第八章频域测量
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频域 测量
CH2COOH
CH2 N
CH2COOH
乙二胺四乙酸简称EDTA，其分子式是C10H16O8N2，从结
构上看是一种四元酸，常用H4Y表示。它为白色粉末状结晶，
微溶于水(22℃时0.02g/100m1)，难溶于酸及一般有机溶剂；易
溶于碱及氨水而生成相应的盐，其中的二钠盐可用
Na2H2Y·2H2O表示，一般也简称为EDTA，为白色结晶粉末。
物，这就为配位滴定法测定各种金属离子提供了可
能性。
2．配位比简单
EDAT的六个配位原子在空间位置上均能与同一金
属离子结合，而大多数金属离子的配位数是4或6，因此
EDTA与金属离子配位一般都形成1:1的配合物，只有少
数高价金属离子例外。
第一节 EDTA及其配合物
3．配合物稳定性高
EDTA与金属离子形成三个或五个五元稠环螯
液的酸度对他们的影响也不同。稳定性较低的配合物，
在酸性较弱的条件下即可解离；稳定性较高的配合物，
只有在酸性较强的时候才会发生解离。
例如：MgY2- lgK稳=8.7， PH = 5~6时，MgY2-几乎全部解离。
ZnY2- lgK稳=16.5，PH = 5~6时，ZnY2- 稳定存在。
FeY- lgK稳=25.1，PH = 1~2时，FeY- 稳定存在。
合物，根据螯合物的结构理论，五元稠环螯合物
是最稳定的结构
2
O
C
O
CH2
CH2
C
O
N
O
CH2
Ca
CH2
N
O
C
O
CH2
CH2
O
C
O
EDTA与金属钙离
子配合物的结构示
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。
电子测量与仪器第八章频率域测量频谱分析仪
电子测量与仪器第八章 频率域测量频谱分析仪
2023/5/16
电子测量与仪器第八章频率域测量频 谱分析仪
•8.1 频率域测量概述
一、频域测量的任务： 两大任务：
１、线性系统频率特性测量： 集总参数、分布参数；准静态系统(低频、高频、
微波)；不同的波段，用不同的仪器： 高频段(30-300MHz)：扫频仪 微波段(300M-300GHz)：网络分析仪 (非绝对分法)
相位信息。适用于连续信号和周期信号的频谱测量。 扫频式分析：使分析滤波器的频率响应在频率轴上 扫描。 差频式分析（外差式分析）：利用超外差接收机的 原理，将频率可变的扫频信号与被分析信号进行差 频，再对所得的固定频率信号进行测量分析，由此 依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。这是 模拟式频谱仪最常采用的方法。
电子测量与仪器第八章频率域测量频 谱分析仪
•二、顺序滤波式频谱仪
也这叫种档方级法滤简波单频易谱行仪，，但由在多频个带通较带宽互或相较衔高接频的段 带 的情通况滤下波需器要和大共量用滤检波波器器，构仪成器。体用积多过个大频；率由固于定通带且 相 窄，邻的分窄辨带力带和通灵滤敏波度器都阵不列是来很区高分。被一测般信用号于的低各频种段频的
• 滤波器响应时间（建立时间） 信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的
时间。通常用达到稳幅幅度的90％所需的时间TR来 表述，它与绝对带宽B成反比：TR∝1/B。
宽带滤波器的响应时间短，测量速度快；窄带滤 波器建立时间较长，但频率分辨率更高、信噪比好。 响应时间限制了频谱仪的扫描分析速度，影响实时频 谱分析的实现。
III：150~300MHz，由II倍频得到
电子测量与仪器第八章频率域测量频 谱分析仪
一、外差式频谱仪的组成 主要包括输入通道、混频电路、中频处理 电路、检波和视频滤波等部分。
2023/5/16
电子测量与仪器第八章频率域测量频 谱分析仪
•8.1 频率域测量概述
一、频域测量的任务： 两大任务：
１、线性系统频率特性测量： 集总参数、分布参数；准静态系统(低频、高频、
微波)；不同的波段，用不同的仪器： 高频段(30-300MHz)：扫频仪 微波段(300M-300GHz)：网络分析仪 (非绝对分法)
相位信息。适用于连续信号和周期信号的频谱测量。 扫频式分析：使分析滤波器的频率响应在频率轴上 扫描。 差频式分析（外差式分析）：利用超外差接收机的 原理，将频率可变的扫频信号与被分析信号进行差 频，再对所得的固定频率信号进行测量分析，由此 依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。这是 模拟式频谱仪最常采用的方法。
电子测量与仪器第八章频率域测量频 谱分析仪
•二、顺序滤波式频谱仪
也这叫种档方级法滤简波单频易谱行仪，，但由在多频个带通较带宽互或相较衔高接频的段 带 的情通况滤下波需器要和大共量用滤检波波器器，构仪成器。体用积多过个大频；率由固于定通带且 相 窄，邻的分窄辨带力带和通灵滤敏波度器都阵不列是来很区高分。被一测般信用号于的低各频种段频的
• 滤波器响应时间（建立时间） 信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的
时间。通常用达到稳幅幅度的90％所需的时间TR来 表述，它与绝对带宽B成反比：TR∝1/B。
宽带滤波器的响应时间短，测量速度快；窄带滤 波器建立时间较长，但频率分辨率更高、信噪比好。 响应时间限制了频谱仪的扫描分析速度，影响实时频 谱分析的实现。
III：150~300MHz，由II倍频得到
电子测量与仪器第八章频率域测量频 谱分析仪
一、外差式频谱仪的组成 主要包括输入通道、混频电路、中频处理 电路、检波和视频滤波等部分。
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
电子测量实用技术(PPT) 模块8 频域测量技术_
模块8 频域测量技术 8.2.2 扫频仪 能够在示波管屏幕上直接显示被测电路幅频特性曲 线的图示测量仪器叫频率特性测试仪，也称扫频仪，扫 频仪基于扫频原理，利用示波管直观显示被测系统的幅 频特性。它是在静态逐点测量法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， 在雷达技术、调频通信、电视广播和电子教学等方面有 着广泛的应用。
电子测量实用技术
模块8 频域测量技术 1. 基本工作原理 扫频仪是将扫频信号源及示波器的X-Y显示功能结
合为一体，并增加了某些附属电路而构成的一种通用电 子仪器，用于测量网络的幅频特性，测量方法采用扫频 测量法。其原理框图如图8.4所示，主要电路包括扫频信 号发生器、扫描电压发生器、频标电路、检波放大及显 示等几部分。
电子测量实用技术
模块8 频域测量技术
变容二极管扫频振荡电路
f
1
2 LC
变容二级管的压控特性曲线
锯
齿
变容二极管扫频振荡电路
电
压
电子测量实用技术
模块8 频域测量技术
磁调制扫频振荡器
所谓磁调制扫频， 就是用调制电流所产生 的磁场去控制振荡回路 电感量，从而产生频率 随调制电流变化的扫频 信号。
LC c L
电子测量实用技术
模块8 频域测量技术
m A B 100% A B
在实际中可采用如图8.8所示的测试方法。输出衰减置 为0dB，选择内频标、Y增益适中，在一定频偏内观察，屏 幕上出现方框，则寄生调幅系数按上式可求。
图8.8 扫频寄生调幅系数的测量图
电子测量实用技术
模块8 频域测量技术 3.
（1） 按用途划分，扫频仪可分为通用扫频仪、专用扫频 仪、宽带扫频仪、阻抗图示仪、 （2） 按频率划分，扫频仪可分为低频扫频仪、高频扫频 仪
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
第八章 频域测量
线性系数愈接近l，则压控特性曲线的线性愈好。即扫 频信号的频率变化规律与控制(调制)电压的变化规律吻合 的程度愈好。
（2）振幅平稳性 振幅平稳性可以用扫频信的寄生调幅来表示。
A1 − A2 M= × 100% A1 + A2
对变容管扫频振荡器来说，只有采用电容指数n＝2的超突变 结变容管，f－V曲线才是线性的，否则，高频为非线性是不可能 完全避免的，而且，扫频宽度愈宽，非线性愈大．所以，在变容 管扫频振荡器中，如何得到性化的f－V曲线，是一个值得专门研 究的问题。 为了改善振幅平稳件，一般都采用自动稳幅电路。
'
则同样可以通过中放，此 由上两式知 f ' − f = 2 fI
f ' 称为镜像干扰
为使 f '远离f而超出待测频段之外，要求选择尽 可能高的fI。 fI高则分辨力低
另一方面，为获得高分辨力，希望中放（中频滤 波器）的通带尽可能窄。 实际上 fI /B=Q. Q有限. 要使 Ｂ小→ fI 小 与前矛盾 解决此矛盾的方法：采用多级变频
分辨力为频谱仪最重要的指标 ——分辨两条相邻谱线的能力 1 A2 0.7 3dB f 0 滤波器带宽（3dB） 1 0.7 f
f1 f0 f2 f1,f2幅度相同
SF =
f1与f2幅度不同 实际分辨力变差 f1 f2
B60 （波形因子） B3
f
选择性带宽 裙边分辨力
2 .动态分辨力
模拟滤波器一般由LC等惰性元件组成，当扫 频速度加快时，其响应与静态不同（需有建立时间） 扫描速度对分辨力的影响如下图 ：
二 .频谱分析仪（外差式）的主要工作特性
工作特性与工作原理密切相关
频率特性
f范围 f分辨力√ 测频方式及准确度 fL稳定度
《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。
电子测量技术频域测量-PPT精选文档
过光点扫描而得到连续的幅频特性，故叫光点扫描式。 扫频图示测量与点频测量相比，扫频代替了人工调节
信号，示波显示代替了电压测量及人工作图，因而实现了
自动化测量，使之快而准确。
(二).扫频信号发生器 扫频信号发生器是扫频图示测量的重要组成部分，它
可单独作为信号源，也可作为扫描图示仪、频谱分析仪、
第11页
电子测量原理
网络分析仪、频率特性仪等的组成部分。
1.扫频振荡器的工作特性
(1).扫频线性 扫频线性指扫频信号的频率与控制信号间的线性情况
线性系数= 。对于电压控制的扫频而言，定义为：
K max 100% 线性系数= K min 式中：Kmax 为电压控制最大 灵敏度，即f～V曲线的最大斜 率； Kmin为电压控制最小灵敏 度。（参见图8-3所示）
第9页
电子测量原理
则屏上的水平轴就转化-2 光点式扫频图示仪框图
第10页
电子测量原理
对于被测电路，因自身的频率特性，在同幅的不同频率信
号作用下输出的幅度不同（图中的u），经峰值检波后就得
到幅频特性（图中的u），这个信号经放大后加在Y 偏转板 上（示波器Y板则是加被测模拟信号）。因图示方法是通
用的工具。
第7页
电子测量原理
8.2.2 扫频测量技术
前述点频法只能测静态特性，而且速度也慢。当前， 商业化产品的要求是，通过测量获得被测系统的全面表征 ，同时在测量调试时要简捷快速。所以，扫频测量便迅速
发展起来了。
所谓扫频，就是利用某种方法，使正弦信号的频率随 时间按一定规律在一定范围内反复扫动。这种扫动（幅度
第6页
电子测量原理
下的突然变化可能会漏掉；误差大，往往与实际工作状态 时的特性不一致。此外，不能自动化，只能测出静态特性. 上述方法只是测量了电路的幅频特性，如果双踪示波器 能测出输出与输入的相位差的话，也可以做出相频特性， 只是做出的相频特性误差很大。所以，为测得较好的相频 特性可采用矢量电压表来测量。矢量电压表采用了取样技 术和锁相技术，不但能测信号的幅度，还能测量信号的相 位，其工作频率范围也很宽，在频域测量中是一种十分有
第八章频域测量 (2)
第八章频域测量 (2)
▪ 3）频谱分析仪的分类 ▪ 按照分析处理方法的不同：可分为模拟式频谱
仪、数字式频谱仪和模拟/数字混合式频谱仪； 按照基本工作原理：可分为扫描式频谱仪和非 扫描式频谱仪； ▪ 按照处理的实时性：可分为实时频谱仪和非实 时频谱仪； ▪ 按照频率轴刻度的不同：可分为恒带宽分析式 频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪； ▪ 按照输入通道的数目：可分为单通道、多通道 频谱仪； ▪ 按照工作频带的高低：可分为高频、射频、低 频等频谱仪……等等。
第八章频域测量 (2)
▪ 3、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，频谱测量就是在频域内测 量信号的各频率分量，以获得信号的多种 参数。狭义上，在一般的频谱测量中常将 随频率变化的幅度谱称为频谱。
第八章频域测量 (2)
▪ 频谱测量的基础是付里叶变换，它以复指数函
制，三是宽带扫频。
扫频振荡器
输出衰减器
AGC控制器
扫频信号发生电路的构成
第八章频域测量 (2)
2．频标信号产生电路
▪ 标准信号发生器输出的正弦波加到谐波发生器，进行限幅、 整形、微分、形成含有丰富谐波成分的尖脉冲，再与扫频信 号混频，混频后的信号在零差点附近两频率之差迅速变小， 经低通滤波器后高频成分被滤去，使零差点附近的信号幅度 迅速衰减而形成菱形频标。
e 数 j t
▪ 为基本信号来构造其他各种信号，其实部和虚 部分别是正弦函数和余弦函数。任意一个时域 信号都可以被分解为一系列不同频率、不同相 位、不同幅度的正弦波的组合。在已知信号幅 度谱的条件下，可以通过计算获得频域内的其 他参量。对信号进行频域分析就是通过研究频 谱来研究信号本身的特性。从图形来看，信号 的频谱有两种基本类型：①离散频谱，又称线 状谱线；②连续频谱。实际的信号频谱往往是 上述两种频谱的混合。
▪ 3）频谱分析仪的分类 ▪ 按照分析处理方法的不同：可分为模拟式频谱
仪、数字式频谱仪和模拟/数字混合式频谱仪； 按照基本工作原理：可分为扫描式频谱仪和非 扫描式频谱仪； ▪ 按照处理的实时性：可分为实时频谱仪和非实 时频谱仪； ▪ 按照频率轴刻度的不同：可分为恒带宽分析式 频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪； ▪ 按照输入通道的数目：可分为单通道、多通道 频谱仪； ▪ 按照工作频带的高低：可分为高频、射频、低 频等频谱仪……等等。
第八章频域测量 (2)
▪ 3、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，频谱测量就是在频域内测 量信号的各频率分量，以获得信号的多种 参数。狭义上，在一般的频谱测量中常将 随频率变化的幅度谱称为频谱。
第八章频域测量 (2)
▪ 频谱测量的基础是付里叶变换，它以复指数函
制，三是宽带扫频。
扫频振荡器
输出衰减器
AGC控制器
扫频信号发生电路的构成
第八章频域测量 (2)
2．频标信号产生电路
▪ 标准信号发生器输出的正弦波加到谐波发生器，进行限幅、 整形、微分、形成含有丰富谐波成分的尖脉冲，再与扫频信 号混频，混频后的信号在零差点附近两频率之差迅速变小， 经低通滤波器后高频成分被滤去，使零差点附近的信号幅度 迅速衰减而形成菱形频标。
e 数 j t
▪ 为基本信号来构造其他各种信号，其实部和虚 部分别是正弦函数和余弦函数。任意一个时域 信号都可以被分解为一系列不同频率、不同相 位、不同幅度的正弦波的组合。在已知信号幅 度谱的条件下，可以通过计算获得频域内的其 他参量。对信号进行频域分析就是通过研究频 谱来研究信号本身的特性。从图形来看，信号 的频谱有两种基本类型：①离散频谱，又称线 状谱线；②连续频谱。实际的信号频谱往往是 上述两种频谱的混合。
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)
频域测量技术、分类和方法
量法所获得的曲线。这时，曲线略有右
移，但最大值也略有降低。
1— 静 态
U out
1
2— 动 态
2
O f
图8.2 静、动态测量曲线
•
2. 扫频测量法
•
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，
顶部与屏幕上某一水平刻度线相切（如
图8.8中与AB线相切）；
A (a)
B
A
B
fL
fH
(b)
图8.8 扫频仪测量带宽
•
(3) 回路Q值的测量。
•
测量时电路连接和测量方法与测
回路带宽相同，在用外接频标测出回路 的谐振频率f0以及上、下截止频率fH和fL 后，按下面Q的公f0式即可f计0 算出回路的Q值。
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
•
3.
•
多频测量是利用多频信号作为激
励信号的一种频域测量技术。所谓“多
频信号”，是指由若干频率离散的正弦
波组成的集合。多频测量将这个“多频
信号”作为激励，同时加到被测系统的
且可任意调节，常用频偏进行描述。
•
（3） 寄生调幅要小。
•
（4） 扫描线性度好。
•
图8.4中，扫频信号发生电路的
振荡频率受扫描电压u2所调制。
t
t
t
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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：
(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
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%
(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
※ 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。
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 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。
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。
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
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。
(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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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
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。
第八章 频域测量