第六章 频域测量
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电子测量技术 第六章 频域测量
n 2 n 2
谐振频率f 近似与电容的平方根成反比，所以f 谐振频率f0近似与电容的平方根成反比，所以f0近 似与反向电压u 成正比，从而得到线性扫频结果。 似与反向电压uR成正比，从而得到线性扫频结果。 变容管实用的连接方式
大 大
大 大
第5页
电子测量原理
6.2 扫频仪工作原理
6.2.1 组成原理框图
第3页
1、PN结电容 、 结电容
变容二极管变容特性 1 VQ、vΩ →Cj →ω0 = LCj 三点式振荡器LC调谐回路 三点式振荡器 调谐回路
大
反压越大 结 反压越大PN结 越宽电容越小 越宽电容越小
电子测量原理
Cj max Cj min uR
ω0
等效
VΩm 其中， 其中，uR为外加的 交变电压； 交变电压；
1 1 1 1 ω ) 振荡圆频率： 振荡圆频率： osc≈ ( + + L CVD Cbe C3 + Cce
振荡频率随变容二极管反向电压的大小而变。 振荡频率随变容二极管反向电压的大小而变。 第9页
3、扫频振荡器
Cce
固定
电子测量原理
3
Cbe CVD
锯齿波电压
作用：产生扫频信号，其频 作用：产生扫频信号， 率范围为500∼ 率范围为500∼800MHz 。
电子测量原理
第6章 频域测量
6.1 扫频仪 6.2 扫频仪工作原理 6.3 频标单元 6.4 Y通道单元 Y通道单元 6.5 操作使用 6.6 测试实例 6.7 频谱分析仪工作原理
第1页
6.1 扫频仪
电子测量原理
扫频仪，又称频率特性测试仪 频率特性测试仪。 扫频仪，又称频率特性测试仪。可以用来测定调频放 大器、宽频放大器、各种滤波器， 大器、宽频放大器、各种滤波器，以及其他有源或无 源网络的频率特性 频率特性。 源网络的频率特性。在示波管显示图形的水平方向为 被测信号的频率，垂直方向为被测信号的幅度， 被测信号的频率，垂直方向为被测信号的幅度，其频 率特性是连续变化的。 率特性是连续变化的。
谐振频率f 近似与电容的平方根成反比，所以f 谐振频率f0近似与电容的平方根成反比，所以f0近 似与反向电压u 成正比，从而得到线性扫频结果。 似与反向电压uR成正比，从而得到线性扫频结果。 变容管实用的连接方式
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电子测量原理
6.2 扫频仪工作原理
6.2.1 组成原理框图
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1、PN结电容 、 结电容
变容二极管变容特性 1 VQ、vΩ →Cj →ω0 = LCj 三点式振荡器LC调谐回路 三点式振荡器 调谐回路
大
反压越大 结 反压越大PN结 越宽电容越小 越宽电容越小
电子测量原理
Cj max Cj min uR
ω0
等效
VΩm 其中， 其中，uR为外加的 交变电压； 交变电压；
1 1 1 1 ω ) 振荡圆频率： 振荡圆频率： osc≈ ( + + L CVD Cbe C3 + Cce
振荡频率随变容二极管反向电压的大小而变。 振荡频率随变容二极管反向电压的大小而变。 第9页
3、扫频振荡器
Cce
固定
电子测量原理
3
Cbe CVD
锯齿波电压
作用：产生扫频信号，其频 作用：产生扫频信号， 率范围为500∼ 率范围为500∼800MHz 。
电子测量原理
第6章 频域测量
6.1 扫频仪 6.2 扫频仪工作原理 6.3 频标单元 6.4 Y通道单元 Y通道单元 6.5 操作使用 6.6 测试实例 6.7 频谱分析仪工作原理
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6.1 扫频仪
电子测量原理
扫频仪，又称频率特性测试仪 频率特性测试仪。 扫频仪，又称频率特性测试仪。可以用来测定调频放 大器、宽频放大器、各种滤波器， 大器、宽频放大器、各种滤波器，以及其他有源或无 源网络的频率特性 频率特性。 源网络的频率特性。在示波管显示图形的水平方向为 被测信号的频率，垂直方向为被测信号的幅度， 被测信号的频率，垂直方向为被测信号的幅度，其频 率特性是连续变化的。 率特性是连续变化的。
第6章频域测量
第6章 频域测量
频谱分析仪依靠中频滤波器分辨各频率成分，检波器测 量信号功率，依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号频 率值。 实际中的频谱仪的组成结构要比图7.1复杂得多，为 了获得高的灵敏度和频率分辨力，要采用多次变频的方法，以 便在几个中间频率上进行电压放大。
第6章 频域测量
6.2.1频率特性测试仪的基本组成和工作原理 频率特性测试仪简称扫频仪，它是利用示波管直接显示被测二
端网络频率特性曲线的仪器，是描绘表征网络传递函数的仪器。频 率特性测试仪是在静态逐点测量法的基础上发展起来的一种快速、 简便、实时、动态、多参数、直观的测量仪器，它被广泛地应用于 电子、通信工程等领域，例如，家用电器(电视机、收录机等)和通 信设备(收、发信机等)的测量、调试都离不开扫频仪。
第6章 频域测量
第6章 频域测量技术
6.1 频域测量的原理与分类 6.2 线性系统频率特性测量 6.3 频谱分析测量
第6章 频域测量
6.1 频域测量的原理与分类
6.1.1 频域测量的原理 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6.1所示。
频率 频域
电压 时域
时间
图6.1 信号的三维特性
第6章 频域测量
2．扫频测量法 扫频测量法是在点频测量法的基础上发展起来的。它是利用一 个扫频信号发生器取代了点频法中的正弦信号发生器，用示波器取 代了点频法中的电压表而组成的。其工作原理如图6.3所示。 图(a)中扫频振荡器是关键环节，它产生一个幅度恒定且频率 随时间线性连续变化的信号作为被测电路的输入信号，通常称为扫 频信号，如图6.2(b)中的波形②。 这个扫频信号经过被测电路后就不再是等幅的，其幅度按照被 测网络的幅频特性作相应变化，如图6.2(b)中的波形③。这个波形 的包络线的形状就是被测电路的幅频特性，经过包络检波器将其包 络解调出来，最后经过Y通道放大器放大，加到示波管Y偏转系统。
第6章 频域测量ok
图6.1—3 扫频仪原理框图
图6.1—3 扫频仪原理框图
2．扫频振荡器的工作原理 实现扫频振荡的方法很多，常用的有磁 调电感法、变容二极管法以及微波波段使用的 返波管法、YIG（亿铁拓榴石）谐振法等。下 面简单介绍前两种方法。 (1) 磁调电感法 磁调电感法原理图如图6.1—4，图(a)中 L2、C谐振回路的谐振频率f0为：
1、线性电路幅频特性的测量
在测量技术分类中，频域测量占有重要地位，其 中主要原因是线性电路对正弦激励的响应仍是正弦信 号，只是与输入相比，其振幅和相位发生了变化，一 般情况下都是频率的函数。我们已经知道，正弦稳态 下的系统函数或传输函数N( j )就反映了该系统激励 与响应间的关系 Uo ( j ) Uo N ( j ) N ( )e j ( ) Ui ( j ) Ui
③将频标选择旋钮置于50位置，扫频特性曲线如图 6.5.3（b）所示，在零拍右面的第一个频标为 50MHz，第二个频标为100MHz，其余依次类推。 （3）扫频宽度 不同的四端网络有着不同的频带，预置扫频宽度 太窄，被测曲线在水平方向会很小；预置扫频宽度太 宽，被测曲线在水平方向会很大。因此调节扫频宽度 旋钮会得到合适的扫频宽度。
2、扫频仪的基本构成 1．扫频仪的基本方框图 图6.1—3中(a)是扫频仪原理框图，(b)是BT—4 型低频(200H2—2MH2)扫频仪框图。图(a)中几个主 要部分的功能如下。 时基系统产生一个扫描信号，由该信号控制一 个可调谐的连续振荡源以产生频率随时间变化的正弦 信号，频率变化的规律就取决于扫描信号，若扫描信 号是锯齿波或三角波(这是最常用的情况)，则扫频规 律就呈线性，或者说扫频振荡器输出正弦信号的瞬时 频率随时间线性增加或降低。有些场合也使用对数型 扫描信号，则扫频规律就呈现对数性。
第6章频域测量
另外，频率合成技术特别是DDS技术用于扫频信号源 中，可以实现宽带扫频，并具有频率准确度和分辨率高、寄生 信号和相位噪声低等特点。
（2）频标电路
频标电路即频率标志电路。
其作用是产生具有频率标志的图形，叠加在幅频特性曲线 上，对图形的频率轴进行定量，可以用来确定曲线上各点相应 的频率值。
频标信号可以是1MHz、10MHz、外接频标等。
快速傅里叶变换（FFT）计算法
数字滤波法
数字滤波法是仿照模拟频谱仪，用数字滤波器代替模拟滤 波器，为了实现数字化，在滤波器前加入了采样保持电路和 A/D转换器，数字滤波器的中心频率可由控制和时基电路改 变。
输入 放大器
输入 衰减器
狭义上，一般的频谱测量中常将随频率变化的幅度谱称为频 谱。
频谱测量：在频域内测量信号的各频率分量，以获得信号的 多种参数。
频谱图：将信号中所包含的频率分量按频率顺序排列起来 的谱图。一般只考虑其幅度大小，故频谱图通常又称为幅度频 谱，简称为幅频特性。
频谱测量的基础是傅里叶变换。
频谱的两种基本类型
顺序滤波频谱仪
BPF1 BPF2
BPFn
原理与并行滤波法相同，只是为了简化电路、降低成本，各 路滤波器后通过电子开关轮流公用检波、放大及显示器。 优点：与并行滤波法相比简化电路、降低成本； 缺点：不能进行实时分析。
可调滤波频谱仪
BPF1
以上两种方法都需要大量的滤波器，使仪器笨重而昂贵，若采 用中心频率可调的滤波器，则可得到大大简化。然而可调滤波器的 通带难以做得很窄，其可调范围也难以做得很宽，而且在调谐范围 内难以保持恒定不变的滤波特性，因此只适用于窄带频谱分析。 优点：结构更加简化； 缺点：只适用于窄带频谱分析。
差频信号经低通滤波及放大后形成菱形图形，与图形叠加， 这就是菱形频标。
（2）频标电路
频标电路即频率标志电路。
其作用是产生具有频率标志的图形，叠加在幅频特性曲线 上，对图形的频率轴进行定量，可以用来确定曲线上各点相应 的频率值。
频标信号可以是1MHz、10MHz、外接频标等。
快速傅里叶变换（FFT）计算法
数字滤波法
数字滤波法是仿照模拟频谱仪，用数字滤波器代替模拟滤 波器，为了实现数字化，在滤波器前加入了采样保持电路和 A/D转换器，数字滤波器的中心频率可由控制和时基电路改 变。
输入 放大器
输入 衰减器
狭义上，一般的频谱测量中常将随频率变化的幅度谱称为频 谱。
频谱测量：在频域内测量信号的各频率分量，以获得信号的 多种参数。
频谱图：将信号中所包含的频率分量按频率顺序排列起来 的谱图。一般只考虑其幅度大小，故频谱图通常又称为幅度频 谱，简称为幅频特性。
频谱测量的基础是傅里叶变换。
频谱的两种基本类型
顺序滤波频谱仪
BPF1 BPF2
BPFn
原理与并行滤波法相同，只是为了简化电路、降低成本，各 路滤波器后通过电子开关轮流公用检波、放大及显示器。 优点：与并行滤波法相比简化电路、降低成本； 缺点：不能进行实时分析。
可调滤波频谱仪
BPF1
以上两种方法都需要大量的滤波器，使仪器笨重而昂贵，若采 用中心频率可调的滤波器，则可得到大大简化。然而可调滤波器的 通带难以做得很窄，其可调范围也难以做得很宽，而且在调谐范围 内难以保持恒定不变的滤波特性，因此只适用于窄带频谱分析。 优点：结构更加简化； 缺点：只适用于窄带频谱分析。
差频信号经低通滤波及放大后形成菱形图形，与图形叠加， 这就是菱形频标。
第六章 频域测量仪器原理及应用 PPT
➢ 连续频谱，可视为谱线间隔无穷小，如非周期 信号和各种随机噪声的频谱
6.1.2 周期信号的频谱
➢ 周期信号的付氏变换 ➢ 周期信号的频谱特性 ➢ 脉冲宽度和频带宽度 ➢ 信号的能量谱 ➢ 信号的功率谱
一个周期为T的信号f(t)可以用复指数级数展开表
示为：
f(t) cnejn0t n
其中
02 T,cnT 1 T T //2 2f(t)ejn 0tdt
➢最常见的FFT算法：基2的时间抽取法，即蝶形算 法。若频谱分析的记录长度为N（N常取2的幂 次），进行离散付氏变换所需的计算次数约为N2， 蝶形算法需要的次数为N log2N。
6.1.6 信号的频谱分析技术
频谱分析以付里叶分析为理论基础，可对不同频 段的信号进行线性或非线性分析。
➢信号频谱分析的内容： ✓ 对信号本身的频率特性分析，如对幅度谱、相位 谱、能量谱、功率谱等进行测量，从而获得信号 不同频率处的幅度、相位、功率等信息；
频谱分析的基本概念
广义上，信号频谱是指组成信号的全部频率分量 的总集；狭义上，一般的频谱测量中常将随频率 变化的幅度谱称为频谱。
频谱测量：在频域内测量信号的各频率分量，以 获得信号的多种参数。频谱测量的基础是付里叶 变换。
频谱的两种基本类型
➢ 离散频谱（线状谱），各条谱线分别代表某个 频率分量的幅度，每两条谱线之间的间隔相等
cn T1=T0 /4
T1=T0/8 T1=T0/16
- w00 w0 cn
- w00 w0 cn
- w00 w 0
nw0 nw0
nw0
脉冲宽度和频带宽度（续2）
可见：当方波的周期T0固定不变时，频域中各条 谱线之间的间隔ω0也是固定的。随着T1（即脉冲 宽度）的减小，谱线从集中分布在纵轴附近渐渐 变得向两边“拉开”，即频带宽度逐渐增大，而 且幅度逐渐变低。
6.1.2 周期信号的频谱
➢ 周期信号的付氏变换 ➢ 周期信号的频谱特性 ➢ 脉冲宽度和频带宽度 ➢ 信号的能量谱 ➢ 信号的功率谱
一个周期为T的信号f(t)可以用复指数级数展开表
示为：
f(t) cnejn0t n
其中
02 T,cnT 1 T T //2 2f(t)ejn 0tdt
➢最常见的FFT算法：基2的时间抽取法，即蝶形算 法。若频谱分析的记录长度为N（N常取2的幂 次），进行离散付氏变换所需的计算次数约为N2， 蝶形算法需要的次数为N log2N。
6.1.6 信号的频谱分析技术
频谱分析以付里叶分析为理论基础，可对不同频 段的信号进行线性或非线性分析。
➢信号频谱分析的内容： ✓ 对信号本身的频率特性分析，如对幅度谱、相位 谱、能量谱、功率谱等进行测量，从而获得信号 不同频率处的幅度、相位、功率等信息；
频谱分析的基本概念
广义上，信号频谱是指组成信号的全部频率分量 的总集；狭义上，一般的频谱测量中常将随频率 变化的幅度谱称为频谱。
频谱测量：在频域内测量信号的各频率分量，以 获得信号的多种参数。频谱测量的基础是付里叶 变换。
频谱的两种基本类型
➢ 离散频谱（线状谱），各条谱线分别代表某个 频率分量的幅度，每两条谱线之间的间隔相等
cn T1=T0 /4
T1=T0/8 T1=T0/16
- w00 w0 cn
- w00 w0 cn
- w00 w 0
nw0 nw0
nw0
脉冲宽度和频带宽度（续2）
可见：当方波的周期T0固定不变时，频域中各条 谱线之间的间隔ω0也是固定的。随着T1（即脉冲 宽度）的减小，谱线从集中分布在纵轴附近渐渐 变得向两边“拉开”，即频带宽度逐渐增大，而 且幅度逐渐变低。
第六章 频域测量
分类： 分类： 按组成形式划分 有显示器的 无显示器的：扫频信号发生器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ二节 扫频分析仪
按用途划分 通用扫频仪； 专用扫频仪； 宽带扫频仪； 阻抗图示仪； 微波综合测试仪。
第二节 扫频分析仪
按频率划分 低频扫频仪； 高频扫频仪； 电视扫频仪。
第二节 扫频分析仪
扫频源： 扫频源： 能产生扫频输出信号的频率源称为扫频信号发 生器或扫频信号源，简称扫频源。
第一节 概述
素数正弦波法： 素数正弦波法： 为了克服线性系统中非线性失真的影响 可进行快速频率特性分析
第一节 概述
正弦测量技术的理论基础： 在正弦信号激励下的线性系统，其输出响应是 具有与输入相同频率的正弦波，只是幅值和相 位可能有所差别。
第一节 概述
伪随机信号法： 伪随机信号法： 模拟白噪声，完成广谱快速测量。
第五节 信号的频谱分析
扫频速度v的选择 扫频速度 的选择 v的选择以获得较高的动态分辨力Bd为准则。同时，还 应合理处理与分析时间的矛盾。因为当扫频宽度一定时， v 的选择实际上就是分析时间的选择。
一般可按下列经验准则 v ≤ Bq 2 v——扫描速度，单位Hz/s Bq——静态分辨力，单位Hz
第二节 扫频分析仪
频偏（正弦波调制）：指在调频波中的瞬时频 率与中心频率之间的差值。 灵敏度：指偏转灵敏度。是在有效显示屏幕内 显示信号能力的额定因数。以mV/cm或mV/div 为单位。 调制非线性：指在屏幕有效显示平面内产生的 频率线性误差。在屏幕上表现为扫描信号的频 率分布不均匀。
第二节 扫频分析仪
第五节 信号的频谱分析
频谱分析仪就是使用不同方法在频域内对 信号的电压、功率、频率等参数进行测量 并显示的仪器。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ二节 扫频分析仪
按用途划分 通用扫频仪； 专用扫频仪； 宽带扫频仪； 阻抗图示仪； 微波综合测试仪。
第二节 扫频分析仪
按频率划分 低频扫频仪； 高频扫频仪； 电视扫频仪。
第二节 扫频分析仪
扫频源： 扫频源： 能产生扫频输出信号的频率源称为扫频信号发 生器或扫频信号源，简称扫频源。
第一节 概述
素数正弦波法： 素数正弦波法： 为了克服线性系统中非线性失真的影响 可进行快速频率特性分析
第一节 概述
正弦测量技术的理论基础： 在正弦信号激励下的线性系统，其输出响应是 具有与输入相同频率的正弦波，只是幅值和相 位可能有所差别。
第一节 概述
伪随机信号法： 伪随机信号法： 模拟白噪声，完成广谱快速测量。
第五节 信号的频谱分析
扫频速度v的选择 扫频速度 的选择 v的选择以获得较高的动态分辨力Bd为准则。同时，还 应合理处理与分析时间的矛盾。因为当扫频宽度一定时， v 的选择实际上就是分析时间的选择。
一般可按下列经验准则 v ≤ Bq 2 v——扫描速度，单位Hz/s Bq——静态分辨力，单位Hz
第二节 扫频分析仪
频偏（正弦波调制）：指在调频波中的瞬时频 率与中心频率之间的差值。 灵敏度：指偏转灵敏度。是在有效显示屏幕内 显示信号能力的额定因数。以mV/cm或mV/div 为单位。 调制非线性：指在屏幕有效显示平面内产生的 频率线性误差。在屏幕上表现为扫描信号的频 率分布不均匀。
第二节 扫频分析仪
第五节 信号的频谱分析
频谱分析仪就是使用不同方法在频域内对 信号的电压、功率、频率等参数进行测量 并显示的仪器。
第6章 频域测量
6.3 频谱分析仪工作原理
1 时域和频域的关系
时域——由信号随时间的变化情况表征 频域——由信号包含的频率分量，即频谱分布情 况描述
相互间关系：有确切的内部关系——为一傅氏变换对
S ( w ) f( t) e dt
jw t
1 jwt f( t ) S ( w )e dw 2
小结：测量系统动态特性，必须用扫频法； 为了得到静态特性，必须选择极慢的扫频速 度以得到近似的静态特性曲线，或采用点频 法。
电子测量技术
6.2 扫频仪工作原理
1 扫频仪电路工作原理
扫频 源
频频频频 频频频频 频频频 Y频 频
频频频频
频频频
ห้องสมุดไป่ตู้
频频频频
频频频频频频频
X频 频
电子测量技术
6.2 扫频仪工作原理
电子测量技术
6.1 扫频仪
幅频特性测量 扫频测量法 频率源的输出能够在测量所需的范围内连续扫描， 因此可以连续测出各频率点上的频率特性结果并立 即显示特性曲线。 优点：扫频信号的频率连续变化，扫频测量所得 的频率特性是动态频率特性，也不会漏掉细节。 不足：如果输入的扫频信号频率变化速度快于系 统输出响应时间，则频率的响应幅度会出现不足， 扫频测量所得幅度小于点频测量的幅度；电路中 LC 元件的惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会产生频 率偏离。
电子测量技术
脉冲频标 由菱形频标变换而来的。将菱形频标送去触发单稳电路并 产生输出，整形后形成极窄的矩形脉冲频标，也叫针形频标。 宽度较菱形频标窄。
线形频标 状如一条条极细的垂直亮线，是光栅增辉式显示器特有的 频标形式。
电子测量技术
6.2 扫频仪工作原理
单一频标产生的工作原理
《频域测量》课件
《频域测量》课件
目录
• 频域测量的基本概念 • 频域测量的基本原理 • 频域测量的常用仪器 • 频域测量的实际应用 • 频域测量的最新发展
01 频域测量的基本概念
频域测量的定义
频域测量是一种通过分析信号在频率 域的特性来获取信息的方法。它通过 将信号从时域转换到频域，利用频率 特性来描述信号的特征。
快速傅里叶变换（FFT）
一种高效的计算离散傅里叶变换的方法，能够快速得到信号的频谱。
频谱分析的窗函数
在进行傅里叶变换时，使用不同的窗函数可以得到不同分辨率的频 谱，窗函数的选择对于频谱分析结果的影响较大。
频域测量中的滤波器
低通滤波器
允许低频信号通过，抑 制高频信号，用于提取
信号的低频成分。
高通滤波器
频谱分析仪通常具有较高的频率分辨 率和动态范围，能够测量不同频率下 的信号强度和失真。
它能够分析信号在不同频率下的表现， 帮助工程师了解信号的频域特性。
频谱分析仪广泛应用于通信、雷达、 电子对抗、音频等领域。
网络分析仪
网络分析仪是一种用于测量网络 参数的仪器，如电压驻波比
（VSWR）、传输系数、相位等。
人工智能在频域测量中的应用
人工智能技术为频域测量提供了新的方法和思路，能够自动识别、分类和预测信 号的特征和行为。
通过训练神经网络、支持向量机等机器学习算法，可以实现对信号的自动分类、 异常检测和模式识别等功能，提高了频域测量的智能化水平。
频域测量与其他测量方法的结合
频域测量方法可以与其他测量方 法相结合，形成多维度的信号分 析方法，从而更全面地了解信号
成不同频率分量的叠加。
频谱分析
通过分析信号的频谱，可以了解信 号中各个频率分量的幅度和相位信 息，从而对信号进行深入理解和分 析。
目录
• 频域测量的基本概念 • 频域测量的基本原理 • 频域测量的常用仪器 • 频域测量的实际应用 • 频域测量的最新发展
01 频域测量的基本概念
频域测量的定义
频域测量是一种通过分析信号在频率 域的特性来获取信息的方法。它通过 将信号从时域转换到频域，利用频率 特性来描述信号的特征。
快速傅里叶变换（FFT）
一种高效的计算离散傅里叶变换的方法，能够快速得到信号的频谱。
频谱分析的窗函数
在进行傅里叶变换时，使用不同的窗函数可以得到不同分辨率的频 谱，窗函数的选择对于频谱分析结果的影响较大。
频域测量中的滤波器
低通滤波器
允许低频信号通过，抑 制高频信号，用于提取
信号的低频成分。
高通滤波器
频谱分析仪通常具有较高的频率分辨 率和动态范围，能够测量不同频率下 的信号强度和失真。
它能够分析信号在不同频率下的表现， 帮助工程师了解信号的频域特性。
频谱分析仪广泛应用于通信、雷达、 电子对抗、音频等领域。
网络分析仪
网络分析仪是一种用于测量网络 参数的仪器，如电压驻波比
（VSWR）、传输系数、相位等。
人工智能在频域测量中的应用
人工智能技术为频域测量提供了新的方法和思路，能够自动识别、分类和预测信 号的特征和行为。
通过训练神经网络、支持向量机等机器学习算法，可以实现对信号的自动分类、 异常检测和模式识别等功能，提高了频域测量的智能化水平。
频域测量与其他测量方法的结合
频域测量方法可以与其他测量方 法相结合，形成多维度的信号分 析方法，从而更全面地了解信号
成不同频率分量的叠加。
频谱分析
通过分析信号的频谱，可以了解信 号中各个频率分量的幅度和相位信 息，从而对信号进行深入理解和分 析。
第六章 频域测量
频率特性一种数学模型，与传递函数一样，它描述了系统的内在特性，与外界因 素无关。决定于系统结构和参数。 频率特性描述的是一种稳态响应特性，可以用频 率特性来分析系统的稳定性、动态性能、稳态性能。
北 京 航 空 航 天 大 学 电子信息工程学院
6.1
二、频率响应
令 s j
频域测量基本概念
，可得系统或环节的频率特性代数形式：
6.2
频谱仪的基本原理及性能指标
一、基本原理
FFT滤波器
• 如果单纯为了测试精度而设置非常窄的分辨率带宽，则会造成无法容忍的长时间 扫描，因此在非常高的分辨率的情况下建议采用FFT滤波器，从时域特性计算频 谱，见下图。当采用FFT滤波器时，频率非常高的信号不能通过A/D直接采样，须 经过与本振混频变为中频并在时域对带通信号取样
6.2
频谱仪的基本原理及性能指标
一、基本原理
北 京 航 空 航 天 大 学 电子信息工程学院
6.2
频谱仪的基本原理及性能指标
一、基本原理
未经视频滤波
经过视频滤波
视频滤波器在包络检波器之后，视频滤波器决定了视频带宽，视频滤波 器是第一级低通设置，用于从视频信号中滤除噪声，平滑轨迹，从而使显示 结果稳定。和分辨率带宽类似，视频带宽也会限制最大允许扫描速度，要达 到最小的扫描时间需要增大视频带宽S/N比较低时，可以通过减小VBW来稳 定显示，弱信号会在频谱中突现出来并且稳定可再现。在测量正弦波信号时， 减小VBW，对电平无影响。
北 京 航 空 航 天 大 学 电子信息工程学院
6.1
三、频谱仪分类
频域测量基本概念
3. 矢量信号分析仪 (VSA)
像傅立叶分析仪那样对时域信号进行 数字化，但它在数字化之前通过下变频 器将功能扩展到了射频频率范围。它们 能够支持快速、高分辨率的频谱测量、 解调分析和高级时域分析，特别适于用 来测量诸如脉冲信号、瞬态信号或调制 信号等这些在通信、视频、广播、声波 导航和超声波成像等系统中使用的复杂 信号
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6.1
二、频率响应
令 s j
频域测量基本概念
，可得系统或环节的频率特性代数形式：
6.2
频谱仪的基本原理及性能指标
一、基本原理
FFT滤波器
• 如果单纯为了测试精度而设置非常窄的分辨率带宽，则会造成无法容忍的长时间 扫描，因此在非常高的分辨率的情况下建议采用FFT滤波器，从时域特性计算频 谱，见下图。当采用FFT滤波器时，频率非常高的信号不能通过A/D直接采样，须 经过与本振混频变为中频并在时域对带通信号取样
6.2
频谱仪的基本原理及性能指标
一、基本原理
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6.2
频谱仪的基本原理及性能指标
一、基本原理
未经视频滤波
经过视频滤波
视频滤波器在包络检波器之后，视频滤波器决定了视频带宽，视频滤波 器是第一级低通设置，用于从视频信号中滤除噪声，平滑轨迹，从而使显示 结果稳定。和分辨率带宽类似，视频带宽也会限制最大允许扫描速度，要达 到最小的扫描时间需要增大视频带宽S/N比较低时，可以通过减小VBW来稳 定显示，弱信号会在频谱中突现出来并且稳定可再现。在测量正弦波信号时， 减小VBW，对电平无影响。
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6.1
三、频谱仪分类
频域测量基本概念
3. 矢量信号分析仪 (VSA)
像傅立叶分析仪那样对时域信号进行 数字化，但它在数字化之前通过下变频 器将功能扩展到了射频频率范围。它们 能够支持快速、高分辨率的频谱测量、 解调分析和高级时域分析，特别适于用 来测量诸如脉冲信号、瞬态信号或调制 信号等这些在通信、视频、广播、声波 导航和超声波成像等系统中使用的复杂 信号
第六章 频域测量
图6.2.4（a）的等效电路 （ ）的等效电路
图6.2.4（a）是利用结电容组成的电容三点式扫 6.2.4（ 频振荡器。振荡频率受锯齿波电压的控制， 频振荡器。振荡频率受锯齿波电压的控制，可以产生 ∆f ≈±150MHz的频偏。 ≈±150MHz的频偏 的频偏。 自动电平控制电路用于引入负反馈， 自动电平控制电路用于引入负反馈，实现自动增 益调整，使扫频信号幅度稳定。 益调整，使扫频信号幅度稳定。 锯齿波电压发生器保证在调节扫频宽度时不引起 中心频率变化。 中心频率变化。这样屏幕上的曲线只有宽度变化而中 第9页 心位置基本不变。 心位置基本不变。
电子测量原理 6.1.2 扫频仪的关键部件
ω0
三点式振荡器LC调谐回路 三点式振荡器 调谐回路 变容指数1 变容指数1∼5 变容管结电容
u Cj min
特点： 特点：反压 越大PN PN结越 越大PN结越 宽电容越小
1 2π LCjQ
CjQ CjQ 归一化调 Cj = = n vΩ 制电压 (1+ )n (1+ x) 1 结电场 VB +V 中心频率 f0 = Q 0.6V
fi(MHz) 2.32 4.32 6.32 7.32 8.32 9.32 10.32 12.32 14.32 VO(V) 0.57 0.82 1.42 2.10 2.51 2.10 1.42 0.82 0.57
VO(V) 2.0 1.5 1.0 0.5 0
8.32 fo
缺点： 测量次数多2 缺点：1测量次数多2测量 时间长3 时间长3不能反映相邻点频 率突变的情况4若改变一个 率突变的情况4 元器件参数，又要重测一次。 元器件参数，又要重测一次。 所以点频测量法只适合 fi(MHz) 所以点频测量法只适合 第2页 要求不高的场合。 要求不高的场合。
频域测量
---------------相位---------------------------------------相差------。 A/D RAM FFT
快速傅立叶频谱仪的核心是以函数进行傅立叶变换的数学计算为 基础的计算机分析。因此需要使用高速数字计算机进行数字功率谱 的计算。根据抽样定理：最低取样速率应该大于或等于被取样信号 的最高频率的两倍。现代傅立叶频谱仪的工作频段一般在DC— 100KHz的低频段用。如HP3562A的分析频带为64Hz—100KHz， 国内永华厂的RE—201为20Hz—25KHz。 33
如何表示信号：
A T
A
f
时域表示法。
频域表示法。
如果不是正弦波？
矩形波、三角波、脉冲波等
30
下图是一个比单一正弦波更复杂，状态随时间变化的信号， A A
t
f1
频谱仪的分类：
2 f1 3 f1
f
按工作频率分：有低频频谱仪、射频频谱仪及微波频谱仪。 按频带宽度分：有宽频带频谱仪，窄带频谱仪。 按结构特点分：有台式、便携式、模块式。 按工作原理及被分析信号的特点分：实时频谱仪、扫描调谐型频谱
表示扫频振荡器的变容二极管的非线性程度，表现在刻度上是 刻度的非线性 f K 0 min
f1 f
f2 V1
K0 max
V2
vco最大控制灵敏度 K 0 max 线性系数 K0 min vco最小控制灵敏度
6 线性系数越接近1，压控曲线线性俞好
V
3、振幅平稳性
A1
A2
可用扫频信号的寄生调幅来表示
确的频率刻度线。只不过电平刻度是光点组成，而频率刻 度是垂直扫线组成。如要进一步较准则可用差频法产生菱 形频标。(图见P358)
快速傅立叶频谱仪的核心是以函数进行傅立叶变换的数学计算为 基础的计算机分析。因此需要使用高速数字计算机进行数字功率谱 的计算。根据抽样定理：最低取样速率应该大于或等于被取样信号 的最高频率的两倍。现代傅立叶频谱仪的工作频段一般在DC— 100KHz的低频段用。如HP3562A的分析频带为64Hz—100KHz， 国内永华厂的RE—201为20Hz—25KHz。 33
如何表示信号：
A T
A
f
时域表示法。
频域表示法。
如果不是正弦波？
矩形波、三角波、脉冲波等
30
下图是一个比单一正弦波更复杂，状态随时间变化的信号， A A
t
f1
频谱仪的分类：
2 f1 3 f1
f
按工作频率分：有低频频谱仪、射频频谱仪及微波频谱仪。 按频带宽度分：有宽频带频谱仪，窄带频谱仪。 按结构特点分：有台式、便携式、模块式。 按工作原理及被分析信号的特点分：实时频谱仪、扫描调谐型频谱
表示扫频振荡器的变容二极管的非线性程度，表现在刻度上是 刻度的非线性 f K 0 min
f1 f
f2 V1
K0 max
V2
vco最大控制灵敏度 K 0 max 线性系数 K0 min vco最小控制灵敏度
6 线性系数越接近1，压控曲线线性俞好
V
3、振幅平稳性
A1
A2
可用扫频信号的寄生调幅来表示
确的频率刻度线。只不过电平刻度是光点组成，而频率刻 度是垂直扫线组成。如要进一步较准则可用差频法产生菱 形频标。(图见P358)
第6章+频域测量new
由帕斯瓦尔公式得令????????dtjfpt2lim21???????????????tjfstp2lim1???????????则有??????dspp??????0功率密度谱简称功率谱表示单位频带内的功率非周期信号的频谱非周期信号的付氏变换付氏级数表示仅限于周期信号
第6章 频域测量
6.1 概述 6.2 频谱仪的工作原理 6.3 信号失真度测量 6.4 线性系统频率特性的测量
：其反变换或逆变换为：
f(t)21
F(j
)ejt
非周期信号的频谱特性
频谱密度函数F (jω)是ω的连续函数，即非周期信号的频谱
是连续的。
当f (t)为实函数时，有F(jω) = F*(-jω) 。且频谱的实部 R(ω)是偶函数、虚部X(ω)是奇函数；
当f (t)为虚函数时，有F(jω) = -F*(-jω) 。且R(ω)是奇 函数、X(ω)是偶函数；
在T1＝T0/4、T1＝T0/8、T1＝T0/16情况下的方波频谱图如下：
cn T1=T0 /4
T1=T0/8 T1=T0/16
- w00 w0 cn
- w00 w0 cn
- w00 w 0
nw0 nw0
nw0
时域分析是研究信号的瞬时幅度u与时间t的关系， 而频域分析是研究信号中各频率分量的幅值A与频率f 的关系。在图6-1中反映了一个由基波和二次谐波合成
档级滤波式频谱仪
2．并行滤波式频谱仪
在这种频谱仪中，信号同时加到多个滤波器上， 各个频率被同时测量。它与档级滤波式频谱仪的区别 在于：在每个滤波器之后都带有自己的检波器，这样 就省去了在切换滤波通道后都要等待检波部分重新建 立的时间，以满足实时分析的需要。配上一个电子扫 描开关，对每一通道的检波结果进行一次巡检，即可 获得信号频谱。这样能以非常快的速度在CRT上刷新 频谱，其方框图见下图：
第6章 频域测量
6.1 概述 6.2 频谱仪的工作原理 6.3 信号失真度测量 6.4 线性系统频率特性的测量
：其反变换或逆变换为：
f(t)21
F(j
)ejt
非周期信号的频谱特性
频谱密度函数F (jω)是ω的连续函数，即非周期信号的频谱
是连续的。
当f (t)为实函数时，有F(jω) = F*(-jω) 。且频谱的实部 R(ω)是偶函数、虚部X(ω)是奇函数；
当f (t)为虚函数时，有F(jω) = -F*(-jω) 。且R(ω)是奇 函数、X(ω)是偶函数；
在T1＝T0/4、T1＝T0/8、T1＝T0/16情况下的方波频谱图如下：
cn T1=T0 /4
T1=T0/8 T1=T0/16
- w00 w0 cn
- w00 w0 cn
- w00 w 0
nw0 nw0
nw0
时域分析是研究信号的瞬时幅度u与时间t的关系， 而频域分析是研究信号中各频率分量的幅值A与频率f 的关系。在图6-1中反映了一个由基波和二次谐波合成
档级滤波式频谱仪
2．并行滤波式频谱仪
在这种频谱仪中，信号同时加到多个滤波器上， 各个频率被同时测量。它与档级滤波式频谱仪的区别 在于：在每个滤波器之后都带有自己的检波器，这样 就省去了在切换滤波通道后都要等待检波部分重新建 立的时间，以满足实时分析的需要。配上一个电子扫 描开关，对每一通道的检波结果进行一次巡检，即可 获得信号频谱。这样能以非常快的速度在CRT上刷新 频谱，其方框图见下图：
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基波和谐波分量与扫 频信号一起进入频标 混频器进行混频
滤去差频信 号中的高频 成分
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点4.扫频仪工作原理
当扫频信号的频率f向频标频率fs接近时，差 频越来越小，当f正好等于fs时，混频器产生 零差频（零拍），当f逐渐离开fs时，差频从 零开始越来越大；
差频信号经低通滤波及放大后形成菱形图形， 与图形叠加，这就是菱形频标。
时域分析与频域分析之间有一定的对应关系， 从数学上说就是一对付里叶变换的关系。
任务1：时域测量和频域测量的比较. 要点4.时域和频域测量两者的优缺点
当需要研究波形严重失真的原因时，时域测 量有明显的优点。
如在频谱分析仪观察到两个信号频谱图相同， 但由于两个信号的基波、谐波之间的相位不 同，在示波器上观察这两个信号的波形可能 就不大一样。
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点4.扫频仪工作原理
图中，VT1组成电容三点式振荡电路；Ｖ2、Ｖ3为变容管，它们
与Ｌ1、Ｌ2及ＶT1的结电容构成振荡回路，振荡频
率
；
变容管扫频通过电压控制来实现，是一个压控振荡器。
Ｃ1为隔直电容； Ｌ2为高频阻流圈
随时间作周期性 变化时，Ｖ2、 Ｖ3结电容的反 向偏压u随之变 化， Cj也随之 改变，振荡频率
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点5.扫频信号主要特性
扫频信号的中心频率f0定义为 扫频信号中心频率f0的最大调节范围，
称为扫频范围。 频率覆盖范围也可用相对值来表示，如下
频偏Δfmax与中心频率f0可以比拟的扫频称为 宽带扫频，频偏Δfmax远小于中心频率f0时则 称为窄带扫频。
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点5.扫频信号主要特性
3.频谱图：将信号中所包含的频率分量按频 率顺序排列起来的谱图。一般只考虑其幅度 大小，故频谱图通常又称为幅度频谱，简称
任务1：时域测量和频域测量的比较. 要点3.时域和频域之间的联系
为幅频特性。
4.比较U ( t )和A(ω) 这两个图形可见，时域 分析和频域分析都可用来观察同一个电信号， 而两者的图形是不一样的。
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点3.扫频法
⑵优点和缺点
扫频测量法简单、速度快，可以实现频率特 性测量的自动化。
由于扫频信号的频率变化是连续，不会象点 频法由于测量的频率点不够密而遗漏某些被 测特性的细节。
反映的是被测网络的动态特性。
测量的准确度比点频法低。
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点4.扫频仪工作原理
频率特性测试仪，简称扫频仪，是利用示波 管直接显示被测二端网络频率特性曲线的仪 器，是描绘表征网络传递函数的仪器。
它是在静态逐点测量法的基础上发展起来的 一种快速、简便、实时、动态、多参数、直 观的测量仪器，广泛地应用于电子工程等领 域。
任务2：频率特性测试仪(扫频仪)
减少寄生调 幅路简称为频标电路
其作用是产生具有频率标志的图形，叠加在 幅频特性曲线上，对图形的频率轴进行定量， 可以用来确定曲线上各点相应的频率值。
频标的产生方法通常是差频法。
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点4.扫频仪工作原理
频标产生方法：
晶体振荡器产生的信 号经谐波发生器产生 出一系列的谐波分量
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点3.扫频法
扫频信号经过被测网络后，幅度按照被测网 络的幅频特性做相应变化，如上图中的波形 ④，这个包络线的形状就是被测网络的幅频 特性。
最后经过Ｙ通道放大，加到示波管Ｙ偏转系 统。
示波管的水平扫描电压用于调制扫频信号发 生器形成扫频信号。示波管屏幕光点的水平 移动，与扫频信号频率随时间的变化规律完 全一致，所以水平轴也就是频率轴。
式中，ma为寄生调幅系数。 通常要求它小于某一百分数。 扫频宽度越宽，非线性越大。 为改善振幅平稳性，故采用稳幅电路。
任务3：频域测量常用仪器2 频谱分析仪
本任务中掌握以下要点： ㈠ 频谱分析仪的用途； ㈡ 频谱分析仪的基本工作原理； ㈢ 频谱分析仪的主要技术指标。
任务3：频谱分析仪
任务2：扫频仪 要点4.扫频仪工作原理
图中Ｍ为普通磁性材料，m 为高导磁率、低损耗的高频
Ｗ2为偏磁线圈，在Ｍ 及m中建立直流磁通， 它与m的μc有关，调 节RP可以改变ＬＣ的大 小，可以改变扫频振
荡器的中心频率f0 。
铁氧体磁芯，Ｍ与m构成闭
合磁路。Ｗ1为励磁线圈，
通过调制电流时，
将使Ｍ中的磁通随 之变化，磁芯m的 有效导磁系数μc变 化，从而导致磁芯
2.频率特性测试仪和频谱分析仪是频域测量 的重要仪器，可观察微小失真的信号。
在频域内对元器件、 电路或系统的特性 进行动态测量，显 示频率特性曲线.
可对信号的频 谱进行分析， 显示信号的频 谱分布图。
任务2：频域测量常用仪器1 频率特性测试仪(扫频仪)
本任务中掌握以下要点：
㈠什么是频率特性？什么是扫频法？
⑴原理图
频率和电压幅度均 可调整的正弦信号
网络 输入 端的 电压 幅度
网络输出端的 电压幅度指示 器
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点2.点频法
⑵测量方法：
在被测网络整个工作频段内，改变输入信号 的频率，注意在改变输入信号频率的同时， 保持输入电压的幅度恒定（用电压表I来监 视），在被测网络输出端用电压表II测出各频 率点相应的输出电压。
㈡频率特性测试的两种常用方法：点频 法和扫频法，并掌握两者的区别和各自 的优点和缺点；
㈢频率特性测试仪的基本原理，其中扫 频信号如何产生是难点；
㈣扫频信号有哪些特性？
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点1.频率特性与扫频信号
在电路的设计或产品的生产、调试中，经常 需要了解某个网络的频率特性（通常指幅频 特性）。
如下图所示，方波与正弦波皆为时域测量显 示波形。
任务1：时域测量和频域测量的比较. 要点2.频域测量
从一个电信号所包含的频率成分，即信号的 频谱分布来描述，即以频率f作为水平轴，称 为信号的频域分析或频谱分析。
任务1：时域测量和频域测量的比较. 要点2.频域测量
广义上，信号频谱是指组成信号的全部频率 分量的总集；
在f=fs附近的差频信号波形中间 疏，两边密，其包络如一个菱形； 改变fs，频标将在图形上移动， 它停留的这一点的频率值可以直 接读出。
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点5.扫频信号主要特性
1.有效扫频宽度Δf 在扫频线性和振幅平稳性符合要求的条件下，
一次扫频最大的频率覆盖范围。
式中，fmin 扫频的最低频率； fmax 扫频的最高频率； Δfmax 频偏。
网络的幅频特性是指当网络的输入电压恒定 时，其输出电压随频率变化的关系特性。
2.幅度恒定且频率随时间按一定规律反复变化 的正弦信号，通常称为扫频信号 。
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点2.点频法
点频法就是通过逐点测量一系列规定频率点
上的网络增益（或衰减）来确定幅频特性曲
线的方法。
输入信号源，提供
频谱分析仪是指用于显示输入信号的功率 （或幅度）对频率分布的仪器，简称频谱仪。
频谱仪用于分析重复波形的特性，可显示信 号的全部频率成分。
频谱仪主要用于研究稳态信号，即把连续信 号分解成各个正弦分量并以f/V图形显示出来。 可对电信号和电路的频率、电平、调制度、 调制失真、频偏、互调失真、带宽、窄带噪 声、增益、衰减等多种参数进行测量。
直角坐标中，以横轴表示频率的变化，以纵 轴表示输出电压幅度的变化，绘出网络的幅 频特性曲线。
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点2.点频法
⑶优缺点：
点频法是一种静态测量法，它的测量准确度 比较高，能反映出被测网络的静态特性；
测量时不需要特殊仪器；
缺点：操作繁琐、工作量大、容易漏测某些 细节，不能反映出被测网络的动态特性。
2.扫频线性
用线性系数来表征，表示扫频振荡器的 压控特性曲线的非线性程度。
线性系数K 越接近1，则 压控特性曲 线的线性越好。
VCO最大控制 灵敏度，即f-u 曲线最大斜率
VCO最小控 制灵敏度
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点5.扫频信号主要特性
3.振幅平稳性 用扫频信号的寄生调幅来表示，如图。
狭义上，一般的频谱测量中常将随频率变化 的幅度谱称为频谱。
频谱测量：在频域内测量信号的各频率分量， 以获得信号的多种参数。频谱测量的基础是 付里叶变换。
任务1：时域测量和频域测量的比较. 要点2.频域测量
频谱的两种基本类型
离散频谱（线状谱），各条谱线分别代表 某个频率分量的幅度，每两条谱线之间的 间隔相等
第五章 频域测量
目的与要求：频域测量是对信 号进行频谱分析，能提供在时 域测量中所不能得到的独特信 息。本章要求掌握频率特性测 试仪和频谱分析仪的基本工作
原理及使用方法。
任务1：时域测量和频域测量的比较. 要点1.时域测量
观察一个电信号的普通方法是显示信号波形， 即以时间t为水平轴，是在时间域内观察信号， 称为信号的时域分析。
然而，频域测量也有特点，例如一个失真很 小的正弦波，利用示波器观测就很难看出来， 但频谱分析仪却能测出很小的谐波分量。
任务1：时域测量和频域测量的比较. 要点5. 时域和频域测量各适用的场合
1.时域测量常用仪器为示波器、图示仪等， 用来测量波形的参数，如幅度值、周期、频 率、相位差等也十分方便。
线圈的电感量ＬＣ 变化，从而产生扫 频信号。
ＬＣ ＝μcＬ
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点4.扫频仪工作原理
磁调制扫频的特点是电路简单，并能在寄生 调幅较小的条件下获得较大的扫频宽度。
这种扫频方法获得广泛应用，国产扫频仪BT －3、BT－5、BT－8等都采用磁调制扫频振 荡器。
任务2：频率特性测试仪(扫频仪) 要点4.扫频仪工作原理