第八章频域测量

图8.3 动态特性曲线
8.1.3 扫频仪举例——BT-3型频率特性测试仪
BT-3型扫频仪主要用来测试宽带放大器、雷达接收机的中频放 大器、电视接收机的视频率特性及鉴频器特性，是一种较为典 型的频率特性测试仪，其框图如图8.4所示。
1.BT-3扫频仪的主要技术性能：
(1)中心频率：在1MHz～300MHz内可任意调节，分1MHz～75 MHz、75MHz～150MHz、150MHz～300MHz三个波段；
4.扫描信号与回扫处理
本仪器为简化设计，节约成本，是利用50Hz市电降压后用来做 扫描信号的。本仪器是采用在回扫期间令振荡停振的办法（原 理框图中的“截止脉冲形成电路”即是加扫频振荡器的停振信号）
最后，介绍几种典型扫频仪的技术参数供参考( 见表8.1)。 表8.1 几种典型扫频仪的技术参数
型号
频率范围
音频信号与频谱示教
8.3.3 频谱仪的分类
频谱仪从工作原理上可分为模拟式与数字式两大类。模拟式频 谱仪是以模拟滤波器为基础的；数字式频谱仪是以数字滤波器 或快速傅里叶变换为基础的。分类如下：
实时----并行滤波法
模拟式
顺序滤波法
非实时 可调滤波法
扫频外差法
数字滤波法 数字式
快速傅里叶变换（FFT）计算法
(2)扫频频偏：最大频偏±7.5MHz； (3)扫频信号输出：输出电压≥0.1V（有效值），输出阻抗75Ω； (4)寄生调幅系数：最大频偏时<±7.5%； (5)调频非线系数：最大频偏时<20%； (6)频标信号：1MHz、10MHz和外接频标三种。
BT3C-A型 频率特性测试仪
扫频信号 输出端
检波探头
700kHz 60kHz
60kHz
第一混频z A M1(–) B
第二混频 M2(–) C
第三混频 M3(–) D
窄带 滤波器
检波 对数放大
Wy 垂直偏 转系统
15MHz 2.3~5.3MHz 6,30,150Hz
4.3MHz
第一本 振
第二本 振
760±15kHz 第三本
振
扫描 发生器
水平偏 Wx 转系统
K( f )
K( f )
f
f
8.1.1 静态频率特性测量----点频法
点频法就是“逐点”测量幅频特性的方法，注意明确被测电路和 选用相应仪器。
K( f )
f f0
特点：所测出的幅频特性是我们需要的电路系统在稳态情况下 的静态特性曲线。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由 于频率离散而不连续，可能遗漏掉某些特性突变点。这种方法 一般只用于实验室测试研究；若用于生产线则效率太低了。 如果能够在测试过程中，使信号源输出信号频率能自动地从低 到高连续变化并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送 到示波器上显示，就可自动地描绘出幅频特性曲线。
※ 8.2 微波网络分析仪（简介）
微波网络，是对实际的物理实体所进行的数学抽象。虽然不能 研究元件内部各点的场强，但微波元件的作用是通过它对微波 信号的传输特性来表征的，而这一传输特性可用网络来表示 （见图）。因此，当网络输入端的电压、电流及输出端的电压、 电流之间的相互关系已知时，微波元件的特性也就完全确定了。
8.3.4 频谱仪的工作原理
1.模拟式频谱仪
思路：
f0+F
f0
f0+F
f
我们一起来设计频谱仪
方案一：并联滤波法 方案二：移动滤波法
f
移动滤波器
f
方案三：扫频外差法
滤波器不动
上面移动频谱
f
逆向思维设计思想成功的典范：
改变滤波器来找频谱是以百变对应万变，难度自然大，而扫频 外差法是将频谱逐个移进不变的滤波器是以不变对应万变。
双端口网络外部特性参数有多种，应用最多的是散射参数S。 微波网络分析仪主要用来测试网络的S参数。分为： 标量网络分析仪：只对S参数的幅值进行测量。 矢量网络分析仪：具有定量测试矢量（幅值、相位）的能力。
8.3 频谱分析仪的概述
8.3.1 信号的时域与频域分析
信号的时域和频域特性在数学上可表示为一对傅里叶变换关系：
图8.32 快速傅里叶变换式频谱仪方案
8.4 超外差式频谱分析仪
基础知识：超外差接收机（收音机、电视机、通信、雷达等接 收机）
fs fL
决定选择性
高频 调谐电 路
ຫໍສະໝຸດ Baidu
混频 器
中 频 检波器 放大器 放大器
本地 振荡器
何谓？
外差：早期电台同发fs、fL 超外差：fL移入接收机 本振：fL成了本地振荡器
8.4.1 工作原理
LC IM
IM
C
75MHz
10f0oMHz
150MHz
92.5MHzΔf 107.5MHz
3.频标产生的原理 图8.4框图右侧给出了频标产生电路的组成，现以1MHz频标为 例进行说明。
99.98MHz 100MHz 100.02MHz
1MHz振荡信号 的100次谐波
(a)
图8.6 频标的形成过程
(b) 图8.7 加有频标的波形
电路：
图8.27 并行滤波频谱仪方案 图8.28 顺序滤波频谱仪方案 图8.29 可调滤波频谱仪方案 图8.30 外差法频谱仪方案
2.数字式频谱仪 ① 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，如图8.31所示。图中，数字滤波器的中心频率可由控 制/时基电路使之顺序改变。 所谓数字滤波，其主要功能是对数字信号进行过滤处理。由于 输入/输出都是数字序列，所以数字滤波器突实际上是一个序 列运算加工过程。与模拟滤波器相比它具有滤波特性好、可靠 性高、体积小、重量轻、便于大规模生产等优点。但是，目前 数字系统速度还不够高，故在使用上还有局限性。
f (t) 1 F()e jtd （8.11）
2
F() f (t)e jtdt （8.12）
图8.25 时域与频域观测之间的关系
示波器和频谱仪是从不同角度观测同一个电信号，各有不同的 特点。示波器从时域上容易区分电信号的相位关系，如图8.26 中(a)是基波与二次谐波起始峰值对齐的合成波形（线性相加）； (b)是基波与二次谐波起始相位相同合成的波形，两者合成波形 相差很大，在示波器上可以明显地看出来。而在频谱仪上仍是 两个频率分量，看不出差异。但是，如果合成电路（如放大器） 有非线性失真，即基波和二次谐波信号不能线性相加，两者则 有交互作用，像混频器一样会产生新的频率分量，这在示波器 上难以觉察到，而在频谱仪上则会明显看到由于非线性失真带 来的新的频谱分量。可见，示波器和频谱仪有各自的特点，并 起到互为补充的作用。
8.1.2 动态频率特性测量———扫频法
1.扫频法的工作原理
扫频仪 = 扫源 + 示波器 扫频法可以实现频率特性的自动测绘，而且不会像点频法那样 遗漏掉某些细节的问题。更值得注意的是，扫频法是在一定扫 描速度下获得被测电路的动态频率特性，这比较符合被测电路 的实际应用情况。
2.动态频率特性
随着扫描速度的提高，频率特性将扫频方向偏移，如图8.3所示。 图中Ⅰ为静态特性，Ⅱ、Ⅲ为依次提高扫速时的动态特性曲线。 可以看出动态频率特性有以下特点：
(1)顶部最大值下降；
(2)特性曲线被展宽；
(3)扫速愈高，偏移愈严重。
其原因是由于通常与频率特性 有关的电路，实际上是由动态 元件L、C等元件组成的(如调 谐电路)，信号在其上建立或消 失都需要一定的时间，扫频速 度太快时，信号在其上来不及 建立或消失，故谐振曲线出现 滞后且展宽，出现了“失敏”或 “钝化”现象。
2.中心频率和扫频范围
本扫频仪工作时是以某中心频率为中心进行扫频的。
现以第Ⅱ波段为例说其工作情况，中心频率是人工手调振荡回 路中的可变电容C，例如图中调到100MHz。扫频是扫描电流IM 作用于调制线圈LC使振荡频率在100MHz中心频率的基础上产 生±7.5MHz 的频偏，即扫频范围最大只有15MHz。
8.4.2 实例1：BP-1型频谱仪
是国产的早期产品，性能指标不高，用它讲解原理比较简明易懂。
3MHz～6MHz fs K1 1
变频器 M0(+)
100Hz～3MHz
1 2
K2
被测信号 (设fs =10MHz 100Hz～30MHz
1KHz标准调幅波)
10MHz 2
3MHZ～30MHz
3～6MHz 5MH
(a)
(b)
图8.26 不同相位合成的波形
8.3.2 频谱仪的主要用途
现代频谱仪有着极宽的测量范围，观测信号频率可高达几十 GHz，幅度跨度超过140dB。
故使频谱仪有着相当广泛的应用场合，以至被称为射频万用表， 成为一种基本的测量工具。目前，频谱仪的主要应用于如下一 些方面：
1.正弦信号的频谱纯度 2.调制信号的频谱 3.非正弦波（如脉冲信号、音频、视频信号）的频谱 4.通信系统的发射机质量 5.激励源响应的测量 6.放大器的性能测试 7.噪声频谱的分析 8.电磁干扰的测量
第八章 频域测量
本章要点： ·扫频仪(频率特性分析仪)的原理与应用 ·微波网络特性和网络分析仪的工作原理 ·频谱仪(频谱分析仪)的用途、原理与分类 ·扫频外差式频谱仪的原理、特性和应用
前言：基础知识复习
1. 频率与波长：
f
30~300MHz
c
λ= f
10~1m 米波
0.3~3GHz 1m~10cm
0.2~0.3S 图8.35 BP-1 频谱仪原理框图
从图中可以看到以下特点：
1.多级变频
从框图可以看出频谱仪主要电路是一台超外差接收机。为了提 高分辨频谱能力，则要提高接收机的选择性，而决定选择性的 通频带：
图8.31 数字滤波式频谱仪方案
② 快速傅里叶（FFT）分析法：是一种软件计算法。 现已有专门的FFT(快速傅里叶)计算器，将它与数据采集和显示 电路相配合，则可组成频谱仪，如图8.32所示。 通常采用DSP（Digital Signal Processor）数字信号处理器来 完成FFT的频谱分析功能。在速度上明显超过传统的模拟式扫 描频谱仪，能够进行实时分析。 应当指出，通常应用的大多是外差式模拟频谱仪。较好的现代 频谱仪则采用模拟与数字混合的方案。纯数字式FFT频谱仪目 前主要用于低频段，但随着数字技术的进步，数字式频谱仪有 着很好的发展前景。
扫频范围
不平坦度
BT3C-VHF 1～300MHz
± 20MHz
± 0.25dB
NW1251A 1～300MHz
± 1MHz
± 0.3dB
NW1256D 1～1000MHz 全扫、窄扫Ⅰ/Ⅱ、单频 ± 0.35dB
NW1232 2Hz ～ 2MHz 20Hz ～ 20kHz、2kHz ～ 2MHz
≤5%
8.1 线性系统幅频特性的测量
正弦稳态下的系统函数或传输函数 K ( j) 就反映了该系统激励
与响应的关系
K ( j ) UO ( j ) K ( )e j () Ui ( j )
式中，K () 也可写成 K ( f )，就是下面要测量的幅频特性。
( )是相频特性本节不讨论。
3. 本课主要介绍
·扫频仪(频率特性分析仪)的原理与应用 线性系统频率特性
·微波网络特性和网络分析仪的工作原理
·频谱仪(频谱分析仪)的用途、原理与分类 信号的频谱分析
·扫频外差式频谱仪的原理、特性和应用
在微波（300MHz～300GHz）主要用网络分析仪，本课不讲。
但这种划分不是绝对的，实际上有些扫频仪可能工作到更高的 频率，而有些网络分析仪可能工作到更低的工作频率。应当指 出，这里讲的“网络”是指由器件、元件组成的电子网络。当年 提出“网络分析仪”这一名字时，还没有计算机网络等现代网络 的概念。
分米波
3~30GHz 10~1cm 厘米波
30~300GH z
10~1mm
毫米波
2. 集总参数和分布参数： 高频（30~300MHz）以下波段，即波长大于1m的情况 这时元器件为集总参数（元件尺寸<<波长） 参数集中在R、L、C等元件中，认为与导线无关。 微波（300MHz~300GHz），即波长小于1m的情况 这时元器件为分布参数（元件尺寸 ≈ 波长） 参数分布在腔体、窗口、微带线等微波器件中，与路径有关。
现以一个具体的例子来说明扫频外差频谱仪的工作原理。
±15Hz ①
②
③
② ①③
F f0
t
②
①
f0-F
f0
③
f0+F
699 700 701
fI =60KHz
混频器
窄带 滤波器
①②③ ① ②③
检波器
扫频 本振
锯齿 电压波
对数 放大器
② ①③
图8.33 调幅波及其频谱图 频谱仪=超外差接收机+示波器
外差式频谱仪的原理可以简述为：扫频的本振与信号混频后， 使信号的各频谱分量依次地移入窄带滤波器，检波放大后与扫 描时基线同步显示出来。其要点是移频滤波。