第9章频域测试技术

第9章频域测试技术

9.1 概述

1．频域和时域的关系

通常一个过程或信号可以表示为时间t的函数f(t)，示波器常用来观测信号电压随时间的变化，是典型的时域分析仪器。

过程或信号还可以表示为频率f 或角频率的函数s(ω)，频率特性测试仪、频谱分析仪都是以频率为自变量，以各频率分量的信号值为因变量进行分析的仪器。

任何一个过程或信号，既可在时域进行分析来获取其各种特性，也可以在频域进行，如图9.1所示2．常用频域测试仪器

（1）频率特性测试仪

（2）频谱分析仪

（4）调制域分析仪

调制域分析仪测量信号的频率、相位和信号出现的时间间隔随时间的变化规律。

（3）选频电压表

选频电压表采用调谐滤波的方法，选出并测量信号中某些频率分量。

（5）相位噪声分析仪

振荡信号源的相位噪声特性用谱密度来表征，因而相位噪声的分析也要用到频谱分析。对网络的分析也是通过信号分析来进行的，因而与信号的频率分析技术密切相关。

（6）数字信号处理机

数字信号处理机是新发展起来的一类分析仪，它采用FFT和数字滤波等数字信号处理技术，对信号进行包括频谱分析在内的多种分析。

9.2 频率特性测试仪

频率特性测试仪简称扫频仪，是一种根据扫频测量法原理组成的分析电路频率特性的电子测量仪器，它的横坐标为频率轴、纵坐标为电平值，显示的图形上叠加有频率标志。

9．2．1频率特性的基本测量方法

1．点频测试法

保持输入正弦信号大小不变，逐点改变输入信号的频率，测量相应的输出电压值。

2．扫频测试法

扫频测试法的扫频频率的变化是连续的。

3．多频测量法

多频测量将一个由多个正弦波组成的测试信号同时加到被测系统的输入。

4．广谱快速测量法

采用白噪声作为测试输入信号，实现广谱测试信号的动态测试方法。

9．2．2频率特性测试仪的工作原理

1．扫频信号发生电路

扫频信号发生电路主要包括扫频振荡器、稳幅电路及输出衰减器，如图9.3所示。

2．频标信号产生电路

常用的内频标有两种。

（1）菱形频标

菱形频标常用差频法产生，如图9.4所示。

（2）针形频标

在低频扫频仪中常用针形频标。针形频标的产生与菱形频标类似，如图9.5所示。针形频标宽度比菱形频标窄，在测量低频电路时有较高的分辨力。

9．2．3频率特性测试仪的主要技术指标

1．扫频非线性系数k

表示扫频信号频率与扫描电压之间线性相关的程度，用f-u 曲线的斜率变化来表示。

2．扫频宽度

扫频宽度也称为扫频频偏，为扫频中心频率的最高与最低值的差值。

3．扫频信号的寄生调幅系数

输出衰减置为0dB，选择内频标，Y增益适中，在额定的±15MHZ频偏内观察，屏幕上出现方框，则寄生调幅系数为

4．稳定性

扫频中心频率和扫频范围作为信号源的频率指标，应具有足够的稳定性。

5．扫频信号电压

是扫频信号发生器的输出电压，应满足被测系统处于线性工作状态的要求，一般有效值大于0.1V。

6．频率标记

一般有1MHZ、10MHZ、50MHZ及外接四种。

7．输出阻抗

扫频信号发生器的输出阻抗一般选择75Ω，以配合被测电路。

9．2．4频率特性测试仪的主要应用

1．使用前的检查

（1）通电预热10分钟左右，调好辉度和聚焦，扫描线应明亮平滑。

（2）极性开关“+”、“-”和AC、DC根据被测信号设定。

（3）根据被测电路的工作频率或带宽，将频标选择开关置于合适档位，通过调节频标幅度旋钮，使其大小合适。

（4）进行零频标点的调试。

（5）进行0dB校正。

零频标点的调试方法；将扫频仪的输出探头与输入探头短接，即自环连接；将输出衰减置0dB；调节Y增益至合适大小，荧光屏上将出现图9.8（a）所示的两条光迹，顺时针旋转，光迹将向右移动，直至荧光屏上显示的图9.8（b）所示图形，即光迹出现一个凹陷点，这个凹陷点就是扫频信号的零频标点。

2．频率特性测试仪面板和主要控键示意图

（1）输入衰减。有3档，分别为1、10、100倍衰减。

（2）Y位移。调节时，可使显示图形上、下移动。

（3）极性开关。使屏幕上显示的图形可倒置。

（4）中心频率。在扫频范围内改变中心频率。

（5）输出衰减。按dB步进衰减输出信号。

（6）扫频方式。选择是点频或扫频工作方式。

（7）频标幅度。可改变频标在屏幕上显示的幅度。

（8）外频标输入插座。使用外频标时，由此插座输入。

（9）扫频输出。输出扫频信号的插座。

3．使用注意事项

（1）扫频仪与被测电路连接时，必须考虑阻抗匹配问题。

（2）在显示幅频特性曲线时，如发现图形有异常曲折，则表明电路有寄生振荡，这时应先采取措施消除自激。

（3）测试时，输出电缆与检波头的地线应尽量短，切忌在检波头上加长导线。

4．频率特性仪测试实例

（1）电路幅频特性的测试

（2）电路参数的测量从扫频仪屏幕显示的幅频特性上可求得各种电路参数。

①增益的测量

在调好幅频特性的基础上，分别调节粗调和细调衰减器，控制扫频信号的电压幅度，使荧光屏显示的频率特性曲线处于0dB附近，如果高度恰号与0dB线等高，此时为粗调输出衰减B1（dB），细调输出衰

减为B2（dB）

②带宽的测量

调节粗调和细调衰减器，控制扫频信号的电压幅度，使荧光屏显示出高度合适的频率特性曲线，然后调整Y增益，使曲线顶部与某一水平刻度线AB相切，如图9.11（a）所。此后，Y增益旋钮保持不动，将扫频仪输出衰减细调衰减器减小3dB，此时荧光屏上显示的曲线高出原来的水平刻度线AB，且与AB 线有两个交点，两交点处的频率分别为下截止频率fL和上截止频率fH，如图9.11（b）所示。在用外频标标出回路的谐振频率和两个半功率点频率下截止频率和上截止频率后，用公式进行计算。

③回路Q值的测量

9.3 频谱分析仪

9．3．1频谱分析的基本概念

1．频谱分析

通常将合成信号的所有正弦波的幅度按频率的高低依次排列所得到的图形称为频谱。频谱分析就是在频率域内对信号及特性进行描述。

2．示波测试与频谱分析的特点

示波器和频谱仪都可用来观察同一物理现象，两者所得的结果应该是相同的。但由于两者是从不同角度去观察同一事物，故所得到的现象只能反映事物的不同侧面。

（1）某些在时域较复杂的波形，在频域的显示可能较为简单。

（2）某些在频域不能区分的波形，在时域能清楚显示。

（3）当信号中所含的各频率分量的幅度只是略有不同时，用示波器很难定量分析失真的程度，但是频谱仪对于信号的基波和各次滤波含量的大小则一目了然。

3．获取频谱的基本方案

(a)同时分析原理图

(b)顺序分析原理图

(c)调节滤波器方式

(d) 外差扫频方式

9．3．2频谱分析仪的工作原理

1．滤波式频谱分析

2．计算法频谱分析

直接计算有限离散傅立叶变换DFT，即可获得信号序列的离散频谱。

9．3．3常用频谱分析仪介绍

1．并行滤波实时频谱仪

根据顺序分析的基本方法构建。

2．档级滤波器式频谱分析仪

为了减少检波器的数量，将电子开关加在检波器前，使检波器公用，这种方法原理十分简明，如图9.19所示。

3．扫描式频谱分析仪

在档级滤波器式频谱分析仪的基础上，将若干通带衔接的滤波器用一个中心频率可电控调谐的带通滤波器代替，通过扫描调谐完成整个频带的频谱分析，如图9.20所示。

4．外差式频谱分析仪

外差式频谱分析仪采用扫频技术进行频率调谐，其核心部分如同一台外差式接收机。

5．数字滤波式实时频谱仪

图9.22 数字滤波式频谱分析仪框图

6．时间压缩式实时分析仪

又称为模拟数字混合式频谱分析仪。将信号记录后以高倍率速度重放，这时信号频谱移向高频段，并展宽，这样增大了滤波器的带宽，提高了扫描速度。

7．FFT分析仪