第六章 频域测量仪器原理及应用
合集下载
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。
电子测量仪器第6篇：频域测量仪器
第六章 频域测量仪器
实际的频谱仪组成要复杂一些，为了提高灵敏度和频率分辨力，一般都采用多 次变频，在几个中频频率上进行电压放大。
第六章 频域测量仪器
6.2.3 频谱仪的使用方法
频谱仪的应用范围
➢ 测量正弦信号的绝对幅值和相对幅值； ➢ 测量频率、寄生频率分量的绝对频率和相对频率、噪声和频 率稳定度等参数； ➢ 测试调幅、调频、脉冲调幅等调制信号的特性； ➢ 测试脉冲噪声； ➢ 测试瞬变信号； ➢ 测试线性网络和非线性网络的幅频特性、非线性失真度、增 益或衰减等参数； ➢ 进行电磁兼容性（EMC）的测试。
➢ 有足够的扫频范围，即有效的扫频宽度； ➢ 有良好的扫频线性集电结面积大于发射结面积； ➢ 扫频范围可调，具有较好的实用性； ➢ 扫频信号的振幅稳定性较好；
第第2六章章半导频体域三测极管量仪器
（1）扫频振荡器
第六章 频域测量仪器
（2）稳幅电路
（3）输出衰减器
衰减器由两组构成：一组为粗调衰 减器，采用10dB或20dB的步进方式； 一组为细调衰减器，采用1dB或2dB的 步进方式。总的衰减量可达70dB以上， 利用衰减显示屏显示衰减的分贝数。
第六章 频域测量仪器
原理框图
有扫频信号产生电路、 频标信号形成电路、 扫描显示电路、衰减 显示电路和电源供电 电路五部分组成。
第六章 频域测量仪器
面板控制说明
1 电源按键 2 亮度旋钮 3 X位移旋钮 4 X幅度旋钮 5 细衰减按键 6 衰减指示屏 7 Y输入端口 8 Y位移旋钮 9 扫频输出端口 10 Y增益旋钮 11 Y轴显示方式按键 12 扫频方式按键 13 频标方式按键 14 扫频宽度旋钮 15 频标幅度旋钮 16 粗衰减按键 17 中心频率调节旋钮 18 外频标输入接口 19 屏幕
第6章 频域测量仪器
6.1.2 扫频信号形成电路
1.变容二极管扫频电路
（1）变容二极管
CD
C0 (1 U
)n
UD
PN结反偏
反压较小时，阻挡 层较薄，电容较大
反压较大时，阻挡 层较厚，电容较小
C0:PN结零偏时电容值；U:外加控制电压；UD:PN结电压；
n:电容变化指数，取决于PN结结构和杂质分布，扩散型管子， 杂质分布是缓变的，缓变结n=1/3;合金型管子，突变结n=1/ 2。一般n=(1-5)。
（2）变容二极管扫频原理 振荡回路并入 CD CD f
设扫频控制信号为：
U U0 UCOSt
U0:直流 UΩ:振幅 Ω：角频率
CD
C0 (1 U )n
UD
1
1
UD
C0 n
(U0 UCOSt
CD0
(1 mCOSt)
m U .......... ...电容调制度 UD U0
CD0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(1
C0 U0
（a）表示时间、频率和幅 值的三维坐标 （b）示波器显示的图形 （c）频谱仪显示的图形
图（a）、（b）分别示出了基波及二次谐波的幅度一样， 而相位不同的两个信号波形，这一相位的差别在示波器 上可十分明显地反映出来。但是，在频谱仪上，测量这 两个信号所显示出的频谱图却没有区别。所以，当需要 研究波形失真的原因时，示波器测量就有明显的优点。 然而，频谱仪也有它的特点，例如一个真很小的正弦波 信号，利用示波器观测波形就难于看得出来，但是，频 谱仪却能定量测出很小的谐波分量。
6.2 频谱分析仪
➢ 用示波器来观察信号波形，是在时间域内观 察信号，这时以时间 t作为水平轴，即信号 的时域分析。
➢ 若从一个信号所包含的频率成分观察信号， 用信号的频谱分布来描述信号，即信号的频 域分析或频谱分析。
第章频域测量技术
第6章 频域测量
频谱分析仪依托中频滤波器辨别各频率成份，检波器测 量信号功率，依托本振和显示横坐标旳相应关系得到信号频 率值。 实际中旳频谱仪旳构成构造要比图7.1复杂得多，为 了取得高旳敏捷度和频率辨别力，要采用屡次变频旳措施，以 便在几种中间频率上进行电压放大。
第6章 频域测量 6.1.2 频域测量旳分类
根据实际应用旳需求，频域分析和测量旳对象和目旳也各不 相同，一般有下列几种： （1）频率特征测量：
主要对网络旳频率特征进行测量，涉及幅频特征、相频特征、 带宽及回路Q值等。 （2） 选频测量：
利用选频电压表，经过调谐滤波旳措施，选出并测量信号中 某些频率分量旳大小。
第6章 频域测量
3)稳幅电路 稳幅电路旳作用是降低寄生调幅。 扫频振荡器在产生扫频信号旳过程中，都会不同程度地变化着 振荡回路旳Q值，从而使振荡幅度随调制信号旳变化而变化，即产 生了寄生调幅。克制寄生调幅旳措施诸多，最常用旳措施是从扫频 振荡器旳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旳工作点或工作电压，使扫频信号旳振幅恒定。 4)输出衰减器 输出衰减器用于变化扫频信号旳输出幅度。 在扫频仪中，衰减器一般有两组：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。多数扫频仪旳输出衰减量可达100dB。
第6章 频域测量
6.2.1频率特征测试仪旳基本构成和工作原理 频率特征测试仪简称扫频仪，它是利用示波管直接显示被测二
端网络频率特征曲线旳仪器，是描绘表征网络传递函数旳仪器。频 率特征测试仪是在静态逐点测量法旳基础上发展起来旳一种迅速、 简便、实时、动态、多参数、直观旳测量仪器，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)旳测量、调试都离不开扫频仪。
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
6.3 频谱分析仪工作原理
1 时域和频域的关系
时域——由信号随时间的变化情况表征 频域——由信号包含的频率分量，即频谱分布情 况描述
相互间关系：有确切的内部关系——为一傅氏变换对
S ( w ) f( t) e dt
jw t
1 jwt f( t ) S ( w )e dw 2
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。
电子测量技术
6.2 扫频仪工作原理
1 扫频仪电路工作原理
扫频 源
频频频频 频频频频 频频频 Y频 频
频频频频
频频频
ห้องสมุดไป่ตู้
频频频频
频频频频频频频
X频 频
电子测量技术
6.2 扫频仪工作原理
电子测量技术
6.1 扫频仪
幅频特性测量 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。
电子测量技术
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。
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特有的 频标形式。
电子测量技术
6.2 扫频仪工作原理
单一频标产生的工作原理
《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。
第六章 频域测量
? 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。
2.幅度恒定且频率随时间按一定规律反复变化 的正弦信号，通常称为扫频信号 。
任务2：频率特性测试仪 (扫频仪) 要点2.点频法
? 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。
输入信号源，提供
铁氧体磁芯，Ｍ与m构成闭
合磁路。Ｗ1为励磁线圈，
通过调制电流时， 将使Ｍ中的磁通随 之变化，磁芯m的 有效导磁系数 μc 变
化，从而导致磁芯 线圈的电感量ＬＣ 变化，从而产生扫 频信号。
ＬＣ ＝μcＬ
任务2：频率特性测试仪 (扫频仪) 要点4.扫频仪工作原理
? 磁调制扫频的特点是电路简单，并能在寄生 调幅较小的条件下获得较大的扫频宽度。
? 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。
任务2：频率特性测试仪 (扫频仪)
要点3.扫频法
? 扫频信号经过被测网络后，幅度按照被测网 络的幅频特性做相应变化，如上图中的波形 ④，这个包络线的形状就是被测网络的幅频 特性。
? 最后经过Ｙ通道放大，加到示波管Ｙ偏转系 统。
? 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。频谱测量的基础是 付里叶变换。
任务1：时域测量和频域测量的比较 . 要点2.频域测量
? 频谱的两种基本类型
? 离散频谱（线状谱），各条谱线分别代表 某个频率分量的幅度，每两条谱线之间的 间隔相等
? 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，绘出网络的幅 频特性曲线。
2.幅度恒定且频率随时间按一定规律反复变化 的正弦信号，通常称为扫频信号 。
任务2：频率特性测试仪 (扫频仪) 要点2.点频法
? 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。
输入信号源，提供
铁氧体磁芯，Ｍ与m构成闭
合磁路。Ｗ1为励磁线圈，
通过调制电流时， 将使Ｍ中的磁通随 之变化，磁芯m的 有效导磁系数 μc 变
化，从而导致磁芯 线圈的电感量ＬＣ 变化，从而产生扫 频信号。
ＬＣ ＝μcＬ
任务2：频率特性测试仪 (扫频仪) 要点4.扫频仪工作原理
? 磁调制扫频的特点是电路简单，并能在寄生 调幅较小的条件下获得较大的扫频宽度。
? 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。
任务2：频率特性测试仪 (扫频仪)
要点3.扫频法
? 扫频信号经过被测网络后，幅度按照被测网 络的幅频特性做相应变化，如上图中的波形 ④，这个包络线的形状就是被测网络的幅频 特性。
? 最后经过Ｙ通道放大，加到示波管Ｙ偏转系 统。
? 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。频谱测量的基础是 付里叶变换。
任务1：时域测量和频域测量的比较 . 要点2.频域测量
? 频谱的两种基本类型
? 离散频谱（线状谱），各条谱线分别代表 某个频率分量的幅度，每两条谱线之间的 间隔相等
? 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，绘出网络的幅 频特性曲线。
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)
《电子测量仪器》项目6 频域测量仪器
• 4.动态范围 • （1）仪器动态范围。指在规定的仪器误差允许范围内，所
能测量同时出现在输入端不同频谱信号电平的最大差值。 • （2）显示动态范围。指在规定的仪器误差允许范围内，能
同时完整地显示出的、两个非谐波关系的正弦信号电平的 最大差值，也常以dB为单位表示。
• 5.灵敏度 • 频谱分析仪的灵敏度是指在给定的其他指标条件下，可以
• (4)频标。为了使幅频特性容易读数，应有多种频率标记， 必要时频标可外接。
• 3.扫频信号的产生方法 • (1)变容二极管扫频。 • 变容二极管扫频是通过改变振荡回路中的电容量，以获得
扫频的一种方法。它将变容二极管作为振荡器选频电路中 电容的一部分，当扫频振荡器工作时，将调制信号反向地 加到变容二极管上，使二极管的电容随调制信号变化而变 化，进而使振荡器的振荡频率也随着变化，从而达到扫频 的目的。
频域分析仪器，可用来测量信号电平、谐波失真、频率及 频率响应、调制系数、频率稳定度及频谱纯度等。
频谱分析仪按照构成方式，可分为顺序滤波式、扫频外 差式和FFT分析式频谱分析仪3种。其中，前两种又称为滤 波式；FFT分析式又称为计算式或算法式。
• 1.扫频外差式频谱分析仪 • 扫频外差式是按外差方式来选择所需频率分量，其中频固
• (2)测量互调失真。 • 当输入两个或两个以上不同频率的信号给非线性系统时，
在其输出端除了有各信号的基波和某些谐波外，还可能有 各频率间的和频及差频信号，这些和频及差频信号称为互 调失真分量。
• 3.测量随机噪声和相位噪声 • (1)测量随机噪声。
• 对统计特性不随时间变化的随机噪声称为平稳随机噪声，用频谱仪测 量随机噪声通常是指测量平稳随机噪声。测量的方法是测量在一定频 率时的功率谱密度。除了噪声为离散值时可直接用统计分析外，大多 数情况下噪声在频域不再是离散的谱线。这时衡量在某个频率附近噪 声功率的大小，常用该频率附近单位频率(即1Hz)内噪声在1Ω电阻上 产生的功率来衡量。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第17页
电子测量原理
6.1.6 信号的频谱分析技术
频谱分析以付里叶分析为理论基础，可对不同频 段的信号进行线性或非线性分析。
信号频谱分析的内容：
对信号本身的频率特性分析，如对幅度谱、相位 谱、能量谱、功率谱等进行测量，从而获得信号 不同频率处的幅度、相位、功率等信息；
对线性系统非线性失真的测量，如测量噪声、失 真度、调制度等。
第8页
电子测量原理
脉冲宽度和频带宽度（续1）
脉冲宽度与频带宽度对周期信号频谱的影响
X(t)
-2T0
-T0
-T1
T0 0/2 TT 1
2T0
t
连续方波信号的波形如上图所示，它在一个周
期内的时域表达式为
1 x( t ) 0
t T1 T1 t T0 2
其中T0为方波的周期，脉冲宽度为2T1。
n
f [n]e jn
F (e j )e jnd
第16页
电子测量原理
6.1.5 快速付氏变换
快速付氏变换（ FFT）：实现离散付氏变换、进 行时-频域分析的一种极迅捷有效的算法。 FFT算法经过仔细选择和重新排列中间计算结果， 完成计算的速度比离散付氏变换有明显提高，因 而在数字式频谱仪等仪器中得到广泛应用。 最常见的FFT算法：基2的时间抽取法，即蝶形算 法。若频谱分析的记录长度为 N （ N 常取 2 的幂 次），进行离散付氏变换所需的计算次数约为 N2 ， 蝶形算法需要的次数为N log2N。
电子测量原理
第六章 频域测量
6.1 信号的频谱 6.2 线性系统频率特性测量 6.3 频谱分析仪
6. 3.1 频谱分析仪的基本原理
6. 3.2 频谱分析仪的分类 *6.3.3 扫频外差式频谱仪 *6.3.4 付里叶分析仪
6.4 实例分析
第1页
电子测量原理
6.1 信号的频谱
6.1.1 信号分析和信号频谱的概念
第20页
可对信号的频 谱进行分析， 显示信号的频 谱分布图。
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
6.2.1 基本测量方法
1. 点频测量法
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。
输入信号源，提供频率和电压 幅度均可调整的正弦信号
网络输入端 的电压幅度 指示器
第19页
离散 连续 周期 非周期
时域
频域
电子测量原理
时域测量和频域测量的比较
1.时域测量常用仪器为示波器、图示仪等，用来测 量波形的参数，如幅度值、周期、频率、相位差 等也十分方便。 2.频率特性测试仪和频谱分析仪是频域测量的重要 仪器，可观察微小失真的信号。
在频域内对元器件、 电路或系统的特性 进行动态测量，显 示频率特性曲线.
第5页
电子测量原理
周期信号的付氏变换
一个周期为T的信号f(t)可以用复指数级数展开表
示为：
f (t )
n
jn 0 t c e n
其中
2 1 0 , cn T T
T /2
T / 2
f ( t )e jn 0 t dt
cn称为周期信号 f(t)的付氏级数系数，或f(t)的频谱系 数。付氏级数明确地表现了信号的频域特性。 对应的周期信号付氏变换式为： 频谱密度函数 简称频谱
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。
第27页
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
2. 扫频测量法
扫频信号经过被测网络后， 幅度按照被测网络的幅频 特性做相应变化，如上图 中的波形④，这个包络线 的形状就是被测网络的幅 频特性。 最后经过Ｙ通道放大，加 到示波管Ｙ偏转系统。 示波管的水平扫描电压用 于调制扫频信号发生器形 成扫频信号。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 第28页 也就是频率轴。
收敛性：各次谐波的幅度随着谐波次数的增大而 逐渐减小。
第7页
电子测量原理
脉冲宽度和频带宽度
周期信号的脉冲宽度和频带宽度是两个不同的 概念。有效频带宽度与脉冲宽度成反比。
脉冲宽度是时域概念，指在一个周期内脉冲波形 的两个零点之间的时间间隔；
频带宽度（带宽）是频域概念，通常规定：在周 期信号频谱中，从零频率到需要考虑的最高次谐波 频率之间的频段即为该信号的有效占有带宽，亦称 频带宽度。实际应用中，常把零频到频谱包络线第 一个零点间的频段作为频带宽带。
确定信号与随机信号 连续时间信号与离散时间信号
周期信号与非周期信号
其它分类如：奇信号与偶信号，调制信号与载波 信号，能量有限信号与功率有限信号 ……
第3页
电子测量原理
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；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。频谱测量的基础是付里叶 变换。 频谱的两种基本类型
信号f(t)的能量定义为：E ( ) f (t ) 2dt 能量密度谱，简称能量谱或能谱， 表示单位频带内所含能量。任何带宽 当E(ω) 有限时， f(t)被称为能量有限信号，简称能 量信号。内的信号能量均与能量谱曲线下相应 2 的面积成正比 1 2 由帕斯瓦尔公式 f ( t ) dt F ( j ) d
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
2. 扫频测量法
优点和缺点 扫频测量法简单、速度快，可以实现频率特性测量的自动 化。
由于扫频信号的频率变化是连续，不会象点频法由于测量 的频率点不够密而遗漏某些被测特性的细节。
反映的是被测网络的动态特性。
第24页
电子测量原理
第25页
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
2. 扫频测量法
扫频信号发生器产 生一个幅度恒定且 频率随时间线性连 续变化的信号作为 被测网络的输入信 号。 通常称为扫频信号， 如图中的波形②。
第26页
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
2. 扫频测量法
扫描电路产生线性良好的锯齿 波电压(波形①)。 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。
第9页
电子测量原理
脉冲宽度和频带宽度（续2）
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
- w0 0 w0 cn T1 =T0 /8 - w0 0 w0 T1=T0 /16 cn - w0 0 w 0
n w0
nw0
nw0
第10页
电子测量原理
第18页
电子测量原理
离散时域信号的频谱特性
离散付氏变换的频谱F(ej)是的周期函数，周期 为2π，即离散时间序列的频谱是周期性的。
如果离散时间序列是周期性的，在频域内的频谱 一定是离散的，反之亦然；
若离散时间序列是非周期的，在频域内的频谱一 定是连续的，反之亦然。 周期 非周期 离散 连续 付 氏 变 换
第22页
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
6.2.1 基本测量方法
1. 点频测量法优缺点：
点频法是一种静态测量法，它的测量准确度比较 高，能反映出被测网络的静态特性； 测量时不需要特殊仪器； 缺点：操作繁琐、工作量大、容易漏测某些细节， 不能反映出被测网络的动态特性。
第23页
F j 2
第6页
n
c n
n 0
电子测量原理
周期信号的频谱特性
频谱密度由无穷个冲激函数组成，位于谐波频率 nω0处冲激函数的强度是第n个付氏级数系数的2π 倍。
离散性：频谱是离散的，由无穷多个冲激函数组 成；
谐波性：谱线只在基波频率的整数倍上出现，即 谱线代表的是基波及其高次谐波分量的幅度或相 位信息；
第15页
电子测量原理
6.1.4 离散时域信号的频谱
离散时域信号的付氏变换（DFT） 又称为序列的付氏变换：以e j n作为完备正交 函数集，对给定序列做正交展开，很多特性与连 续信号的付氏变换相似。
一个非周期离散时间序列的付氏变换定义为：
频谱 其反变换为：
1 f [ n] 2
F (e j )
6.1.2 周期信号的频谱
6.1.3 非周期信号的频谱
6.1.4 离散时域信号的频谱
6.1.5 快速付氏变换
6.1.6 信号的频谱分析技术
第2页
电子测量原理
6.1.1 信号分析和信号频谱的概念
信号的定义及种类
信号的概念广泛出现于各领域中。这里所说的均 指电信号，一般可表示为一个或多个变量的函数。按 照信号随时间变化的特点，可分为
第21页
网络输出端的 电压幅度指示 器
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
6.2.1 基本测量方法
1. 点频测量法
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。 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，绘出网络的幅频特性曲 线。
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
2. 扫频测量法 扫频测量法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。
电子测量原理
6.1.6 信号的频谱分析技术
频谱分析以付里叶分析为理论基础，可对不同频 段的信号进行线性或非线性分析。
信号频谱分析的内容：
对信号本身的频率特性分析，如对幅度谱、相位 谱、能量谱、功率谱等进行测量，从而获得信号 不同频率处的幅度、相位、功率等信息；
对线性系统非线性失真的测量，如测量噪声、失 真度、调制度等。
第8页
电子测量原理
脉冲宽度和频带宽度（续1）
脉冲宽度与频带宽度对周期信号频谱的影响
X(t)
-2T0
-T0
-T1
T0 0/2 TT 1
2T0
t
连续方波信号的波形如上图所示，它在一个周
期内的时域表达式为
1 x( t ) 0
t T1 T1 t T0 2
其中T0为方波的周期，脉冲宽度为2T1。
n
f [n]e jn
F (e j )e jnd
第16页
电子测量原理
6.1.5 快速付氏变换
快速付氏变换（ FFT）：实现离散付氏变换、进 行时-频域分析的一种极迅捷有效的算法。 FFT算法经过仔细选择和重新排列中间计算结果， 完成计算的速度比离散付氏变换有明显提高，因 而在数字式频谱仪等仪器中得到广泛应用。 最常见的FFT算法：基2的时间抽取法，即蝶形算 法。若频谱分析的记录长度为 N （ N 常取 2 的幂 次），进行离散付氏变换所需的计算次数约为 N2 ， 蝶形算法需要的次数为N log2N。
电子测量原理
第六章 频域测量
6.1 信号的频谱 6.2 线性系统频率特性测量 6.3 频谱分析仪
6. 3.1 频谱分析仪的基本原理
6. 3.2 频谱分析仪的分类 *6.3.3 扫频外差式频谱仪 *6.3.4 付里叶分析仪
6.4 实例分析
第1页
电子测量原理
6.1 信号的频谱
6.1.1 信号分析和信号频谱的概念
第20页
可对信号的频 谱进行分析， 显示信号的频 谱分布图。
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
6.2.1 基本测量方法
1. 点频测量法
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。
输入信号源，提供频率和电压 幅度均可调整的正弦信号
网络输入端 的电压幅度 指示器
第19页
离散 连续 周期 非周期
时域
频域
电子测量原理
时域测量和频域测量的比较
1.时域测量常用仪器为示波器、图示仪等，用来测 量波形的参数，如幅度值、周期、频率、相位差 等也十分方便。 2.频率特性测试仪和频谱分析仪是频域测量的重要 仪器，可观察微小失真的信号。
在频域内对元器件、 电路或系统的特性 进行动态测量，显 示频率特性曲线.
第5页
电子测量原理
周期信号的付氏变换
一个周期为T的信号f(t)可以用复指数级数展开表
示为：
f (t )
n
jn 0 t c e n
其中
2 1 0 , cn T T
T /2
T / 2
f ( t )e jn 0 t dt
cn称为周期信号 f(t)的付氏级数系数，或f(t)的频谱系 数。付氏级数明确地表现了信号的频域特性。 对应的周期信号付氏变换式为： 频谱密度函数 简称频谱
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。
第27页
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
2. 扫频测量法
扫频信号经过被测网络后， 幅度按照被测网络的幅频 特性做相应变化，如上图 中的波形④，这个包络线 的形状就是被测网络的幅 频特性。 最后经过Ｙ通道放大，加 到示波管Ｙ偏转系统。 示波管的水平扫描电压用 于调制扫频信号发生器形 成扫频信号。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 第28页 也就是频率轴。
收敛性：各次谐波的幅度随着谐波次数的增大而 逐渐减小。
第7页
电子测量原理
脉冲宽度和频带宽度
周期信号的脉冲宽度和频带宽度是两个不同的 概念。有效频带宽度与脉冲宽度成反比。
脉冲宽度是时域概念，指在一个周期内脉冲波形 的两个零点之间的时间间隔；
频带宽度（带宽）是频域概念，通常规定：在周 期信号频谱中，从零频率到需要考虑的最高次谐波 频率之间的频段即为该信号的有效占有带宽，亦称 频带宽度。实际应用中，常把零频到频谱包络线第 一个零点间的频段作为频带宽带。
确定信号与随机信号 连续时间信号与离散时间信号
周期信号与非周期信号
其它分类如：奇信号与偶信号，调制信号与载波 信号，能量有限信号与功率有限信号 ……
第3页
电子测量原理
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；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。频谱测量的基础是付里叶 变换。 频谱的两种基本类型
信号f(t)的能量定义为：E ( ) f (t ) 2dt 能量密度谱，简称能量谱或能谱， 表示单位频带内所含能量。任何带宽 当E(ω) 有限时， f(t)被称为能量有限信号，简称能 量信号。内的信号能量均与能量谱曲线下相应 2 的面积成正比 1 2 由帕斯瓦尔公式 f ( t ) dt F ( j ) d
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
2. 扫频测量法
优点和缺点 扫频测量法简单、速度快，可以实现频率特性测量的自动 化。
由于扫频信号的频率变化是连续，不会象点频法由于测量 的频率点不够密而遗漏某些被测特性的细节。
反映的是被测网络的动态特性。
第24页
电子测量原理
第25页
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
2. 扫频测量法
扫频信号发生器产 生一个幅度恒定且 频率随时间线性连 续变化的信号作为 被测网络的输入信 号。 通常称为扫频信号， 如图中的波形②。
第26页
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
2. 扫频测量法
扫描电路产生线性良好的锯齿 波电压(波形①)。 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。
第9页
电子测量原理
脉冲宽度和频带宽度（续2）
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
- w0 0 w0 cn T1 =T0 /8 - w0 0 w0 T1=T0 /16 cn - w0 0 w 0
n w0
nw0
nw0
第10页
电子测量原理
第18页
电子测量原理
离散时域信号的频谱特性
离散付氏变换的频谱F(ej)是的周期函数，周期 为2π，即离散时间序列的频谱是周期性的。
如果离散时间序列是周期性的，在频域内的频谱 一定是离散的，反之亦然；
若离散时间序列是非周期的，在频域内的频谱一 定是连续的，反之亦然。 周期 非周期 离散 连续 付 氏 变 换
第22页
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
6.2.1 基本测量方法
1. 点频测量法优缺点：
点频法是一种静态测量法，它的测量准确度比较 高，能反映出被测网络的静态特性； 测量时不需要特殊仪器； 缺点：操作繁琐、工作量大、容易漏测某些细节， 不能反映出被测网络的动态特性。
第23页
F j 2
第6页
n
c n
n 0
电子测量原理
周期信号的频谱特性
频谱密度由无穷个冲激函数组成，位于谐波频率 nω0处冲激函数的强度是第n个付氏级数系数的2π 倍。
离散性：频谱是离散的，由无穷多个冲激函数组 成；
谐波性：谱线只在基波频率的整数倍上出现，即 谱线代表的是基波及其高次谐波分量的幅度或相 位信息；
第15页
电子测量原理
6.1.4 离散时域信号的频谱
离散时域信号的付氏变换（DFT） 又称为序列的付氏变换：以e j n作为完备正交 函数集，对给定序列做正交展开，很多特性与连 续信号的付氏变换相似。
一个非周期离散时间序列的付氏变换定义为：
频谱 其反变换为：
1 f [ n] 2
F (e j )
6.1.2 周期信号的频谱
6.1.3 非周期信号的频谱
6.1.4 离散时域信号的频谱
6.1.5 快速付氏变换
6.1.6 信号的频谱分析技术
第2页
电子测量原理
6.1.1 信号分析和信号频谱的概念
信号的定义及种类
信号的概念广泛出现于各领域中。这里所说的均 指电信号，一般可表示为一个或多个变量的函数。按 照信号随时间变化的特点，可分为
第21页
网络输出端的 电压幅度指示 器
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
6.2.1 基本测量方法
1. 点频测量法
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。 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，绘出网络的幅频特性曲 线。
电子测量原理
6.2 线性系统频率特性测量
2. 扫频测量法 扫频测量法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。