第五章 頻域測量

電子測量授課教師：路輝聯(lián)系電話：82316487電子郵件：mluhui@163.com第五章頻域測量5.1線性系統(tǒng)概述5.2頻率特性測試——掃頻儀5.3頻譜特性測試——頻譜分析儀5.1線性系統(tǒng)概述線性系統(tǒng),是一個能用線性微分方程描述的系統(tǒng)。它具有頻率不變性和迭加性。線性系統(tǒng)通常用傳遞函數(shù)來描述，即系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零的條件下，系統(tǒng)輸出的拉氏變換與輸入的拉氏變換的比：頻率特性又稱頻率響應，它是系統(tǒng)或元件對不同頻率正弦輸入信號的響應特性。

頻率特性也是一種數(shù)學模型

與傳遞函數(shù)一樣，它描述了系統(tǒng)的內(nèi)在特性，與外界因素無關。決定于系統(tǒng)結構和參數(shù)。頻率特性描述的是一種穩(wěn)態(tài)響應特性

可以用頻率特性來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能。5.1線性系統(tǒng)概述可用幅頻特性|H(jω)|和相頻特性φ(ω)來全面表征一個系統(tǒng)的頻率特性：設系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為令，可得系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的頻率特性代數(shù)形式：5.2頻率特性測試示波器只能顯示被測信號的幅度與時間的關系，稱時域測量。掃頻儀（頻譜儀）是顯示信號的幅度與頻率的關系，稱頻域測量。是把時間軸轉化成頻率軸，是調頻和掃頻技術相結合，用以測量元器件和線性系統(tǒng)的幅頻特性，如各種放大器、濾波器等。頻譜儀是顯示被測信號的各個頻率分量的幅值，是對信號進行頻域分析的重要儀器?？梢詼y信號電平、諧波失真等。本章包括兩個基本測量問題：

1、線性系統(tǒng)頻率特性的測量

2、信號的頻譜分析5.2頻率特性測試一、測量方法點頻法：煩瑣、不能觀測全貌、靜態(tài)特性掃頻法：掃頻儀簡單、方便、實時顯示、不會漏掉細節(jié)、動態(tài)特性二、掃頻圖示法的測量原理：5.2頻率特性測試掃頻儀由四部分組成：利用示波器的顯示原理，把時間軸變成頻率軸。包括掃頻信號發(fā)生器、放大顯示電路、頻率標記發(fā)生器和電源。三、掃頻信號發(fā)生器：掃頻信號是指振幅恒定，頻率在一定范圍由低向高來回掃動的正弦信號。有變?nèi)荻壒苁胶痛棚柡碗娍蛊魇綊哳l信號發(fā)生器。原理框圖輸出衰減器：用于改變掃頻信號的輸出幅度。在掃頻儀中，衰減器通常有兩種。一組是粗衰減，每檔10dB或20dB；另一組是細衰減，每檔1dB或2dB。大多數(shù)掃頻儀的輸出衰減可達100dB。5.2頻率特性測試（一）掃頻信號的主要工作特性掃頻寬度——最大頻率覆蓋范圍。例BT30——300MHz用相對值表示掃頻線性－－掃頻信號頻率的變化規(guī)律和預定掃頻規(guī)律之間的吻合程度。即：掃頻信號在一定頻率范圍內(nèi)是線性的，可用線性系數(shù)表示。它表示掃頻振蕩器的變?nèi)荻O管的非線性程度，表現(xiàn)在刻度上是刻度的非線性。

線性系數(shù)越接近1，壓控曲線線性越好5.2頻率特性測試振幅平穩(wěn)性可用掃頻信號的寄生調幅來表示（二）變?nèi)荻O管掃頻等效電路如圖穩(wěn)幅電路的原理框圖5.2頻率特性測試勢壘電容與外加電壓的關系：變?nèi)莨茉诹闫珘簳r的電容。PN結的內(nèi)建電位差，硅管=0.6v電容指數(shù)，決定于PN結中雜質濃度的分布情況，對于突變結變?nèi)莨?，，而超突變結變?nèi)莨茏內(nèi)荻O管構成的振蕩回路工作原理：基于PN結反向偏置時，結電容與偏置電壓有關這一原理制成的。掃頻振蕩器的掃頻速度受掃描鋸齒波電壓控制，其瞬時頻率隨時間在諧振頻率附近作線性變化，既其頻率值一般為幾十至幾百MHZ。5.2頻率特性測試變?nèi)莨軖哳l振蕩器的優(yōu)點：電路簡單，頻偏寬，對調制信號幾乎不消耗功率。它一般用于晶體管化的掃頻儀中。5.2頻率特性測試變?nèi)莨軖哳l儀的組成及原理5.2頻率特性測試5.2頻率特性測試5.2頻率特性測試改進辦法：只用正程，消隱逆程(鋸齒波掃描），從而產(chǎn)生單峰曲線；但是仍存在顯示誤差。降低掃速，使動態(tài)趨近靜態(tài)產(chǎn)生原因：被測電路延時響應三角波掃頻發(fā)生器工作波形圖5.2頻率特性測試靜態(tài)與動態(tài)特性差異：1、諧振點向f掃描方向偏移。掃速越快偏離越甚2、對稱性改變，及3dB帶寬增加,幅度降低。5.2頻率特性測試它是利用非線性電感的調頻方法，它具有寄生調幅小，相對掃頻寬度大，電路簡單等優(yōu)點。缺點是需要調制功率大，大多采用電子管電路，并且用市電作為調制信號。如早期BT3（0—300M）——帶磁心的電感線圈的電感量——空心線圈的電感量——有效導磁系數(shù)——增量導磁系數(shù)（導磁率）——導磁系數(shù)的利用率磁調制掃頻振蕩器正是利用鐵磁材料的導磁率隨所加的磁場強度而變化這一特性來實現(xiàn)掃頻的。---B-H曲線斜率磁芯線圈Lc與磁芯關系：（三）磁調制掃頻5.2頻率特性測試工作原理：將繞有高頻線圈的高頻磁心放置在低頻磁心的磁路內(nèi)，則將被磁化，當通過低頻磁心的調制線圈中的電流變化時，將引起的增量導磁系數(shù)的變化。優(yōu)點：寄生調幅小，但它要求調制信號的功率較大，因此，這種電路普遍應用于電子管化的掃頻儀中。5.2頻率特性測試四、頻率標記：用于頻率值的標定，頻率標記簡稱頻標主要有四種方法（模擬法）：差頻法、電壓比較法、吸收法、選頻法差頻法：形成菱形頻標，適用于高頻掃頻儀中。（頻標寬度）5.2頻率特性測試5.2頻率特性測試系列頻標的產(chǎn)生：掃頻信號在由低變高過程中，與標準信號產(chǎn)生差頻，零差頻被取出，形成頻標。不斷改變標準信號頻率，頻標將在幅頻特性曲線上移動。熒光屏上的頻標顯示方式：光點掃描式、光柵增輝式光點掃描式：1、大屏幕顯示受到限制，因無法給磁偏轉線圈（垂直）提供信號波形電流2、難于在屏幕上直接顯示經(jīng)過校準的頻率和電平刻度線，故測量準確度不易提高。光柵增輝式：可克服上述缺點。5.2頻率特性測試基本原理：類似于電視機顯示圖像的原理。首先在長余輝示波屏幕上產(chǎn)生光柵，光柵是垂直的，平時是消隱的，看不見，故有“暗光柵”之稱。屏幕上所顯示的曲線是通過相應的增輝脈沖在每條暗光柵的不同高度上產(chǎn)生的亮點構成的，只要暗光柵足夠多，光點就可連成一條曲線。（類似于逐點描跡）絕對電平：在阻抗匹配的情況下功率電平

電壓電平基準量P0、V0取1mw、0.775v則為零電平（功率0dBm、0dB)若在600電阻上測量，0.775v電壓剛好吸收1mw功率，則功率電平等于電壓電平。5.2頻率特性測試5.2頻率特性測試5.2頻率特性測試電子頻率刻度線：與電平刻度一樣，同樣是要顯示刻度，故也要加在陰極上；只要把設定電壓和水平掃描電壓比較，就可在水平掃描的響應位置得到增輝脈沖，而水平掃描電壓又和頻率成比例，因此只要設定電壓準確，就可得到準確的頻率刻度線。只不過電平刻度是光點組成，而頻率刻度是垂直掃線組成。如要進一步較準則可用差頻法產(chǎn)生菱形頻標。(圖見P358)五、掃頻儀的應用廣泛應用于無線電、通信等領域，動態(tài)測量的最大優(yōu)點可在測量過程中對電路進行調整。

1、電路參數(shù)的測量：

a、增益的測量：比較法

A=B2-B1（dB)b、帶寬的測量：

Bw=fh—fl

c、回路Q值的測量

Q=f0/Bw5.2頻率特性測試六、多頻測量是利用多個頻率信號作為測試信號的一種頻域測量技術。多頻信號是指一組離散頻率的正弦波集合。特例:素數(shù)正弦波，選擇從3開始的若干個素數(shù)倍最小角頻的正弦信號的合成波作測試信號，如3、5、7、11、13、17、19、23等，把其作為被測網(wǎng)絡的輸入信號，并在對應頻點上測輸出，即可得到其幅頻特性。該方法可有效抑制被測系統(tǒng)非線性對測量結果的影響。這可以從理論上嚴格證明。其簡單物理概念為：1、素輸除1和它本身外不能被其它數(shù)整除，故因被測網(wǎng)絡非線性產(chǎn)生的高次諧波，不會與較高的素數(shù)正弦波頻率相同。2、除2以外的素數(shù)都為奇數(shù)，而任意兩個奇數(shù)的和、差均為偶數(shù)，這樣當采用從3開始的素數(shù)正弦波作激勵信號時，由系統(tǒng)非線性產(chǎn)生互調制的和、差頻信號也非素數(shù)正弦波，因此他們不會對輸出造成影響。綜上所述，多頻測量是把由多個正弦波組成的測試信號同時加到被測系統(tǒng)的輸入，而不像點頻法和掃頻那樣，輸入是點頻或連續(xù)變化的信號，可大大提高測量的速度。而計算機與頻率合成技術，使之成為可能。5.3頻譜分析儀如何表示信號：時間頻率幅度tfV頻域時域圖示方法：如果不是正弦波？矩形波、三角波、脈沖波等5.3頻譜分析儀5.3頻譜分析儀“譜”—按一定規(guī)律排列的圖像。頻譜—信號按頻率順序排列的各種成分。—幅度譜、相位譜頻譜分析—對任意電信號頻譜進行的研究。示波器只能進行時域顯示，實時顯示被測圖形掃頻儀只能觀測被測電路的幅頻特性如果觀測任意信號的各頻率分量及其幅值就要用頻譜分析儀幅度和頻率都絕對值定標的現(xiàn)代頻譜分析儀，可對AM、FM、脈沖調制及其它信號的頻率、電平、調制度、調制失真、諧波失真、寬窄帶噪聲、增益、衰減等多種參數(shù)進行測量。配接天線可測場強、干擾。內(nèi)置或外接跟蹤發(fā)生器，可組成包括顯示器在內(nèi)的跟蹤掃頻儀。頻譜儀已成為具有頻率計、功率計、調制度儀、全景接收機、頻率特性測試儀、掃頻儀、場強計、干擾儀等多種功能的綜合測試設備，廣泛用于廣播、電視、通信、雷達、導航、電子對抗及電路的設計、制造、維修等方面。5.3頻譜分析儀頻譜儀的分類按工作頻率分：有低頻頻譜儀、射頻頻譜儀及微波頻譜儀。按頻帶寬度分：有寬頻帶頻譜儀，窄帶頻譜儀。按結構特點分：有臺式、便攜式、模塊式。按輸入通道數(shù)目分類有：單通道、多通道頻譜儀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。按處理的實時性分類：實時頻譜儀、非實時頻譜儀。5.3頻譜分析儀一、實時頻譜儀：能同時顯示其規(guī)定頻率范圍內(nèi)所有頻率分量，并且保持兩個信號間的時間關系。使得它不僅能分析周期信號、隨機信號，而且能分析瞬時信號。實用的實時頻譜儀又分為多通道頻譜儀和快速傅立葉頻譜儀兩類。（一）多通道頻譜儀：模擬式由于受濾波器數(shù)量及帶寬的限制，這類頻譜儀主要工作在音頻頻段（20Hz——20K）。5.3頻譜分析儀（二）FFT頻譜分析儀：數(shù)字式傅立葉變換的唯一性表明了信號及其頻譜之間的一一對應關系，這一性質給信號的變換、處理、鑒別、和恢復提供了理論依據(jù)。它可以進行信號的幅度譜和相位譜的分析。頻譜函數(shù)的幅度頻譜代表信號中各頻率分量的振幅大小。-------------相位--------------------------相差------快速傅立葉頻譜儀的核心是以函數(shù)進行傅立葉變換的數(shù)學計算為基礎的計算機分析。因此需要使用高速數(shù)字計算機進行數(shù)字功率譜的計算。根據(jù)抽樣定理：最低取樣速率應該大于或等于被取樣信號的最高頻率的兩倍?，F(xiàn)代傅立葉頻譜儀的工作頻段一般在DC—100KHz的低頻段用。如HP3562A的分析頻帶為64Hz—100KHz，國內(nèi)永華廠的RE—201為20Hz—25KHz。5.3頻譜分析儀二、非實時頻譜儀——掃描調諧頻譜儀這類頻譜儀對輸入信號按時間順序進行掃描調諧，因此它只能分析在規(guī)定時間內(nèi)頻譜幾乎不變化的周期重復信號。這類頻譜儀有很寬的工作頻率范圍。從DC—幾十GHz，（適于作全景接收）。常用的掃描調諧型頻譜儀又分為：掃描射頻調諧型和超外差型兩類。（一）掃描射頻調諧頻譜儀利用中心頻率可電調的帶通濾波器來調諧和分辨輸入信號。如國產(chǎn)的RS—13全景接收機。這種類型的頻譜儀分辨力、靈敏度等指標都比較差。5.3頻譜分析儀（二）超外差頻譜儀：經(jīng)由一至幾次的變頻過程其實質上是一臺具有掃頻和窄帶濾波功能的超外差接收機。按其被掃頻的本振頻率又分為掃中頻型和掃前端（第一本振）型。前者如國產(chǎn)的BP—1，QF4021等，優(yōu)點是成本低，分辨帶寬較窄，無法實現(xiàn)全景接收。其工作是順序地進行分析，被測信號中各個頻率分量的幅值也是順序地顯示在屏幕上。顯示的譜線是窄帶濾波器的幅頻特性曲線形狀和真正的信號頻譜。5.3頻譜分析儀

第一變頻器

第三變頻器第二

變頻器F1IFF2IFF3IFFRF

射頻衰減器F1lo

第一

本振YTOYTF

帶寬濾波器

對數(shù)放大器LOG掃描斜波發(fā)生器檢波器顯示器

低通濾波器

低通濾波器

帶通濾波器

步進放大器MXR1MXR25.3頻譜分析儀頻譜儀的主要工作特性：(1)頻率分辨力——窄帶濾波器幅頻特性的3dB帶寬為頻譜儀的分辨力。指能夠分辨的最小譜線間隔。表征了頻譜儀能將頻率緊挨在一起的信號區(qū)分開來的能力；它取決于窄帶濾波器的幅頻特性的帶寬。f(a)(b)(c)輸入頻譜屏幕譜線形狀分辨力太低圖形5.3頻譜分析儀如何選擇窄帶濾波器（RBW）的分辨力帶寬？基本的回答是：頻譜儀掃過頻率間隔的速度必須低到足以使通過濾波器的信號可達到其峰值幅度，否則會產(chǎn)生不正確的信號測量結果。用一個窄的RBW濾波器在寬的頻率范圍情況下，會使一次掃描要很長的時間。因此，要保持掃描速度合理，分辨力帶寬必須隨掃速的增大而增大。有“靜態(tài)分辨力”——靜態(tài)幅頻特性曲線3dB帶寬；“動態(tài)分辨力”——動態(tài)幅頻特性曲線3dB帶寬。dB5.3頻譜分析儀(2）有效頻率范圍：指頻譜儀能夠進行分析的信號的頻率范圍。（3）輸入信號電平與動態(tài)范圍（4）掃頻寬度(頻譜寬度）和分析時間掃頻寬度——頻譜儀在一次測量分析過程中顯示的頻率范圍。分析時間——完成一次頻譜分析所需的時間，即一次掃描正程的時間。也稱掃描時間。掃頻速度——掃頻寬度與分析時間之比。動態(tài)范圍：既掃頻儀的最佳輸入電平范圍。主要由混頻級的非線性決定。一般為70-100dB5.3頻譜分析儀

2398頻譜分析儀：

帶有準峰值解調選件，具有9K-120KHZ的濾波器，適合現(xiàn)代EMC測試。

技術指標:

頻率范圍：9KHZ-2.7GHZ

頻率精度：1HZ

分辨范圍：300HZ-3MHZ

幅度指標:

測量范圍：20DBN-108DBM

顯示范圍：0-80DB

相位噪聲：-90DBC/HZ

重量：8.2kg5.3頻譜分析儀5.3頻譜分析儀5.3頻譜分析儀頻譜儀的正確使用：

1、掃頻寬度：根據(jù)被測信號的頻譜寬度進行選擇。如調幅波可選2fm(調制頻率），若考慮二次諧波的調制邊帶，可選4fm。

2、帶寬Bq選擇：Bq選擇要與掃頻寬度相當，一般原則：寬帶掃頻Bq=150hz,窄帶Bq=6hz