频域测量技术

第8章 频域测量技术 3. 多频测量是利用多频信号作为激励信号的一种频
域测量技术。所谓“多频信号”，是指由若干频率离 散的正弦波组成的集合。多频测量将这个“多频信号” 作为激励，同时加到被测系统的输入端，并检测被测 网络输出信号在这些频率点的频谱，在与输入进行比 较之后就可以得到被测网络的频率特性。
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3. 频谱分析仪的参数较多，并且不同种类的频谱仪 参数也不完全相同，但以下技术参数是最基本的。 1） 频率范围是指能达到频谱分析仪规定性能的工作 频率区间，如安捷伦公司的ESA-E系列频谱分析仪频 率范围可达325 GHz。 2） 扫频宽度与分析时间、 扫频宽度也称分析宽度，是指频谱分析仪在一次 扫描分析过程中所显示的频率范围，也就是本机振荡 器的扫频宽度。
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u i
放大
S 1
f
01
S2
f02 检波
…
f0n 带通滤波器
Sn
阶梯波 发生器
Y放大器 X放大器
图8.13 并行滤波实时频谱仪的原理框图
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2） 扫频滤波式频谱仪利用一个中心频率受扫频电压 调节的带通滤波器来实现工作频带内的频谱分析，其 原理框图如图8.14所示。
Δf=fmax-fmin 式中, Δf为有效扫频宽度；fmax、fmin为一次扫频时 能达到的最高和最低瞬时频率。
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f0

fmax 2
fmin
而把Δf/f0 称为相对扫频宽度，
f 2 fmaxfmin
f0
fmax fmin
通常把Δf远小于信号瞬时频率值的扫频信号称为
窄带扫频，把Δf可以和信号瞬时频率相比拟的扫频信
4. 当系统对非线性失真的要求较高时，可采用白噪 声作为测量的激励信号。
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8.2.2 在测量线性系统的相频特性时，以被测电路输入端
信号作为参考信号，输出端信号作为被测信号，用相 位计测量输出端信号与输入端信号之间的相位差。调 节正弦波发生器输出信号的频率，用描点的方法可得 到相位差随频率的变化规律，即线性系统的相频特性， 如图8.3所示。
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3） 频率分辨率 频率分辨率是指频谱分析仪能把靠得很近的两个频谱分 量分辨出来的能力。由于屏幕显示的谱线实际上是窄带滤波 器的动态幅频特性，因而频谱分析仪的分辨率主要取决于窄 带滤波器的通频带宽度，因此定义窄带滤波器幅频特性的3 dB带宽为频谱仪的分辨率。 4） 动态范围与测量范围 频谱分析仪的动态范围定义为： 频谱分析仪能以给定精 度测量、分析输入端同时出现的两个信号的最大功率比（用 dB表示）。它实际上表示频谱分析仪显示大信号和小信号的 频谱的能力。其上限受到非线性失真的制约，一般可达60 dB以上，有的甚至达90 dB。
号称为宽带扫频。
第8章 频域测量技术 2） 扫频线性表示扫频信号频率与扫描电压之间线性
相关的程度，常用扫频线性系数来表示，
k (df /du)max (df /du)min
3）
在幅频特性测量中，必须保证扫频信号的幅度保
持不变。扫频信号的幅度不平坦性常用它的寄生调幅
来表示，
m AB10% 0 AB
模 拟 信 号低 通 采 样 / 保 持模 / 数 存 储数 字 信 号 显 示 记 录 输 入 滤 波 器电 路 转 换 电 路 电 路处 理 电 路电 路
图8.12 计算法频谱分析仪框图
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2. 频谱分析仪的分类 1） 并行滤波实时频谱仪又称为多通道滤波式频谱分 析仪，其原理如图8.13所示。
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8.1.2 根据实际应用的需求，频域分析和测量的对象和
目的也各不相同，通常有以下几种： （1） 频率特性测量：主要对网络的频率特性进行
测量，包括幅频特性、相频特性、带宽及回路Q值等。 （2） 选频测量： 利用选频电压表，通过调谐滤波的方法，选出并
测量信号中某些频率分量的大小。
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8.2
8.2.1 1. 图8.2中的曲线2就是使用动态测量法所获得的曲
线。这时，曲线略有右移，但最大值也略有降低。
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1— 静 态
U out
1
2— 动 态
2
O f
图8.2 静、动态测量曲线
第8章 频域测量技术 2. 扫频测量法
扫频测量法具有以下优点：
（1）可实现网络频率特性的自动或半自动测量，特别 是在进行电路测试时，人们可以一面调节电路中的有关元 件，一面观察荧光屏上频率特性曲线的变化，随时判明元 件变化对幅频特性产生的影响，迅速调整，查找电路的故 障。
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5） 灵敏度 灵敏度是指频谱分析仪测量微弱信号的能力，定 义为显示幅度为满刻度时，输入信号的最小电平值。 灵敏度受分析仪中存在的噪声、杂波、失真以及杂散 响应的限制，并且与扫速有关，扫速越快，动态幅频 特性峰值就越低，灵敏度也越低。许多频谱分析仪的 灵敏度可达-135~-115 dBm。
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A (a)
B
A
B
fL
fH
(b)
图8.8 扫频仪测量带宽
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(3) 回路Q值的测量。 测量时电路连接和测量方法与测回路带宽相同， 在用外接频标测出回路的谐振频率f0以及上、下截止频 率fH和fL后，按下面的公式即可计算出回路的Q值。
Q f0 f0 BW fH fL
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u i
实 时 采 样 A /D 转 换
数 字 存 储
快 速 读 出 D /A 转 换
外 差 式 频 谱 仪
图8.16 时基压缩式频谱仪的原理框图
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6） 采用数字中频的外差式频谱分析仪 数字式频谱分析仪目前由于受到A/D采样速率和数字信 号处理器处理速度的限制，无法实现对射频及微波信号的频 谱实时分析，为解决这一问题，采用数字中频的外差式频谱 分析仪诞生了。这种分析仪融合了外差扫描与数字信号处理 及实时分析技术，在传统模拟外差式频谱分析仪的基础上， 在中频及以后部分采用了全数字技术，通过数字滤波和FFT 的方法，使分辨力和分析速度都大为提高，频谱分析仪的性 能得到很大改善。
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图8.4中，扫频信号发生电路的振荡频率受扫描电 压u2所调制。
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t
t
t
扫频信号
发生器
u3
被测电路 u4
峰值检波器 u5
u2
扫描电压
u 1
发生器
t
X轴 放大器
Y轴 放大器
图8.4 扫频仪的简要原理框图第Fra bibliotek章 频域测量技术
为保证扫频仪有很宽的工作频率范围，往往将整 个工作频段划分成几个分波段，还可以通过混频的方 法获得更高的工作频率，如图8.5所示。
2)
计算法在快速傅里叶变换（FFT）算法问世后，才 被广泛应用于频谱分析。通过直接计算有限离散傅里叶 变换（DFT），即可获得信号序列的离散频谱。
有限离散序列xn和它的频谱Xm之间的DFT可表示为
N1
Xm xn WNnm
n0
计算法频谱分析仪的构成如图8.12所示。
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（3） 频谱分析： 用频谱分析仪分析信号中所含的各个频率分量的 幅值、功率、能量和相位关系，以及振荡信号源的相 位噪声特性、空间电磁干扰等。 （4） 调制度分析测量： 对各种频带的射频信号进行解调，恢复调制信号， 测量其调制度，如调幅波的调幅系数、调频波的频偏、 调频指数以及它们的寄生调制参量。 （5） 谐波失真度测量： 信号通过非线性器件都会产生新的频率分量，俗 称非线性失真。这些新的频率分量包括谐波和互调。
检波 探头 扫频仪 输输 出入
图8.6 幅频特性的测量
第8章 频域测量技术 图8.7给出了典型滤波器的频率特性测量曲线。
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频标
频标
频标
频标
低通滤波器
高通滤波器
带通滤波器
带阻滤波器
图8.7 典型滤波器的频率特性测量曲线
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2） (1) 增益的测量。 在调好幅频特性的基础上，用粗、细调衰减器控 制扫频信号的电压幅度，使它符合被测电路设计时要 求的输入信号幅度。 (2) 带宽的测量。 测量带宽时，先调节扫频仪输出衰减和调整Y增 益，使频率特性曲线的顶部与屏幕上某一水平刻度线 相切（如图8.8中与AB线相切）；
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8.3 频谱分析测量
8.3.1 选频测量 图8.9所示为外差式谐波分析仪的原理框图。
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被测 信号
衰减器 fx
混频器 f0
fw 本机 振荡器
选频放大器
电压表
图8.9 外差式谐波分析仪的原理框图
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8.3.2
1.
1) 图8.10示出了滤波式频谱仪的基本结构。输入信号 经过一组中心频率不同的滤波器或经过一个扫描调谐 式滤波器，选出各个频率分量，经检波后进行显示或 记录。在这种频谱仪中，随着滤波器频率的改变，完 成频谱分析，因此，滤波器和检波器是两个重要的单 元电路，它们的构成形式和性能好坏对频谱分析仪起 着重要的作用。 其原理简图如图8.11
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ui
混频器 f0
中频 放大器
检波器
Y放大器
f
w
扫频 振荡器
锯齿波 扫描器
X放大器
图8.15 扫频外差式频谱分析仪的原理框图
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4） 时基压缩式实时分析仪又称为模拟数字混合式频 谱分析仪，其原理框图如图8.16所示。 5） 数字式频谱仪 随着数字信号处理技术的成熟与应用，频谱分析 仪也走向了数字化。用数字滤波器代替上述模拟频谱 分析仪中的模拟滤波器、用数字平方检波和均方算法 代替二极管检波，这就构成了数字滤波式频谱分析仪。
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信 号 输 入
扫 带 描 通 调 滤 谐 波 式 器 滤 或 波 器检 波 器 显 示 或 记 录
图8.10 滤波式频谱分析法的简要原理框图
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输入 信号
A
中频放大
混频器
A
中频 滤波器
本地 振荡器
CRT A
图8.11 外差扫频方式频谱分析方法的原理简图
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正弦波 发生器
参考信号 被测电路
相位计
图8.3 线性系统的相频特性测量
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8.2.3 1. 基本工作原理 对扫频信号发生器的基本要求是： （1） 中心频率范围大且可以连续调节。 （2） 扫频宽度要宽且可任意调节，常用频偏进行
描述。 （3） 寄生调幅要小。 （4） 扫描线性度好。
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扫描信号 发生器
调频信号 f1 发生器
高频信号 发生器
混频器 f2
低通 滤波器 扫频信
号输出
图8.5 混频法拓展扫频仪至更高的工作频率
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2. 扫频仪的主要技术指标有： 有效扫频带宽、扫频线 性、幅度不平坦性等。 1） 有效扫频宽度也称扫频频偏，是指在扫频线性和 幅度不平坦性符合要求的前提下，一次扫频能达到的 最大频率范围，
（2） 由于扫频信号的频率是连续变化的，因此，所得 到的被测网络的频率特性曲线也是连续的，不会出现由于 点频法中频率点离散而遗漏细节的问题，且能够观察到电 路存在的各种冲激变化，如脉冲干扰等，更符合被测电路 的应用实际。
（3）扫频测量法测量简单、速度快，可实现频率特性 测量的自动化，已成为一种广泛使用的方法。
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第8章
8.1 频域测量的原理与分类 8.2 线性系统频率特性测量 8.3 频谱分析测量 8.4 谐波失真度测量 思考题8
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8.1
8.1.1 对于一个过程或信号，它具有时间-频率-幅度的三
维特性，如图8.1所示。
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频率 频域
电压 时域
时间
图8.1 信号的三维特性
式中， A、B 表示扫频信号的最大和最小幅度。
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3. 1） 按用途划分，扫频仪可分为通用扫频仪、专用扫 频仪、宽带扫频仪、阻抗图示仪、 2） 按频率划分，扫频仪可分为低频扫频仪、高频扫
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4. 扫频仪的应用 1） 测量电路如图8.6所示。
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被测电路
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输入 信号
电调谐带通滤波器 检波器
输出 放大器
CRT
扫描发生器
图8.14 扫频滤波式频谱分析仪的原理框图
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3） 借助于外差式收音机和扫频的原理，将输入信号与 仪器内部的本地振荡信号进行混频，通过线性地调整 本地振荡源的频率，使其与被测信号中各频率成分形 成固定的差频，用相对频移的方法取代图8.14中的电调 谐带通滤波器，这就构成了扫频外差式频谱分析仪， 如图8.15所示。