頻域測量技術(shù)

1、第8章 頻域測量技術(shù) 8.1 頻域測量的原理與分類8.2 線性系統(tǒng)頻率特性測量8.3 頻譜分析測量8.4 諧波失真度測量思考題818.1 頻域測量的原理與分類8.1.1 頻域測量的原理對于一個過程或信號，它具有時間-頻率-幅度的三維特性，如圖8.1所示。2圖8.1 信號的三維特性38.1.2 頻域測量的分類根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，頻域分析和測量的對象和目的也各不相同，通常有以下幾種： （1） 頻率特性測量：主要對網(wǎng)絡(luò)的頻率特性進(jìn)行測量，包括幅頻特性、相頻特性、帶寬及回路Q值等。（2） 選頻測量： 利用選頻電壓表，通過調(diào)諧濾波的方法，選出并測量信號中某些頻率分量的大小。4（3） 頻譜分析： 用頻譜分

2、析儀分析信號中所含的各個頻率分量的幅值、功率、能量和相位關(guān)系，以及振蕩信號源的相位噪聲特性、空間電磁干擾等。（4） 調(diào)制度分析測量： 對各種頻帶的射頻信號進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)調(diào)制信號，測量其調(diào)制度，如調(diào)幅波的調(diào)幅系數(shù)、調(diào)頻波的頻偏、調(diào)頻指數(shù)以及它們的寄生調(diào)制參量。 （5） 諧波失真度測量： 信號通過非線性器件都會產(chǎn)生新的頻率分量，俗稱非線性失真。這些新的頻率分量包括諧波和互調(diào)。 58.2 線性系統(tǒng)頻率特性測量8.2.1 基本測量方法1. 點(diǎn)頻測量法 圖8.2中的曲線2就是使用動態(tài)測量法所獲得的曲線。這時，曲線略有右移，但最大值也略有降低。6圖8.2 靜、動態(tài)測量曲線72. 掃頻測量法掃頻測量法具有以

3、下優(yōu)點(diǎn)： （1）可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻率特性的自動或半自動測量，特別是在進(jìn)行電路測試時，人們可以一面調(diào)節(jié)電路中的有關(guān)元件，一面觀察熒光屏上頻率特性曲線的變化，隨時判明元件變化對幅頻特性產(chǎn)生的影響，迅速調(diào)整，查找電路的故障。（2） 由于掃頻信號的頻率是連續(xù)變化的，因此，所得到的被測網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線也是連續(xù)的，不會出現(xiàn)由于點(diǎn)頻法中頻率點(diǎn)離散而遺漏細(xì)節(jié)的問題，且能夠觀察到電路存在的各種沖激變化，如脈沖干擾等，更符合被測電路的應(yīng)用實(shí)際。（3）掃頻測量法測量簡單、速度快，可實(shí)現(xiàn)頻率特性測量的自動化，已成為一種廣泛使用的方法。 83. 多頻測量法多頻測量是利用多頻信號作為激勵信號的一種頻域測量技術(shù)。所謂“多頻信號

4、”，是指由若干頻率離散的正弦波組成的集合。多頻測量將這個“多頻信號”作為激勵，同時加到被測系統(tǒng)的輸入端，并檢測被測網(wǎng)絡(luò)輸出信號在這些頻率點(diǎn)的頻譜，在與輸入進(jìn)行比較之后就可以得到被測網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。 4. 廣譜快速測量法當(dāng)系統(tǒng)對非線性失真的要求較高時，可采用白噪聲作為測量的激勵信號。 98.2.2 相頻特性測量 在測量線性系統(tǒng)的相頻特性時，以被測電路輸入端信號作為參考信號，輸出端信號作為被測信號，用相位計測量輸出端信號與輸入端信號之間的相位差。調(diào)節(jié)正弦波發(fā)生器輸出信號的頻率，用描點(diǎn)的方法可得到相位差隨頻率的變化規(guī)律，即線性系統(tǒng)的相頻特性， 如圖8.3所示。10圖8.3 線性系統(tǒng)的相頻特性測量11

5、8.2.3 掃頻儀1. 基本工作原理 對掃頻信號發(fā)生器的基本要求是： （1） 中心頻率范圍大且可以連續(xù)調(diào)節(jié)。（2） 掃頻寬度要寬且可任意調(diào)節(jié)，常用頻偏進(jìn)行描述。（3） 寄生調(diào)幅要小。（4） 掃描線性度好。 12圖8.4中，掃頻信號發(fā)生電路的振蕩頻率受掃描電壓u2所調(diào)制。 13圖8.4 掃頻儀的簡要原理框圖14為保證掃頻儀有很寬的工作頻率范圍，往往將整個工作頻段劃分成幾個分波段，還可以通過混頻的方法獲得更高的工作頻率，如圖8.5所示。15圖8.5 混頻法拓展掃頻儀至更高的工作頻率162. 主要技術(shù)指標(biāo) 掃頻儀的主要技術(shù)指標(biāo)有： 有效掃頻帶寬、掃頻線性、幅度不平坦性等。1） 有效掃頻寬度和中心頻率

6、有效掃頻寬度也稱掃頻頻偏，是指在掃頻線性和幅度不平坦性符合要求的前提下，一次掃頻能達(dá)到的最大頻率范圍，即 f=fmax-fmin 式中, f為有效掃頻寬度；fmax、fmin為一次掃頻時能達(dá)到的最高和最低瞬時頻率。17中心頻率定義為而把f/f0稱為相對掃頻寬度，即 通常把f遠(yuǎn)小于信號瞬時頻率值的掃頻信號稱為窄帶掃頻，把f可以和信號瞬時頻率相比擬的掃頻信號稱為寬帶掃頻。182） 掃頻線性掃頻線性表示掃頻信號頻率與掃描電壓之間線性相關(guān)的程度，常用掃頻線性系數(shù)來表示，定義為3） 幅度不平坦性在幅頻特性測量中，必須保證掃頻信號的幅度保持不變。掃頻信號的幅度不平坦性常用它的寄生調(diào)幅來表示，定義為式中，A

7、、B表示掃頻信號的最大和最小幅度。193. 掃頻儀的分類1） 按用途劃分按用途劃分，掃頻儀可分為通用掃頻儀、專用掃頻儀、寬帶掃頻儀、阻抗圖示儀、 微波綜合測量儀 2） 按頻率劃分按頻率劃分，掃頻儀可分為低頻掃頻儀、高頻掃頻儀、電視掃頻儀等。 204. 掃頻儀的應(yīng)用1） 電路幅頻特性的測量 測量電路如圖8.6所示。 21圖8.6 幅頻特性的測量22圖8.7給出了典型濾波器的頻率特性測量曲線。23圖8.7 典型濾波器的頻率特性測量曲線24 2） 電路參數(shù)的測量 (1) 增益的測量。 在調(diào)好幅頻特性的基礎(chǔ)上，用粗、細(xì)調(diào)衰減器控制掃頻信號的電壓幅度，使它符合被測電路設(shè)計時要求的輸入信號幅度。 (2)

8、帶寬的測量。 測量帶寬時，先調(diào)節(jié)掃頻儀輸出衰減和調(diào)整Y增益，使頻率特性曲線的頂部與屏幕上某一水平刻度線相切（如圖8.8中與AB線相切）； 25圖8.8 掃頻儀測量帶寬26 (3) 回路Q值的測量。測量時電路連接和測量方法與測回路帶寬相同，在用外接頻標(biāo)測出回路的諧振頻率f0以及上、下截止頻率fH和fL后，按下面的公式即可計算出回路的Q值。278.3 頻譜分析測量8.3.1 選頻測量圖8.9所示為外差式諧波分析儀的原理框圖。 28圖8.9 外差式諧波分析儀的原理框圖298.3.2 頻譜分析儀1. 頻譜分析儀的原理1) 濾波式頻譜分析圖8.10示出了濾波式頻譜儀的基本結(jié)構(gòu)。輸入信號經(jīng)過一組中心頻率不

9、同的濾波器或經(jīng)過一個掃描調(diào)諧式濾波器，選出各個頻率分量，經(jīng)檢波后進(jìn)行顯示或記錄。在這種頻譜儀中，隨著濾波器頻率的改變，完成頻譜分析，因此，濾波器和檢波器是兩個重要的單元電路，它們的構(gòu)成形式和性能好壞對頻譜分析儀起著重要的作用。 其原理簡圖如圖8.11所示。30圖8.10 濾波式頻譜分析法的簡要原理框圖31圖8.11 外差掃頻方式頻譜分析方法的原理簡圖322) 計算法頻譜分析計算法在快速傅里葉變換（FFT）算法問世后，才被廣泛應(yīng)用于頻譜分析。通過直接計算有限離散傅里葉變換（DFT），即可獲得信號序列的離散頻譜。有限離散序列xn和它的頻譜Xm之間的DFT可表示為計算法頻譜分析儀的構(gòu)成如圖8.12所

10、示。 33圖8.12 計算法頻譜分析儀框圖342. 頻譜分析儀的分類1） 并行濾波實(shí)時頻譜儀并行濾波實(shí)時頻譜儀又稱為多通道濾波式頻譜分析儀，其原理如圖8.13所示。 35圖8.13 并行濾波實(shí)時頻譜儀的原理框圖362） 掃頻濾波式頻譜儀掃頻濾波式頻譜儀利用一個中心頻率受掃頻電壓調(diào)節(jié)的帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)工作頻帶內(nèi)的頻譜分析，其原理框圖如圖8.14所示。 37圖8.14 掃頻濾波式頻譜分析儀的原理框圖383） 掃頻外差式頻譜儀 借助于外差式收音機(jī)和掃頻的原理，將輸入信號與儀器內(nèi)部的本地振蕩信號進(jìn)行混頻，通過線性地調(diào)整本地振蕩源的頻率，使其與被測信號中各頻率成分形成固定的差頻，用相對頻移的方法取代圖8

11、.14中的電調(diào)諧帶通濾波器，這就構(gòu)成了掃頻外差式頻譜分析儀，如圖8.15所示。39圖8.15 掃頻外差式頻譜分析儀的原理框圖404） 時基壓縮式實(shí)時頻譜儀時基壓縮式實(shí)時分析儀又稱為模擬數(shù)字混合式頻譜分析儀，其原理框圖如圖8.16所示。5） 數(shù)字式頻譜儀隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的成熟與應(yīng)用，頻譜分析儀也走向了數(shù)字化。用數(shù)字濾波器代替上述模擬頻譜分析儀中的模擬濾波器、用數(shù)字平方檢波和均方算法代替二極管檢波，這就構(gòu)成了數(shù)字濾波式頻譜分析儀。 41圖8.16 時基壓縮式頻譜儀的原理框圖426） 采用數(shù)字中頻的外差式頻譜分析儀數(shù)字式頻譜分析儀目前由于受到A/D采樣速率和數(shù)字信號處理器處理速度的限制，無法實(shí)現(xiàn)

12、對射頻及微波信號的頻譜實(shí)時分析，為解決這一問題，采用數(shù)字中頻的外差式頻譜分析儀誕生了。這種分析儀融合了外差掃描與數(shù)字信號處理及實(shí)時分析技術(shù)，在傳統(tǒng)模擬外差式頻譜分析儀的基礎(chǔ)上，在中頻及以后部分采用了全數(shù)字技術(shù)，通過數(shù)字濾波和FFT的方法，使分辨力和分析速度都大為提高，頻譜分析儀的性能得到很大改善。 433. 頻譜分析儀的主要技術(shù)參數(shù) 頻譜分析儀的參數(shù)較多，并且不同種類的頻譜儀參數(shù)也不完全相同，但以下技術(shù)參數(shù)是最基本的。1） 頻率范圍頻率范圍是指能達(dá)到頻譜分析儀規(guī)定性能的工作頻率區(qū)間，如安捷倫公司的ESA-E系列頻譜分析儀頻率范圍可達(dá)325 GHz。2） 掃頻寬度與分析時間、掃頻速度 掃頻寬度也

13、稱分析寬度，是指頻譜分析儀在一次掃描分析過程中所顯示的頻率范圍，也就是本機(jī)振蕩器的掃頻寬度。 443） 頻率分辨率頻率分辨率是指頻譜分析儀能把靠得很近的兩個頻譜分量分辨出來的能力。由于屏幕顯示的譜線實(shí)際上是窄帶濾波器的動態(tài)幅頻特性，因而頻譜分析儀的分辨率主要取決于窄帶濾波器的通頻帶寬度，因此定義窄帶濾波器幅頻特性的3 dB帶寬為頻譜儀的分辨率。 4） 動態(tài)范圍與測量范圍頻譜分析儀的動態(tài)范圍定義為： 頻譜分析儀能以給定精度測量、分析輸入端同時出現(xiàn)的兩個信號的最大功率比（用dB表示）。它實(shí)際上表示頻譜分析儀顯示大信號和小信號的頻譜的能力。其上限受到非線性失真的制約，一般可達(dá)60 dB以上，有的甚至

14、達(dá)90 dB。455） 靈敏度靈敏度是指頻譜分析儀測量微弱信號的能力，定義為顯示幅度為滿刻度時，輸入信號的最小電平值。靈敏度受分析儀中存在的噪聲、雜波、失真以及雜散響應(yīng)的限制，并且與掃速有關(guān)，掃速越快，動態(tài)幅頻特性峰值就越低，靈敏度也越低。許多頻譜分析儀的靈敏度可達(dá)-135-115 dBm。46 4. 頻譜分析儀的應(yīng)用1） 對信號參數(shù)進(jìn)行測量 由上述頻譜儀的工作原理可知，用頻譜儀可以測量信號本身（即基波）及各次諧波的頻率、幅度、功率譜，以及各頻率分量之間的間隔，具體包括： (1) 直接測量各次諧波的頻率、幅值，用以判斷失真的性質(zhì)及大小。 (2) 可以用做選頻電壓表，如測量工頻干擾的大小。 (3

15、) 根據(jù)譜線的抖動情況，可以測量信號頻率的穩(wěn)定度。 (4) 測試調(diào)幅、調(diào)頻、脈沖調(diào)制等調(diào)制信號的功率譜及邊帶輻射。 (5) 測量脈沖噪聲，測試瞬變信號。 472） 信號仿真測量 對于聲音信號來說，通常說的“音色”是對頻譜而言的，音色如何是由其諧波成分決定的。各種樂器或歌唱家的音色可用頻譜來鑒別。 通過頻譜儀可對各種樂器的頻譜進(jìn)行精確的分析測量，由電子電路制作的電子琴是典型的仿真樂器，在電子琴的制作和調(diào)試過程中，通過與被仿樂器的頻譜做精確的比對，可提高電子琴的仿真效果。同理，可通過頻譜分析儀的協(xié)助來實(shí)現(xiàn)語言的仿真。 483）電子設(shè)備生產(chǎn)調(diào)測頻譜分析儀可顯示信號的各種頻率成分及幅度，在生產(chǎn)、檢測中

16、常用于調(diào)測分頻器、倍頻器、混頻器、頻率合成器、放大器及各種電子設(shè)備整機(jī)等，測量其增益、諧波失真、相位噪聲、雜波輻射等，如頻譜分析儀是無線電通信設(shè)備整機(jī)檢測的重要儀器。圖8.17給出了發(fā)射機(jī)雜散輻射測量的示意圖。494） 電磁干擾（EMI）的測量頻譜分析儀是電磁干擾的測試、診斷和故障檢修中用途最廣的一種工具。頻譜分析儀對于一個電磁兼容（EMC）工程師來說就像一位數(shù)字電路設(shè)計工程師手中的邏輯分析儀一樣重要。如在診斷電磁干擾源并指出輻射發(fā)射區(qū)域時，采用便攜式頻譜分析儀是很方便的。 5） 相位噪聲的測量頻譜分析儀還廣泛用于信號源、振蕩器、頻率合成器輸出信號相位噪聲的測量。 50圖8.17 發(fā)射機(jī)雜波輻射的測量518.4 諧波失真度測量8.4.1 諧波失真度的定義對于純電阻負(fù)載，則定義為全部諧波電壓（或電流）有效值與基波電壓（或電流）有效值之比，即式中, U1為基波電壓有效值；U2，U3，, Un為各次諧波電壓有效值；D0可簡稱為失真系數(shù)或失真度。528.4.2 諧波失真度的測量方法通常實(shí)際測量諧波電壓的總有效值與被測信號總有效值之比D。 D一般稱為失真度測量值，而D0稱為定義值。D0與D之間的關(guān)系為 53基波抑制法失真度測量的原理如圖8.18所示。 54圖8.18 基波抑制法失真度測量55思考題81.