第6章 频域测量
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频域测量
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图6-10 叠加在曲线上的频标图
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6.2.3 BT-3频率特性测试仪 BT-3型频率特性测试仪采用晶体管和集 成电路，功耗低、体积小、重量轻、输出电压 高、寄生调幅小、扫频非线性系数小、衰减器 精度高、频谱纯度好、显示灵敏度高，主要用 来测定无线电电路的频率特性。
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图6-5 扫频信号发生器组成框图
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6.2.2.1 扫描发生器 扫描发生器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有时不 是锯齿波信号，而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，或由其他正弦 号经过限幅、整形、放大及积分之后得到。 6.2.2.2 扫频振荡器 扫频振荡器是扫频信号发生器的核心部分，它的 作用是产生等幅的扫频信号。 通常采用以下两种电路 形式。 （1）变容二极管扫频振荡器 变容管扫频振荡器的 原理如图6-6所示。
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6.2 频率特性测试仪
6.2.1 频率特性的测量方法 (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。测量方法是：在被测网络整个工作频段内， 改变信号发生器输入网络的信号频率，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，并做好测量数据的记录。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
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6.2.4 扫频仪的应用 6.2.4.1 使用前的检查 （1）检查示波器部分 检查项目有辉度、聚焦、垂直位移和水平 宽度等。首先接通电源，预热几分钟，调 节“辉度、聚焦、Y轴位移”，使屏幕上显 示度适中，细而清晰，可上下移动的扫描 基线。
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。
频域测量的概念
4）附件 扫频仪随机带有两条输出电缆（即两个输出探头）和两 条输入电缆（即两个输入探头），输出探头有开路探头 和匹配探头，输入探头有检波探头和非检波探头。
根据被测电路的输入阻抗和电路的功能选择探头。
5.4 频率特性测试仪的性能指标
5.4 频率特性测试仪的性能指标
1. 有效扫频宽度 有效扫频宽度指扫频源输出的扫频线性和振幅平稳性均
符合要求的最大频率覆盖范围。即
△f=fmax–fmin
扫频信号中心频率是指扫频信号从低频到高频之间中 心位置的频率，定义为ຫໍສະໝຸດ f0 fmax 2
f m in
5.4 频率特性测试仪的性能指标
2. 扫频线性 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，用线性系数k表征，即
式中， 为扫频信号频率与扫描电压曲线的最 大斜率， 为曲线的最小斜率。
扫频信号发生器由扫频振荡器、稳幅电路、 输出衰减器组成
5.3 频率特性测试仪的组成与工作原理
2）频标产生电路 频率标志电路即频标电路，其作用是在显示的幅频特性 曲线上，叠加频率标志，以便在水平轴上得到更精确的 频率读数。常见的内频标有菱形频标和针形频标两种。
（1）菱形频标 常见的菱形频标利用差频法产生 。
5.5 频率特性测试仪的应用
2. 电路参数的测量
（1）增益测量 直接连接检波器探头与扫频仪输出端，将输出衰
减旋钮至0dB位置，调节扫频仪使其显示扫描矩形框， 设所显示的幅频高度为H。
接着将扫频输出电缆连接到被测电路输入端，将 检波探头连接到被测电路输出端，调节除Y衰减外的 旋钮，使屏幕上显示被测电路幅频特性曲线，调节Y 衰减旋钮将幅频特性曲线最大高度降到H,此时衰减旋 钮的衰减量，即为增益。
5.3 频率特性测试仪的组成与工作原理
根据被测电路的输入阻抗和电路的功能选择探头。
5.4 频率特性测试仪的性能指标
5.4 频率特性测试仪的性能指标
1. 有效扫频宽度 有效扫频宽度指扫频源输出的扫频线性和振幅平稳性均
符合要求的最大频率覆盖范围。即
△f=fmax–fmin
扫频信号中心频率是指扫频信号从低频到高频之间中 心位置的频率，定义为ຫໍສະໝຸດ f0 fmax 2
f m in
5.4 频率特性测试仪的性能指标
2. 扫频线性 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，用线性系数k表征，即
式中， 为扫频信号频率与扫描电压曲线的最 大斜率， 为曲线的最小斜率。
扫频信号发生器由扫频振荡器、稳幅电路、 输出衰减器组成
5.3 频率特性测试仪的组成与工作原理
2）频标产生电路 频率标志电路即频标电路，其作用是在显示的幅频特性 曲线上，叠加频率标志，以便在水平轴上得到更精确的 频率读数。常见的内频标有菱形频标和针形频标两种。
（1）菱形频标 常见的菱形频标利用差频法产生 。
5.5 频率特性测试仪的应用
2. 电路参数的测量
（1）增益测量 直接连接检波器探头与扫频仪输出端，将输出衰
减旋钮至0dB位置，调节扫频仪使其显示扫描矩形框， 设所显示的幅频高度为H。
接着将扫频输出电缆连接到被测电路输入端，将 检波探头连接到被测电路输出端，调节除Y衰减外的 旋钮，使屏幕上显示被测电路幅频特性曲线，调节Y 衰减旋钮将幅频特性曲线最大高度降到H,此时衰减旋 钮的衰减量，即为增益。
5.3 频率特性测试仪的组成与工作原理
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
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：
频域测量
(2) 显示平均噪声电平
在最小分辨率带宽和最小输入衰减的情况下，充分降低视 频带宽以减小峰-峰值噪声波动之后，在频谱分析仪显示器上 观察到的噪声电平。
(3) 视频滤波器和视频平均
视频滤波器是在包络检波器之后，设计为一种截止频率可 变的低通滤波器。视频平均是在多次扫描期间逐点进行的平均。
(4) 动态范围
6.7.2 频谱分析仪的分类
频谱分析仪按其工作原理分为实时频谱分析 仪和非实时频谱分析仪两大类。 实时频谱分析仪能同时观测显示其规定频率 范围内的所有频率分量，而且保持两个信号间的 时间关系。 按工作原理又可分为多通道（信道）滤波式、 时基压缩式、扫频超外差式、相关存储滤波式、 快速傅里叶变换（FFT）式等。
第7 章
频域测量
7.1 扫频仪概述
扫频仪，又称频率特性测试仪，用来测定各种有源、 无源二端口和四端口网络（如调频放大器、宽频 放大器、各种滤波器、鉴频器、雷达等）的传输 特性、阻抗特性和反射特性等。
也能方便地测定网络的幅频特性、相频特性和延迟 特性，以及输出电平、通带、增益、衰减、介电 常数和反射损耗等参数。
2. 显示系统的构成及功能 对于显示系统而言，主要的要求有两点：轨迹 明亮而清晰，在不失真的前提下要有足够高的增益。 显示系统主要由斜波电压发生器，X、Y轴通道 放大器及示波管等电路构成。
7.2.2 单元电路工作原理
1.扫频单元 扫频信号是由固频振荡和扫频振荡在混频器里经 差频的方法获得的。差频方法可使中心频率获得很大 的覆盖比和有可能实现全频段扫频。
2. 产生多个频标的工作原理 以10MHz通用频标为例来说明获得多个频标的 工作原理。(多了谐波发生器)
10MHz频标
3. 频标单元电路分析
第6章 频域测量
– 有效扫频宽度
f 2 f2 f1
f0
f2 f1
f0：扫频输出中心频率 f1：扫频起点；f2：扫频终点
– 扫频线性
线 性 系 数 k0 max k0 min
k0：压控特性f-V曲线的斜率
– 输出振幅平稳性
调 幅M 系 A1数 A210% 0 A1：寄生调幅最大幅度
–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。
两种幅频特性测量法的比较
3、相位鉴频器的扫频测量
相位鉴频器的特性曲线
4、利用扫频仪测量振荡器的振荡频率
5、用扫频仪测量无源的高通滤波器 高通滤波器电路原理图
1频道高通滤波器特性曲线
6、主要技术指标
①扫频范围：1~300MHz； ②扫频宽度：>100MHz; ③扫频非线性：<+-5%； ④输出电压：0.5V(3.33mW)+-10%; ⑤输出平坦度：+-0.25dB; ⑥输出衰减：0~70dB,1dB步进； ⑦输出阻抗：75欧； ⑧频率标记：50MHz、10MHz/1MHz复合及外接
⑦Y位移：通过旋钮的来回调节，可使整个扫描曲线 上下移动。
⑧Y轴衰减选择挡：共分为*1、*10、*100三挡，应和 Y 增益配合使用，通过不同挡的选择，可改变整个 Y轴的增益与扫描曲线的高度。
（2）扫频信号源的旋钮与作用
①中心频率：调节该旋钮，可使需要的中心频率 置于屏幕的中心位置。
②扫频宽度：调节该旋钮，可得到合适的扫频带 宽。
《频域测量》课件
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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
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)
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1、扫频信号源的构成及功能
扫频信号源由扫频单元、频标单元和衰减 器三部分组成能产生频率做线性变化的扫频信号； ②这个扫频信号的输出是等幅的，且具有一定的
功率； ③扫频信号的频偏应尽可能大且中心频率可调； ④要求扫频信号的线性度良好； ⑤能产生和扫频信号同步的频率标记； ⑥输出阻抗要恒定。
幅频特性扫频测量法
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。
– 在预定频带内有足够大的输出功率，且幅度稳 定，以获得最大的动态范围；
– 调频线性好，并有经过校正的频率标记，以便 确定频带宽度和点频输出；
– 为使测量误差最小，扫频信号中的寄生振荡和 谐波均应很小；
– 扫频源输出的中心频率稳定，并可以任意调节； – 频率偏移的范围越宽越好，并可以任意调节。
扫频源的主要特性（续）
两种幅频特性测量法的比较
• 扫频测量所得的动态特性曲线峰值低于点 频测量所得的静态特性曲线。扫频速度越 快，下降越多；
• 动态特性曲线峰值出现的水平位置（频率） 相对于静态特性曲线有所偏离，并向频率 变化的方向移动。扫频速度越快，偏离越 大；
两种幅频特性测量法的比较（续）
• 当静态特性曲线对称时，随着扫频速度加快，动 态特性曲线明显出现不对称，并向频率变化的方 向一侧倾斜；
– 有效扫频宽度
f 2 f2 f1
f0
f2 f1
f0：扫频输出中心频率 f1：扫频起点；f2：扫频终点
– 扫频线性
线 性 系 数 k0 max k0 min
– 输出振幅平稳性
k0：压控特性f-V曲线的斜率
调 幅M 系 A1数 A210% 0 A1：寄生调幅最大幅度
A1A2
A2：寄生调幅最小幅度
频率标记（续）
–菱形频标 利用差频法得到，适用于测量高频段的频率特性。
对作为基准频率进行限幅、整形和微分，形成含有很 多谐波成分的尖脉冲，再和扫频信号混频。
–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，在测量低频电路 时分辨力更高。
1、单一频标产生的工作原理
2、产生多个频标的工作原理
以10MHz通用频标为例来说明获得多个频标的 工作原理：
频率标记
频率标记是扫频测量中的频率定度 。产生频标 的基本方法是差频法，利用差频方式可产生一个或 多个频标，频标的数目取决于和扫频信号混频的基 准频率的成分。
– 所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高 – 频标幅度应基本一致、显示整齐 – 不包含杂频和泄漏进来的扫频信号 – 多种频标形式以满足不同的显示和测量需要 – 电路时延尽可能小以减小频率定度误差
6.1.2 扫频仪中的关键器件 1、变容二极管
2.变容二极管扫频
等效电路如图
N
NP
P
势垒电容与外加电压的关系：
C
j
C jo
1
V V
n
C j0 V
n
Cj
Rs
Cj
V
变容管在零偏压时的电容。
PN结的内建电位差，硅管=0。6v
电容指数，决定于PN结中杂质
浓度的分布情况，对于突变结
变容管，n
1 2
，而超突变结变
容管 n 1
变容二极管构成的振荡回路
接
隔直电容
偏
振
扫描信号 置
荡
L
电
器
压
工作原理：基于PN结反向偏置时，结电容与偏 置电压有关这一原理 制成的。
变容管扫频振荡器的优点： 电路简单，频偏宽，对调制信号几乎不消耗功率。它一般用
于晶体管化的扫频仪中。
变容管扫频仪的组成及原理
变容管扫 频发生器
被测电路
–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
2、显示系统的构成及功能
对于显示系统而言，主要的要求有两点： 轨迹明亮而清晰，在不失真的前提下要有足够 高的增益。
显示系统主要由斜波电压发生器，x，y 轴 通道放大器及示波管等电路构成。
6.2.2 单元电路工作原理 1.扫频单元
2、固定振荡器
3、扫频振荡器
4、混频器和低通滤波器
6.3 频标单元
峰值 检波器
三角波
X
Y
扫描发生器
变容特性曲线 变容二极管等效电路图表
2、电协调变容二极管
变容二极管有三种类型：参数变容二极管、 功率变容二极管、电调谐变容二极管。在扫频 仪中使用的是电调谐变容二极管。
6.2 扫频仪工作原理 6.2.1整机电路原理框图
它主要由扫频信号源和显示系统两大部分构成。
• 动态特性曲线较平缓，其3dB带宽大于静态特性 曲线的3dB带宽；
• 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。
2．常用频域测试仪器
（1）频率特性测试仪
（2）频谱分析仪
6.1.1 常用术语
1.扫频信号发生器 2.扫频仪 3.有效频率范围 4.扫频宽度 5.扫频中心频率 6.扫频方式 7.自动扫频 8.手动扫频 9.触发扫频 10.单次触发扫频 11.对数扫频 12.起止扫频 13.标志扫频 14.窄带扫频外扫频 15.频率标志 16.分辨率 17.扫频线性误差 18.扫频时间
X轴扫描输出
扫频源的基本工作原理（续）
典型的扫频源应具备下列三方面功能：
– 产生扫频信号（通常是等幅正弦波）； – 产生同步输出的扫描信号，可以是三角波、
正弦波或锯齿波等； – 产生同步输出的频率标志，可以是等频率
间隔的通用频标、专用于某项测试的专用 频标及活动频标。
扫频源的主要特性
对扫频源通常的技术要求：
扫频源的基本工作原理
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。它既可作为独立 的测量用信号发生器，又可作为频率特性测量类仪 器的前端。
ALC
稳幅放大器
取样检波器
频标产 生电路 频标输出
扫频振荡器 f1~f2
扫描信号 发生器
混频器 本振f0
低通滤波器
宽带放大器
输出衰减器 扫频输出