電路頻率特性的測(cè)量技術(shù)

1、第6章 電路頻率特性的測(cè)量(cling)技術(shù)共三十三頁(yè)引 言什么(shn me)是線性系統(tǒng)的頻率特性？線性網(wǎng)絡(luò)正弦信號(hào)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)H(j)：頻率響應(yīng) 或頻率特性幅度|H(j)|：幅頻特性相位() ：相頻特性頻域中的兩個(gè)基本(jbn)測(cè)量問題信號(hào)的頻譜分析：可由頻譜分析儀完成線性系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量：可由網(wǎng)絡(luò)分析儀完成共三十三頁(yè)6.1 頻率特性的特點(diǎn)(tdin)廣義上，信號(hào)頻譜是指組成信號(hào)的全部頻率分量的總集；狹義上，一般的頻譜測(cè)量中常將隨頻率變化(binhu)的幅度譜稱為頻譜。頻譜測(cè)量：在頻域內(nèi)測(cè)量信號(hào)的各頻率分量，以獲得信號(hào)的多種參數(shù)。頻譜測(cè)量的基礎(chǔ)是付里葉變換。 頻譜的兩種基本類型離散頻譜（線狀

2、譜），各條譜線分別代表某個(gè)頻率分量的幅度，每?jī)蓷l譜線之間的間隔相等連續(xù)頻譜，可視為譜線間隔無窮小，如非周期信號(hào)和各種隨機(jī)噪聲的頻譜。共三十三頁(yè)6.2 頻率特性測(cè)試儀的操作使用(shyng)方法1. 點(diǎn)頻法就是“逐點(diǎn)”測(cè)量幅頻特性的方法，注意明確(mngqu)被測(cè)電路和選用相應(yīng)儀器。 點(diǎn)頻測(cè)量法線性系統(tǒng)頻率特性的經(jīng)典測(cè)量法 每次只能將加到被測(cè)線性系統(tǒng)的信號(hào)源的頻率調(diào)節(jié)到某一個(gè)頻點(diǎn)。依次設(shè)置調(diào)諧到各指定頻點(diǎn)上，分別測(cè)出各點(diǎn)處的參數(shù)，再將各點(diǎn)數(shù)據(jù)連成完整的曲線，從而得到頻率特性測(cè)量結(jié)果。6.2.1頻率特性的測(cè)量方法共三十三頁(yè)特點(diǎn)：所測(cè)出的幅頻特性是我們需要的電路系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)情況下的靜態(tài)特性曲線。但由于

3、要逐點(diǎn)測(cè)量，操作繁瑣費(fèi)時(shí)，并且(bngqi)由于頻率離散而不連續(xù)，可能遺漏掉某些特性突變點(diǎn)。這種方法一般只用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試研究；若用于生產(chǎn)線則效率太低了。如果能夠在測(cè)試過程中，使信號(hào)源輸出信號(hào)頻率能自動(dòng)地從低到高連續(xù)變化并且周期性重復(fù)，利用檢波器將輸出包絡(luò)檢出送到示波器上顯示，就可自動(dòng)地描繪出幅頻特性曲線。 共三十三頁(yè) 頻率源的輸出能夠在測(cè)量(cling)所需的范圍內(nèi)連續(xù)掃描，因此可以連續(xù)測(cè)出各頻率點(diǎn)上的頻率特性結(jié)果并立即顯示特性曲線。2. 掃頻測(cè)量法掃頻信號(hào)發(fā)生器被測(cè)電路峰值檢波器掃描發(fā)生器XYv1v2v3v4v5關(guān)鍵環(huán)節(jié)共三十三頁(yè)優(yōu)點(diǎn)：掃頻信號(hào)的頻率(pnl)連續(xù)變化，掃頻測(cè)量所得的頻率(p

4、nl)特性是動(dòng)態(tài)頻率(pnl)特性，也不會(huì)漏掉細(xì)節(jié)。不足：如果輸入的掃頻信號(hào)頻率變化速度快于系統(tǒng)輸出響應(yīng)時(shí)間，則頻率的響應(yīng)幅度會(huì)出現(xiàn)不足，掃頻測(cè)量所得幅度小于點(diǎn)頻測(cè)量的幅度；電路中LC元件的惰性會(huì)使幅度峰值有所偏差，因此會(huì)產(chǎn)生頻率偏離。共三十三頁(yè)3. 頻率特性測(cè)試儀工作(gngzu)原理 掃頻儀的組成：利用示波器的顯示原理，把時(shí)間軸變成頻率軸。主要由四部分組成：掃頻信號(hào)發(fā)生器、放大顯示電路、頻率標(biāo)記(bioj)發(fā)生器和電源。共三十三頁(yè)掃頻信號(hào)(xnho)發(fā)生器的基本工作原理 能產(chǎn)生掃頻輸出信號(hào)的頻率源稱為掃頻信號(hào)發(fā)生器或掃頻信號(hào)源，簡(jiǎn)稱掃頻源。它既可作為(zuwi)獨(dú)立的測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器，又可

5、作為(zuwi)頻率特性測(cè)量類儀器的前端。 掃 描發(fā) 生 器 掃 頻振 蕩 器 輸 出 衰 減 器穩(wěn) 幅電 路掃頻信號(hào)共三十三頁(yè) 典型的掃頻源應(yīng)具備下列三方面功能： 產(chǎn)生掃頻信號(hào)（通常是等幅正弦波）； 產(chǎn)生同步輸出的掃描信號(hào)，可以是三角波、正弦波或鋸齒波等； 產(chǎn)生同步輸出的頻率標(biāo)志，可以是等頻率間隔的通用頻標(biāo)、專用(zhunyng)于某項(xiàng)測(cè)試的專用(zhunyng)頻標(biāo)及活動(dòng)頻標(biāo)。共三十三頁(yè)6.3 頻譜分析儀的操作(cozu)使用方法1.脈沖(michng)寬度和頻帶寬度 周期信號(hào)的脈沖寬度和頻帶寬度是兩個(gè)不同的概念。有效頻帶寬度與脈沖寬度成反比。 脈沖寬度是時(shí)域概念，指在一個(gè)周期內(nèi)脈沖波形的

6、兩個(gè)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔； 頻帶寬度（帶寬）是頻域概念，通常規(guī)定：在周期信號(hào)頻譜中，從零頻率到需要考慮的最高次諧波頻率之間的頻段即為該信號(hào)的有效占有帶寬，亦稱頻帶寬度。實(shí)際應(yīng)用中，常把零頻到頻譜包絡(luò)線第一個(gè)零點(diǎn)間的頻段作為頻帶寬帶。共三十三頁(yè)2.信號(hào)(xnho)的頻譜分析技術(shù) 頻譜分析以付里葉分析為理論基礎(chǔ)，可對(duì)不同頻段的信號(hào)進(jìn)行線性或非線性分析。信號(hào)頻譜分析的內(nèi)容：對(duì)信號(hào)本身的頻率特性分析，如對(duì)幅度譜、相位(xingwi)譜、能量譜、功率譜等進(jìn)行測(cè)量，從而獲得信號(hào)不同頻率處的幅度、相位(xingwi)、功率等信息；對(duì)線性系統(tǒng)非線性失真的測(cè)量，如測(cè)量噪聲、失真度、調(diào)制度、諧波分量的分布情況等。頻

7、譜分析儀的信號(hào)追蹤產(chǎn)生器可直接測(cè)量待測(cè)件的頻率響應(yīng)特性，但只能測(cè)量振幅。共三十三頁(yè)3.頻譜分析儀的基本原理 頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內(nèi)對(duì)信號(hào)的電壓、功率、頻率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并顯示(xinsh)的儀器。一般有FFT分析（實(shí)時(shí)分析）法、非實(shí)時(shí)分析法兩種實(shí)現(xiàn)方法。 FFT分析法：在特定時(shí)段中對(duì)時(shí)域數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT變換，得到頻域信息并獲取相對(duì)于頻率的幅度、相位信息。可充分利用數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，非常適于非周期信號(hào)和持續(xù)時(shí)間很短的瞬態(tài)信號(hào)的頻譜測(cè)量。共三十三頁(yè)非實(shí)時(shí)分析法 在任意(rny)瞬間只有一個(gè)頻率成分能被測(cè)量，無法得到相位信息。適用于連續(xù)信號(hào)和周期信號(hào)的頻譜測(cè)量。掃頻式分析：使分析濾波

8、器的頻率響應(yīng)在頻率軸上掃描。 差頻式分析（外差式分析）：利用超外差接收機(jī)的原理，將頻率可變的掃頻信號(hào)與被分析信號(hào)進(jìn)行差頻，再對(duì)所得的固定頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量分析，由此依次獲得被測(cè)信號(hào)不同頻率成分的幅度信息。這是頻譜儀最常采用的方法。 共三十三頁(yè)4.頻譜分析儀的分類(fn li)按分析處理方法分類(fn li)：模擬式頻譜儀、數(shù)字式頻譜儀、模擬/數(shù)字混合式頻譜儀；按基本工作原理分類：掃描式頻譜儀、非掃描式頻譜儀；按處理的實(shí)時(shí)性分類：實(shí)時(shí)頻譜儀、非實(shí)時(shí)頻譜儀；按頻率軸刻度分類：恒帶寬分析式頻譜儀、恒百分比帶寬分析式頻譜儀；按輸入通道數(shù)目分類：?jiǎn)瓮ǖ?、多通道頻譜儀；按工作頻帶分類：高頻、射頻、低頻等頻譜

9、儀。共三十三頁(yè) 模擬式頻譜儀與數(shù)字式頻譜儀模擬式頻譜儀：以掃描式為基礎(chǔ)(jch)構(gòu)成，采用濾波器或混頻器將被分析信號(hào)中各頻率分量逐一分離。所有早期的頻譜儀幾乎都屬于模擬濾波式或超外差結(jié)構(gòu)，并被沿用至今。數(shù)字式頻譜儀：非掃描式，以數(shù)字濾波器或FFT變換為基礎(chǔ)構(gòu)成。精度高、性能(xngnng)靈活，但受到數(shù)字系統(tǒng)工作頻率的限制。目前單純的數(shù)字式頻譜儀一般用于低頻段的實(shí)時(shí)分析，尚達(dá)不到寬頻帶高精度頻譜分析。共三十三頁(yè) 實(shí)時(shí)頻譜儀和非實(shí)時(shí)頻譜儀 實(shí)時(shí)分析應(yīng)達(dá)到的速度與被分析信號(hào)的帶寬及所要求的頻率分辨率有關(guān)。一般認(rèn)為，實(shí)時(shí)分析是指在長(zhǎng)度為T的時(shí)段內(nèi)，完成頻率分辨率達(dá)到1/T的譜分析；或者待分析信號(hào)的帶

10、寬小于儀器能夠(nnggu)同時(shí)分析的最大帶寬。 在一定頻率范圍數(shù)據(jù)分析速度與數(shù)據(jù)采集速度相匹配，不發(fā)生積壓現(xiàn)象，這樣的分析就是實(shí)時(shí)的；如果待分析的信號(hào)帶寬超過這個(gè)頻率范圍，則是非實(shí)時(shí)分析。共三十三頁(yè) 恒帶寬與恒百分比帶寬分析式頻譜儀 恒帶寬分析式頻譜儀：頻率軸為線性刻度，信號(hào)的基頻分量和各次諧波分量在橫軸上等間距排列，適用于周期信號(hào)和波形失真的分析。 恒百分比帶寬分析式頻譜儀：頻率軸采用對(duì)數(shù)刻度，頻率范圍覆蓋較寬，能兼顧高、低頻(dpn)段的頻率分辨率，適用于噪聲類廣譜隨機(jī)信號(hào)的分析。 目前許多數(shù)字式頻譜儀可以方便地實(shí)現(xiàn)不同帶寬的FFT分析以及兩種頻率刻度的顯示，故這種分類方法并不適用于數(shù)字

11、式頻譜儀。 共三十三頁(yè)5.濾波式頻譜分析(fnx)技術(shù) 濾波式頻譜分析儀原理及分類 基本原理：先用帶通濾波器選出待分析信號(hào)，然后用檢波器將該頻率(pnl)分量變?yōu)橹绷餍盘?hào)，再送到顯示器將直流信號(hào)的幅度顯示出來。為顯示輸入信號(hào)的各頻率(pnl)分量，帶通濾波器的中心頻率(pnl)是多個(gè)或可變的。 檔級(jí)濾波式頻譜儀并行濾波式頻譜儀掃頻濾波式頻譜儀數(shù)字濾波式頻譜儀共三十三頁(yè)檔級(jí)濾波(lb)式頻譜儀 這種方法簡(jiǎn)單易行，但在頻帶較寬或較高頻段的情況下需要大量濾波器，儀器體積(tj)過大；由于通帶窄，分辨力和靈敏度都不是很高。一般用于低頻段的音頻測(cè)試等場(chǎng)合。共三十三頁(yè)并行(bngxng)濾波式頻譜儀 與檔

12、級(jí)濾波式的區(qū)別在于(ziy)每個(gè)濾波器之后都有各自的檢波器，無需電子開關(guān)切換及檢波建立時(shí)間，因此速度快，能夠滿足實(shí)時(shí)分析的需要。但是可顯示的頻譜分量數(shù)目取決于濾波器的數(shù)目，所以需要大量的濾波器。共三十三頁(yè)掃頻濾波(lb)式頻譜儀 掃頻濾波式頻譜儀與檔級(jí)濾波式一樣，是一種非實(shí)時(shí)頻譜測(cè)量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)是電調(diào)諧濾波器損耗大、調(diào)諧范圍窄、頻率特性不均勻、分辨率差，目前這種方法只適用(shyng)于窄帶頻譜分析。共三十三頁(yè)數(shù)字濾波式頻譜儀 數(shù)字濾波式頻譜儀在現(xiàn)代頻譜分析儀中占有重要地位。數(shù)字濾波器的形狀因子較小，因而提高(t go)了頻譜儀的頻率分辨率；具有數(shù)字信號(hào)處理的高精度、高穩(wěn)定性、可

13、重復(fù)性和可編程性等普遍優(yōu)點(diǎn)。 利用數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)頻分或時(shí)分復(fù)用，因此僅用一個(gè)數(shù)字濾波器就可以實(shí)現(xiàn)與并行濾波式等效的實(shí)時(shí)頻譜儀。用單個(gè)數(shù)字濾波器代替多個(gè)模擬濾波器之后，濾波器的中心頻率由時(shí)基電路控制使之順序改變。共三十三頁(yè)超外差頻譜儀 超外差頻譜儀是目前應(yīng)用的最廣泛的頻譜儀之一。利用超外差接收機(jī)的原理，將頻率可變的掃頻信號(hào)與被分析信號(hào)進(jìn)行差頻，再對(duì)所得的固定頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量分析，由此依次獲得被測(cè)信號(hào)不同頻率成分的幅度信息。當(dāng)掃頻振蕩器的頻率在一定范圍掃動(dòng)時(shí)，與輸入信號(hào)中的各個(gè)頻率分量在混頻器中產(chǎn)生差頻（中頻），使輸入信號(hào)的各個(gè)頻率分量依次落入窄帶濾波器的通帶內(nèi)，被濾波器選出并經(jīng)檢波器加到示波

14、器的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，即光電的垂直偏轉(zhuǎn)正比于該頻率分量的幅值。由于示波器的水平掃描電壓(diny)就是調(diào)制掃頻振蕩器的調(diào)制電壓(diny)，所以水平軸變?yōu)轭l率軸，屏幕上將顯示輸入信號(hào)的頻譜。共三十三頁(yè)6.外差式頻譜儀的主要(zhyo)性能指標(biāo)輸入頻率(pnl)范圍頻率掃描寬度頻率分辨率頻率精度掃描時(shí)間相位噪聲/頻譜純度 幅度測(cè)量精度 動(dòng)態(tài)范圍 靈敏度/噪聲電平 本振直通/直流響應(yīng) 本底噪聲 1dB壓縮點(diǎn)和最大輸入電平頻率指標(biāo)幅度指標(biāo)共三十三頁(yè)頻率(pnl)指標(biāo) 輸入頻率范圍 頻譜儀能正常工作的最大頻率區(qū)間，由掃描本振的頻率范圍決定?，F(xiàn)代頻譜儀的頻率范圍通常可從低頻段至射頻段，甚至微波段，如1KHz

15、4GHz。 頻率掃描寬度（Span） 另有分析(fnx)譜寬、掃寬、頻率量程、頻譜跨度等不同叫法。通常根據(jù)測(cè)試需要自動(dòng)調(diào)節(jié)，或人為設(shè)置。掃描寬度表示頻譜儀在一次測(cè)量（也即一次頻率掃描）過程中所顯示的頻率范圍，可以小于或等于輸入頻率范圍。共三十三頁(yè) 頻率分辨率（Resolution） 表征了將最靠近的兩個(gè)相鄰頻譜分量分辨出來的能力。主要由中頻濾波器的帶寬（即RBW）決定，但最小分辨率還受本振頻率穩(wěn)定度的影響。 對(duì)濾波式頻譜分析儀而言，中頻濾波器的3dB帶寬決定了可區(qū)分(qfn)的兩個(gè)等幅信號(hào)的最小頻率間隔。如果區(qū)分(qfn)不等幅信號(hào)，分辨率就與濾波器的形狀因子有關(guān)。 現(xiàn)代頻譜儀通常具有可變的R

16、BW，按照1-3-9或1-2-5的典型步進(jìn)變化。最小的一檔RBW值就是頻率分辨率指標(biāo)，如90Hz。共三十三頁(yè)頻率精度 即頻譜儀頻率軸的讀數(shù)精度，與參考頻率（本振頻率）穩(wěn)定度、掃描(somio)寬度Span、分辨率帶寬RBW等多項(xiàng)因素有關(guān)：其中：f絕對(duì)頻率精度，單位Hz；ref參考頻率（本振頻率）相對(duì)精度；fx頻率讀數(shù)；N完成(wn chng)一次掃描所需的頻率點(diǎn)數(shù)；A%Span的精度，B%RBW的精度，C頻率常數(shù)。不同的頻譜儀有不同的A、B、C值。 共三十三頁(yè)掃描時(shí)間（Sweep Time，簡(jiǎn)作ST） 即進(jìn)行一次全頻率范圍的掃描、并完成測(cè)量所需的時(shí)間，也叫分析時(shí)間。通常掃描時(shí)間越短越好，但為保

17、證測(cè)量精度，掃描時(shí)間必須適當(dāng)。與掃描時(shí)間相關(guān)(xinggun)的因素主要有頻率掃描范圍、分辨率帶寬、視頻濾波。 現(xiàn)代頻譜儀通常有多檔掃描時(shí)間可選擇，最小掃描時(shí)間由測(cè)量通道的電路響應(yīng)時(shí)間決定。共三十三頁(yè)相位噪聲/頻譜純度 相位噪聲簡(jiǎn)稱相噪，是頻率短期穩(wěn)定度的指標(biāo)之一，反映了極短期內(nèi)的頻率變化程度，表現(xiàn)為載波邊帶，所以也稱邊帶噪聲。通常用在源頻率的某一頻偏上相對(duì)于載波幅度下降的dBc數(shù)值表示，如在9KHz頻偏處90dBc。 相噪由本振信號(hào)頻率或相位不穩(wěn)定引起，還與分辨率帶寬有關(guān)：RBW減小，相噪相應(yīng)降低。有效(yuxio)設(shè)置頻譜儀參數(shù)可使相噪達(dá)到最小，但無法消除。相噪也是影響頻譜儀分辨不等幅信號(hào)

18、的因素之一。共三十三頁(yè)幅度(fd)指標(biāo) 幅度測(cè)量精度 有絕對(duì)幅度精度和相對(duì)幅度精度之分，均由多方面因素決定。絕對(duì)幅度精度是針對(duì)滿刻度信號(hào)的指標(biāo)，受輸入衰減、中頻增益、分辨率帶寬、刻度逼真度、頻響及校準(zhǔn)信號(hào)本身的精度等的綜合影響；相對(duì)幅度精度與測(cè)量方式有關(guān)，在理想情況下僅有頻響和校準(zhǔn)信號(hào)精度兩項(xiàng)誤差來源，測(cè)量精度可以(ky)達(dá)到非常高。 儀器在出廠前要經(jīng)過校準(zhǔn)，各種誤差已被分別記錄下來并用于對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，顯示出來的幅度精度已有所提高。共三十三頁(yè) 動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range） 即同時(shí)可測(cè)的最大與最小信號(hào)的幅度比。動(dòng)態(tài)范圍受限于輸入混頻器的失真特性、系統(tǒng)靈敏度和本振信號(hào)的相位噪聲，其上限由頻譜儀的非線性失真決定。 靈敏度/噪聲電平 頻譜儀在特定的分辨率帶寬下，或歸一化到1Hz帶寬時(shí)的本底噪聲，常以dBm為單位。靈敏度指標(biāo)描述了頻譜儀在沒有輸入信號(hào)時(shí)因內(nèi)部噪聲而產(chǎn)生的讀數(shù)，常用最小可測(cè)的信號(hào)幅度來代表，數(shù)值上等于(dngy)顯示平均噪聲電平（DANL）。共三十三頁(yè)內(nèi)容摘要第6章 電路頻率特性的測(cè)量