1、第7章 频域测量,7.1 扫频仪概述扫频仪，又称频率特性测试仪，用来测定各种有源、无源二端口和四端口网络（如调频放大器、宽频放大器、各种滤波器、鉴频器、雷达等）的传输特性、阻抗特性和反射特性等。也能方便地测定网络的幅频特性、相频特性和延迟特性，以及输出电平、通带、增益、衰减、介电常数和反射损耗等参数。,7.1.1 常用术语,1. 扫频信号发生器：一种具有宽带频率调制特性的信号发生器。2. 扫频仪：一种具有显示装置的扫频信号发生器。3. 有效频率范围：扫频信号发生器产生的载波频率范围。在此范围内扫频信号发生器满足精度要求。4. 扫频宽度：扫频所覆盖的频率范围或最高频率与最低频率之差。5. 扫频中
2、心频率：窄带扫描或对称扫描时，扫频宽度为0的载波频率。,6. 扫频方式：由扫频电压给定的方式而实现的扫频。7. 自动扫频：由周期性扫描电压实现的扫频工作方式。8. 手动扫频：由手动旋钮控制扫描电压而实现的扫频工作方式。9. 触发扫频：由触发脉冲信号启动扫描电压而实现的扫频工作方式。10. 单次触发扫频：单次按钮启动的仅一次的扫频。11. 对数扫频：以对数刻度表示的,12. 起止扫频：由起始和终止频率旋钮控制的方式。13. 标志扫频：由两个频率标志旋钮控制的方式。14. 窄带扫频：对称于中心频率的窄带方式。15. 外扫频：由外部电压控制扫频信号发生器。16. 频率标志：有脉冲、线状、菱形等17.
3、 分辨率：18. 扫频线性误差：19. 扫频时间：,7.1.2 扫频仪中的关键器件,变容二极管结电容随外加偏压而改变，并呈现明显的非线性特性。,变容二极管等效电路,变容特性曲线,2. 电调谐变容二极管,变容二极管有三种类型：参数变容二极管、功率变容二极管、电调谐变容二极管。在扫频仪中使用的是电调谐变容二极管。,7.2 扫频仪工作原理,7.2.1 整机电路原理框图,它主要由扫频信号源和显示系统两大部分构成。,1. 扫频信号源的构成及功能,扫频信号源由扫频单元、频标单元和衰减器三部分组成，在控制信号的作用下要求扫频信号源具有以下功能: 能产生频率做线性变化的扫频信号； 这个扫频信号的输出是等幅的，
4、且具有一定的功率； 扫频信号的频偏应尽可能大且中心频率可调； 要求扫频信号的线性度良好； 能产生和扫频信号同步的频率标记； 输出阻抗要恒定。,2. 显示系统的构成及功能,对于显示系统而言，主要的要求有两点：轨迹明亮而清晰，在不失真的前提下要有足够高的增益。 显示系统主要由斜波电压发生器，X、Y轴通道放大器及示波管等电路构成。,7.2.2 单元电路工作原理1.扫频单元 扫频信号是由固频振荡和扫频振荡在混频器里经差频的方法获得的。差频方法可使中心频率获得很大的覆盖比和有可能实现全频段扫频。,2. 固频振荡器(电容反馈式振荡器),3. 扫频振荡器,4. 混频器和低通滤波器,7.3 频标单元,频率标记
5、是用一定形式的标记对频率特性曲线上任意点进行定量描述。,三种形式：单一频率间隔的频标，两种频率间隔的复合频标，专门用来校准的外接频标。单一频标产生的工作原理 当瞬时频率逐渐接近固定频率时，扫频信号幅度逐渐减少(差频越来越小)，等于时，扫频信号幅值为零。当瞬时频率离开时幅值逐渐增大。,2. 产生多个频标的工作原理,以10MHz通用频标为例来说明获得多个频标的工作原理。(多了谐波发生器),10MHz频标,3. 频标单元电路分析 本电路包括四个部分：10MHz晶振、隔离放大器、谐波发生器及混频滤波电路。,7.4 Y通道单元,Y通道单元的具体要求为： 有较高的输入阻抗;（否则，从峰值检波变成有效值检波
6、） 有较好的频率特性; 要求有较小的漂移;（采用差动放大）,6.5 操作使用,以BT-3G型频率特性测试仪为例来详细介绍扫频仪的使用方法,1. BT-3G型频率特性测试仪的面板布置,2. 旋钮的名称与作用,(1) 显示器的旋钮与作用,亮度：用来调节扫描线的亮度，顺时针调整，亮度最大，反之则扫描线最暗。 聚焦：调整该旋钮可使扫描线光滑清晰。 水平校准：当扫描线不能和水平刻度线重合时，可加以调整。 Y输入：通常接检波探头的输出端。对于含有内检波的四端网络，该网络的输出可直接加到Y输入。 Y增益：用于调节输入信号的大小，以使得被测信号能直观地显示在屏幕上。, 位移：通过旋钮的来回调节，可使整个扫描曲
7、线上下移动。 Y位移：通过旋钮的来回调节，可使整个扫描曲线上下移动。 Y轴衰减选择挡：共分为1、10、100三挡，应和Y增益配合使用，通过不同挡的选择，可改变整个Y轴的增益与扫描曲线的高度。,(2) 扫频信号源的旋钮与作用,中心频率：调节该旋钮，可使需要的中心频率置于屏幕的中心位置。 扫频宽度：调节该旋钮，可得到合适的扫频带宽。 输出衰减：输出衰减共分七挡，通过不同的组合，可得到不同的衰减量，它的设置可以改变扫频信号的输出幅度。 扫频输出：扫频信号的输出端，通常接到被测四端网络的输入端。,(3) 频标信号发生器的旋钮与作用,频标选择 频标幅度 外接频标,3.使用方法,(1) 使用前的准备工作,
8、将检波探头推入自校准插座，并将自校准插头接扫频输出插座，检波输出插头接Y输入。如下图:, 将/极性开关置于，AC/DC置于DC，Y衰减置于1档。, 频标选择旋钮置于10/1MHz； 输出衰减旋钮置0dB(输出衰减按键全部弹出)； 接通电源，屏幕上将出现近似矩形的扫描曲线。分别调节亮度、聚焦、水平校准、Y位移、Y增益，使扫描曲线处于最佳状态。,(2) 频标识别,将频标选择旋钮置于10/1位置，中心频率置于起始处，此时屏幕中出现不同于菱形频标的特殊标识，称作零拍。顺时针转动中心频率旋钮，会发现0拍及右面的大小频标逐渐左移。其中幅度大的为10MHz频标，幅度小的为1MHz频标。,将频标选择旋钮置于5
9、0位置，扫频特性曲线如图7.5.2(b)所示，在零拍右面的第一个频标为50MHz，第二个频标为100MHz，其余依次类推。,(3) 扫频宽度,不同的四端网络有着不同的频带，预置扫频宽度太窄，被测曲线在水平方向会很小；预置扫频宽度太宽，被测曲线在水平方向会很大。因此调节扫频宽度旋钮会得到合适的扫频宽度。,(4) 中心频率读取,不同的四端网络除了有不同的频带之外，还有不同的中心频率，预置中心频率过高，被测曲线会在右面，预置中心频率过低，被测曲线会在左面。 调节中心频率旋钮，使得中心频率在屏幕中央，就可以对称地观察被测曲线。图7.5.3示出了中心频率为20MHz扫频宽度为24MHz的校准曲线。需要说
10、明的是，中心频率20MHz是在0拍右面的第2个大频标。,6.6 测试实例,1. 单调谐回路的扫频测量(1) 单调谐回路的电路原理图,(2) 扫频仪各旋钮预置如下：,将-/+置于+，AC/DC置于DC，Y衰减置于1; 扫频输出衰减旋钮置于0dB; 频标选择旋钮置于10/1MHz; 扫频宽度旋钮置于5MHz； 将低阻检波器和自校准插座分别接Y输入和扫频输出插座，调整Y增益使得扫描曲线为5大格，并记下此值。,(3) 扫频仪与单协调回路的连接方法,注意：检波器为高阻检波器，扫频输出为带鳄鱼夹的高频电缆。,(4) 调节输出衰减为47dB，单调谐回路的幅频特性曲线,该单调谐回路的增益为47dB，即放大量为
11、100余倍。,2. 双谐调回路的扫频测量,步骤如下：双谐调回路原理图：,扫频仪各旋钮预置如实例1； 扫频仪与双谐调回路的连接方法与实例1相同； 调整输出衰减为50dB，被测双谐调回路的幅频特性曲线如图：,3. 相位鉴频器的扫频测量,相位鉴频器的特性曲线,4. 利用扫频仪测量振荡器的振荡频率5. 用扫频仪测量无源的高通滤波器,高通滤波器电路原理图,1频道高通滤波器特性曲线,6. 主要技术指标,扫频范围：1300MHz；扫频宽度：100MHz;扫频非线性：5%；输出电压：0.5V(3.33mW)10%;输出平坦度：0.25dB;输出衰减：070dB，1dB步进；输出阻抗：75；频率标记：50MHz
12、、10MHz/1MHz复合及外接三种，外接频标灵敏度优于300mV；显示部分垂直灵敏度：优于20mV(峰-峰）/cm;显示屏幕有效尺寸：100mm80mm。,7.9 频谱分析仪工作原理,7.9.1 时域和频域的关系,常见电信号波形图与频谱图的对应关系,表中纯正弦波，只显示一条谱线，f0=1/T，线高等于正弦波的幅值；方波含有1,3,5.奇次谐波；三角波与梯形波也含有1,3,5.奇次谐波，但各分量的幅值与方波不同；而锯齿波含有1,2,3.各次谐波，按自然数排列。这些均可通过傅里叶级数求出。,6.7.2 频谱分析仪的分类,频谱分析仪按其工作原理分为实时频谱分析仪和非实时频谱分析仪两大类。,实时频谱
13、分析仪能同时观测显示其规定频率范围内的所有频率分量，而且保持两个信号间的时间关系。 按工作原理又可分为多通道（信道）滤波式、时基压缩式、扫频超外差式、相关存储滤波式、快速傅里叶变换（FFT）式等。,1. FFT型实时频谱仪,存在频谱泄漏。,2. 扫频超外差式频谱仪 一个特定的窗口（中频窄带滤波器）,7.9.3 信号频谱测量,1. 调幅信号分析,(1) 扫频法,(2) 时域法,(3) FFT频域法,(4) 调幅（AM）信号测量方法的选择,2. 调频信号分析,调频信号的频谱是由无限边带组成的，然而在窄带调频情况下，只有两个主要的边带，它们的幅度相对于载波幅度为:,(1)扫频频域法 (2)贝塞尔(B
14、essel)零点法,(3)哈伯雷(Haberly)法寻找三个邻近边带，其幅度随距离载波越远而减小；频谱仪设置成对数方式，用电压单位；从离开载波算起确定N值；则,(4)斜率检波解调法 斜率检波解调法是将频谱仪设置在零扫宽的位置上(SPAN=0Hz)，利用中频滤波器的斜率来解调信号的。如果信号正好处于频谱仪中心频率处，即中频信号位于中频滤波器中心处，显示信号就变成一根直线，幅度上没有变化。如果调节频谱仪中心频率，使得信号位于中频滤波器的斜边上，任何频率变化就变为幅度变化，因此得到解调波形。这种方法对测量非正弦调制(如噪声、音频、数字调制)的峰值频偏是非常重要的。,(5)调频(FM)信号测量方法的选
15、择,3. 脉冲调制信号分析,(1)窄带测量：脉冲峰值功率,(2)宽带测量,4. 复合信号频谱分析,7.9.4 技术性能指标(1) 频率分辨率 表征频谱分析仪在频率响应中能分离出两个邻近频率输入信号的能力。(2) 显示平均噪声电平 在最小分辨率带宽和最小输入衰减的情况下，充分降低视频带宽以减小峰-峰值噪声波动之后，在频谱分析仪显示器上观察到的噪声电平。(3) 视频滤波器和视频平均 视频滤波器是在包络检波器之后，设计为一种截止频率可变的低通滤波器。视频平均是在多次扫描期间逐点进行的平均。,(4) 动态范围 输入动态范围：在给定精度范围内，输入端可测量的最大信号和最小信号的功率比(dBm)。 显示动
16、态范围：在显示器上能够同时观察到的最大信号和最小信号之间的差值。 测量动态范围：在给定不确定度的条件下，能够测量到的，同时存在于输入端的最大信号与最小信号功率之比(dBm)。(5) 检波器与检波方式 包络检波器、准峰值检波器。 负峰值方式、正峰值方式、取样方式、标准检波方式。,(6) 噪声边带 表示频谱分析仪本振短期的不稳定性。(7) 假响应 出现在频谱仪显示器上不希望的信号。(8) 剩余响应：没有输入时，显示的离散响应。(9) 多重响应：单一频率在显示器上引起不止一个响应。(10) 交调失真 非线性特性器件的两个或多个频谱分量相互作用形成的无用频率分量。(11) 增益压缩(12) 冲击带宽(13) 预选器,7.9.5 操作使用要点1. 选型依据2. 使用要点(1)电源要求(2)静电防护(3)对输入信号的要求(4)更换电池(5)地址设置(6)其他说明,
