电子测量技术频域测量

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图8-8 f~IM曲线 第23页
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(三)定标
这里讲的定标,是指对屏上显示的图形进行定量,以 便于定量测量。定标包括频率定标和幅度定标两方面。下 面对此进行简单介绍。
1.频率标记 用一定形式的标记对频率轴进行定量,这就是“频率标 记”。产生频率标记的方法,主要是差频法和陷波法。差 频 法原理框图见图8-9所示。
线性系统通常用传递函数来描述,即系统的初始状态 为零的条件下,系统输出的拉氏变换与输入的拉氏变换的 比:
(8-1) 式中:Y(s)、X(s)为输出和输入函数的拉氏变换; H(s)为系统的传递函数。
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(8-2) 很显然,H(jω)是一个复函数。因此,可用幅频特 性| H(jω)|和相频特性φ(ω)来全面表征一个系统的 频率特性:
左图8-4 振幅平稳性
2.获得扫频信号的方法 扫频的最早方法是采用机械扫频,发展到今已广泛采 用变容二极管扫频。在高频(几十到几百MHz)范围的扫 频,则广泛采用具有独特优点的磁调制扫频。在更高频率 (达GHz),利用铁磁谐振现象,采用YIG磁调谐振荡器 (YIG是单晶体铁氧材料——钆铁石榴石的英文缩写)。
(8-11)
式中:
。Fra Baidu bibliotek
当IM 选择适中,使M工作在B~H曲线的饱和部分,即 在μ~IM曲线的反比平方律部分,有μ反比于I2M。那么, 由式(8-11)可知,震荡频率f 就正比于调制电流IM, 保证了良好的扫频线性,见图8-8所示。
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对于图8-2所示的光点式扫频图示仪,因大部分电路在 前续课中已经学习过,所以我们只对扫频振荡器部分进行 了分析介绍。
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由图可见,变容二极管工作在反向电压下,且结电容与电 压成非线性关系。变容二极管结电容C j与其反向工作 电压UR之间的关系为:
(8-8) 式中:Co为零偏压时的电容量(单位pF);
UD为PN结正向压降(硅管为0.7V); n 为电容变化指数(n=1/3 ~ 5)。 式(8-8)对应的曲线就是图8-5的(c)图所示。国产BT-4 型扫频图示仪采用2CCIE变容二极管,它的C0=150pF,当 n=2时有:
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图8-9 差频法产生频标
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扫频信号和标准信号经被测电路加到检波器,其输出 除被测电路频率特性的低频电压外,还有二信号的差频信 号,经低通滤波后便得频率特性及其迭加的棱形频标。改 变f的大小,可使频标在特性曲线上左右移动。若用晶振来 产生f,同理可得频率标尺。
2.幅度定标 它指对屏上显示的幅频特性的纵坐标进行定量,通常 采用置于屏前的电平刻度板。
由于扫频信号随锯齿波电压线性变化,而光点的X方向 扫描也随锯齿波电压线性变化,
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则屏上的水平轴就转化为频率轴了(示波器是转化为时间 轴)。
图8-2 光点式扫频图示仪框图
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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 过光点扫描而得到连续的幅频特性,故叫光点扫描式。
很显然,改变锯齿波电压的频率,可改变扫频的速度 ;而改变锯齿波电压的幅度(即变化斜率),可改变扫频 的宽度。此外,变容二极管扫频只能适于低频情况下的扫 频,国产BT-4型扫频图示仪就是如此。
(2)磁调制扫频 磁调制扫频是利用非线性电感(磁饱和电抗器)来扫 频,其特点是电路简单,在寄生调幅较小的条件下可获得 较大的扫频宽度。
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、
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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
(8-3) (8-4) 由式(8-3)、(8-4)可见,系统在频率函数的激励下 ,不但输出的幅度要发生变化,而且输出的相位也会改变 。要了解这种特性,就要进行频率特性测量。
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8.2 线性系统频率特性的测量
线性系统频率特性测量,经典的测量方法是采用正弦 点频法, 这是一种静态测量方法,而广为采用的是正弦波 扫频测量,即动态测量。本节就对这两个问题进行介绍。
频域测量主要地包括二大部分部份内容:模拟线性系 统频率特性的测量、模拟信号的频谱分析。 前者用二十世 纪六十年代发展起来的扫频图示技术进行测量最为广泛, 而后者一般采用频谱分析仪进行测量的分析。本章就从这 两方面来加以介绍。
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8.1 线性系统描述
线性系统,是一个能用线性微分方程描述的系统。 它具 有频率不变性和迭加性。前者是指系统输出信号的频率与 系统输入信号的频率相同,不会发生任何变化。后者是指 对系统可用电路理论中的迭加原理进行分析。
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对扫频信号,要求具有足够宽的扫频范围、良好的扫 频线性、振幅稳定(即平稳性好)。 对此,我们介绍常用 的变容二极管扫频和磁调制扫频。
(1)变容二极管扫频 a.变容二极管 变容二极管实质是一个PN结,处于反向偏置时,结电 容Cj随外加电压大小而变化。图8-5的(a)图是它的等效 电路,(b)图是它的电路符号,(c)图是它的特性曲 线。
。对于电压控线制性系的数= 扫频而言,定义为:
线性系数=
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)
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图8-3 扫频线性
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理想情况下,线性系数为1,即频率的变化与控制电压 成线性关系。
(2)扫频宽度 指在扫频线性和振幅平稳的条件下具有的最大频率覆 盖范围,即:
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它是将高频磁路M置于低频调制磁路M中,在高频磁路M上 有高频线圈,如图中(a)图所示。工作过程是这样的: 低频调制电流IM作用于低频调制线圈时,置于低频磁 路M中的M被磁化,当M被磁化到B~H
(a)
(b)
图8-7 磁调制原理
曲线的饱和部分时,则IM的变化使M 的增量导磁系数
μ变化,从而式(8-9)中的L变化。增量导磁系数的变化
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是连续的。见图8-10所示。 (1)暗光栅的产生
光栅增辉式图示仪的原理框图如 图8-11所示。下面先讨论暗光栅 的产生。 垂直扫描发生器产生18.5KHz的锯 齿波电流信号I送垂直偏转线圈W, 图8-10 光栅增辉式的显示情况 而X 放大器输出三角波电流信号I送水平偏转线圈W,在这 二电流作用下,电子束在屏上形成垂直光栅。由于示波管 阴极平时正电位不发射电子,故屏上的光栅是看不见的( 但位置存在),故称暗光栅。
,可见图8-7的(b)图所示。
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决定高频电感L的因素有两个方面:一是由结构决定的 常数量,即高频线圈的电感(空心)L 和高频铁芯决定的 导磁系数利用率η(闭合磁路的η值高);另一方面,由 低频电流IM决定的增量导磁系数μ。这后者是变化量。
当将L作为LC震荡器的电感元件时,则有调制电流IM 的变化使L变化,最终使振荡器的振荡频率变化。
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 用的工具。
,测出输出Uo ,同时监测波形不能畸变。当测完一组数据 后,做出20lg ~f曲线。
图8-1 正弦点频法原理框图
点频法的优点是简单易做。但缺点是:繁琐费时,每 改变一次电路元件参数须重新逐点测试一遍,当调节元件 多时,其工作量是很大的;数据不连续,对于在某一频率
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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.
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第8章 频域测量
8.1 线性系统描述 8.2 线性系统频率特性的测量 8.3 信号非线性失真的测量 8.4 信号的频谱分析
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在电测试技术中,所要测量的量与不同的参量相关。 如前面第四章的波形测试,就是测量信号随时间的变化规 律,叫时域测量。那么,频域测量自然是用所测参数随频 率的变化规律。
有了扫频信号,再配上图示技术,使测试电路的幅频 特性简捷快速,并能测量其动态特性。
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(一).扫频图示的原理 按照图示法的显示原理可分为光点扫描式和光栅增辉
式两种方法。下面我们以光点扫描式来分析扫频图示的原 理(另一显示方法在后面专门加以介绍)。
图8-2是光点扫描式的原理框图。由图可知,他与示波 器有雷同的地方,只是锯齿波发生器的锯齿波电压除一路 经X放大后驱动光点水平扫描外,另一路去控制产生扫频 信号,其扫频信号经被测电路后再检波和放大,然后加在 Y偏转板上,则CRT上显示出被测电路幅频特性曲线。
8.2.1 正弦点频法测量
正弦点频法又叫逐点测量法,如图8-1所示。信号源提 供可调的正弦波电压;电子毫伏表V监测被测电路输入电 压大小(保持其恒定);电子毫伏表Vo指示被测电路输出 电压;双踪示波器用来监测输入、输出电压的波形。测量 时,每改变一次信号源频率,都要保持被测输入U值不变
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(四)光栅增辉式图示方法
前述光点扫描式存在两方面的缺点。首先是大屏幕显 示受限,因为静电偏转角度小,若用磁偏转,难向Y偏转 线圈提供与图形信号相同波形的偏转电流。其次,是测量 精度受限,因为难于对幅度进行校准。光栅增辉式能克服 这些缺点,因而广泛采用。
1.显示原理 光栅增辉式图示仪的显示原理类似于电视机,但不同 的是光栅是垂直的(f>>f),而且平时被消隐而看不见, 即是“暗光栅”。测量时,靠增辉脉冲使每条暗光栅在不 同高度产生亮点来显示图形,只要光栅条数多,显示曲线
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b.变容管扫频振荡电路 图8-6就是变容管组成的扫频振荡电路,它是一个改进 型电容三点式振荡电路,克服了三极管输入输出参数对频 率的影响,其振荡频率由L、C3、C4、Cj及C5决定。
图8-6 变容管扫频振荡电路 第17页
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其原理是,在锯齿波电压作用下,变容二极管的结电容改 变,从而振荡电路频率发生改变。所以是电压控制(简称 压控)振荡器。
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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 不变)的正弦信号,就叫“扫频信号”。
b.磁调制扫频振荡器 典型的电路是电容三点式,将高频线圈的电感L作为 LC 振荡电路的电感参数(电路略)。那么,振荡器的振荡 频率可写成:
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(8-10)
式中:C为振荡回路电容;
L为磁调制高频线圈的空心电感。
按照前面的叙述,结构一定,η、L均为常数,回路电
容C也是常数,则式(8-10)可写为:
(8-6) 式中:f1、f2见图8-3所示。
扫频宽度与扫频线性通常是矛盾的,一般在保证扫频线 性情况下通过电路扩展频带来解决。
(3)振幅平稳性 振幅平稳性定义为:
(8-7)
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产生原因是各种因素(如电源电压波动、噪声干扰、 温度变化等)的影响。扫频 宽度与平稳性也是矛盾的, 应采用稳幅电路。
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因此,在高频范围内广泛应用。但需要的调制功率大 ,一般采用电子管元件及工频电作调制信号。
a.磁调制扫频原理 铁芯电感的电感量L与铁芯的有效导磁系数之间存在如 下关系:
(8-9) 式中:L 为空心线圈的电感量;
μ为增量导磁系数,即B~H 曲 线的斜率; η为导磁系数利用率,由磁路决定。 式(8-9)就是磁调制扫频原理的基础,其结构可见 图8-7所示。
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