北交電子測(cè)量大作業(yè)

1、電子測(cè)量技術(shù)大作業(yè)實(shí)驗(yàn)題目：6-14&7-14 學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院專 業(yè)：自動(dòng)化學(xué) 號(hào)：姓 名： 指導(dǎo)老師：趙會(huì)兵電子測(cè)量大作業(yè)6-14.在Multisim環(huán)境下，基于Tektronix TDS204虛擬示波器設(shè)計(jì)一種時(shí)域反射計(jì)，給出電路原理圖和實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果。（本題設(shè)計(jì)以時(shí)域反射計(jì)測(cè)量阻抗為例）一. 時(shí)域反射計(jì)簡(jiǎn)介早在60年代就產(chǎn)生了時(shí)域反射計(jì)TDR（Time-Domain Reflectometry）技術(shù)。該技術(shù)包括產(chǎn)生沿傳輸線傳播的時(shí)間階躍電壓。用示波器檢測(cè)來(lái)自阻抗的反射，測(cè)量輸入電壓與反射電壓比，從而計(jì)算不連續(xù)的阻抗。時(shí)域反射計(jì)(TDR)用來(lái)測(cè)量信號(hào)在通過(guò)某類傳輸環(huán)境傳導(dǎo)時(shí)

2、引起的反射，如電路板軌跡、電纜、連接器等等。TDR儀器通過(guò)介質(zhì)發(fā)送一個(gè)脈沖，把來(lái)自“未知”傳輸環(huán)境的反射與標(biāo)準(zhǔn)阻抗生成的反射進(jìn)行比較。TDR 顯示了在沿著一條傳輸線傳播快速階躍信號(hào)時(shí)返回的電壓波形。波形結(jié)果是入射階躍和階躍遇到阻抗偏差時(shí)產(chǎn)生的反射的組合。傳統(tǒng)TDR可作為定性工具使用，下面列出影響其精度和實(shí)用性的限制：1. 有限的上升時(shí)間2. 采樣示波器的同步抖動(dòng)3. 差的信噪比4. 大的階躍電壓會(huì)損壞有源器件5. 需要直流通路二.時(shí)域反射計(jì)(TDR)原理時(shí)域反射計(jì)TDR是最常用的測(cè)量傳輸線特征阻抗的儀器，它是利用時(shí)域反射的原理進(jìn)行特性阻抗的測(cè)量。 圖 1 TDR原理圖三.時(shí)域反射計(jì)(TDR)組

3、成（1）快沿信號(hào)發(fā)生器：典型的發(fā)射信號(hào)的特征是：幅度200mv，上升時(shí)間35ps，頻率250kHz方波。（2）采樣示波器：通用的采樣示波器；（3）探頭系統(tǒng)：連接被測(cè)件和TDR儀器。四.仿真與結(jié)果仿真：圖 2 時(shí)域反射計(jì)仿真電路設(shè)計(jì)初值：圖 3 信號(hào)發(fā)生器設(shè)置選項(xiàng)圖 4 信號(hào)發(fā)生器上升沿時(shí)間設(shè)置圖 5 示波器仿真顯示結(jié)果在圖5中，第一條黃線為終端開(kāi)路（反射系數(shù)為1）時(shí)的結(jié)果；第二條藍(lán)線為終端有負(fù)載阻抗時(shí)的結(jié)果；第三條為終端短路（反射系數(shù)為-1）時(shí)的結(jié)果。TDR測(cè)試信號(hào)理論運(yùn)行特征圖：計(jì)算被測(cè)傳輸線特征阻抗的計(jì)算：7-14查閱網(wǎng)絡(luò)分析儀的技術(shù)資料，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)分析儀的功能和基本原理，比較網(wǎng)絡(luò)分析儀與頻

4、譜分析儀的異同點(diǎn)。一、基本功能網(wǎng)絡(luò)分析儀是測(cè)量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的一種新型儀器，可直接測(cè)量有源或無(wú)源、可逆或不可逆的雙口和單口網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)散射參數(shù)，并以掃頻方式給出各散射參數(shù)的幅度、相位頻率特性。自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀能對(duì)測(cè)網(wǎng)絡(luò)分析儀的網(wǎng)絡(luò)是指一組內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)的電子元器件。網(wǎng)絡(luò)分析儀的功能之一是量化兩個(gè)射頻元件間的阻抗不匹配，最大限度地提高功率效率和信號(hào)的完整性。每當(dāng)射頻信號(hào)由一個(gè)元件進(jìn)入另一個(gè)時(shí)，總會(huì)有一部分信號(hào)被反射，而另一部分被傳輸。網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生一個(gè)正弦信號(hào)，通常是一個(gè)掃頻信號(hào)。有響應(yīng)時(shí)，會(huì)傳輸并且反射入射信號(hào)。傳輸和反射信號(hào)的強(qiáng)度通常隨著入射信號(hào)的頻率發(fā)生變化。 網(wǎng)絡(luò)分析儀可以分為標(biāo)量（只包含幅度信息）

5、和矢量（包含幅度和相位信息）兩種分析儀。近年來(lái)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀由于其較低的成本和高效的制造技術(shù)，流行度超過(guò)了標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。二、基本原理： （1）網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析儀主要包括合成信號(hào)源、S參數(shù)測(cè)試裝置、幅相接收機(jī)和顯示部分。網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：合成信號(hào)源由36GHz YIG振蕩器、3.8GHz介質(zhì)振蕩器、源模塊組件、時(shí)鐘參考和小數(shù)環(huán)組成。一次能夠產(chǎn)生30k6GHz的信號(hào)，此信號(hào)與幅相接收機(jī)中心頻率相同，可以實(shí)現(xiàn)同步掃描。 幅相接收機(jī)由取樣混頻器、中頻處理和數(shù)字信號(hào)處理等部分組成，用于信號(hào)的下邊頻及中頻數(shù)字信號(hào)處理。幅相接收機(jī)將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率固定的中頻信號(hào)，為了真實(shí)測(cè)量出

6、被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅度特性、相位特性，要求在頻率變換過(guò)程中，被測(cè)信號(hào)幅度信息和相位信息都不能丟失，因此必須采用系統(tǒng)鎖相技術(shù)。顯示部分由圖形處理器、高亮度LCD 顯示器、逆變器組成，用于將測(cè)量結(jié)果以各種形式顯示出來(lái)。（2）網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差分析網(wǎng)絡(luò)分析儀需要測(cè)量的的s參數(shù)只有在完全匹配的系統(tǒng)中測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果才準(zhǔn)確。但是在在網(wǎng)絡(luò)分析儀中，既使用了無(wú)源器件(如微波開(kāi)關(guān)、功率分配器、定向耦合器、衰減器等)，又使用了有源器件(如接收機(jī)、微波信號(hào)源)。它們的性能通常并不理想，例如它們的端口阻抗有一定的失配，對(duì)信號(hào)的傳輸有一定的衰減和相移，定向耦合器的隔離度也不是無(wú)限大等。使用數(shù)學(xué)方法分析網(wǎng)絡(luò)分析儀以及測(cè)試裝置不理

7、想引起的系統(tǒng)誤差，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定其數(shù)值，并利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)修正，對(duì)精密測(cè)量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀有重要科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。網(wǎng)絡(luò)分析儀在測(cè)量過(guò)程中主要包括以下幾項(xiàng)誤差：（1）失配誤差：是指從被測(cè)件的兩個(gè)測(cè)試端口分別看向系統(tǒng)時(shí)的失配誤差；（2）方向性誤差：主要由定向耦合器的方向性引起的測(cè)量誤差；（3）頻率響應(yīng)誤差：由兩個(gè)通道的耦合度頻率響應(yīng)和壓控振蕩器幅相頻率響應(yīng)不同而引起的測(cè)量誤差；（4）泄漏誤差：微波信號(hào)未經(jīng)過(guò)被測(cè)件直接進(jìn)入接收機(jī)所引起的測(cè)量誤差；上述各項(xiàng)誤差源中，前四項(xiàng)屬于系統(tǒng)誤差，第五項(xiàng)屬于隨機(jī)誤差，而最后三項(xiàng)屬于固有誤差。固有誤差一般不便于采用數(shù)學(xué)分析進(jìn)行修正，而隨機(jī)誤差可以通過(guò)多次測(cè)

8、量取平均值的方法來(lái)減小。因此在使用網(wǎng)絡(luò)分析儀之前一定要對(duì)前四項(xiàng)系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正，來(lái)提高測(cè)量精度。 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí)還要對(duì)它進(jìn)行誤差修正，是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量準(zhǔn)確度受外部因素的影響較大，誤差修正可以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。誤差修正是對(duì)已知校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，將這些測(cè)量結(jié)果貯存到分析儀的存儲(chǔ)器內(nèi)，利用這些數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算誤差模型，然后，利用誤差模型從后續(xù)測(cè)量中去除系統(tǒng)誤差的影響。但是要注意誤差修正只對(duì)特定的激勵(lì)狀態(tài)有效，而且當(dāng)更改儀器的以下設(shè)置，將使誤差修正無(wú)效或降低：頻率范圍、系統(tǒng)帶寬、輸出功率、掃描點(diǎn)數(shù)、掃描類型、掃描時(shí)間。三、網(wǎng)絡(luò)分析儀與頻譜分析儀的異同點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分析儀與頻譜分析它們都是分析信號(hào)的頻域特性和時(shí)

9、域特性的性能參數(shù)。頻譜分析儀主要有兩種結(jié)構(gòu)：掃頻式的和FFT，由于FFT結(jié)構(gòu)存在測(cè)量頻率的限制，一般只用于低頻，而掃頻式的廣泛應(yīng)用與射頻和微波領(lǐng)域掃頻，一般的頻譜分析儀，后端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行AD采集，然后用DSP處理后，可以達(dá)到VSA（矢量信號(hào)分析儀）的功能。網(wǎng)絡(luò)分析儀能同時(shí)測(cè)量得到傳輸、反射幅度和相位信息，網(wǎng)絡(luò)分析儀里面有自己的信號(hào)源，接收機(jī)，但是如果把它理解成一個(gè)信號(hào)源和一臺(tái)頻譜儀的綜合，那是有問(wèn)題的，因?yàn)槟壳皹?biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀只能測(cè)量線性參數(shù)，它是同頻掃描的。對(duì)于頻譜分析和電磁干擾測(cè)量來(lái)說(shuō),頻譜分析儀能夠接收到極微弱的信號(hào)和分辨出兩個(gè)幅度相差很大的信號(hào)。頻譜分析儀的缺點(diǎn)是只能顯示頻率分量的幅值,而不能獲得信號(hào)的相位，對(duì)于某些通信元器件和通信鏈路,幅值和相位必須能夠同時(shí)測(cè)量出來(lái)，而網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠測(cè)量信號(hào)的相