6[1].SA1030型数字频率特性测试仪的原理与应用

6 SA1030型数字频率特性测试仪的原理与应用
6.1 概述
SA1030型数字频率特性测试仪采用直接数字合成器（DDS）作为频率源，采用DSP、CPLD、微处理器进行控制和信号处理的数字频率特性测试仪。

该仪器能够产生20Hz∼30MHz 的扫频信号，可同时完成电子电路的幅频特性和相频特性的测量。

测量曲线显示于彩色液晶屏上，并以数字显示出标记点的频率、幅度、相位值，清晰美观。

扫频信号的幅度、扫频范围以及扫频方式（线性、对数、点频等），可根据测量需要自行设置。

该仪器通过中文菜单完成各项操作，简单方便。

SA1030型数字频率特性测试仪配备RS232接口（位于后面板），GPIB、USB接口作为选件供用户选择，便于连接计算机组成自动测试系统，同时能够方便地打印测量结果。

6.2 SA1030型数字频率特性测试仪的组成及工作原理
SA1030型数字频率特性测试仪的组成框图如图6.1所示。

微处理器（MCU）通过接口电路和键盘接收各种控制命令，控制显示电路显示特性曲线和测量数据。

以数字信号处理器（DSP）为核心组成测试电路，它接收MCU的控制命令，控制DDS产生等幅扫频信号，控制扫频信号的幅度、输入信号的幅度以及特性参数的产生。

DDS输出的等幅扫频信号经输出电路加至被测电路的输入端，作为被测电路的信号源。

被
图6.1 SA1030频率特性测试仪组成框图
测电路的输出信号经过输入电路，处理后送到检波电路，取出该输出信号在不同频率下的幅度数据经DSP处理后送至MCU，控制显示电路显示出被测电路的幅频特性和相频特性曲线以及各种测量数据。

SA1030型数字频率特性测试仪采用直接数字合成的新技术产生扫频电压信号，其原理与传统的振荡器产生波形信号完全不同。

它是以高精度频率源作基准，用数字合成的方法产生带有波形信息的数据流，再经过数模转换器变换成模拟电压。

6.3 SA1030型数字频率特性测试仪的主要技术指标
SA1030型数字频率特性测试仪的主要技术指标如下。

（1）频率范围：20Hz ~ 30MHz
（2）扫频方式：线性、对数、点频
（3）输出电压：大于0.5V（有效值）
（4）输出阻抗：50Ω
（5）输入阻抗：50Ω/高阻
（6）输出衰减：0 ~ 80dB，1dB步进
（7）输入增益：0 ~－30dB，10dB步进
（8）相位范围：－180° ~ ＋180°
（9）相位分辨率：1°
（10）显示分辨率：250×200点阵
（11）光标数量：在扫频范围内同时可设置与显示4个光标
（12）程控接口：RS232串行接口（GPIB、USB接口为选件）
（13）供电电源：电压220（1±10％）V，频率50（1±5％），功耗<60V A
（14）温度：0 ~ 40°C
（15）湿度：小于80％
6.4 SA1030型数字频率特性测试仪的前面板简介
SA1030型数字频率特性测试仪的前面板如图6.2所示，大体上分成三部分。

1. 键盘
共有34个按键，按功能分为4个区，分别为：
（1）数字区：共有16个键，包括【0】~【9】十个数字键；【dB】、【MHz】、【kHz】、【Hz】
四个单位键，以及【.】（小数点）、【－/←】键，用来输入频率值和增益值。

（2）功能区：共有8个键，它们是【频率】、【增益】、【光标】、【显示】、【系统】、【校准】、【程控】、【存储】键，用来选择功能菜单，实现菜单间的转换。

此外，还有【单次】、【开始/停止】、【复位】三个功能键，用以实现单键功能。

（3）主菜单区：设有五个软键，在不同的主菜单下有不同的功能。

本节中软键用斜体字加【】表示，如【单次】，以区别其它按键。

（4）调节区：共有【∧】（增加）、【∨】（减小）两键，用以步进调节频率、增益值。

此外，该区还有调节手轮，其作用亦是步进调节频率、增益值，顺时针旋转数值增加，逆时针旋转数值减小。

图6.2 SA1030型数字频率特性测试仪的前面板
2．显示屏
显示屏分为五个区，如图6.3所示。

（1）主显示区：用来显示测量曲线，该区为250×200点阵，垂直8大格，水平10大格。

（2）菜单显示区：位于屏幕右侧，显示仪器当前的工作状态。

（3）光标显示区：位于屏幕上部，显示光标位置的频率值、增益值和相位值。

如果光标关闭，此显示区不显示任何信息。

（4）频率增益值显示区：位于屏幕下部，显示当前的起点频率、终点频率和每格增益值或每格相位值。

（5）状态显示区：显示仪器存储和开始/停止时的工作状态。

图6.3 SA1030型数字频率特性测试仪的前面板 状态显示区 光标值显示区 菜单显示区 频率增益值显示区
主显示区
3．信号输入、输出
仪器面板的右下部有三个BNC 输入、输出端子，分别为同步输出（SYNC ）、扫频信号输出（OUT ）和信号输入（IN ）。

测试时，OUT 端输出的扫频电压信号通过电缆线加至被测电路的输入端，作为被测电路的信号源。

被测电路的输出信号通过电缆线送至IN 端。

6.5 SA1030型数字频率特性测试仪的菜单操作
在介绍仪器的菜单之前，先简单介绍几个具体操作问题。

（1）菜单项的反亮显示。

菜单在正常显示时为篮底白字，反亮显示时为白底篮字。

当菜单中某一选项处于反亮显示时表明该项可以调整。

因此，欲调整某一选项应按该选项对应的菜单键，使其反亮显示。

如果某一项不能反亮显示，表明该项不允许调整。

（2） 数值调整。

在测量时需要设置和调整频率值和增益值，这些数值的调节方法有如下三种：
1 键盘输入。

例如欲设置起始频率23.89MHz ，先将频率值反亮显示，再顺序按下【2】
【3】、【.】、【8】、【9】、【MHz】六个键即可。

2手轮调节。

如上所述，顺时针旋转手轮数值步进增加，逆时针旋转手轮数值步进减小，步进值为调节选项的最小有效数字。

3按【∧】、【∨】键调节。

按【∧】键数值步进增加，按【∨】键步数值进减小，步进值为调节选项的最小有效数字×10。

（3）信号幅度调整。

在测试中，如果输出的扫频电压信号较大，可能会造成被测电路输出波形的失真，因此，需要通过调整输出增益控制加至被测电路的输入信号幅度，通过调整输入增益控制检波电路的输入电平。

一般的原则是，适当调节输出增益和输入增益，使所显示的特性曲线的顶部距离显示区顶部有10dB左右的差值比较合适。

下面介绍仪器的菜单及其操作方法。

1. 频率菜单
频率菜单用来设置扫频参数和扫频方式。

扫频参数包括始点频率、终点频率、中心频率和扫频带宽。

扫频方式分为线性、对数、点频三种。

仪器开机时默认频率菜单，或者按功能区的【频率】键进入频率菜单。

频率菜单显示项目自上而下分别为【频率线性】、【始点】、【终点】、【中心】、【带宽】。

各项的默认值分别为线性扫描、100kHz、30.00000MHz、15.05000 MHz、29.90000MHz。

当改变其中一个频率值时，仪器会自动计算并改变其它频率值。

始点频率和终点频率可任意调整，但需满足始点频率比终点频率低250Hz以上。

设置或计算得到的始点频率和终点频率必须处于仪器规定的频率范围之内。

按【频率线性】键可进入对数扫描方式，对数扫描可以设置始点频率和终点频率，而中心频率和扫描带宽被禁止。

按【频率对数】键则进入点频方式，这时只允许输入一个频率值（不再区分始点频率、终点频率），仪器输出一个固定频率的电压信号，与一般信号源无异，没有扫频功能。

同时光标菜单、校准菜单、存储菜单均被禁止。

需要注意，在测试网络幅频特性和相频特性时，若始点频率低于5kHz，则终点频率最大为100kHz。

2. 增益菜单
增益菜单用来设置输出增益、输入增益、扫描曲线的基准位置、每格增益值四种参数。

按功能区的【增益】键进入增益菜单。

增益菜单显示项目自上而下分别为【增益对数】、
【输出】、【输入】、【基准】、【增益10.0 dB/div】。

它们的意义如下：
【输出】表示仪器当前的输出值，默认值为0dB，调节步进值为1dB。

【输入】表示仪器当前的输入值，默认值为0dB，调节步进值为10dB。

若输入值不是10的整倍数，将按四舍五入处理。

用数字输入方式设置输出增益、输入增益值时，要注意如果是衰减则需输入“－”号，否则输入无效。

【基准】用来调节所显示的幅频特性曲线在显示屏上的位置。

相频特性曲线不会随基准的改变而变化。

按【基准】键后，调节手轮或按【∧】、【∨】键显示图形则相应移动。

也可用数字键直接输入，用【Hz】键确认。

【增益10.0 dB/div】表示主显示区一大格代表10dB，亦即增益灵敏度为10.0 dB/div。

反复按该建，此值会在1.0dB/div、5dB/div、10dB/div之间循环切换，所显示的曲线在垂直方向上被展开或压缩。

改变此值相频特性曲线不会改变。

3. 光标菜单
增益菜单用来设置光标的状态、打开光标的数量、光标的移动，借用光标可准确测量频率、增益或相位值。

仪器可以同时显示四个不同颜色的光标，但只能显示一个光标处的频率值、增益值、相位值或1号光标与2号光标的差值。

光标值显示区的颜色对应于当前光标的颜色，可以直接读出当前光标处的值。

按功能区中的【光标】键进入光标菜单。

此时在光标菜单中，“1”反亮显示，“开”反亮显示，光标显示区显示1号光标的频率、增益值或相位值，在显示曲线上有一红色标记。

反复按【选择】键，1，2，3，4轮流反亮显示，表示当前选择的是第几号光标，同时“开”或“关”也会反亮显示，表示当前所选择的光标处于打开或关闭状态。

若光标处于打开状态，在光标值显示区会显示处当前光标处的频率值、增益值或相位值。

若光标处于关闭状态，在光标显示区没有显示内容。

在光标打开的状态下，可以通过转动手轮或按【∧】、【∨】键来移动光标的位置，同时相应的频率值、增益值或相位值会随之变化。

【差值】表示1号光标和2号光标处于差值状态，此时光标值显示区显示出两光标的相关参数值（频率、增益或相位）之差。

在光标显示区marker之后有一小三角，表示当前处于差值状态。

转动手轮或按【∧】、【∨】键，主显示区出现一个移动光标，同时在相应位置会显示移动光标与原位置光标的频率、增益或相位的差值。

【幅频/相频】表示光标指向幅频特性曲线还是相频特性曲线。

当“幅频”反亮显示时，光标指向幅频特性曲线，光标值显示区显示光标位置处的增益值；当“相频”反亮显示时，光标指向相频特性曲线，光标值显示区显示光标位置处的增益值。

4. 显示菜单
显示菜单用来设置显示区特性曲线的显示壮态。

显示区可以同时显示幅频特性曲线和相频特性曲线，也可以分别显示。

按功能区的【显示】键进入显示菜单。

按【幅频开/关】键选择是否显示幅频特性曲线。

当“开”反亮显示时，显示幅频特性曲线；当“关”反亮显示时，不显示幅频特性曲线。

按【相频开/关】键选择是否显示相频特性曲线。

当“开”反亮显示时，显示相频特性曲线；当“关”反亮显示时，不显示相频特性曲线。

5. 系统菜单
系统菜单用来设置系统的工作状态。

按功能区的【系统】键进入系统菜单。

反复按【声音开/关】键，当“开”反亮显示时，打开按键提示音；当“关”反亮显示时，关闭按键提示音。

反复按【输入阻抗 50Ω/高阻】键，当“50Ω”反亮显示时，系统输入阻抗为50Ω；当“高阻”反亮显示时，系统输入阻抗为高阻。

按【扫描时间】键，进入扫描时间设置状态，此时调节手轮或按【∧】、【∨】键，使扫描时间倍数相应增减，倍数越大扫描速度越慢，倍数越小扫描速度越快，开机时默认为2。

当始点频率和终点频率较低时应增大扫描时间倍数。

6. 校准菜单
按功能区的【校准】键进入校准菜单。

此时仪器会提示将仪器的输出端和输入端用测试电缆连接起来，之后按【确定】键仪器开始校准，校准大约需6秒钟。

若电缆未连接好，仪器会给出提出。

若电缆已连接好校准完成后将回到幅频或相频菜单。

按【取消】键将退出校准菜单，恢复到未校准状态。

需要指出：（1）校准只针对当前频率范围，若改变始点频率或终点频率，须重新进行校准，否则仪器将取消校准数据，回到未校准状态。

（2）当进行精确测量时，一般先在未校准状态下，确定频率范围和增益值，观测到特性曲线后再进行校准。

（3）校准时请将输出增益设为－20dB，输入增益设为0dB。

始点频率不要低于500Hz，否则校准不具有真实性。

7. 程控菜单
按功能区的【程控】键进入程控菜单。

利用此菜单可选择接口种类和程控地址。

8. 存储菜单
本仪器具有存储功能，可以存储两组数据。

按功能区的【存储】键进入存储菜单。

按【位置】键选择存储区的位置A和B。

按【存入】键便将当前的设置、幅频特性曲线数据和相频特性曲线数据存入A存储区和B存储区。

上述当前的设置包括频率菜单设置、增益菜单设置、显示菜单和输入阻抗设置等。

当存储数据时，在状态显示区会显示“已存储”。

按【调出】键可以调出A或B存储区存储的数据，按这些数据重新设置频率菜单、增益菜单、显示菜单，并显示出所存储的特性曲线。

调出数据时，在状态显示区会显示“已调出”。

9. 单次功能
按【单次】键进入单次状态，状态显示区显示“单次”，仪器不再进行数据处理。

此时按【频率】、【增益】、【校准】或【复位】键仪器将退出单次状态，按其它键不会推出单次状态。

此时可以通过光标功能仔细观测特性曲线。

10. 开始/停止功能
按【开始/停止】键，仪器进入停止状态，状态显示区显示“停止”，再次按【开始/停止】键仪器将退出停止状态，正常显示。

当进入停止状态时，按【复位】键以外的任何键都不会退出停止状态。

11. 复位
按【复位】键仪器将复位到初始状态。

6.6 SA1030型数字频率特性测试仪的使用方法
下面以测试放大电路幅频特性为例，简单说明该仪器的使用方法。

仪器开机后自动进入频率菜单，或者按功能区的【频率】键进入频率菜单。

如前所述，屏幕显示项目分别为【频率线性】、【始点】、【终点】、【中心】、【带宽】。

当前扫描方式为线性扫描、始点频率为100kHz，终点频率为30.00000MHz，中心频率为15.05000 MHz，扫描带宽为29.90000MHz。

（1）设置扫频参数。

例如，按频率菜单的操作方法设置扫描方式为线性扫描、始点频率为10kHz，终点频率为10MHz（中心频率和扫描带宽仪器自行计算并显示）。

（2）设置增益参数。

例如，按增益菜单的操作方法，设置输出增益为－40dB，输入增益为0dB，增益灵敏度为10dB/div
（3）选择所测特性曲线类型和仪器输入阻抗。

按功能区的【显示】键进入显示菜单，按【幅频开/关】键，使“开”反亮显示（即显示幅频特性曲线）；按功能区的【系统】键
进入系统菜单，按【输入阻抗 50Ω/高阻】键，使“高阻”反亮显示（即设输入阻抗为高阻）。

（4）连接被测电路。

将仪器的输出端（OUT）通过测试电缆线接至放大电路的输入端，放大电路的输出端通过测试探头接至仪器的输入端。

此时在主显示区便会显示出放大电路的幅频特性曲线。

如果所显示的特性曲线的幅度、位置和频率范围不合适，可以调整输出增益、输入增益改变曲线的幅度；调整增益基准移动曲线的位置；调整上述频率扫描参数，调整频率范围。

（5）打开光标，读测量数据。

按功能区中的【光标】键进入光标菜单。

在光标打开的状态下，转动手轮或按【∧】、【∨】键来移动光标的位置，同时读出低频增益、－3dB带宽等参数。

需要指出，上述测量必须是在信号不失真的条件下才有意义，所以，测试信号的幅度不宜过大。

其次，与使用示波器进行测量是一样，从仪器探头看进去的等效阻抗（包括输入电路的输入阻抗和电缆线的分布电容）对电路的高频响应特性会产生一定的影响，特别是电路的带宽达到几MHz时这种影响更为明显，会引起较大的测量误差。

此时要采取必要的措施减小测量仪器的影响。

第三，如上所述，为了提高测量精度，最好在确定频率范围和增益值等参数后，对仪器进行校准，之后再进行测量。

SA1030型数字频率特性测试仪还配备RS232接口和GPIB、USB接口（选件），可以与其它带有接口的仪器一起与计算机相连组成自动测试系统。

系统内各台测试仪器在计算机的控制下，通过接口和电缆线交换与传输数据。

计算机运行测试程序，控制各台仪器协调工作，自动完成测量任务。

限于篇幅，有关SA1030型数字频率特性测试仪程控接口的使用方法，请参阅该仪器的技术手册。