電路頻率特性的測量技術

1、第6章 電路頻率特性的測量(cling)技術共三十三頁引 言什么(shn me)是線性系統(tǒng)的頻率特性？線性網絡正弦信號穩(wěn)態(tài)響應H(j)：頻率響應 或頻率特性幅度|H(j)|：幅頻特性相位() ：相頻特性頻域中的兩個基本(jbn)測量問題信號的頻譜分析：可由頻譜分析儀完成線性系統(tǒng)頻率特性的測量：可由網絡分析儀完成共三十三頁6.1 頻率特性的特點(tdin)廣義上，信號頻譜是指組成信號的全部頻率分量的總集；狹義上，一般的頻譜測量中常將隨頻率變化(binhu)的幅度譜稱為頻譜。頻譜測量：在頻域內測量信號的各頻率分量，以獲得信號的多種參數(shù)。頻譜測量的基礎是付里葉變換。 頻譜的兩種基本類型離散頻譜（線狀

2、譜），各條譜線分別代表某個頻率分量的幅度，每兩條譜線之間的間隔相等連續(xù)頻譜，可視為譜線間隔無窮小，如非周期信號和各種隨機噪聲的頻譜。共三十三頁6.2 頻率特性測試儀的操作使用(shyng)方法1. 點頻法就是“逐點”測量幅頻特性的方法，注意明確(mngqu)被測電路和選用相應儀器。 點頻測量法線性系統(tǒng)頻率特性的經典測量法 每次只能將加到被測線性系統(tǒng)的信號源的頻率調節(jié)到某一個頻點。依次設置調諧到各指定頻點上，分別測出各點處的參數(shù)，再將各點數(shù)據連成完整的曲線，從而得到頻率特性測量結果。6.2.1頻率特性的測量方法共三十三頁特點：所測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

3、要逐點測量，操作繁瑣費時，并且(bngqi)由于頻率離散而不連續(xù)，可能遺漏掉某些特性突變點。這種方法一般只用于實驗室測試研究；若用于生產線則效率太低了。如果能夠在測試過程中，使信號源輸出信號頻率能自動地從低到高連續(xù)變化并且周期性重復，利用檢波器將輸出包絡檢出送到示波器上顯示，就可自動地描繪出幅頻特性曲線。 共三十三頁 頻率源的輸出能夠在測量(cling)所需的范圍內連續(xù)掃描，因此可以連續(xù)測出各頻率點上的頻率特性結果并立即顯示特性曲線。2. 掃頻測量法掃頻信號發(fā)生器被測電路峰值檢波器掃描發(fā)生器XYv1v2v3v4v5關鍵環(huán)節(jié)共三十三頁優(yōu)點：掃頻信號的頻率(pnl)連續(xù)變化，掃頻測量所得的頻率(p

4、nl)特性是動態(tài)頻率(pnl)特性，也不會漏掉細節(jié)。不足：如果輸入的掃頻信號頻率變化速度快于系統(tǒng)輸出響應時間，則頻率的響應幅度會出現(xiàn)不足，掃頻測量所得幅度小于點頻測量的幅度；電路中LC元件的惰性會使幅度峰值有所偏差，因此會產生頻率偏離。共三十三頁3. 頻率特性測試儀工作(gngzu)原理 掃頻儀的組成：利用示波器的顯示原理，把時間軸變成頻率軸。主要由四部分組成：掃頻信號發(fā)生器、放大顯示電路、頻率標記(bioj)發(fā)生器和電源。共三十三頁掃頻信號(xnho)發(fā)生器的基本工作原理 能產生掃頻輸出信號的頻率源稱為掃頻信號發(fā)生器或掃頻信號源，簡稱掃頻源。它既可作為(zuwi)獨立的測量用信號發(fā)生器，又可

5、作為(zuwi)頻率特性測量類儀器的前端。 掃 描發(fā) 生 器 掃 頻振 蕩 器 輸 出 衰 減 器穩(wěn) 幅電 路掃頻信號共三十三頁 典型的掃頻源應具備下列三方面功能： 產生掃頻信號（通常是等幅正弦波）； 產生同步輸出的掃描信號，可以是三角波、正弦波或鋸齒波等； 產生同步輸出的頻率標志，可以是等頻率間隔的通用頻標、專用(zhunyng)于某項測試的專用(zhunyng)頻標及活動頻標。共三十三頁6.3 頻譜分析儀的操作(cozu)使用方法1.脈沖(michng)寬度和頻帶寬度 周期信號的脈沖寬度和頻帶寬度是兩個不同的概念。有效頻帶寬度與脈沖寬度成反比。 脈沖寬度是時域概念，指在一個周期內脈沖波形的

6、兩個零點之間的時間間隔； 頻帶寬度（帶寬）是頻域概念，通常規(guī)定：在周期信號頻譜中，從零頻率到需要考慮的最高次諧波頻率之間的頻段即為該信號的有效占有帶寬，亦稱頻帶寬度。實際應用中，常把零頻到頻譜包絡線第一個零點間的頻段作為頻帶寬帶。共三十三頁2.信號(xnho)的頻譜分析技術 頻譜分析以付里葉分析為理論基礎，可對不同頻段的信號進行線性或非線性分析。信號頻譜分析的內容：對信號本身的頻率特性分析，如對幅度譜、相位(xingwi)譜、能量譜、功率譜等進行測量，從而獲得信號不同頻率處的幅度、相位(xingwi)、功率等信息；對線性系統(tǒng)非線性失真的測量，如測量噪聲、失真度、調制度、諧波分量的分布情況等。頻

7、譜分析儀的信號追蹤產生器可直接測量待測件的頻率響應特性，但只能測量振幅。共三十三頁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對信號的電壓、功率、頻率等參數(shù)進行測量并顯示(xinsh)的儀器。一般有FFT分析（實時分析）法、非實時分析法兩種實現(xiàn)方法。 FFT分析法：在特定時段中對時域數(shù)字信號進行FFT變換，得到頻域信息并獲取相對于頻率的幅度、相位信息。可充分利用數(shù)字技術和計算機技術，非常適于非周期信號和持續(xù)時間很短的瞬態(tài)信號的頻譜測量。共三十三頁非實時分析法 在任意(rny)瞬間只有一個頻率成分能被測量，無法得到相位信息。適用于連續(xù)信號和周期信號的頻譜測量。掃頻式分析：使分析濾波

8、器的頻率響應在頻率軸上掃描。 差頻式分析（外差式分析）：利用超外差接收機的原理，將頻率可變的掃頻信號與被分析信號進行差頻，再對所得的固定頻率信號進行測量分析，由此依次獲得被測信號不同頻率成分的幅度信息。這是頻譜儀最常采用的方法。 共三十三頁4.頻譜分析儀的分類(fn li)按分析處理方法分類(fn li)：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；按處理的實時性分類：實時頻譜儀、非實時頻譜儀；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：單通道、多通道頻譜儀；按工作頻帶分類：高頻、射頻、低頻等頻譜

9、儀。共三十三頁 模擬式頻譜儀與數(shù)字式頻譜儀模擬式頻譜儀：以掃描式為基礎(jch)構成，采用濾波器或混頻器將被分析信號中各頻率分量逐一分離。所有早期的頻譜儀幾乎都屬于模擬濾波式或超外差結構，并被沿用至今。數(shù)字式頻譜儀：非掃描式，以數(shù)字濾波器或FFT變換為基礎構成。精度高、性能(xngnng)靈活，但受到數(shù)字系統(tǒng)工作頻率的限制。目前單純的數(shù)字式頻譜儀一般用于低頻段的實時分析，尚達不到寬頻帶高精度頻譜分析。共三十三頁 實時頻譜儀和非實時頻譜儀 實時分析應達到的速度與被分析信號的帶寬及所要求的頻率分辨率有關。一般認為，實時分析是指在長度為T的時段內，完成頻率分辨率達到1/T的譜分析；或者待分析信號的帶

10、寬小于儀器能夠(nnggu)同時分析的最大帶寬。 在一定頻率范圍數(shù)據分析速度與數(shù)據采集速度相匹配，不發(fā)生積壓現(xiàn)象，這樣的分析就是實時的；如果待分析的信號帶寬超過這個頻率范圍，則是非實時分析。共三十三頁 恒帶寬與恒百分比帶寬分析式頻譜儀 恒帶寬分析式頻譜儀：頻率軸為線性刻度，信號的基頻分量和各次諧波分量在橫軸上等間距排列，適用于周期信號和波形失真的分析。 恒百分比帶寬分析式頻譜儀：頻率軸采用對數(shù)刻度，頻率范圍覆蓋較寬，能兼顧高、低頻(dpn)段的頻率分辨率，適用于噪聲類廣譜隨機信號的分析。 目前許多數(shù)字式頻譜儀可以方便地實現(xiàn)不同帶寬的FFT分析以及兩種頻率刻度的顯示，故這種分類方法并不適用于數(shù)字

11、式頻譜儀。 共三十三頁5.濾波式頻譜分析(fnx)技術 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，然后用檢波器將該頻率(pnl)分量變?yōu)橹绷餍盘?，再送到顯示器將直流信號的幅度顯示出來。為顯示輸入信號的各頻率(pnl)分量，帶通濾波器的中心頻率(pnl)是多個或可變的。 檔級濾波式頻譜儀并行濾波式頻譜儀掃頻濾波式頻譜儀數(shù)字濾波式頻譜儀共三十三頁檔級濾波(lb)式頻譜儀 這種方法簡單易行，但在頻帶較寬或較高頻段的情況下需要大量濾波器，儀器體積(tj)過大；由于通帶窄，分辨力和靈敏度都不是很高。一般用于低頻段的音頻測試等場合。共三十三頁并行(bngxng)濾波式頻譜儀 與檔

12、級濾波式的區(qū)別在于(ziy)每個濾波器之后都有各自的檢波器，無需電子開關切換及檢波建立時間，因此速度快，能夠滿足實時分析的需要。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。共三十三頁掃頻濾波(lb)式頻譜儀 掃頻濾波式頻譜儀與檔級濾波式一樣，是一種非實時頻譜測量。結構簡單，價格低廉。缺點是電調諧濾波器損耗大、調諧范圍窄、頻率特性不均勻、分辨率差，目前這種方法只適用(shyng)于窄帶頻譜分析。共三十三頁數(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(t go)了頻譜儀的頻率分辨率；具有數(shù)字信號處理的高精度、高穩(wěn)定性、可

13、重復性和可編程性等普遍優(yōu)點。 利用數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)頻分或時分復用，因此僅用一個數(shù)字濾波器就可以實現(xiàn)與并行濾波式等效的實時頻譜儀。用單個數(shù)字濾波器代替多個模擬濾波器之后，濾波器的中心頻率由時基電路控制使之順序改變。共三十三頁超外差頻譜儀 超外差頻譜儀是目前應用的最廣泛的頻譜儀之一。利用超外差接收機的原理，將頻率可變的掃頻信號與被分析信號進行差頻，再對所得的固定頻率信號進行測量分析，由此依次獲得被測信號不同頻率成分的幅度信息。當掃頻振蕩器的頻率在一定范圍掃動時，與輸入信號中的各個頻率分量在混頻器中產生差頻（中頻），使輸入信號的各個頻率分量依次落入窄帶濾波器的通帶內，被濾波器選出并經檢波器加到示波

14、器的垂直偏轉系統(tǒng)，即光電的垂直偏轉正比于該頻率分量的幅值。由于示波器的水平掃描電壓(diny)就是調制掃頻振蕩器的調制電壓(diny)，所以水平軸變?yōu)轭l率軸，屏幕上將顯示輸入信號的頻譜。共三十三頁6.外差式頻譜儀的主要(zhyo)性能指標輸入頻率(pnl)范圍頻率掃描寬度頻率分辨率頻率精度掃描時間相位噪聲/頻譜純度 幅度測量精度 動態(tài)范圍 靈敏度/噪聲電平 本振直通/直流響應 本底噪聲 1dB壓縮點和最大輸入電平頻率指標幅度指標共三十三頁頻率(pnl)指標 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。現(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1KHz

15、4GHz。 頻率掃描寬度（Span） 另有分析(fnx)譜寬、掃寬、頻率量程、頻譜跨度等不同叫法。通常根據測試需要自動調節(jié)，或人為設置。掃描寬度表示頻譜儀在一次測量（也即一次頻率掃描）過程中所顯示的頻率范圍，可以小于或等于輸入頻率范圍。共三十三頁 頻率分辨率（Resolution） 表征了將最靠近的兩個相鄰頻譜分量分辨出來的能力。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(qfn)的兩個等幅信號的最小頻率間隔。如果區(qū)分(qfn)不等幅信號，分辨率就與濾波器的形狀因子有關。 現(xiàn)代頻譜儀通常具有可變的R

16、BW，按照1-3-9或1-2-5的典型步進變化。最小的一檔RBW值就是頻率分辨率指標，如90Hz。共三十三頁頻率精度 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(somio)寬度Span、分辨率帶寬RBW等多項因素有關：其中：f絕對頻率精度，單位Hz；ref參考頻率（本振頻率）相對精度；fx頻率讀數(shù)；N完成(wn chng)一次掃描所需的頻率點數(shù)；A%Span的精度，B%RBW的精度，C頻率常數(shù)。不同的頻譜儀有不同的A、B、C值。 共三十三頁掃描時間（Sweep Time，簡作ST） 即進行一次全頻率范圍的掃描、并完成測量所需的時間，也叫分析時間。通常掃描時間越短越好，但為保

17、證測量精度，掃描時間必須適當。與掃描時間相關(xinggun)的因素主要有頻率掃描范圍、分辨率帶寬、視頻濾波。 現(xiàn)代頻譜儀通常有多檔掃描時間可選擇，最小掃描時間由測量通道的電路響應時間決定。共三十三頁相位噪聲/頻譜純度 相位噪聲簡稱相噪，是頻率短期穩(wěn)定度的指標之一，反映了極短期內的頻率變化程度，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。 相噪由本振信號頻率或相位不穩(wěn)定引起，還與分辨率帶寬有關：RBW減小，相噪相應降低。有效(yuxio)設置頻譜儀參數(shù)可使相噪達到最小，但無法消除。相噪也是影響頻譜儀分辨不等幅信號

18、的因素之一。共三十三頁幅度(fd)指標 幅度測量精度 有絕對幅度精度和相對幅度精度之分，均由多方面因素決定。絕對幅度精度是針對滿刻度信號的指標，受輸入衰減、中頻增益、分辨率帶寬、刻度逼真度、頻響及校準信號本身的精度等的綜合影響；相對幅度精度與測量方式有關，在理想情況下僅有頻響和校準信號精度兩項誤差來源，測量精度可以(ky)達到非常高。 儀器在出廠前要經過校準，各種誤差已被分別記錄下來并用于對實測數(shù)據進行修正，顯示出來的幅度精度已有所提高。共三十三頁 動態(tài)范圍（Dynamic Range） 即同時可測的最大與最小信號的幅度比。動態(tài)范圍受限于輸入混頻器的失真特性、系統(tǒng)靈敏度和本振信號的相位噪聲，其上限由頻譜儀的非線性失真決定。 靈敏度/噪聲電平 頻譜儀在特定的分辨率帶寬下，或歸一化到1Hz帶寬時的本底噪聲，常以dBm為單位。靈敏度指標描述了頻譜儀在沒有輸入信號時因內部噪聲而產生的讀數(shù)，常用最小可測的信號幅度來代表，數(shù)值上等于(dngy)顯示平均噪聲電平（DANL）。共三十三頁內容摘要第6章 電路頻率特性的測量