電子測量技術(shù)第七章匯編

1、第7章頻域測量(cling)技術(shù)7.1 信號頻譜分極及頻譜分析儀7.2 信號的失真度測量(cling)7.3 線性系統(tǒng)頻率特性的測量7.4 網(wǎng)絡(luò)分析儀共五十三頁一、概述(i sh)本章涉及兩個基本(jbn)測量問題：2、線性系統(tǒng)頻率特性的測量1、信號頻譜分析本章重點(diǎn)：信號頻譜分析、掃頻測量技術(shù)包括對信號本身的分析和非線性失真系數(shù)的測量共五十三頁信號(xnho)頻譜分析包括對信號本身的分析和非線性失真系數(shù)的測量。7-1、信號(xnho)頻譜分析一、信號確定信號與隨機(jī)信號連續(xù)時間信號與離散時間信號 周期信號與非周期信號時域周期非周期連續(xù)離散頻域周期非周期連續(xù)離散付氏變換1、信號的分類共五十三頁廣義

2、上，信號頻譜是指組成信號的全部頻率(pnl)分量的總集；狹義上，一般的頻譜測量中常將隨頻率(pnl)變化的幅度譜稱為頻譜。頻譜測量：在頻域內(nèi)測量信號的各頻率分量，以獲得信號的多種參數(shù)。頻譜測量的基礎(chǔ)是付里葉變換。 頻譜的兩種基本類型離散頻譜（線狀譜），各條譜線分別代表某個頻率分量的幅度，每兩條譜線之間的間隔相等連續(xù)頻譜，可視為譜線間隔無窮小，如非周期信號和各種隨機(jī)噪聲的頻譜2、頻譜分析(fnx)的基本概念共五十三頁3、時域和頻域分析(fnx)的比較示波器：時域測量典型代表，可進(jìn)行像波形失真原因(yunyn) 等的研究。頻譜儀：頻域測量典型代表，能定量測出很小的諧波 分量，進(jìn)行測量信號電平、頻率

3、及頻率響應(yīng)、 頻率穩(wěn)定度、頻譜純度等。a 、某些在時域較復(fù)雜的波形，在頻域的顯示可能較為簡單。 b 、某些在頻域不能區(qū)分的波形，在時域能清楚顯示。c 、當(dāng)信號中所含的各頻率分量的幅度只是略有不同時，用示波器很難定量分析失真的程度，但是頻譜儀對于信號的基波和各次濾波含量的大小則一目了然。共五十三頁t (a)用示波器易觀察波形的相位(xingwi)不同示波器和頻譜儀對比觀察(gunch)相位不同的波形A0fA0fA0tA0t(b)用頻譜儀觀察的頻譜相同共五十三頁(a)用示波器不容易觀察(gunch)波形的失真A0fA0fA0tA0t (b)用頻譜儀容易觀察微小(wixio)的幅度和相位變化用示波器

4、和頻譜儀觀察微小失真的波形共五十三頁頻譜儀數(shù)字式模擬式濾波(lb)式外差式 模擬式頻譜儀：以掃描式為基礎(chǔ)構(gòu)成，采用濾波器或混頻器將被分析信號中各頻率分量逐一分離。所有早期的頻譜儀幾乎都屬于(shy)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)時分析，尚達(dá)不到寬頻帶高精度頻譜分析1、頻譜儀分類二、頻譜儀共五十三頁按分析處理方法分類：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)時性分類：實(shí)時

5、頻譜儀、非實(shí)時頻譜儀；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(tngdo)數(shù)目分類：單通道、多通道頻譜儀；按工作頻帶分類：高頻、射頻、低頻等頻譜儀。共五十三頁檔級濾波(lb)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 2、濾波(lb)式頻譜分析儀原理(1)基本原理：先用帶通濾波器選出待分析信號，然后用檢波器將該頻率分量變?yōu)橹绷餍盘?，再送到顯示器將直流信號的幅度顯示出來。為顯示輸入信號的各頻率分量，帶通濾波器的中心頻率是多個或可變的。共五十三頁前置(qin zh)放大器檢波器階梯(jit)波掃描發(fā)生器S信號輸入濾波式共五十三頁優(yōu)點(diǎn)(yudin)：

6、簡單易行缺點(diǎn)(qudin)：需要大量濾波器，體積過大，分辨力和靈敏度都不是很高適用：一般用于低頻段的音頻測試等場合。在所有濾波式頻譜儀中，帶通濾波器是關(guān)鍵器件。共五十三頁(2)帶通濾波器的性能指標(biāo)帶寬(di kun)通常是指3dB帶寬(di kun)，或稱半功率帶寬 分辨率帶寬（RBW）反映了濾波器區(qū)分兩個相同幅度、不同頻率的信號的能力共五十三頁波形(b xn)因子 波型因子反映(fnyng)了區(qū)分兩個不等幅信號的能力，也稱帶寬選擇性波形因子定義為濾波器60dB帶寬與3dB帶寬之比： 也可用40dB帶寬與3dB帶寬之比表示。波形因子較小的濾波器的特性曲線更接近于矩形，故波形因子也稱矩形系數(shù)共五

7、十三頁恒帶寬(di kun)與恒百分比帶寬(di kun) 恒百分比帶寬濾波器的絕對帶寬B與中心(zhngxn)頻率f0的比值（即相對帶寬）是常數(shù)。掃描式頻譜儀、檔級濾波式頻譜儀及并行濾波式頻譜儀大多采用恒百分比帶寬分析。共五十三頁 在對數(shù)刻度下，恒百分比帶寬濾波器的頻率特性曲線(qxin)關(guān)于其中心頻率f0對稱。常用“倍頻程選擇性”表示遠(yuǎn)離中心頻率一倍頻率處（0.5f0和2f0）的濾波器衰減量。外差式頻譜儀在一次分析(fnx)過程中所用的分析(fnx)濾波器帶寬恒定。恒帶寬濾波器的特性曲線在線性頻率刻度下，關(guān)于濾波器的中心頻率f0對稱共五十三頁 濾波器響應(yīng)時間（建立時間） 信號從加到濾波器輸

8、入端到獲得穩(wěn)定(wndng)輸出所需的時間。通常用達(dá)到穩(wěn)幅幅度的90所需的時間TR來表述，它與絕對帶寬B成反比：TR1/B。 寬帶濾波器的響應(yīng)時間短，測量(cling)速度快；窄帶濾波器建立時間較長，但頻率分辨率更高、信噪比好。響應(yīng)時間限制了頻譜儀的掃描分析速度，影響實(shí)時頻譜分析的實(shí)現(xiàn)。共五十三頁3、掃頻外差式頻譜儀共五十三頁(1)工作(gngzu)原理：輸入(shr)信號頻譜：fx1 fx2 fxn 掃描電壓發(fā)生器掃頻振蕩器fL（t）（可變）混頻器fo= fL（t）-fxn濾波器檢波器顯示器共五十三頁優(yōu)點(diǎn)：頻率(pnl)范圍寬、靈敏度高、頻率(pnl)分辨率可變目前(mqin)頻譜儀中數(shù)量最

9、大的一種缺點(diǎn)：不能進(jìn)行實(shí)時分析（被分析的頻譜依次被順序采樣）只能提供幅度譜，不能提供相位譜共五十三頁K=K=1K=0.75fA（f）靜態(tài)(jngti)動態(tài)(dngti)fo掃頻速度應(yīng)適當(dāng)選擇掃頻速度（2）掃頻的速度與中頻濾波器的動態(tài)特性掃頻速度幅頻特性曲線分辨力有關(guān)有關(guān)共五十三頁結(jié)論(jiln)Bs固定(gdng)，Bd與掃速關(guān)系kBd/BsBd分辨力下降Bd/Bq0.511.522.5123450共五十三頁Bs寬，k1即 較小時(xiosh),Bs Bd選擇(xunz)窄的Bs有助于提高分辨力。Bs窄, k1即 較大時，BsBd選擇窄的Bs反而使分辨力降低。最佳動態(tài)分辨力：最小的Bd（k=1

10、）BdBd000.5122.5 固定，Bd與Bs關(guān)系共五十三頁（3）、外差式頻譜儀的正確(zhngqu)使用1、掃頻寬度(kund)的選擇2、Bq帶寬的選擇3、掃頻速度的選擇根據(jù)被測信號的頻譜寬度來選擇的掃頻寬度的選擇應(yīng)與靜態(tài)分辨率Bq 相適應(yīng)兼顧掃描速度、Bq、Bd之間的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式：掃頻寬度530kHz1.510kHz2kHz靜態(tài)分辨力150Hz30Hz6Hz共五十三頁三、頻譜儀工作(gngzu)特性1、頻率(pnl)分辨力定義：頻譜儀的分辨力是指能夠分辨兩個幅值相等的信號的最小譜線間隔。觀察到實(shí)際的譜線。3dB帶寬過寬，分辨力太低濾波式和外差式的頻率分辨率影響因素不同共五十三頁2、輸入電

11、平(din pn)和動態(tài)范圍動態(tài)(dngti)范圍：同時可測的最大與最小信號的幅度范圍。 典型值：70-100dB 通常是指從不加衰減時的最佳輸入信號電平起，一直到最小可用的信號電平為止的信號幅度變化范圍 一般來講，測量范圍大的儀表，其靈敏度就低，靈敏限高，分辨率就差； 而動態(tài)范圍大，意味著儀表既有較大的測量范圍又有較高的分辨率或較低的靈敏限。共五十三頁3、掃描(somio)速度和分析時間 掃頻寬度：指頻譜儀在一次測量（一次頻率掃描）過程中所顯示的頻率范圍，可以小于或等于(dngy)輸入頻率范圍 掃描時間：指進(jìn)行一次全頻率范圍的掃描、并完成測量所需的時間，也叫分析時間。 掃頻寬度其他名稱，如分

12、析譜寬、掃寬、頻率量程、頻譜跨度等 共五十三頁五、頻譜儀的應(yīng)用(yngyng) 頻譜儀是一種多功能的測量儀器，可用來測量信號電平、諧波失真、調(diào)制系數(shù)、頻率穩(wěn)定度、頻譜純度。六、頻譜分析儀的發(fā)展趨勢共五十三頁7-2、線形系統(tǒng)(xtng)頻率特性的測量概念(ginin)：線形系統(tǒng)對正弦輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)稱為頻率特性；可用幅頻特性和相頻特性來全面表征。正弦測量技術(shù)：理論基礎(chǔ)：對于線形系統(tǒng)，其輸入為正弦信號激勵，輸出響應(yīng)是具有與輸入頻率相同的正弦波。共五十三頁測量(cling)步驟：1、測量電路(dinl)的連接2、提供測試信號3、測量被測系統(tǒng)輸出響應(yīng)4、取得測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理頻率特性測量通常采用正弦

13、測量技術(shù)。頻率特性測量方法經(jīng)典方法：靜態(tài)動態(tài)正弦測量技術(shù)共五十三頁靜態(tài)：點(diǎn)頻法頻率特性測量(cling) 點(diǎn)頻法：在不同的輸入(shr)頻率點(diǎn)上，逐點(diǎn)測量數(shù)據(jù)。 第七章 頻 域 測 量例、增益或衰耗的測量方法：比較法和直接測量法動態(tài)：圖示測量掃頻儀共五十三頁（一）、點(diǎn)頻法：逐點(diǎn)描繪(miohu)法DVM頻率計vifivofoA=F（f）fA所得頻率特性是靜態(tài)(jngti)的，無法反映信號的連續(xù)變化；缺點(diǎn)：該方法繁瑣、費(fèi)時、不直觀、測量誤差大。共五十三頁動態(tài)(dngti)：掃頻圖示儀（二）、掃頻測量(cling)技術(shù)概念：掃頻測量技術(shù)就是利用掃頻信號進(jìn)行頻率特性的測量技術(shù)；掃頻信號就是頻率掃動的

14、正弦信號；而該信號的頻率掃動是隨時間按一定規(guī)律、在一定范圍內(nèi)反復(fù)掃動。共五十三頁掃頻信號(xnho)發(fā)生器被測電路(dinl)峰值檢波器掃描發(fā)生器XYViVoVgVx掃頻測量原理圖例如：放大器的動態(tài)頻率特性共五十三頁1、掃頻測量可以(ky)實(shí)現(xiàn)圖示測量；2、快速掃頻可實(shí)現(xiàn)測量(cling)被測器件或系統(tǒng)的動態(tài)特性例如窄帶濾波器動態(tài)濾波特性，鎖相環(huán)對頻率斜升信號的動態(tài)跟蹤特性。特點(diǎn)：所以，在現(xiàn)代電子測量中，掃頻測量技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。共五十三頁1、工作(gngzu)原理 學(xué)習(xí)要點(diǎn)：記框圖(kungt)、明白箭頭關(guān)系、了解掃頻信號的產(chǎn)生、要求幅度適中、不要有寄生調(diào)幅、不能失真。掃頻信號發(fā)生器由掃描發(fā)

15、生器驅(qū)動。被測電路電壓振幅的包絡(luò)經(jīng)峰值檢波器檢波示波器 X軸 時間軸掃頻儀 X軸 頻率軸掃頻信號變化規(guī)律與時間軸變化規(guī)律一致共五十三頁例如(lr)：被測電路(dinl)如下動態(tài)特性K=K=1K=0.75fA（t）靜態(tài)動態(tài)fo 靜態(tài)分辨率掃頻速度應(yīng)適當(dāng)選擇掃頻速度共五十三頁由上圖得以(dy)下結(jié)論：1、動態(tài)(dngti)特性曲線不同于靜態(tài)特性曲線2、動態(tài)特性曲線諧振點(diǎn)偏離靜態(tài)特性曲線的諧振點(diǎn)頻率fo，掃速越快，偏離越遠(yuǎn)。3、與靜態(tài)特性相比，動態(tài)特性曲線3dB帶寬變寬，諧振峰低于靜態(tài)特性。所以，掃頻測量的優(yōu)點(diǎn)之一為動態(tài)特性的測量。小結(jié)：測量系統(tǒng)動態(tài)特性，必須用掃頻法；為了得到靜態(tài)特性，必須選擇極慢

16、的掃頻速度以得到近似的靜態(tài)特性曲線，或采用點(diǎn)頻法。共五十三頁2、掃頻信號(xnho)的獲得（1）產(chǎn)生掃頻信號(xnho)的方法：（a）、機(jī)械掃頻：三十年代，工藝材料為齒輪、電容（b）、變?nèi)荻O管掃頻（c）、磁調(diào)制掃頻共五十三頁+EL1C1R1R2R3R4R5C2C3C4C5R6B2A3變頻(bin pn)二極管振蕩器電路(dinl)(b)、變?nèi)荻O管：共五十三頁掃頻信號產(chǎn)生(chnshng)過程：鋸齒(jch)波電壓變?nèi)荻O管加到結(jié)電容控制改變振蕩頻率控制 所以，改變鋸齒波電壓的變化速率可改變掃頻速度，改變鋸齒波電壓的振幅可改變掃頻寬度。CjvVCj共五十三頁(2)對掃頻信號(xnho)發(fā)生器

17、的基本要求 主要(zhyo)工作特性f0：掃頻輸出中心頻率f1：掃頻起點(diǎn)；f2：掃頻終點(diǎn)k0：壓控特性f-V曲線的斜率A1：寄生調(diào)幅最大幅度A2：寄生調(diào)幅最小幅度 有效掃頻寬度掃頻線性輸出振幅平穩(wěn)性共五十三頁對掃頻信號(xnho)發(fā)生器的基本要求（）中心頻率范圍大且可連續(xù)調(diào)節(jié)。（）掃頻寬度要寬且可任意調(diào)節(jié)。（）寄生調(diào)幅要小。（）掃描線性度好。共五十三頁掃頻信號發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)（1）可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻率特性的自動或半自動測量，特別是在進(jìn)行電路測試時，人們可以一面調(diào)節(jié)電路中的有關(guān)元件，一面觀察熒光屏上頻率特性曲線的變化，從而迅速地將電路性能調(diào)整到預(yù)定的要求。（2）由于掃頻信號的頻率是連續(xù)(linx)變化的，

18、因此，所得到的被測網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線也是連續(xù)的，不會出現(xiàn)由于點(diǎn)頻法中頻率點(diǎn)離散而遺漏掉細(xì)節(jié)的問題。（3）掃頻測量法是在一定掃描速度下獲得被測電路的動態(tài)頻率特性，符合被測電路的應(yīng)用實(shí)際。 共五十三頁3、顯示方式（1）、掃頻圖示法根據(jù)(gnj)圖示法的顯示原理不同，分為光點(diǎn)(un din)掃描式光柵增輝式（2）、兩種圖示法的比較：1、光點(diǎn)掃描式在大屏幕顯示受到限制，而光柵增輝式是電磁偏轉(zhuǎn)，適合大屏幕示波管。2、光點(diǎn)掃描式測量準(zhǔn)確度不易提高。3、兩種顯示所需偏轉(zhuǎn)信號光柵法電視機(jī)顯像管：電磁偏轉(zhuǎn)，示波器示波管：靜電偏轉(zhuǎn)，共五十三頁（3）、光柵增輝(zn hu)式顯示原理（a）顯示(xinsh)原理a

19、暗光柵的產(chǎn)生fIX=0.0130HZ 三角波掃描電流fIY=18.5KHZ 鋸齒波掃描電流b 增輝脈沖的形成增輝點(diǎn)出現(xiàn)的時間與幅頻信號的幅值相關(guān)共五十三頁鋸齒(jch)波電壓發(fā)生器觸發(fā)器垂直(chuzh)掃描發(fā)生器比較器加法器電平線形成頻率線形成被測電路+EXKWyWx共五十三頁將每條垂直掃描信號與代表刻度線的某一參數(shù)電平比較，形成增輝脈沖，在每條光柵上產(chǎn)生一個光點(diǎn)，一屏中的各條掃描，最后(zuhu)形成一條水平線(2)電平(din pn)刻度線優(yōu)點(diǎn)：消除視覺誤差提高準(zhǔn)確度共五十三頁（3）電子(dinz)頻率刻度線將三角波水平掃描(somio)信號與代表頻率刻度線的參考電平比較，形成較寬的增輝脈沖，使幾條垂直掃線電亮，代表一條頻率刻度線針形頻標(biāo)信號產(chǎn)生電路方框圖標(biāo)準(zhǔn)信號 發(fā)生器 諧波發(fā)生器 混頻器 低通 濾波器掃頻信號 發(fā)生器菱形頻標(biāo) 單穩(wěn) 觸發(fā)器 整形 電路針形頻標(biāo)輸出共五十三頁4頻率特性測試儀面板(min bn)和主要控鍵示意圖（