電子測量第6章 頻域測量課件

第6章頻域測量6.1掃頻儀概述掃頻儀，又稱頻率特性測試儀，用來測定各種有源、無源二端口和四端口網(wǎng)絡(luò)（如調(diào)頻放大器、寬頻放大器、各種濾波器、鑒頻器、雷達(dá)等）的傳輸特性、阻抗特性和反射特性等。6.1.1常用術(shù)語1.掃頻信號發(fā)生器2.掃頻儀3.有效頻率范圍4.掃頻寬度5.掃頻中心頻率6.掃頻方式7.自動掃頻8.手動掃頻9.觸發(fā)掃頻10.單次觸發(fā)掃頻11.對數(shù)掃頻12.起止掃頻13.標(biāo)志掃頻14.窄帶掃頻外掃頻15.頻率標(biāo)志16.分辨率17.掃頻線性誤差18.掃頻時間6.1.2掃頻儀中的關(guān)鍵器件1、變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管等效電路圖表變?nèi)萏匦郧€2、電協(xié)調(diào)變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管有三種類型：參數(shù)變?nèi)荻O管、功率變?nèi)荻O管、電調(diào)諧變?nèi)荻O管。在掃頻儀中使用的是電調(diào)諧變?nèi)荻O管。6.2掃頻儀工作原理6.2.1整機(jī)電路原理框圖它主要由掃頻信號源和顯示系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。2、顯示系統(tǒng)的構(gòu)成及功能對于顯示系統(tǒng)而言，主要的要求有兩點：軌跡明亮而清晰，在不失真的前提下要有足夠高的增益。顯示系統(tǒng)主要由斜波電壓發(fā)生器，x，y軸通道放大器及示波管等電路構(gòu)成。線性系統(tǒng)幅頻特性的測量正弦穩(wěn)態(tài)下的系統(tǒng)函數(shù)或傳輸函數(shù)就反映了該系統(tǒng)激勵與響應(yīng)的關(guān)系式中，也可寫成，就是下面要測量的幅頻特性。是相頻特性本節(jié)不討論。靜態(tài)頻率特性測量----點頻法點頻法就是“逐點”測量幅頻特性的方法，注意明確被測電路和選用相應(yīng)儀器。f0K(f)f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。但由于要逐點測量，操作繁瑣費時，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。這種方法一般只用于實驗室測試研究；若用于生產(chǎn)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(fù)，利用檢波器將輸出包絡(luò)檢出送到示波器上顯示，就可自動地描繪出幅頻特性曲線。2.動態(tài)頻率特性隨著掃描速度的提高，頻率特性將掃頻方向偏移，如圖示。圖中Ⅰ為靜態(tài)特性，Ⅱ、Ⅲ為依次提高掃速時的動態(tài)特性曲線。可以看出動態(tài)頻率特性有以下特點：

(1)頂部最大值下降；(2)特性曲線被展寬；(3)掃速愈高，偏移愈嚴(yán)重。圖動態(tài)特性曲線其原因是由于通常與頻率特性有關(guān)的電路，實際上是由動態(tài)元件L、C等元件組成的(如調(diào)諧電路)，信號在其上建立或消失都需要一定的時間，掃頻速度太快時，信號在其上來不及建立或消失，故諧振曲線出現(xiàn)滯后且展寬，出現(xiàn)了“失敏”或“鈍化”現(xiàn)象。6.2.2單元電路工作原理1.掃頻單元2、固定振蕩器3.掃頻信號源掃頻信號的產(chǎn)生方法①磁調(diào)電感：通過改變低頻磁心的導(dǎo)磁系數(shù)改變振蕩回路中高頻線圈的電感量，適用于幾十到幾百MHz的頻段。②變?nèi)荻O管電調(diào)掃頻：變?nèi)荻O管是PN結(jié)電容隨外加偏置電壓高低變化，PN結(jié)電容Cd與反向偏置電壓U成反比。④合成掃頻源：通過軟件使掃頻源按照一定的頻率間隔和停留時間，將輸出頻率依次鎖定在一定范圍內(nèi)的一系列頻點上，達(dá)到掃頻效果。常用于微波頻段，覆蓋高達(dá)10倍頻程、掃頻線性好③YIG電調(diào)掃頻：YIG是一種單晶鐵氧體材料釔鐵石榴石的簡稱，具有鐵磁諧振特性將YIG做成小球，置于直流磁場H0內(nèi)，產(chǎn)生鐵磁諧振，諧振頻率?（單位MHz）為

?=0.0112H02)掃頻信號的技術(shù)特性①有效掃頻寬度：即掃頻源輸出的掃頻線性和振幅平穩(wěn)性均符合要求的最大頻率覆蓋范圍，Δ?<<?0時，稱為窄帶掃頻；Δ?≥?0時，稱為寬帶掃頻②掃頻線性：表示掃頻振蕩器的壓控振蕩器的壓控特性曲線的非線性（或線性）程度，可以用線性系數(shù)表征③振蕩平穩(wěn)性：通常用掃頻信號的寄生調(diào)幅表示。調(diào)幅系數(shù)為A2?1?2A14、混頻器和低通濾波器1、單一頻標(biāo)產(chǎn)生的工作原理2、產(chǎn)生多個頻標(biāo)的工作原理

以10MHz通用頻標(biāo)為例來說明獲得多個頻標(biāo)的工作原理：10MHz頻標(biāo)3、頻標(biāo)單元電路分析本電路包括四個部分：10MHz晶振、隔離放大器、波發(fā)生器及混頻濾波電路。中心頻率和掃頻范圍本掃頻儀工作時是以某中心頻率為中心進(jìn)行掃頻的。

現(xiàn)以第Ⅱ波段為例說其工作情況，中心頻率是人工手調(diào)振蕩回路中的可變電容C，例如圖中調(diào)到100MHz。掃頻是掃描電流IM作用于調(diào)制線圈LC使振蕩頻率在100MHz中心頻率的基礎(chǔ)上產(chǎn)生±7.5MHz的頻偏，即掃頻范圍最大只有15MHz。100MHz75MHz150MHzfoΔfLCIMIMC92.5MHz107.5MHz3.頻標(biāo)產(chǎn)生的原理下圖框圖右側(cè)給出了頻標(biāo)產(chǎn)生電路的組成，現(xiàn)以1MHz頻標(biāo)為例進(jìn)行說明。圖頻標(biāo)的形成過程100.02MHz99.98MHz1MHz振蕩信號的100次諧波100MHz圖加有頻標(biāo)的波形(b)(a)6.4Y通道單元Y通道單元的具體要求為：有較高的輸入阻抗;有較好的頻率特性;要求有較小的漂移;掃頻儀舉例——BT-3型頻率特性測試儀BT-3GⅢ型掃頻儀主要用來測試寬帶放大器、雷達(dá)接收機(jī)的中頻放大器、電視接收機(jī)的視頻率特性及鑒頻器特性，是一種較為典型的頻率特性測試儀。1.BT-3GⅢ掃頻儀的主要技術(shù)性能：(1)中心頻率：在1MHz～300MHz內(nèi)可任意調(diào)節(jié)，分1MHz～75MHz、75MHz～150MHz、150MHz～300MHz三個波段；

(2)掃頻頻偏：最大頻偏±7.5MHz；(3)掃頻信號輸出：輸出電壓≥0.1V（有效值），輸出阻抗75Ω；(4)寄生調(diào)幅系數(shù)：最大頻偏時<±7.5%；(5)調(diào)頻非線系數(shù)：最大頻偏時<20%；(6)頻標(biāo)信號：1MHz、10MHz和外接頻標(biāo)三種。BT3C-A型頻率特性測試儀掃頻信號輸出端檢波探頭6.5操作使用以BT-3GIII型頻率特性測試儀為例來詳細(xì)介紹掃頻儀的使用方法1、BT-3GIII型頻率特性測試儀的面板布置2、旋鈕的名稱與作用（1）顯示器的旋鈕與作用亮度：用來調(diào)節(jié)掃描線的亮度，順時針調(diào)整，亮度最大，反之則掃描線最暗。聚焦：調(diào)整該旋鈕可使掃描線光滑清晰。水平校準(zhǔn)：當(dāng)掃描線不能和水平刻度線重合時，可加以調(diào)整。Y輸入：通常接檢波探頭的輸出端。對于含有內(nèi)檢波的四端網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的輸出可直接加到Y(jié)輸入。Y增益：用于調(diào)節(jié)輸入信號的大小，以使得被測信號能直觀地顯示在屏幕上。⑥位移：通過旋鈕的來回調(diào)節(jié)，可使整個掃描曲線上下移動。Y位移：通過旋鈕的來回調(diào)節(jié)，可使整個掃描曲線上下移動。Y軸衰減選擇擋：共分為*1、*10、*100三擋，應(yīng)和Y增益配合使用，通過不同擋的選擇，可改變整個Y軸的增益與掃描曲線的高度。（2）掃頻信號源的旋鈕與作用中心頻率：調(diào)節(jié)該旋鈕，可使需要的中心頻率置于屏幕的中心位置。掃頻寬度：調(diào)節(jié)該旋鈕，可得到合適的掃頻帶寬。輸出衰減：輸出衰減共分七擋，通過不同的組合，可得到不同的衰減量，它的設(shè)置可以改變掃頻信號的輸出幅度。掃頻輸出：掃頻信號的輸出端，通常接到被測四端網(wǎng)絡(luò)的輸入端。（3）頻標(biāo)信號發(fā)生器的旋鈕與作用頻標(biāo)選擇頻標(biāo)幅度外接頻標(biāo)3.使用方法（1）使用前的準(zhǔn)備工作將檢波探頭推入自校準(zhǔn)插座，并將自校準(zhǔn)插頭接掃頻輸出插座，檢波輸出插頭接Y輸入。如圖6.5.2所示:（2）頻標(biāo)識別將頻標(biāo)選擇旋鈕置于10/1位置，中心頻率置于起始處，此時屏幕中出現(xiàn)不同于菱形頻標(biāo)的特殊標(biāo)識，稱作零拍。順時針轉(zhuǎn)動中心頻率旋鈕，會發(fā)現(xiàn)0拍及右面的大小頻標(biāo)逐漸左移。其中幅度大的為10MHz頻標(biāo)，幅度小的為1MHz頻標(biāo)，如圖6.5.3（a）所示。將頻標(biāo)選擇旋鈕置于50位置，掃頻特性曲線如圖6.5.3（b）所示，在零拍右面的第一個頻標(biāo)為50MHz，第二個頻標(biāo)為100MHz，其余依次類推。（3）掃頻寬度不同的四端網(wǎng)絡(luò)有著不同的頻帶，預(yù)置掃頻寬度太窄，被測曲線在水平方向會很??；預(yù)置掃頻寬度太寬，被測曲線在水平方向會很大。因此調(diào)節(jié)掃頻寬度旋鈕會得到合適的掃頻寬度。（4）中心頻率讀取不同的四端網(wǎng)絡(luò)除了有不同的頻帶之外，還有不同的中心頻率，預(yù)置中心頻率過高，被測曲線會在右面，預(yù)置中心頻率過低，被測曲線會在左面。調(diào)節(jié)中心頻率旋鈕，使得中心頻率在屏幕中央，就可以對稱地觀察被測曲線。圖6.5.4示出了中心頻率為20MHz掃頻寬度為24MHz的校準(zhǔn)曲線。需要說明的是，中心頻率20MHz是在0拍右面的第2個大頻標(biāo)。6.6測試實例1、單調(diào)諧回路的掃頻測量（1）單調(diào)諧回路的電路原理圖（2）掃頻儀各旋鈕預(yù)置如下：將-/+置于+，AC/DC置于DC，Y衰減置于×1;掃頻輸出衰減旋鈕置于0dB;頻標(biāo)選擇旋鈕置于10/1MHz;掃頻寬度旋鈕置于>5MHz；將低阻檢波器和自校準(zhǔn)插座分別接Y輸入和掃頻輸出插座，調(diào)整Y增益使得掃描曲線為5大格，并記下此值（3）掃頻儀與單協(xié)調(diào)回路的連接方法：注意：檢波器為高阻檢波器，掃頻輸出為帶鱷魚夾的高頻電纜。（3）調(diào)節(jié)輸出衰減為47dB，單調(diào)諧回路的幅頻特性曲線:該單調(diào)諧回路的增益為47dB，即放大量為100余倍。2、雙諧調(diào)回路的掃頻測量步驟如下：雙諧調(diào)回路原理圖：掃頻儀各旋鈕預(yù)置如實例1；掃頻儀與雙諧調(diào)回路的連接方法與實例1相同；調(diào)整輸出衰減為50dB，被測雙諧調(diào)回路的幅頻特性曲線如圖：3、相位鑒頻器的掃頻測量相位鑒頻器的特性曲線4、利用掃頻儀測量振蕩器的振蕩頻率5、用掃頻儀測量無源的高通濾波器高通濾波器電路原理圖1頻道高通濾波器特性曲線6、主要技術(shù)指標(biāo)掃頻范圍：1~300MHz；掃頻寬度：>100MHz;掃頻非線性：<+-5%；輸出電壓：0.5V(3.33mW)+-10%;輸出平坦度：+-0.25dB;輸出衰減：0~70dB,1dB步進(jìn)；輸出阻抗：75歐；頻率標(biāo)記：50MHz、10MHz/1MHz復(fù)合及外接三種，外接頻標(biāo)靈敏度優(yōu)于300mV；顯示部分垂直靈敏度：優(yōu)于20mV(峰-峰）/cm;顯示屏幕有效尺寸：100mm*80mm。6.7頻譜分析儀工作原理6.7.1時域和頻域的關(guān)系常見電信號波形圖與頻譜圖的對應(yīng)關(guān)系表中純正弦波，只顯示一條譜線，f0=1/T，線高等于正弦波的幅值；方波含有1,3,5...奇次諧波；三角波與梯形波也含有1,3,5...奇次諧波，但各分量的幅值與方波不同；而鋸齒波含有1,2,3...各次諧波，按自然數(shù)排列。這些均可通過傅里葉級數(shù)求出。6.7.2頻譜分析儀的分類頻譜分析儀按其工作原理分為實時頻譜分析儀和非實時頻譜分析儀兩大類。實時頻譜分析儀按工作原理又可分為多通道（信道）濾波式、時基壓縮式、掃頻超外差式、相關(guān)存儲濾波式、快速傅里葉變換（FFT）式等。1、FFT型實時頻譜儀2、掃頻超外差式頻譜儀6.7.3信號頻譜測量1、調(diào)幅信號分析（1）掃頻法（2）時域法（3）FFT頻域法（4）調(diào)幅（AM）信號測量方法的選擇2、調(diào)頻信號分析調(diào)頻信號的頻譜是由無限邊帶組成的，然而在窄帶調(diào)頻情況下，只有兩個主要的邊帶，它們的幅度相對于載波幅度為:(1)掃頻頻域法(2)貝塞爾(Bessel)零點法(3)哈伯雷(Haberly)法(4)斜率檢波／解調(diào)法斜率檢波／解調(diào)法是將頻譜儀設(shè)置在零掃寬的位置上(SPAN=0Hz)，利用中頻濾波器的斜率來解調(diào)信號的。如果信號正好處于頻譜儀中心頻率處，即中頻信號位于中頻濾波器中心處，顯示信號就變成一根直線，幅度上沒有變化。如果調(diào)節(jié)頻譜儀中心頻率，使得信號位于中頻濾波器的斜邊上，任何頻率變化就變?yōu)榉茸兓?，因此得到解調(diào)波形。這種方法對測量非正弦調(diào)制(如噪聲、音頻、數(shù)字調(diào)制)的峰值頻