频域测量

(3)中频滤波器：这是频谱分析仪中的关键部分，其功能是分辨不同频率信号。 中频滤波器的带宽和形状将影响频谱仪的许多关键指标，例如测量分辨率、测量 灵敏度、测量速度以及测量精度等。
(4)检波器：检波器的功能是将输入信号转换为视频电压，该电压值对应输入 信号功率。不同特性的输入信号(例如正弦信号、噪音信号、随机调制信号等)需采 用不同检波方式才能准确地测出该信号功率。
3)稳幅电路 稳幅电路的作用是减少寄生调幅。 扫频振荡器在产生扫频信号的过程中，都会不同程度地改变着振荡回路的Q值，从而 使振荡幅度随调制信号的变化而变化，即产生了寄生调幅。抑制寄生调幅的方法很多， 最常用的方法是从扫频振荡器的输出信号中取出寄生调幅分量并加以放大，再反馈到扫 频振荡器去控制振荡管的工作点或工作电压，使扫频信号的振幅恒定。 4)输出衰减器 输出衰减器用于改变扫频信号的输出幅度。 在扫频仪中，衰减器通常有两组：一组为粗衰减，一般是按每挡10dB或20dB步进衰 减；另一组为细衰减，按每挡1dB或2dB步进衰减。多数扫频仪的输出衰减量可达100dB。
扫频式频谱分析仪可以分析稳定和周期变化的信号，提供信号幅度和频率信息，适 合宽频带宽的快速扫描测试。
6.3.2 扫频式频谱分析仪的结构及工作原理 1.扫频式频谱分析仪工作原理 扫描调谐频谱分析中采用超外差方式，能提供宽的频率覆盖范围，同时允许在
中频(IF)进行信号处理。分析仪的原理框图如图6.9所示。
图6.7 针形频标的形成 图6.8 针形频标
2. 主要技术指标

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） 有效扫频宽度和中心频率

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，即
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。

中心频率定义为

f0
fmax 2
f m in
而把Δf/f0f称为2相 f对ma扫x 频fm宽in度，即
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号称为宽带扫频。
2） 扫频线性
当两者的频率越接近时，混频器输出差频越小。 差频信号经低通滤波器滤去高频成分后，在Y轴放大器中与图形信号叠加，这样，在
被测电路的幅频特性曲线上形成菱形图形，如图6.6所示，这就是菱形频标。测量者利用 频标可对图形的频率轴进行定量分析。
图6.5 产生频标的原理框图 图6.6 叠加在曲线上的菱形频标
差频法所产生的菱形频标适用于测量高频电路，因为菱形频标具有一定的宽度，所 以，只有菱形频标在被测幅频特性曲线上所占有的相对带宽很窄，才能形成一个很细的 频标。
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
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，频 如率 图6.1所示。

频域
电压
时域
图6.1 信号的三维特性
时间
6.1.2 频域测量的分类
示波管的水平扫描电压同时又用于调制扫频信号发生器，形成扫频信号。因此，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，所以水平轴也就变 换成频率轴。也就是说，在屏幕上显示的图形是被测网络的幅频特性曲线。

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
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。
2.扫频式频谱分析仪的主要组成部分 (1)输入衰减器：频谱仪中的第一级处理的功能是保证频谱仪在宽频范围内保 持良好的匹配特性，并保护混频及其它中频处理电路。频谱仪工作时，中频放大 器增益和衰减器设定值联动工作，所以输入信号的显示电平并不发生变化。 (2)混频器：完成信号的频谱搬移，将不同频率输入信号变换到相应的中频频 率。在变频处理中需要采取一定的手段解决镜像及其它干扰问题。
图6.3扫频法测量幅频特性
扫描电路产生线性良好的锯齿波电压，如图6.3(b)中的波形①。这个锯齿波电压一 方面加到扫频振荡器中对其振荡频率进行调制，使其输出信号的瞬时频率在一定的频率 范围内由低到高作线性变化，但其幅度不变，这就是前述的扫频信号；另一方面，该锯 齿波电压通过放大，加到示波管X偏转系统，配合Y偏转信号来显示图形。
络的输出电压。检波探头与示波器的衰减探头外形相似(体积稍大)，但电路结构和作用不 同，它内藏二极管检波电路，起包络检波作用。
扫频仪有一个输出端口和一个输入端口：输出端口输出等幅扫频信号，作为被测网 络的输入测试信号；输入端口接收被测网络经检波后的输出信号。
测试时扫频仪与被测网络构成了闭合回路。
图6.4 扫频仪的组成框图
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。
1.频率特性测试仪的基本组成和工作原理 扫频仪的内部电路组成如图6.4中的虚线框内的电路所示。 检波探头(检波器，扫频仪附件)是扫频仪外部的一个电路部件，用于直接探测被测网
2.频标电路 频率标志电路简称为频标电路，其作用是产生具有频率标志的图形，将其叠加在幅
频特性曲线上，以便读出曲线上各点相应的频率值。 频标的产生方法通常是差频法，其原理框图如图6.5所示。 晶体振荡器产生的基准频率信号经谐波发生器后产生出一系列的谐波分量，这些基
波和谐波分量与扫频信号一起进入频标混频器进行混频。 当扫频信号的频率正好等于基波或某次谐波的频率时，混频器产生零差频(零拍)；
因此，在低频测量中差频法受到限制。为了提高低频测量时频标的分辨力，可以不 直接把差频信号波形叠加在图形信号上，而利用菱形的差频信号去触发一个单稳态触发 器(见图6.7)，将其输出的窄脉冲在Y放大器中与图形信号叠加。这样，一个个窄脉冲波形 将出现在被测幅频特性曲线上，形似一根根细针，称为针形频标，如图6.8所示。
通过图6.9可以看到这种频谱仪主要由外差式接收机和示波器组成。输入信号 进入频谱仪以后与本振(LO)混频，该本振要受到锯齿波扫描电压的调制(调频)，当 本地振荡器的频率fL(t)在一定范围内扫动时，输入信号中的各频率分量fc1、fc2…和 本振信号在混频器中产生的差频信号fI1、fI2、…依次落入中频放大器的通频带内(这 个通频带是固定的)获得中频增益后，信号送到检波器，检波器输出的视频信号通 过放大、采样、数字化后决定CRT显示信号的垂直电平。扫描振荡器控制CRT显 示的水平频率轴和本振调谐同步，同时驱动水平CRT偏转和调谐本振(LO)。由于 示波器的扫描电压就是扫频振荡器的调制电压，所以水平轴变成频率轴，因而在 屏幕上显示被测信号的频谱图。
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)。 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。
从测量原理上讲，网络的频率特性测量主要有点频测量法和扫频测量法两种。
1．点频测量法 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，其原理如图6.2所示。 正弦波信号发生器作为网络输入的信号源，提供频率和电压 幅度均可调整的正弦信号； 电压表Ⅰ作为网络输入端的电压幅度指示器； 电压表Ⅱ作 为网络输出端的电压幅度指示器。 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，做好记录。然后在直角坐标中，以横轴表示频率的变化，以纵轴表 示输出电压幅度的变化，连接各点，就描绘出网络的幅频特性曲线。
图6.2点频法测量幅频特性
点频法是一种静态测量法，它的测量准确度较高，能反映出被测网络的静态特 性，测量时不需要特殊仪器，是工程技术人员在没有频率特性测试仪的条件下，进 行科学研究和实验的基本方法之一。这种方法的缺点是操作繁琐，工作量大，容 易漏测某些细节，又不能反映出被测网络的动态特性。
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。

扫频线性表示扫频信号频率与扫描电压之
间义为线性相关的k程 度((ddf，f // d常duu)用)mmai扫nx 频线性系数来表示，定
3）
幅度不平坦性
m

A
B
100%

在幅频特性测A 量B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
6.3 频谱分析仪概述
6.3.1 频谱分析仪的种类 信号的测量可以从频域和时间域两个方面进行，频谱分析仪就是进行信号频域测量即
频谱分析的设备。 频谱分析仪从频谱测试的实现技术上区分为两类：快速傅里叶变换(FFT)频谱分析仪
和扫频式频谱分析仪。 FFT分析仪使用数值计算的方法处理周期信号，可提供频率、幅度和相位信息，对周
期信号和非周期信号均能分析。FFT分析仪的特点是速度快，精度高；局限性是其分析频 率的带宽受到模/数转换器(ADC)采样速率的限制，所以适合分析窄带信号。
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。

（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
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

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。
（3） 频谱分析：
ห้องสมุดไป่ตู้

用频谱分析仪分析信号中所含的各个频率
1)扫描电路 扫描电路用于产生扫频振荡器所需的调制信号及示波管所需的扫描信号。 扫描电路的输出信号可以是锯齿波信号，也可以是正弦波或三角波信号。这 些信号一般是由50Hz市电通过降压之后获得，或由其它正弦信号经过限幅、整形、 放大及积分之后得到。这样设计的目的是为了简化仪器的电路结构，降低造价。 由于调制信号与扫描信号的波形相同，因此，这样设计并不会使所显示的幅频特 性曲线失真。 2)扫频振荡器 扫频振荡器的作用是产生等幅的扫频信号，即频率随时间线性变化的等幅信 号。在目前的扫频仪中，扫频振荡器通常采用变容二极管扫频振荡器或者磁调制 扫频振荡器。
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
6.2 线性系统频率特性测量