频率测量仪器分析
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那么M为：M=
AB AB 100%
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关 键 环 节
4. 扫频法的原理
扫频信号发生器
v2
v3
被测电路
v4
峰值检波器
Y
v5
扫描发生器
v1
X
扫频速度（df/dt）：扫频信号的频率随时间的 变化率 。 扫频仪的组成：利用示波器的显示原理，把时间轴 变成频率轴。主要由四部分组成：扫频信号发生器 、放大显示电路、频率标记发生器和电源。
V
n
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变容二极管构成的振荡回路
接 振 荡 器
隔直电容
L
偏 扫描信号 置 电 压
工作原理：基于PN结反向偏置时，结电容与偏 置电压有关这一原理 制成的。
变容管扫频振荡器的优点：
电路简单，频偏宽，对调制信号几乎不消耗功率。它一般用 于晶体管化的扫频仪中。
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变容二极管法的基本思想是用变容二极管充当振荡 回路中的电容，用扫描锯齿波电压去控制变容二极管两 端的电压，使其容量随之发生变化，从而使振荡频率随 扫描锯齿波的电压变化而变化，而实现调频。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
测量频点的选择对测量结果有很大影响，特别对 某些特性曲线的锐变部分以及失常点，可能会因频 点选择不当或不足而漏掉这些测量结果。
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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。
f0
2π L2 C
磁调制扫频振荡器正是利用铁磁材料的导磁率随所加的磁场强 度而变化这一特性来实现扫频的。
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式（6-1）中L 2为绕在高频磁芯MH上线圈的电感量，若 能用时基系统产生的扫描信号改变L 2，也就改变了谐振 频率。由电磁学理论可知，带磁芯线圈的电感量与磁芯 的导磁系数μ0。成正比： L2=µ 0L (6-2)
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BT-3C型扫频仪的使用方法
（1）电气性能的检查 扫频范围的检查 扫频频偏的检查
寄生调幅系数的检查
扫频非线性系数检查
扫频输出电压检查
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（2）使用方法
图6-9 扫频法的原理图
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变容管扫频仪的组成及原理
变容管扫 频发生器
被测电路
峰 值 检 波 器
三角波
扫描发生器
X
Y
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3)扫频信号的的特性应满足要求
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；
u4检波器取出的包络信 号，其形状即是被测电 路的幅频特性曲线.
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1.扫频源的基本工作原理
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。它既 可作为独立的测量用信号发生器，又可作为频 率特性测量类仪器的前端。
频标产 ALC 稳 幅 放大器 取 样 检波器 生电路 频标 输出
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6.1 频率特性测试仪 6.1.1 概述
扫频仪主要参数：
中心频率f0及可调范围； 扫频频偏：Δf表示调频信号在f0+Δf范围内连续改变；
扫频线性：指扫频信号频率变化规律与预定的扫频规律之
间的吻合程度； 频率标记：在幅频特性曲线上同时显示表示频率值的标记； 扫频信号幅度：扫频仪输出的等幅扫频信号的最大值。
图6-9 扫频法的原理图
图6-9(a)为BT—3C频率特性测试仪的扫频振荡器电路。 图69(b)是等效电路。 振荡电路是一个改进型的电容三点式振荡电路。 由于电感L固定，其振荡频率主要由变容二极管的结电容决定。 图6-9 扫频法的原理图
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扫描锯齿波电压加至两变容管V1与V2的中点，控 制结电容的变化，使扫频振荡器的频率随锯齿波电 压的变化而变化。 锯齿波电压的幅度的大小可以改变扫频宽度，即 改变扫频振荡器的频偏。 改变锯齿波的变化速率可改变扫频速度。
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6. 稳幅电路
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7. 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。
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8. 频率标记
频率标记是扫频测量中的频率定度 。产生频标的 基本方法是差频法，利用差频方式可产生一个或多 个频标，频标的数目取决于和扫频信号混频的基准 频率的成分。
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5. 获得扫频信号的方法
1)磁调制扫频
它是利用非线性电感的调频方法，它具有寄生调幅小，相对 扫频宽度大，电路简单等优点。缺点是需要调制功率大，大多采用 电子管电路，并且用市电作为调制信号。如BT3（0——300M） 磁调制扫频法的原理图如下图所示，图（ a ）中 L2 、 C 调谐回路 1 的谐振频率f0为
理想情况下，扫频仪输出的扫频信号的幅度恒 定不变。通常用寄生调幅系数M来表示扫频信 号幅度的平稳性，寄生调幅系数越小，表示振 幅平稳性越高。
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振幅稳定性
寄生调幅系数的检查，调节扫频宽度，在有效 面积内，使扫频宽度为15MHz，旋转中心频率 旋钮找一扫频线落差最大的地方，把最高点和 最低点的高度分别记A、B，如图所示。
扫频信号衰减：粗衰减，10dB×7步进；细衰减，1×9dB步进；
寄生调幅系数：小于7%（扫频频偏在±15MHz内）； 检波探测器性能：输入电容不大于5pF，最大允许直流电300V；
示波部分的垂直输入灵敏度：大于250mm／V。
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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。
f max f min f0 2 中心频率范围 指f0的变化范围，也就是扫频仪的工作频率范围。 f 即 称为相对扫频宽度。 f
0
f max f min f 2 f0 f max f min
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振幅稳定性
所谓振幅稳定性，就是指在幅频特性测试中， 扫频仪输出的扫频信号的幅度的变化情况。
式（6-2）中L为空芯线圈的电感量。由于高频磁芯MH接 在低频磁芯ML的磁路中，而绕在ML上的线圈中的电流 是交流和直流两部分的扫描电流，如图(6-8b)所示。当扫 描电流随时间变化时，使得磁芯的有效导磁系数也随着 改变，再由式(6-1)、(6-2)可知，扫描电流的变化就导致 了L2及谐振频率f0的变化，实现了“扫频”。
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3. 扫频信号的主要工作特性
有效扫频宽度 所谓有效扫频宽度，就是指在扫频线和振幅平 稳性能符合要求的前提下，一次扫频能达到的最 大频率的覆盖范围。一次扫频时能获得的最高fmax 和最低fmin的瞬时频率之差就是有效扫频宽度， 用 f 表示。
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中心频率 中心频率是指在线性扫频时，频率变化 是均匀的，称为频偏。中心频率为：
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2).变容二极管扫频
等效电路如图
N
Cj
N
P
Rs
Cj
P
势垒电容与外加电压的关系：
V
Cj
C jo V 1 V
n
C j0
变容管在零偏压时的电容。 PN结的内建电位差，硅管=0。6v 电容指数，决定于PN结中杂质 浓度的分布情况，对于突变结 变容管，n 1 2 ，而超突变结变 容管 n1
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6.1.2 频率特性的测量法 点频测量法
——线性系统频率特性的经典测量法
每次只能将加到被测线性系统的信号源的频率 调节到某一个频点。依次设置调谐到各指定频点上， 分别测出各点处的参数，再将各点数据连成完整的 曲线，从而得到频率特性测量结果。 所得频率特性是静态的，无法反映信号的连续变 化；
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。
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6.1.3 扫频测量技术
幅频特性的扫频测量法
u1示波器的水平扫描信号 u2扫频信号，频率变化 与扫描信号幅度变化同 步。
u3电路输出信号，体现电 路幅频特性
所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高 频标幅度应基本一致、显示整齐 不包含杂频和泄漏进来的扫频信号 多种频标形式以满足不同的显示和测量需要 电路时延尽可能小以减小频率定度误差
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频标信号产生电路
作用是产生具有频率标志的图形，以便 能在屏幕上直接读出某一点的频率值或某 一段曲线的频率范围，频标信号通常采用 差频法产生。
扫频振荡器 f 1~ f 2
混频器 本振 f0
低通滤波器
宽 带 放大器
输 出 衰减器 扫频 输出
扫描信号 发生器 X 轴 扫描输出
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扫频源的基本工作原理（续）
典型的扫频源应具备下列三方面功能：
产生扫频信号（通常是等幅正弦波）； 产生同步输出的扫描信号，可以是三角波、正弦 波或锯齿波等；
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频率标记：用于频率值的标定，频率标记简称频标
主要有四种方法（模拟法）：
差频法、电压比较法、吸收法、选频法
差频法：形成菱形频标，适用于高频扫频仪中。（频标宽 度） f min f max 扫频信号
发生 器
混 频 器
标准信号
带通滤波器
fs
23 nf s n 1、、
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中心频率：1－300MHz范围任意调节； 扫频宽度：最大频偏≥±15MHz，最小频偏≤±0.5MHz； 扫频非线性系数：小于10%（扫频频偏在±15MHz内）； 输出扫频信号电压：大于0.5V（有效值）； 输出阻抗：75Ω±20%。 频标信号：1MHz/10MHz、50MHz、外接。
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10. 探头 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。 要根据被测电路的输入阻抗和电路的功能选择 探头。
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6.1.3 BT-3C频谱特性测试仪
BT-3C扫频仪的主要技术参数
产生同步输出的频率标志，可以是等频率间隔的 通用频标、专用于某项测试的专用频标及活动频 标。
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2.扫频源的主要特性
对扫频源通常的技术要求：
在预定频带内有足够大的输出功率，且幅度稳 定，以获得最大的动态范围；
调频线性好，并有经过校正的频率标记，以便 确定频带宽度和点频输出； 为使测量误差最小，扫频信号中的寄生振荡和 谐波均应很小； 扫频源输出的中心频率稳定，并可以任意调节； 频率偏移的范围越宽越好，并可以任意调节。
放 大 器
发 生 器
谐波发生器
图6-14 菱形频标显示图
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9. 被测电路 被测电路是扫频仪所要测试的对象，不属于扫 频仪的组成部分。 扫频信号加至被测电路，检波探头（如果被测 电路具备检波功能的，用非检波探头，幅频特性响 应的信号直接送Y轴电路。）对被测电路的输出信号 进行峰值检波，并将检波所得信号送往示波器Y轴电 路，该信号的幅度变化正好反映了被测电路的幅频 特性，因而在屏幕上能直接观察到被测电路的幅频 特性曲线。
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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
第六章
频域测量仪器
6.1 频率特性测试仪 6.2 频谱分析仪器 6.3 付里叶分析仪 6.4 扫描式频谱仪 6.5 频谱分析仪在频域测试中的应用 6.6 谐波失真度测量 6.7 调制度测量 6.8 频谱仪的使用方法
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第六章
频域测量仪器
本章重点 扫频信号的产生 扫频法测量电路的幅频特性曲线 扫频外差式频谱显示技术 频谱仪的工作原理及其应用 本章难点 扫频测量技术 外差式频谱仪工作原理
AB AB 100%
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关 键 环 节
4. 扫频法的原理
扫频信号发生器
v2
v3
被测电路
v4
峰值检波器
Y
v5
扫描发生器
v1
X
扫频速度（df/dt）：扫频信号的频率随时间的 变化率 。 扫频仪的组成：利用示波器的显示原理，把时间轴 变成频率轴。主要由四部分组成：扫频信号发生器 、放大显示电路、频率标记发生器和电源。
V
n
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变容二极管构成的振荡回路
接 振 荡 器
隔直电容
L
偏 扫描信号 置 电 压
工作原理：基于PN结反向偏置时，结电容与偏 置电压有关这一原理 制成的。
变容管扫频振荡器的优点：
电路简单，频偏宽，对调制信号几乎不消耗功率。它一般用 于晶体管化的扫频仪中。
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变容二极管法的基本思想是用变容二极管充当振荡 回路中的电容，用扫描锯齿波电压去控制变容二极管两 端的电压，使其容量随之发生变化，从而使振荡频率随 扫描锯齿波的电压变化而变化，而实现调频。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
测量频点的选择对测量结果有很大影响，特别对 某些特性曲线的锐变部分以及失常点，可能会因频 点选择不当或不足而漏掉这些测量结果。
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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。
f0
2π L2 C
磁调制扫频振荡器正是利用铁磁材料的导磁率随所加的磁场强 度而变化这一特性来实现扫频的。
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式（6-1）中L 2为绕在高频磁芯MH上线圈的电感量，若 能用时基系统产生的扫描信号改变L 2，也就改变了谐振 频率。由电磁学理论可知，带磁芯线圈的电感量与磁芯 的导磁系数μ0。成正比： L2=µ 0L (6-2)
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BT-3C型扫频仪的使用方法
（1）电气性能的检查 扫频范围的检查 扫频频偏的检查
寄生调幅系数的检查
扫频非线性系数检查
扫频输出电压检查
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（2）使用方法
图6-9 扫频法的原理图
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变容管扫频仪的组成及原理
变容管扫 频发生器
被测电路
峰 值 检 波 器
三角波
扫描发生器
X
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3)扫频信号的的特性应满足要求
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；
u4检波器取出的包络信 号，其形状即是被测电 路的幅频特性曲线.
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1.扫频源的基本工作原理
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。它既 可作为独立的测量用信号发生器，又可作为频 率特性测量类仪器的前端。
频标产 ALC 稳 幅 放大器 取 样 检波器 生电路 频标 输出
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6.1 频率特性测试仪 6.1.1 概述
扫频仪主要参数：
中心频率f0及可调范围； 扫频频偏：Δf表示调频信号在f0+Δf范围内连续改变；
扫频线性：指扫频信号频率变化规律与预定的扫频规律之
间的吻合程度； 频率标记：在幅频特性曲线上同时显示表示频率值的标记； 扫频信号幅度：扫频仪输出的等幅扫频信号的最大值。
图6-9 扫频法的原理图
图6-9(a)为BT—3C频率特性测试仪的扫频振荡器电路。 图69(b)是等效电路。 振荡电路是一个改进型的电容三点式振荡电路。 由于电感L固定，其振荡频率主要由变容二极管的结电容决定。 图6-9 扫频法的原理图
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扫描锯齿波电压加至两变容管V1与V2的中点，控 制结电容的变化，使扫频振荡器的频率随锯齿波电 压的变化而变化。 锯齿波电压的幅度的大小可以改变扫频宽度，即 改变扫频振荡器的频偏。 改变锯齿波的变化速率可改变扫频速度。
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6. 稳幅电路
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7. 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。
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8. 频率标记
频率标记是扫频测量中的频率定度 。产生频标的 基本方法是差频法，利用差频方式可产生一个或多 个频标，频标的数目取决于和扫频信号混频的基准 频率的成分。
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5. 获得扫频信号的方法
1)磁调制扫频
它是利用非线性电感的调频方法，它具有寄生调幅小，相对 扫频宽度大，电路简单等优点。缺点是需要调制功率大，大多采用 电子管电路，并且用市电作为调制信号。如BT3（0——300M） 磁调制扫频法的原理图如下图所示，图（ a ）中 L2 、 C 调谐回路 1 的谐振频率f0为
理想情况下，扫频仪输出的扫频信号的幅度恒 定不变。通常用寄生调幅系数M来表示扫频信 号幅度的平稳性，寄生调幅系数越小，表示振 幅平稳性越高。
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振幅稳定性
寄生调幅系数的检查，调节扫频宽度，在有效 面积内，使扫频宽度为15MHz，旋转中心频率 旋钮找一扫频线落差最大的地方，把最高点和 最低点的高度分别记A、B，如图所示。
扫频信号衰减：粗衰减，10dB×7步进；细衰减，1×9dB步进；
寄生调幅系数：小于7%（扫频频偏在±15MHz内）； 检波探测器性能：输入电容不大于5pF，最大允许直流电300V；
示波部分的垂直输入灵敏度：大于250mm／V。
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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。
f max f min f0 2 中心频率范围 指f0的变化范围，也就是扫频仪的工作频率范围。 f 即 称为相对扫频宽度。 f
0
f max f min f 2 f0 f max f min
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振幅稳定性
所谓振幅稳定性，就是指在幅频特性测试中， 扫频仪输出的扫频信号的幅度的变化情况。
式（6-2）中L为空芯线圈的电感量。由于高频磁芯MH接 在低频磁芯ML的磁路中，而绕在ML上的线圈中的电流 是交流和直流两部分的扫描电流，如图(6-8b)所示。当扫 描电流随时间变化时，使得磁芯的有效导磁系数也随着 改变，再由式(6-1)、(6-2)可知，扫描电流的变化就导致 了L2及谐振频率f0的变化，实现了“扫频”。
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3. 扫频信号的主要工作特性
有效扫频宽度 所谓有效扫频宽度，就是指在扫频线和振幅平 稳性能符合要求的前提下，一次扫频能达到的最 大频率的覆盖范围。一次扫频时能获得的最高fmax 和最低fmin的瞬时频率之差就是有效扫频宽度， 用 f 表示。
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中心频率 中心频率是指在线性扫频时，频率变化 是均匀的，称为频偏。中心频率为：
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2).变容二极管扫频
等效电路如图
N
Cj
N
P
Rs
Cj
P
势垒电容与外加电压的关系：
V
Cj
C jo V 1 V
n
C j0
变容管在零偏压时的电容。 PN结的内建电位差，硅管=0。6v 电容指数，决定于PN结中杂质 浓度的分布情况，对于突变结 变容管，n 1 2 ，而超突变结变 容管 n1
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6.1.2 频率特性的测量法 点频测量法
——线性系统频率特性的经典测量法
每次只能将加到被测线性系统的信号源的频率 调节到某一个频点。依次设置调谐到各指定频点上， 分别测出各点处的参数，再将各点数据连成完整的 曲线，从而得到频率特性测量结果。 所得频率特性是静态的，无法反映信号的连续变 化；
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。
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6.1.3 扫频测量技术
幅频特性的扫频测量法
u1示波器的水平扫描信号 u2扫频信号，频率变化 与扫描信号幅度变化同 步。
u3电路输出信号，体现电 路幅频特性
所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高 频标幅度应基本一致、显示整齐 不包含杂频和泄漏进来的扫频信号 多种频标形式以满足不同的显示和测量需要 电路时延尽可能小以减小频率定度误差
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频标信号产生电路
作用是产生具有频率标志的图形，以便 能在屏幕上直接读出某一点的频率值或某 一段曲线的频率范围，频标信号通常采用 差频法产生。
扫频振荡器 f 1~ f 2
混频器 本振 f0
低通滤波器
宽 带 放大器
输 出 衰减器 扫频 输出
扫描信号 发生器 X 轴 扫描输出
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扫频源的基本工作原理（续）
典型的扫频源应具备下列三方面功能：
产生扫频信号（通常是等幅正弦波）； 产生同步输出的扫描信号，可以是三角波、正弦 波或锯齿波等；
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频率标记：用于频率值的标定，频率标记简称频标
主要有四种方法（模拟法）：
差频法、电压比较法、吸收法、选频法
差频法：形成菱形频标，适用于高频扫频仪中。（频标宽 度） f min f max 扫频信号
发生 器
混 频 器
标准信号
带通滤波器
fs
23 nf s n 1、、
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中心频率：1－300MHz范围任意调节； 扫频宽度：最大频偏≥±15MHz，最小频偏≤±0.5MHz； 扫频非线性系数：小于10%（扫频频偏在±15MHz内）； 输出扫频信号电压：大于0.5V（有效值）； 输出阻抗：75Ω±20%。 频标信号：1MHz/10MHz、50MHz、外接。
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10. 探头 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。 要根据被测电路的输入阻抗和电路的功能选择 探头。
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6.1.3 BT-3C频谱特性测试仪
BT-3C扫频仪的主要技术参数
产生同步输出的频率标志，可以是等频率间隔的 通用频标、专用于某项测试的专用频标及活动频 标。
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2.扫频源的主要特性
对扫频源通常的技术要求：
在预定频带内有足够大的输出功率，且幅度稳 定，以获得最大的动态范围；
调频线性好，并有经过校正的频率标记，以便 确定频带宽度和点频输出； 为使测量误差最小，扫频信号中的寄生振荡和 谐波均应很小； 扫频源输出的中心频率稳定，并可以任意调节； 频率偏移的范围越宽越好，并可以任意调节。
放 大 器
发 生 器
谐波发生器
图6-14 菱形频标显示图
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9. 被测电路 被测电路是扫频仪所要测试的对象，不属于扫 频仪的组成部分。 扫频信号加至被测电路，检波探头（如果被测 电路具备检波功能的，用非检波探头，幅频特性响 应的信号直接送Y轴电路。）对被测电路的输出信号 进行峰值检波，并将检波所得信号送往示波器Y轴电 路，该信号的幅度变化正好反映了被测电路的幅频 特性，因而在屏幕上能直接观察到被测电路的幅频 特性曲线。
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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
第六章
频域测量仪器
6.1 频率特性测试仪 6.2 频谱分析仪器 6.3 付里叶分析仪 6.4 扫描式频谱仪 6.5 频谱分析仪在频域测试中的应用 6.6 谐波失真度测量 6.7 调制度测量 6.8 频谱仪的使用方法
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第六章
频域测量仪器
本章重点 扫频信号的产生 扫频法测量电路的幅频特性曲线 扫频外差式频谱显示技术 频谱仪的工作原理及其应用 本章难点 扫频测量技术 外差式频谱仪工作原理