頻域測量電子測量

頻域測量電子測量第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二主要內(nèi)容6.1掃頻儀概述6.2掃頻儀工作原理6.3頻標單元6.4Y通道單元6.5頻譜分析儀工作原理6.6本章小結(jié)2第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二教學側(cè)重點掃頻儀的構成與原理FFT頻譜分析儀構成與原理掃頻超外差式頻譜分析儀構成與原理頻標單元產(chǎn)生框圖與原理第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.1掃頻儀概述掃頻儀：又稱頻率特性測試儀。可用來測定各種有源或無源網(wǎng)絡的傳輸特性、阻抗特性等，如：測定調(diào)頻放大器、寬頻帶放大器、各種濾波器、鑒頻器等幅頻特性。掃頻儀是一種能夠完成上述功能并具有顯示裝置的掃頻信號發(fā)生器。4第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.1.1常用術語有效頻率范圍：掃頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的載波頻率范圍。掃頻寬度：掃頻所覆蓋的頻率范圍內(nèi)的最高頻率與最低頻率之差。掃頻中心頻率：窄帶掃頻或?qū)ΨQ掃頻時，掃頻寬度為0的載波頻率。5第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.1.2掃頻儀中的關鍵器件（1）變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管與普遍二極管類似，也是由一個PN結(jié)構成的。所謂變?nèi)荻O管是指它的結(jié)電容隨外加偏壓而改變，并呈現(xiàn)明顯的非線性特性。變?nèi)荻O管電容公式：6公式中：U是外加電壓，反向偏置時是負值，正向偏置時是正值。UT是內(nèi)建電壓，K與n是常數(shù)。第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.1.2掃頻儀中的關鍵器件（2）電調(diào)諧變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管有三類：參數(shù)變?nèi)荻O管、功率變?nèi)荻O管、電調(diào)諧變?nèi)荻O管。在掃頻儀中使用的是電調(diào)諧變?nèi)荻O管。電調(diào)諧變?nèi)荻O管用在頻率調(diào)制電路中，其作用是：當加到PN結(jié)上的偏壓變化時，結(jié)電容Cj跟隨變化，從而改變電路的諧振頻率，達到電調(diào)諧的目的。7第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.2掃頻儀工作原理6.2.1整機電路原理框圖8頻標單元掃頻單元被測網(wǎng)絡衰減器檢波器Y通道控制部分斜波信號發(fā)生器X通道圖6.2.1掃頻儀電路工作原理框圖第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.2.1整機電路原理框圖掃頻儀的構成：掃頻信號源和顯示系統(tǒng)。1、掃頻信號源由掃頻單元、頻標單元和衰減器三部分構成。具有以下功能：(1)能產(chǎn)生頻率做線性變化的掃頻信號；

(2)掃頻信號的輸出是等幅的，且具有一定功率；

(3)掃頻信號的頻偏盡可能大且中心頻率可調(diào)；

(4)掃頻信號線性度良好；

(5)能產(chǎn)生和掃頻信號同步的頻率標記；

(6)輸出阻抗要恒定。2、顯示系統(tǒng)由斜波電壓發(fā)生器、X、Y軸通道放大器及示波管組成。9第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.2.1整機電路原理框圖掃頻儀工作原理：

1.斜波信號發(fā)生器一方面送給X通道提供掃描信號；另一方面又控制掃頻信號源的振蕩頻率，使其產(chǎn)生從低頻到高頻的周期性重復變化的等幅正弦波輸送給被測電路，稱為掃頻信號。

2.這樣，就使掃頻信號的頻率變化規(guī)律與掃描電壓一致，從而使得每個掃描點與掃頻信號輸出的頻率有一一對應的確定關系，故X軸相應地成為頻率坐標軸。

3.被測電路的輸出信號經(jīng)峰值檢波探頭檢出幅頻特性曲線送給Y通道，并最終在屏幕上顯示出被測網(wǎng)絡的幅頻特性曲線。10第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.2.2單元電路工作原理1、掃頻單元11圖6.2.2掃頻單元工作原理框圖掃頻振蕩器一般采用變?nèi)荻O管作為壓控元件，由于變?nèi)荻O管的C-U特性曲線不是線性的，因此為了獲得線性的掃頻振蕩，加入線性校正電路。固頻振蕩器掃頻振蕩器線性校正混頻器低通濾波寬帶放大衰減器自動穩(wěn)幅掃頻輸出第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.2.2單元電路工作原理掃頻信號產(chǎn)生過程12第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.2.2單元電路工作原理2、固定振蕩器13圖6.2.3固定振蕩器電路中心頻率控制電壓取自于面板上的電位器，中心頻率控制電壓一經(jīng)確定，固頻振蕩器就會產(chǎn)生固定頻率的振蕩信號。改變中心頻率控制電壓就是改變變?nèi)荻O管的偏壓，即改變振蕩頻率。第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.2.2單元電路工作原理3、掃頻振蕩器146.2.4掃頻振蕩器穿心電容的作用是旁路掉雜散的高頻干擾信號。掃頻振蕩器工作在開關狀態(tài)，即在工作區(qū)產(chǎn)生掃頻振蕩，而在休止期內(nèi)停振。第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.2.2單元電路工作原理4、混頻器和低通濾波器

混頻器就是將兩個不同頻率的信號加到非線性器件進行頻率變換后取其差頻或和頻。低通濾波器就是將混頻之后的和頻信號濾除掉，保留差頻。15具體電路見教材：圖6.2.5混頻器和低通濾波器第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.3頻標單元16圖6.3.1頻標單元工作原理框圖頻標選擇外接頻標諧波發(fā)生器諧波發(fā)生器諧波發(fā)生器頻標混頻頻標混頻頻標混頻頻標混頻低通濾波低通濾波低通濾波低通濾波1/10分頻1MHz10MHz晶振50MHz晶振來自掃頻輸出頻標形成及放大去Y通道頻標是頻率標記的簡稱。頻率標記是用一定形式的標記對頻率特性曲線上的任意點進行定量描述。頻標的形狀大致四種：菱形頻標、脈沖頻標、線頻標及光點式頻標。第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.3頻標單元1、單一頻標產(chǎn)生的工作原理17圖6.3.2單一頻標產(chǎn)生的工作原理框圖掃頻信號固頻信號混頻器低通濾波去頻標放大器fsfg第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.3頻標單元掃頻信號中必然含有與正弦波固定頻率fg相等的瞬時值頻率。當掃頻信號的頻率自fmin向fg接近時，頻差越來越?。划旑l率掃變到等于fg時，產(chǎn)生零拍差頻；而當掃頻信號頻率向fmax接近時，則頻差越來越大。差頻信號波形在fg處是中間疏兩邊越來越密。這個波形經(jīng)低通濾波器后，高頻成分被濾掉，只有在fg附近的低頻成分保留下來，而且離開fg愈遠的差頻信號幅度衰減愈大。這部分被保留下來的差頻信號形狀如同一個菱形，常被叫做“菱形頻標”。

18圖6.3.3頻標波形圖掃頻信號固頻信號低通濾波后的菱形頻標第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.3頻標單元2、產(chǎn)生多個頻標的工作原理19圖6.3.4多個頻標產(chǎn)生原理框圖掃頻信號諧波發(fā)生器混頻器低通濾波去頻標放大器晶振0fkfg2fg3fg4fgnfg第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.3頻標單元20設標準信號頻率為fg，則諧波信號源輸出信號頻率為基波fg及各次諧波2fg、3fg、4fg、…。掃頻信號與諧波信號源輸出信號經(jīng)混頻器混頻后，再經(jīng)低通濾波輸出差頻信號，由此得到一系列零差點。例如在f=fg處差頻為零，于是在f=fg處形成“菱形頻標”。同理，在f=2fg、f=3fg……處也形成菱形頻標。圖6.3.5多個菱形頻標波形圖第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.4Y通道單元對Y通道單元的具體要求：

(1)有較高的輸入阻抗。

(2)有較好的頻率特性。為了使被測信號在屏幕上穩(wěn)定顯示，要求掃描的正程和逆程加起來不得超過20ms。被測信號加入的時間（工作期）就是一個前沿陡峭的脈沖波，因而要求頻率特性要好。

(3)要求有較小的漂移。

漂移會使圖像上下移動，最好辦法是采用差動放大器。21圖6.4.1Y通道單元原理框圖圖6.4.2掃頻儀中的時序圖衰減器頻率標記輸入Y前置放大Y末級放大去Y偏轉(zhuǎn)板被測信號10ms10ms工作期休止期第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二測試實例電路幅頻特性的測量22當被測設備輸入阻抗和掃頻儀的輸出阻抗相等時，采用空載電纜線連接被測設備；當不等時，應在掃頻儀和被測設備之間加一個阻抗匹配網(wǎng)絡。第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.5頻譜分析儀工作原理6.5.1時域和頻域的關系6.5.2頻譜分析儀的分類6.5.3技術性能指標6.5.4操作使用要點23第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.5.1時域和頻域的關系電信號隨時間的變化特性，稱為時域分析，一般采用電子示波器來測試波形。電信號用它所包含的各種頻率分量（頻譜分布）來表示，稱為頻域分析，用頻譜分析儀來測量。24第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二256.6.1時域和頻域的關系時間頻率幅度tfV頻域時域第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.5.1時域和頻域的關系任何周期信號都可以展開成傅立葉級數(shù)。級數(shù)的每一項在頻譜上都可以畫成一條直線，代表信號的一種成分。

如：26第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.5.2頻譜分析儀的分類頻譜分析儀按其工作原理分為實時頻譜分析儀和非實時頻譜分析儀。實時頻譜分析儀能同時觀測顯示其規(guī)定頻率范圍內(nèi)的所有頻率分量，而且保持了兩個信號間的相位關系，不僅能分析周期信號、隨機信號，還能分析瞬時信號。分為多通道濾波式頻譜儀和FFT式頻譜儀。非實時頻譜分析儀常采用掃描調(diào)諧式。掃描調(diào)諧式頻譜分析儀對輸入信號按時間順序進行掃描調(diào)諧，在某一瞬間只能測量顯示一個頻率，逐次測量顯示被測信號的全部頻率范圍。只能分析在規(guī)定時間內(nèi)頻譜幾乎不變的周期性重復信號。包括掃描射頻調(diào)諧型頻譜儀和掃頻超外差式頻譜儀。27第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.5.2頻譜分析儀的分類FFT型實時頻譜儀28圖6.7.4FFT頻譜儀的簡化框圖ADCFFTfS輸入顯示器處理器

數(shù)字濾波器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器取樣器衰減器

模擬濾波器第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.5.2頻譜分析儀的分類29FFT采用有限長度時間來計算，因而會產(chǎn)生頻譜泄漏。解決這一問題的辦法是利用窗口函數(shù)。衰減器：擴大了信號的測量范圍。模擬低通濾波器：濾除了頻帶外多余的頻率分量。取樣器和A/D轉(zhuǎn)換器：完成信號的取樣和量化，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。數(shù)字濾波器：采用頻率取樣式，減小信號帶寬和降低取樣頻率，保證了頻率分辨力又避免頻譜混疊。處理器：完成FFT計算。顯示器：顯示測量結(jié)果。第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.5.2頻譜分析儀的分類掃頻超外差式頻譜儀

基于這樣的思想：若在頻率軸上有一個特定的窗口，只有進入窗口的信號才能被檢測到。當窗口從一個頻率點掃描到另一個頻率點時，就可以得到被測信號在不同頻率點上的頻譜分布。采用中頻窄帶濾波器代替窗口，并固定在一個頻率點上，利用掃描振蕩器，使混頻得到的中頻信號逐個通過這個窗口實現(xiàn)頻率掃描。30圖6.7.5信號頻譜分布圖窗口V2V3V1f2f1fs3fs2fs1第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.5.2頻譜分析儀的分類掃頻超外差式頻譜儀（續(xù)）31工作原理：掃頻振蕩器是儀器內(nèi)部振蕩源，它受鋸齒波掃描電壓調(diào)制，當掃頻振蕩器的頻率在一定范圍內(nèi)自動掃動時，輸入信號中的各個頻率分量在混頻器中產(chǎn)生差頻信號，依次落入中頻放大器的通帶內(nèi)(這個通帶是固定的)，獲得中頻增益，經(jīng)檢波后加到y(tǒng)放大器，使亮點在屏幕上的垂直偏移正比于該頻率分量的幅值。由于掃描電壓在調(diào)制掃頻振蕩器的同時，又驅(qū)動x放大器，從而可以在屏幕上顯示出被測信號的線狀頻譜圖。圖中的中頻放大器相當于固定通帶濾波器。第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二6.5.