第五章 頻域測(cè)量

電子測(cè)量授課教師：路輝聯(lián)系電話：82316487電子郵件：mluhui@163.com第五章頻域測(cè)量5.1線性系統(tǒng)概述5.2頻率特性測(cè)試——掃頻儀5.3頻譜特性測(cè)試——頻譜分析儀5.1線性系統(tǒng)概述線性系統(tǒng),是一個(gè)能用線性微分方程描述的系統(tǒng)。它具有頻率不變性和迭加性。線性系統(tǒng)通常用傳遞函數(shù)來(lái)描述，即系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零的條件下，系統(tǒng)輸出的拉氏變換與輸入的拉氏變換的比：頻率特性又稱頻率響應(yīng)，它是系統(tǒng)或元件對(duì)不同頻率正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性。

頻率特性也是一種數(shù)學(xué)模型

與傳遞函數(shù)一樣，它描述了系統(tǒng)的內(nèi)在特性，與外界因素?zé)o關(guān)。決定于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。頻率特性描述的是一種穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性

可以用頻率特性來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能。5.1線性系統(tǒng)概述可用幅頻特性|H(jω)|和相頻特性φ(ω)來(lái)全面表征一個(gè)系統(tǒng)的頻率特性：設(shè)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為令，可得系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的頻率特性代數(shù)形式：5.2頻率特性測(cè)試示波器只能顯示被測(cè)信號(hào)的幅度與時(shí)間的關(guān)系，稱時(shí)域測(cè)量。掃頻儀（頻譜儀）是顯示信號(hào)的幅度與頻率的關(guān)系，稱頻域測(cè)量。是把時(shí)間軸轉(zhuǎn)化成頻率軸，是調(diào)頻和掃頻技術(shù)相結(jié)合，用以測(cè)量元器件和線性系統(tǒng)的幅頻特性，如各種放大器、濾波器等。頻譜儀是顯示被測(cè)信號(hào)的各個(gè)頻率分量的幅值，是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析的重要儀器?？梢詼y(cè)信號(hào)電平、諧波失真等。本章包括兩個(gè)基本測(cè)量問題：

1、線性系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量

2、信號(hào)的頻譜分析5.2頻率特性測(cè)試一、測(cè)量方法點(diǎn)頻法：煩瑣、不能觀測(cè)全貌、靜態(tài)特性掃頻法：掃頻儀簡(jiǎn)單、方便、實(shí)時(shí)顯示、不會(huì)漏掉細(xì)節(jié)、動(dòng)態(tài)特性二、掃頻圖示法的測(cè)量原理：5.2頻率特性測(cè)試掃頻儀由四部分組成：利用示波器的顯示原理，把時(shí)間軸變成頻率軸。包括掃頻信號(hào)發(fā)生器、放大顯示電路、頻率標(biāo)記發(fā)生器和電源。三、掃頻信號(hào)發(fā)生器：掃頻信號(hào)是指振幅恒定，頻率在一定范圍由低向高來(lái)回掃動(dòng)的正弦信號(hào)。有變?nèi)荻?jí)管式和磁飽和電抗器式掃頻信號(hào)發(fā)生器。原理框圖輸出衰減器：用于改變掃頻信號(hào)的輸出幅度。在掃頻儀中，衰減器通常有兩種。一組是粗衰減，每檔10dB或20dB；另一組是細(xì)衰減，每檔1dB或2dB。大多數(shù)掃頻儀的輸出衰減可達(dá)100dB。5.2頻率特性測(cè)試（一）掃頻信號(hào)的主要工作特性掃頻寬度——最大頻率覆蓋范圍。例BT30——300MHz用相對(duì)值表示掃頻線性－－掃頻信號(hào)頻率的變化規(guī)律和預(yù)定掃頻規(guī)律之間的吻合程度。即：掃頻信號(hào)在一定頻率范圍內(nèi)是線性的，可用線性系數(shù)表示。它表示掃頻振蕩器的變?nèi)荻O管的非線性程度，表現(xiàn)在刻度上是刻度的非線性。

線性系數(shù)越接近1，壓控曲線線性越好5.2頻率特性測(cè)試振幅平穩(wěn)性可用掃頻信號(hào)的寄生調(diào)幅來(lái)表示（二）變?nèi)荻O管掃頻等效電路如圖穩(wěn)幅電路的原理框圖5.2頻率特性測(cè)試勢(shì)壘電容與外加電壓的關(guān)系：變?nèi)莨茉诹闫珘簳r(shí)的電容。PN結(jié)的內(nèi)建電位差，硅管=0.6v電容指數(shù)，決定于PN結(jié)中雜質(zhì)濃度的分布情況，對(duì)于突變結(jié)變?nèi)莨埽?，而超突變結(jié)變?nèi)莨茏內(nèi)荻O管構(gòu)成的振蕩回路工作原理：基于PN結(jié)反向偏置時(shí)，結(jié)電容與偏置電壓有關(guān)這一原理制成的。掃頻振蕩器的掃頻速度受掃描鋸齒波電壓控制，其瞬時(shí)頻率隨時(shí)間在諧振頻率附近作線性變化，既其頻率值一般為幾十至幾百M(fèi)HZ。5.2頻率特性測(cè)試變?nèi)莨軖哳l振蕩器的優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，頻偏寬，對(duì)調(diào)制信號(hào)幾乎不消耗功率。它一般用于晶體管化的掃頻儀中。5.2頻率特性測(cè)試變?nèi)莨軖哳l儀的組成及原理5.2頻率特性測(cè)試5.2頻率特性測(cè)試5.2頻率特性測(cè)試改進(jìn)辦法：只用正程，消隱逆程(鋸齒波掃描），從而產(chǎn)生單峰曲線；但是仍存在顯示誤差。降低掃速，使動(dòng)態(tài)趨近靜態(tài)產(chǎn)生原因：被測(cè)電路延時(shí)響應(yīng)三角波掃頻發(fā)生器工作波形圖5.2頻率特性測(cè)試靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性差異：1、諧振點(diǎn)向f掃描方向偏移。掃速越快偏離越甚2、對(duì)稱性改變，及3dB帶寬增加,幅度降低。5.2頻率特性測(cè)試它是利用非線性電感的調(diào)頻方法，它具有寄生調(diào)幅小，相對(duì)掃頻寬度大，電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是需要調(diào)制功率大，大多采用電子管電路，并且用市電作為調(diào)制信號(hào)。如早期BT3（0—300M）——帶磁心的電感線圈的電感量——空心線圈的電感量——有效導(dǎo)磁系數(shù)——增量導(dǎo)磁系數(shù)（導(dǎo)磁率）——導(dǎo)磁系數(shù)的利用率磁調(diào)制掃頻振蕩器正是利用鐵磁材料的導(dǎo)磁率隨所加的磁場(chǎng)強(qiáng)度而變化這一特性來(lái)實(shí)現(xiàn)掃頻的。---B-H曲線斜率磁芯線圈Lc與磁芯關(guān)系：（三）磁調(diào)制掃頻5.2頻率特性測(cè)試工作原理：將繞有高頻線圈的高頻磁心放置在低頻磁心的磁路內(nèi)，則將被磁化，當(dāng)通過(guò)低頻磁心的調(diào)制線圈中的電流變化時(shí)，將引起的增量導(dǎo)磁系數(shù)的變化。優(yōu)點(diǎn)：寄生調(diào)幅小，但它要求調(diào)制信號(hào)的功率較大，因此，這種電路普遍應(yīng)用于電子管化的掃頻儀中。5.2頻率特性測(cè)試四、頻率標(biāo)記：用于頻率值的標(biāo)定，頻率標(biāo)記簡(jiǎn)稱頻標(biāo)主要有四種方法（模擬法）：差頻法、電壓比較法、吸收法、選頻法差頻法：形成菱形頻標(biāo)，適用于高頻掃頻儀中。（頻標(biāo)寬度）5.2頻率特性測(cè)試5.2頻率特性測(cè)試系列頻標(biāo)的產(chǎn)生：掃頻信號(hào)在由低變高過(guò)程中，與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生差頻，零差頻被取出，形成頻標(biāo)。不斷改變標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率，頻標(biāo)將在幅頻特性曲線上移動(dòng)。熒光屏上的頻標(biāo)顯示方式：光點(diǎn)掃描式、光柵增輝式光點(diǎn)掃描式：1、大屏幕顯示受到限制，因無(wú)法給磁偏轉(zhuǎn)線圈（垂直）提供信號(hào)波形電流2、難于在屏幕上直接顯示經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的頻率和電平刻度線，故測(cè)量準(zhǔn)確度不易提高。光柵增輝式：可克服上述缺點(diǎn)。5.2頻率特性測(cè)試基本原理：類似于電視機(jī)顯示圖像的原理。首先在長(zhǎng)余輝示波屏幕上產(chǎn)生光柵，光柵是垂直的，平時(shí)是消隱的，看不見，故有“暗光柵”之稱。屏幕上所顯示的曲線是通過(guò)相應(yīng)的增輝脈沖在每條暗光柵的不同高度上產(chǎn)生的亮點(diǎn)構(gòu)成的，只要暗光柵足夠多，光點(diǎn)就可連成一條曲線。（類似于逐點(diǎn)描跡）絕對(duì)電平：在阻抗匹配的情況下功率電平

電壓電平基準(zhǔn)量P0、V0取1mw、0.775v則為零電平（功率0dBm、0dB)若在600電阻上測(cè)量，0.775v電壓剛好吸收1mw功率，則功率電平等于電壓電平。5.2頻率特性測(cè)試5.2頻率特性測(cè)試5.2頻率特性測(cè)試電子頻率刻度線：與電平刻度一樣，同樣是要顯示刻度，故也要加在陰極上；只要把設(shè)定電壓和水平掃描電壓比較，就可在水平掃描的響應(yīng)位置得到增輝脈沖，而水平掃描電壓又和頻率成比例，因此只要設(shè)定電壓準(zhǔn)確，就可得到準(zhǔn)確的頻率刻度線。只不過(guò)電平刻度是光點(diǎn)組成，而頻率刻度是垂直掃線組成。如要進(jìn)一步較準(zhǔn)則可用差頻法產(chǎn)生菱形頻標(biāo)。(圖見P358)五、掃頻儀的應(yīng)用廣泛應(yīng)用于無(wú)線電、通信等領(lǐng)域，動(dòng)態(tài)測(cè)量的最大優(yōu)點(diǎn)可在測(cè)量過(guò)程中對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。

1、電路參數(shù)的測(cè)量：

a、增益的測(cè)量：比較法

A=B2-B1（dB)b、帶寬的測(cè)量：

Bw=fh—fl

c、回路Q值的測(cè)量

Q=f0/Bw5.2頻率特性測(cè)試六、多頻測(cè)量是利用多個(gè)頻率信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)的一種頻域測(cè)量技術(shù)。多頻信號(hào)是指一組離散頻率的正弦波集合。特例:素?cái)?shù)正弦波，選擇從3開始的若干個(gè)素?cái)?shù)倍最小角頻的正弦信號(hào)的合成波作測(cè)試信號(hào)，如3、5、7、11、13、17、19、23等，把其作為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)，并在對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)上測(cè)輸出，即可得到其幅頻特性。該方法可有效抑制被測(cè)系統(tǒng)非線性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。這可以從理論上嚴(yán)格證明。其簡(jiǎn)單物理概念為：1、素輸除1和它本身外不能被其它數(shù)整除，故因被測(cè)網(wǎng)絡(luò)非線性產(chǎn)生的高次諧波，不會(huì)與較高的素?cái)?shù)正弦波頻率相同。2、除2以外的素?cái)?shù)都為奇數(shù)，而任意兩個(gè)奇數(shù)的和、差均為偶數(shù)，這樣當(dāng)采用從3開始的素?cái)?shù)正弦波作激勵(lì)信號(hào)時(shí)，由系統(tǒng)非線性產(chǎn)生互調(diào)制的和、差頻信號(hào)也非素?cái)?shù)正弦波，因此他們不會(huì)對(duì)輸出造成影響。綜上所述，多頻測(cè)量是把由多個(gè)正弦波組成的測(cè)試信號(hào)同時(shí)加到被測(cè)系統(tǒng)的輸入，而不像點(diǎn)頻法和掃頻那樣，輸入是點(diǎn)頻或連續(xù)變化的信號(hào)，可大大提高測(cè)量的速度。而計(jì)算機(jī)與頻率合成技術(shù)，使之成為可能。5.3頻譜分析儀如何表示信號(hào)：時(shí)間頻率幅度tfV頻域時(shí)域圖示方法：如果不是正弦波？矩形波、三角波、脈沖波等5.3頻譜分析儀5.3頻譜分析儀“譜”—按一定規(guī)律排列的圖像。頻譜—信號(hào)按頻率順序排列的各種成分?！茸V、相位譜頻譜分析—對(duì)任意電信號(hào)頻譜進(jìn)行的研究。示波器只能進(jìn)行時(shí)域顯示，實(shí)時(shí)顯示被測(cè)圖形掃頻儀只能觀測(cè)被測(cè)電路的幅頻特性如果觀測(cè)任意信號(hào)的各頻率分量及其幅值就要用頻譜分析儀幅度和頻率都絕對(duì)值定標(biāo)的現(xiàn)代頻譜分析儀，可對(duì)AM、FM、脈沖調(diào)制及其它信號(hào)的頻率、電平、調(diào)制度、調(diào)制失真、諧波失真、寬窄帶噪聲、增益、衰減等多種參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。配接天線可測(cè)場(chǎng)強(qiáng)、干擾。內(nèi)置或外接跟蹤發(fā)生器，可組成包括顯示器在內(nèi)的跟蹤掃頻儀。頻譜儀已成為具有頻率計(jì)、功率計(jì)、調(diào)制度儀、全景接收機(jī)、頻率特性測(cè)試儀、掃頻儀、場(chǎng)強(qiáng)計(jì)、干擾儀等多種功能的綜合測(cè)試設(shè)備，廣泛用于廣播、電視、通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗及電路的設(shè)計(jì)、制造、維修等方面。5.3頻譜分析儀頻譜儀的分類按工作頻率分：有低頻頻譜儀、射頻頻譜儀及微波頻譜儀。按頻帶寬度分：有寬頻帶頻譜儀，窄帶頻譜儀。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分：有臺(tái)式、便攜式、模塊式。按輸入通道數(shù)目分類有：?jiǎn)瓮ǖ?、多通道頻譜儀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。5.3頻譜分析儀一、實(shí)時(shí)頻譜儀：能同時(shí)顯示其規(guī)定頻率范圍內(nèi)所有頻率分量，并且保持兩個(gè)信號(hào)間的時(shí)間關(guān)系。使得它不僅能分析周期信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)，而且能分析瞬時(shí)信號(hào)。實(shí)用的實(shí)時(shí)頻譜儀又分為多通道頻譜儀和快速傅立葉頻譜儀兩類。（一）多通道頻譜儀：模擬式由于受濾波器數(shù)量及帶寬的限制，這類頻譜儀主要工作在音頻頻段（20Hz——20K）。5.3頻譜分析儀（二）FFT頻譜分析儀：數(shù)字式傅立葉變換的唯一性表明了信號(hào)及其頻譜之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一性質(zhì)給信號(hào)的變換、處理、鑒別、和恢復(fù)提供了理論依據(jù)。它可以進(jìn)行信號(hào)的幅度譜和相位譜的分析。頻譜函數(shù)的幅度頻譜代表信號(hào)中各頻率分量的振幅大小。-------------相位--------------------------相差------快速傅立葉頻譜儀的核心是以函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換的數(shù)學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)分析。因此需要使用高速數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字功率譜的計(jì)算。根據(jù)抽樣定理：最低取樣速率應(yīng)該大于或等于被取樣信號(hào)的最高頻率的兩倍?，F(xiàn)代傅立葉頻譜儀的工作頻段一般在DC—100KHz的低頻段用。如HP3562A的分析頻帶為64Hz—100KHz，國(guó)內(nèi)永華廠的RE—201為20Hz—25KHz。5.3頻譜分析儀二、非實(shí)時(shí)頻譜儀——掃描調(diào)諧頻譜儀這類頻譜儀對(duì)輸入信號(hào)按時(shí)間順序進(jìn)行掃描調(diào)諧，因此它只能分析在規(guī)定時(shí)間內(nèi)頻譜幾乎不變化的周期重復(fù)信號(hào)。這類頻譜儀有很寬的工作頻率范圍。從DC—幾十GHz，（適于作全景接收）。常用的掃描調(diào)諧型頻譜儀又分為：掃描射頻調(diào)諧型和超外差型兩類。（一）掃描射頻調(diào)諧頻譜儀利用中心頻率可電調(diào)的帶通濾波器來(lái)調(diào)諧和分辨輸入信號(hào)。如國(guó)產(chǎn)的RS—13全景接收機(jī)。這種類型的頻譜儀分辨力、靈敏度等指標(biāo)都比較差。5.3頻譜分析儀（二）超外差頻譜儀：經(jīng)由一至幾次的變頻過(guò)程其實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)具有掃頻和窄帶濾波功能的超外差接收機(jī)。按其被掃頻的本振頻率又分為掃中頻型和掃前端（第一本振）型。前者如國(guó)產(chǎn)的BP—1，QF4021等，優(yōu)點(diǎn)是成本低，分辨帶寬較窄，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全景接收。其工作是順序地進(jìn)行分析，被測(cè)信號(hào)中各個(gè)頻率分量的幅值也是順序地顯示在屏幕上。顯示的譜線是窄帶濾波器的幅頻特性曲線形狀和真正的信號(hào)頻譜。5.3頻譜分析儀

第一變頻器

第三變頻器第二

變頻器F1IFF2IFF3IFFRF

射頻衰減器F1lo

第一

本振YTOYTF

帶寬濾波器

對(duì)數(shù)放大器LOG掃描斜波發(fā)生器檢波器顯示器

低通濾波器

低通濾波器

帶通濾波器

步進(jìn)放大器MXR1MXR25.3頻譜分析儀頻譜儀的主要工作特性：(1)頻率分辨力——窄帶濾波器幅頻特性的3dB帶寬為頻譜儀的分辨力。指能夠分辨的最小譜線間隔。表征了頻譜儀能將頻率緊挨在一起的信號(hào)區(qū)分開來(lái)的能力；它取決于窄帶濾波器的幅頻特性的帶寬。f(a)(b)(c)輸入頻譜屏幕譜線形狀分辨力太低圖形5.3頻譜分析儀如何選擇窄帶濾波器（RBW）的分辨力帶寬？基本的回答是：頻譜儀掃過(guò)頻率間隔的速度必須低到足以使通過(guò)濾波器的信號(hào)可達(dá)到其峰值幅度，否則會(huì)產(chǎn)生不正確的信號(hào)測(cè)量結(jié)果。用一個(gè)窄的RBW濾波器在寬的頻率范圍情況下，會(huì)使一次掃描要很長(zhǎng)的時(shí)間。因此，要保持掃描速度合理，分辨力帶寬必須隨掃速的增大而增大。有“靜態(tài)分辨力”——靜態(tài)幅頻特性曲線3dB帶寬；“動(dòng)態(tài)分辨力”——?jiǎng)討B(tài)幅頻特性曲線3dB帶寬。dB5.3頻譜分析儀(2）有效頻率范圍：指頻譜儀能夠進(jìn)行分析的信號(hào)的頻率范圍。（3）輸入信號(hào)電平與動(dòng)態(tài)范圍（4）掃頻寬度(頻譜寬度）和分析時(shí)間掃頻寬度——頻譜儀在一次測(cè)量分析過(guò)程中顯示的頻率范圍。分析時(shí)間——完成一次頻譜分析所需的時(shí)間，即一次掃描正程的時(shí)間。也稱掃描時(shí)間。掃頻速度——掃頻寬度與分析時(shí)間之比。動(dòng)態(tài)范圍：既掃頻儀的最佳輸入電平范圍。主要由混頻級(jí)的非線性決定。一般為70-100dB5.3頻譜分析儀

2398頻譜分析儀：

帶有準(zhǔn)峰值解調(diào)選件，具有9K-120KHZ的濾波器，適合現(xiàn)代EMC測(cè)試。

技術(shù)指標(biāo):

頻率范圍：9KHZ-2.7GHZ

頻率精度：1HZ

分辨范圍：300HZ-3MHZ

幅度指標(biāo):

測(cè)量范圍：20DBN-108DBM

顯示范圍：0-80DB

相位噪聲：-90DBC/HZ

重量：8.2kg5.3頻譜分析儀5.3頻譜分析儀5.3頻譜分析儀頻譜儀的正確使用：

1、掃頻寬度：根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻譜寬度進(jìn)行選擇。如調(diào)幅波可選2fm(調(diào)制頻率），若考慮二次諧波的調(diào)制邊帶，可選4fm。

2、帶寬Bq選擇：Bq選擇要與掃頻寬度相當(dāng)，一般原則：寬帶掃頻Bq=150hz,窄帶Bq=6hz