電子測(cè)量第七章

第7章頻域測(cè)量技術(shù)7.1信號(hào)頻譜分極及頻譜分析儀7.2信號(hào)的失真度測(cè)量7.3線性系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量7.4網(wǎng)絡(luò)分析儀一、概述本章涉及兩個(gè)基本測(cè)量問題：2、線性系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量1、信號(hào)頻譜分析本章重點(diǎn)：信號(hào)頻譜分析、掃頻測(cè)量技術(shù)包括對(duì)信號(hào)本身的分析和非線性失真系數(shù)的測(cè)量信號(hào)頻譜分析包括對(duì)信號(hào)本身的分析和非線性失真系數(shù)的測(cè)量。7-1、信號(hào)頻譜分析一、信號(hào)確定信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)連續(xù)時(shí)間信號(hào)與離散時(shí)間信號(hào)周期信號(hào)與非周期信號(hào)時(shí)域周期非周期連續(xù)離散頻域周期非周期連續(xù)離散付氏變換1、信號(hào)的分類廣義上，信號(hào)頻譜是指組成信號(hào)的全部頻率分量的總集；狹義上，一般的頻譜測(cè)量中常將隨頻率變化的幅度譜稱為頻譜。頻譜測(cè)量：在頻域內(nèi)測(cè)量信號(hào)的各頻率分量，以獲得信號(hào)的多種參數(shù)。頻譜測(cè)量的基礎(chǔ)是付里葉變換。頻譜的兩種基本類型離散頻譜（線狀譜），各條譜線分別代表某個(gè)頻率分量的幅度，每?jī)蓷l譜線之間的間隔相等連續(xù)頻譜，可視為譜線間隔無(wú)窮小，如非周期信號(hào)和各種隨機(jī)噪聲的頻譜2、頻譜分析的基本概念3、時(shí)域和頻域分析的比較示波器：時(shí)域測(cè)量典型代表，可進(jìn)行像波形失真原因等的研究。頻譜儀：頻域測(cè)量典型代表，能定量測(cè)出很小的諧波分量，進(jìn)行測(cè)量信號(hào)電平、頻率及頻率響應(yīng)、頻率穩(wěn)定度、頻譜純度等。a、某些在時(shí)域較復(fù)雜的波形，在頻域的顯示可能較為簡(jiǎn)單。b、某些在頻域不能區(qū)分的波形，在時(shí)域能清楚顯示。c、當(dāng)信號(hào)中所含的各頻率分量的幅度只是略有不同時(shí)，用示波器很難定量分析失真的程度，但是頻譜儀對(duì)于信號(hào)的基波和各次濾波含量的大小則一目了然。t(a)用示波器易觀察波形的相位不同示波器和頻譜儀對(duì)比觀察相位不同的波形A0fA0fA0tA0t①②①②(b)用頻譜儀觀察的頻譜相同(a)用示波器不容易觀察波形的失真A0fA0fA0tA0t

(b)用頻譜儀容易觀察微小的幅度和相位變化用示波器和頻譜儀觀察微小失真的波形頻譜儀數(shù)字式模擬式濾波式外差式模擬式頻譜儀：以掃描式為基礎(chǔ)構(gòu)成，采用濾波器或混頻器將被分析信號(hào)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(jié)構(gòu)，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(chǔ)構(gòu)成。精度高、性能靈活，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(shí)時(shí)分析，尚達(dá)不到寬頻帶高精度頻譜分析1、頻譜儀分類二、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(shí)時(shí)性分類：實(shí)時(shí)頻譜儀、非實(shí)時(shí)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：?jiǎn)瓮ǖ馈⒍嗤ǖ李l譜儀；按工作頻帶分類：高頻、射頻、低頻等頻譜儀。檔級(jí)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2、濾波式頻譜分析儀原理(1)基本原理：先用帶通濾波器選出待分析信號(hào)，然后用檢波器將該頻率分量變?yōu)橹绷餍盘?hào)，再送到顯示器將直流信號(hào)的幅度顯示出來(lái)。為顯示輸入信號(hào)的各頻率分量，帶通濾波器的中心頻率是多個(gè)或可變的。前置放大器檢波器階梯波掃描發(fā)生器S信號(hào)輸入濾波式優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易行缺點(diǎn)：需要大量濾波器，體積過大，分辨力和靈敏度都不是很高適用：一般用于低頻段的音頻測(cè)試等場(chǎng)合。在所有濾波式頻譜儀中，帶通濾波器是關(guān)鍵器件。(2)帶通濾波器的性能指標(biāo)帶寬通常是指3dB帶寬，或稱半功率帶寬

分辨率帶寬（RBW）反映了濾波器區(qū)分兩個(gè)相同幅度、不同頻率的信號(hào)的能力波形因子波型因子反映了區(qū)分兩個(gè)不等幅信號(hào)的能力，也稱帶寬選擇性波形因子定義為濾波器60dB帶寬與3dB帶寬之比：

也可用40dB帶寬與3dB帶寬之比表示。波形因子較小的濾波器的特性曲線更接近于矩形，故波形因子也稱矩形系數(shù)恒帶寬與恒百分比帶寬

恒百分比帶寬濾波器的絕對(duì)帶寬B與中心頻率f0的比值（即相對(duì)帶寬）是常數(shù)。掃描式頻譜儀、檔級(jí)濾波式頻譜儀及并行濾波式頻譜儀大多采用恒百分比帶寬分析。在對(duì)數(shù)刻度下，恒百分比帶寬濾波器的頻率特性曲線關(guān)于其中心頻率f0對(duì)稱。常用“倍頻程選擇性”表示遠(yuǎn)離中心頻率一倍頻率處（0.5f0和2f0）的濾波器衰減量。外差式頻譜儀在一次分析過程中所用的分析濾波器帶寬恒定。恒帶寬濾波器的特性曲線在線性頻率刻度下，關(guān)于濾波器的中心頻率f0對(duì)稱

濾波器響應(yīng)時(shí)間（建立時(shí)間）信號(hào)從加到濾波器輸入端到獲得穩(wěn)定輸出所需的時(shí)間。通常用達(dá)到穩(wěn)幅幅度的90％所需的時(shí)間TR來(lái)表述，它與絕對(duì)帶寬B成反比：TR∝1/B。

寬帶濾波器的響應(yīng)時(shí)間短，測(cè)量速度快；窄帶濾波器建立時(shí)間較長(zhǎng)，但頻率分辨率更高、信噪比好。響應(yīng)時(shí)間限制了頻譜儀的掃描分析速度，影響實(shí)時(shí)頻譜分析的實(shí)現(xiàn)。3、掃頻外差式頻譜儀(1)工作原理：輸入信號(hào)頻譜：fx1fx2

fxn掃描電壓發(fā)生器掃頻振蕩器fL（t）（可變）混頻器fo=fL（t）-fxn濾波器檢波器顯示器優(yōu)點(diǎn)：頻率范圍寬、靈敏度高、頻率分辨率可變目前頻譜儀中數(shù)量最大的一種缺點(diǎn)：不能進(jìn)行實(shí)時(shí)分析（被分析的頻譜依次被順序采樣）只能提供幅度譜，不能提供相位譜K=K=1K=0.75fA（f）靜態(tài)動(dòng)態(tài)fo掃頻速度應(yīng)適當(dāng)選擇掃頻速度（2）掃頻的速度與中頻濾波器的動(dòng)態(tài)特性掃頻速度幅頻特性曲線分辨力有關(guān)有關(guān)結(jié)論Bs固定，Bd與掃速關(guān)系

kBd/BsBd分辨力下降Bd/Bq0.511.522.5123450Bs寬，k>1即較小時(shí),BsBd選擇窄的Bs有助于提高分辨力。Bs窄,k<1即較大時(shí)，BsBd選擇窄的Bs反而使分辨力降低。最佳動(dòng)態(tài)分辨力：最小的Bd（k=1）BdBd000.5122.5固定，Bd與Bs關(guān)系（3）、外差式頻譜儀的正確使用1、掃頻寬度的選擇2、Bq帶寬的選擇3、掃頻速度的選擇根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻譜寬度來(lái)選擇的掃頻寬度的選擇應(yīng)與靜態(tài)分辨率Bq相適應(yīng)兼顧掃描速度、Bq、Bd之間的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式：掃頻寬度5～30kHz1.5～10kHz＜2kHz靜態(tài)分辨力150Hz30Hz6Hz三、頻譜儀工作特性1、頻率分辨力定義：頻譜儀的分辨力是指能夠分辨兩個(gè)幅值相等的信號(hào)的最小譜線間隔。觀察到實(shí)際的譜線。3dB帶寬過寬，分辨力太低濾波式和外差式的頻率分辨率影響因素不同2、輸入電平和動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍：同時(shí)可測(cè)的最大與最小信號(hào)的幅度范圍。典型值：70---100dB通常是指從不加衰減時(shí)的最佳輸入信號(hào)電平起，一直到最小可用的信號(hào)電平為止的信號(hào)幅度變化范圍一般來(lái)講，測(cè)量范圍大的儀表，其靈敏度就低，靈敏限高，分辨率就差；而動(dòng)態(tài)范圍大，意味著儀表既有較大的測(cè)量范圍又有較高的分辨率或較低的靈敏限。3、掃描速度和分析時(shí)間掃頻寬度：指頻譜儀在一次測(cè)量（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

掃描時(shí)間：指進(jìn)行一次全頻率范圍的掃描、并完成測(cè)量所需的時(shí)間，也叫分析時(shí)間。

掃頻寬度其他名稱，如分析譜寬、掃寬、頻率量程、頻譜跨度等五、頻譜儀的應(yīng)用頻譜儀是一種多功能的測(cè)量?jī)x器，可用來(lái)測(cè)量信號(hào)電平、諧波失真、調(diào)制系數(shù)、頻率穩(wěn)定度、頻譜純度。六、頻譜分析儀的發(fā)展趨勢(shì)7-2、線形系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量概念：線形系統(tǒng)對(duì)正弦輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)稱為頻率特性；可用幅頻特性和相頻特性來(lái)全面表征。正弦測(cè)量技術(shù)：理論基礎(chǔ)：對(duì)于線形系統(tǒng)，其輸入為正弦信號(hào)激勵(lì)，輸出響應(yīng)是具有與輸入頻率相同的正弦波。測(cè)量步驟：1、測(cè)量電路的連接2、提供測(cè)試信號(hào)3、測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)輸出響應(yīng)4、取得測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理頻率特性測(cè)量通常采用正弦測(cè)量技術(shù)。頻率特性測(cè)量方法經(jīng)典方法：靜態(tài)動(dòng)態(tài)正弦測(cè)量