峰特性曲線，被測電路的品質(zhì)因數(shù)單峰特性曲線，被測電路的品質(zhì)因數(shù)Q=4

16、.1圖圖7.5.1Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦線性線性開關(guān)開關(guān)+/AC/DC 1 10 100 外外1/1050頻標(biāo)幅度頻標(biāo)幅度中心中心頻率頻率 30dB20104321掃頻掃頻寬度寬度掃頻掃頻輸出輸出Y輸入輸入外接外接頻標(biāo)頻標(biāo)Y衰減衰減掃頻衰減掃頻衰減A2ARP11v當(dāng)當(dāng)RP1調(diào)到使指示調(diào)到使指示高度為高度為A/2時時211111vrRrvviPi可見：可見：輸入阻抗輸入阻抗ri是電位器是電位器RP1的當(dāng)前值的當(dāng)前值當(dāng)電路當(dāng)電路含選頻含選頻回路時回路時經(jīng)經(jīng)步后得到的步后得到的ri值為值為f0下的輸入阻抗。下的輸入阻抗。1011ri為為f0=10.6M下下RP1當(dāng)前值當(dāng)前值v1探頭探頭

17、被測被測電路電路irori圖圖7.5.1RP2Y增益增益Y位移位移亮度亮度聚焦聚焦線性線性開關(guān)開關(guān)+/AC/DC 1 10 100 外外1/1050頻標(biāo)幅度頻標(biāo)幅度中心中心頻率頻率 30dB20104321掃頻掃頻寬度寬度掃頻掃頻輸出輸出Y輸入輸入外接外接頻標(biāo)頻標(biāo)Y衰減衰減掃頻衰減掃頻衰減A2A1011ro為為f0=10.6M下下RP2當(dāng)前值當(dāng)前值探頭探頭v1被測被測電路電路irori第第步步后被測電路后被測電路輸出輸出電電壓為壓為iro，顯示高度為，顯示高度為A。第第步步調(diào)調(diào)RP2使指示使指示高度為高度為A/2，被測電路，被測電路輸出輸出電壓電壓為為輸出阻抗輸出阻抗ro是是RP2的當(dāng)前值的當(dāng)

18、前值222)/(2PoPooPoRrRrirRiir可見可見當(dāng)電路含選頻回路時，當(dāng)電路含選頻回路時，經(jīng)經(jīng)步后得到的步后得到的ro值為值為f0下的輸出阻抗。下的輸出阻抗。fu圖圖7.9.1周期信號頻譜周期信號頻譜 fo2fo3foNfo7.9.1時域和頻域的關(guān)系時域和頻域的關(guān)系tu3fo2fofof圖圖7.9.2 時域與頻域的時域與頻域的三維三維關(guān)系圖關(guān)系圖從時域看從時域看從頻域看從頻域看以鋸齒波為例：以鋸齒波為例：K2(t)tT02T0T0/2-T1T11fu fo3fo5fo雙開關(guān)雙開關(guān)K2(t)的波形、頻譜和展開式。的波形、頻譜和展開式。表表7.9.1為常見信號的波形和頻譜為常見信號的波形

19、和頻譜 頻譜分析的意義之一：頻譜分析的意義之一：發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)干擾干擾，進(jìn)而，進(jìn)而消除干擾消除干擾。 若用頻譜儀發(fā)現(xiàn)若用頻譜儀發(fā)現(xiàn)K2(t)頻譜中頻譜中混有混有不相關(guān)不相關(guān)的的干擾信號干擾信號fr，則可則可由相應(yīng)的濾波器濾除干擾信號。由相應(yīng)的濾波器濾除干擾信號。fufr陷波特性陷波特性7.9.1時域和頻域時域和頻域fu fo3fo5fofr有干擾的信號特性有干擾的信號特性圖圖7.9.3)5cos513cos31(cos4)(002ttttK（7.9.2）s模擬模擬濾波濾波FFT數(shù)字信號數(shù)字信號處理器處理器數(shù)字?jǐn)?shù)字濾波濾波顯示器顯示器取樣電路取樣電路ADCf衰減器衰減器ui模擬式基本形式：模擬式基本形

20、式：fi輸入輸入濾波濾波檢波檢波顯示顯示f1 fnuiuo濾波器中心濾波器中心頻率頻率f0可調(diào)可調(diào)uituo fo2fo3f0Nfof視視頻頻檢檢波波器器X放放大大Y放放大大ux 電電調(diào)調(diào)諧諧濾濾波波器器鋸鋸齒齒波波發(fā)發(fā)生生器器基本原理基本原理 外差式頻譜儀的原理類似現(xiàn)行外差式頻譜儀的原理類似現(xiàn)行超外差超外差式收音機、式收音機、電視機普遍使用的自動調(diào)諧方式，通過改變掃頻本振電視機普遍使用的自動調(diào)諧方式，通過改變掃頻本振的頻率的頻率fL來捕獲待測信號來捕獲待測信號fx中的不同頻率分量。該方中的不同頻率分量。該方案是實施頻譜分析的傳統(tǒng)途徑，在案是實施頻譜分析的傳統(tǒng)途徑，在高頻段占據(jù)優(yōu)勢高頻段占據(jù)優(yōu)

21、勢。為了提高精度和測量范圍，為了提高精度和測量范圍，通常要混頻通常要混頻3、4次次。 視頻視頻濾波濾波X放大放大Y放大放大fx檢波檢波掃描信號掃描信號發(fā)生器發(fā)生器振蕩器振蕩器fLIF濾波濾波中頻信號處理中頻信號處理輸入輸入電路電路fI =fL- fX混頻器混頻器高中頻很難實現(xiàn)窄帶濾波和性能良好的檢波，需要進(jìn)高中頻很難實現(xiàn)窄帶濾波和性能良好的檢波，需要進(jìn)行行多級混頻、多級混頻、變頻變頻(振混合一振混合一)處理。第一混頻實現(xiàn)處理。第一混頻實現(xiàn)高高中頻頻率變換，中頻頻率變換，再由第二、三級甚至第四級混頻將再由第二、三級甚至第四級混頻將固固定的中頻逐漸降低定的中頻逐漸降低。每級混頻之后有相應(yīng)的帶通濾波

22、。每級混頻之后有相應(yīng)的帶通濾波器抑制高次諧波交調(diào)分量，器抑制高次諧波交調(diào)分量，選擇差頻分量選擇差頻分量。視頻視頻濾波濾波X放大放大Y放大放大fx檢波檢波掃描信號掃描信號發(fā)生器發(fā)生器振蕩器振蕩器fLIF濾波濾波中頻信號處理中頻信號處理輸入輸入電路電路fI =fL- fX混頻器混頻器帶通濾波帶通濾波帶通濾波帶通濾波帶通濾波帶通濾波射頻輸入射頻輸入100KHz3GHz第一本振第一本振4GHz6.9GHz3.9GHz第二本振第二本振第三本振第三本振3.56GHz340MHz329.3MHz10.7MHz視頻視頻濾波濾波X放大放大Y放大放大fx檢波檢波掃描信號掃描信號發(fā)生器發(fā)生器振蕩器振蕩器fLIF濾波

23、濾波中頻信號處理中頻信號處理輸入輸入電路電路fI =fL- fX混頻器混頻器K2(t)tT02T0T0/2-T1T11fu fo3fo5fofu fo3fo5fo)3cos31(cos4)(02tttK視頻視頻濾波濾波X放大放大Y放大放大fx檢波檢波掃描信號掃描信號發(fā)生器發(fā)生器振蕩器振蕩器fLIF濾波濾波中頻信號處理中頻信號處理輸入輸入電路電路fI =fL- fX混頻器混頻器視頻視頻濾波濾波X放大放大Y放大放大fx檢波檢波掃描信號掃描信號發(fā)生器發(fā)生器振蕩器振蕩器fLIF濾波濾波中頻信號處理中頻信號處理輸入輸入電路電路fI =fL- fX混頻器混頻器RDmaxmax2max1aaLMMCR50,103294. 0)(22. 21DLRKRLDmAVdRRVVcmmaVVMmcmVVVmaxmcmVVVmincmVfI1個載頻個載頻2個邊頻個邊頻tVtVtVcmcmccm)cos(2)cos(2costtVtVttVVVttMVvcmccmccmmcmcacmAMcoscoscoscos)cos1 (cos)cos1 (dBMVVMacmcma265 . 0log205 . 0log20測得邊頻測得邊頻 c信號比載信號比載頻頻 c信號低信號低26dB，則：，則：調(diào)幅度調(diào)幅度Ma按按(7.9.4式式)：%101 . 01022026a