北交电子测量大作业

电子测量技术大作业
实验题目：6-14&7-14
学院：电子信息工程学院专业：自动化
学号：
姓名：—
指导老师：赵会兵
电子测量大作业
6-14.在Multisim 环境下，基于Tektronix TDS204 虚拟示波器设计一种时域反射计，给出电路原理图和实验仿真结果。

(本题设计以时域反射计测量阻抗为例)
一. 时域反射计简介
早在60年代就产生了时域反射计TDR( Time-Domain
Reflectometry )技术。

该技术包括产生沿传输线传播的时间阶跃电压。

用示波器检测来自阻抗的反射，测量输入电压与反射电压比，从而计算不连续的阻抗。

时域反射计(TDR)用来测量信号在通过某类传输环境传导时引起的反射，如电路板轨迹、电缆、连接器等等。

TDF仪器通过介质发送
一个脉冲，把来自“未知”传输环境的反射与标准阻抗生成的反射进行比较。

TDR显示了在沿着一条传输线传播快速阶跃信号时返回的电压波形。

波形结果是入射阶跃和阶跃遇到阻抗偏差时产生的反射的组合。

传统TDR可作为定性工具使用，下面列出影响其精度和实用性的限制：
1.有限的上升时间
2.采样示波器的同步抖动
3.差的信噪比
4.大的阶跃电压会损坏有源器件
5.需要直流通路
二. 时域反射计(TDR)原理
时域反射计TDR是最常用的测量传输线特征阻抗的仪器，它是禾U 用时域反射的原理进行特性阻抗的测量。

盼跃信号吹百;200 250 kHz庁垃
上升沿时间七35 D5
图1 TDR原理图
三.时域反射计(TDR)组成
(1)快
沿信号发生器：典型的发射信号的特征
是：幅度
200mv上升时间35ps,频率250kHz方波。

(2)采样示波器：通用的采样示波器;
(3)探头系统：连接被测件和TDF仪器
四.仿真与结果
仿真：
倍输被测系统
阶趺信号发宅器
E,
Jl示波器显示
when E
r
/
图2 时域反射计仿真电路
设计初值:
图3 信号发生器设置选项
图4 信号发生器上升沿时间设置
图5 示波器仿真显示结果
在图5中，第一条黄线为终端开路（反射系数为 1）时的结果; 第二条蓝线为终端有负载阻抗时的结果；第三条为终端短路（反射系 数为-1 ）时的结果
TDR 测试信号理论运行特征图:
计算被测传输线特征阻抗的计算:
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TDR 显承結果
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P= j7 反射系敌讨算
负裁阻抗是多少？
TDRSg^根据公式自动计算出结果
7-14 .查阅网络分析仪的技术资料，说明网络分析仪的功能和基本原理，比较网络分析仪与频谱分析仪的异同点。

一、基本功能
网络分析仪是测量网络参数的一种新型仪器，可直接测量有源或无源、可逆或不可逆的双口和单口网络的复数散射参数，并以扫频方式给出各散射参数的幅度、相位频率特性。

自动网络分析仪能对测网络分析仪的网络是指一组内部相互关联的电子元器件。

网络分析仪的功能之一是量化两个射频元件间的阻抗不匹配，最大限度地提高功率效率和信号的完整性。

每当射频信号由一个元件进入另一个时，总会有一部分信号被反射，而另一部分被传输。

网络分析仪产生一个正弦信号，通常是一个扫频信号。

有响应时，会传输并且反射入射信号。

传输和反射信号的强度通常随着入射信号的频率发
生变化。

网络分析仪可以分为标量（只包含幅度信息）和矢量（包含幅度和相位信息）两种分析仪。

近年来矢量网络分析仪由于其较低的成本和高效的制造技术，流行度超过了标量网络分析仪。

二、基本原理：
（1）网络分析仪的基本结构
网络分析仪主要包括合成信号源、S参数测试装置、幅相接收机和显示部分。

网络分析仪的基本结构如下图所示：
合成信号源由3〜6GHz YIG振荡器、3.8GHz介质振荡器、源模块组件、时钟参考和小数环组成。

一次能够产生30k〜6GHz的信号, 此信号与幅相接收机中心频率相同，可以实现同步扫描。

幅相接收机由取样/混频器、中频处理和数字信号处理等部分组成，用于信号的下边频及中频数字信号处理。

幅相接收机将射频信号转换成频率固定的中频信号，为了真实测量出被测网络的幅度特性、相位特性，要求在频率变换过程中，被测信号幅度信息和相位信息都不能丢失，因此必须采用系统锁相技术。

显示部分由图形处理器、高亮度LCD显示器、逆变器组成，用于将测量结果以各种形式显示出来。

（2）网络分析仪的误差分析
网络分析仪需要测量的的S参数只有在完全匹配的系统中测量时，测
量结果才准确。

但是在在网络分析仪中，既使用了无源器件（如微波开关、功率分配器、定向耦合器、衰减器等），又使用了有源器件（如接收机、微波信号源）。

它们的性能通常并不理想，例如它们的端口阻抗有一定的失配，对信号的传输有一定的衰减和相移，定向耦合器的隔离度也不是无限大等。

使用数学方法分析网络分析仪以及测试装置不理想引起的系统误差，通过实验方法确定其数值，并利用计算机自动修正，对精密测量网络参数和校准网络分析仪有重要科学意义和实用价值。

网络分析仪在测量过程中主要包括以下几项误差：
（1）失配误差：是指从被测件的两个测试端口分别看向系统时的失配误差；
（2）方向性误差：主要由定向耦合器的方向性引起的测量误差；
（3）频率响应误差：由两个通道的耦合度频率响应和压控振荡器幅相频率响应不同而引起的测量误差；
（4）泄漏误差：微波信号未经过被测件直接进入接收机所引起的测量误差；
上述各项误差源中，前四项属于系统误差，第五项属于随机误差，而最后三项属于固有误差。

固有误差一般不便于采用数学分析进行修正，而随机误差可以通过多次测量取平均值的方法来减小。

因此在使
用网络分析仪之前一定要对前四项系统误差进行校正，来提高测量精
度。

使用网络分析仪时还要对它进行误差修正，是因为网络分析仪的测量
准确度受外部因素的影响较大，误差修正可以提高测量准确度。

误差修正是对已知校准标准进行测量，将这些测量结果贮存到分析仪的存储器内，利用这些数据来计算误差模型，然后，利用误差模型从后续测量中去除系统误差的影响。

但是要注意误差修正只对特定的激励状态有效，而且当更改仪器的以下设置，将使误差修正无效或降低：频率范围、系统带宽、输出功率、扫描点数、扫描类型、扫描时间。

三、网络分析仪与频谱分析仪的异同点
网络分析仪与频谱分析它们都是分析信号的频域特性和时域特性的性能参数。

频谱分析仪主要有两种结构：扫频式的和FFT由于FFT结构存在测量频率的限制，一般只用于低频，而扫频式的广泛应用与射频和微波领域扫频，一般的频谱分析仪，后端对接收信号进行AD采集，然后用DSP处理后，可以达到VSA（矢量信号分析仪）的功能。

网络分析仪能同时测量得到传输、反射幅度和相位信息，网络分析仪里面有自己的信号源，接收机，但是如果把它理解成一个信号源和一台频谱仪的综合，那是有问题的，因为目前标准的网络分析仪只能测量线性参数，它是同频扫描的。

对于频谱分析和电磁干扰测量来说，频谱分析仪能够接收到极微弱的信号和分辨出两个幅度相差很大的信号。

频谱分析仪的缺点是只能显示频率分量的幅值，而不能获得信号的相位，对于某些通信元器件和通信链路，幅值和相位必须能够同时测量出来，而网络分析仪能够测量信号的相位信息。

为了扩大基于FFT的频谱分析仪的频率范围可在前端增加下变频器，同样原理可用于矢量信号分析仪，它是传统频谱分析仪与FFR分析仪的结合，从而
获得在高频和射频频率下的FFT分析能力，同时显示幅度和相位信息，这对于现代通信的数字调制分析,以及调幅/调频/调相的解调来说都是非常有效的手段。