项目12频谱分析仪和扫频仪的使用

项目12频谱分析仪和扫频仪的使用设计制造工程师，还是一个电子器件或系统的现场维护修理人员，都需要一台能观察并帮助你分析设备或系统产生电信号的仪器，以及能反应电信号通过你的器件或系统后质量发生变化的仪表，比如：信号的功率和幅度、调制或边带等，通过分析来验证你的设计，确定器件或系统的性能，判别故障点，找出问题的所在，这就是信号特性分析。扫频仪和频谱分析仪就是做信号特性分析的仪器，利用它我们可以了解电视机、手机等设备中电信号的幅频特性和相频特性。技能知识一、认识AT5010B前面板二、频谱仪的用途任务一频谱分析仪的认识一、认识AT5010B前面板AT5010B前面板的示意图，如图12-2所示。一、认识AT5010B前面板A聚焦：调节光点锐度。B亮度：调节光点亮暗。C电源：待电源打到通处，约10s后有光束出现。D轨迹旋转：即使有磁性（铍镆合金）屏蔽，地球磁场对水平扫描线的影响也不可能避免，可以通过一个内装的电位器调整水平扫描线与水平刻度线基本对齐。E中心频率/标记（CF/MK）（仅对AT5010/11）：当数字显示读取中心频率数据时，（ON）,标记指示器亮。此时显示器读出标记处的频率。F数字显示器：中心频率标记频率之一。G校准失效：LED闪亮时，表示幅度值不正确。H中心频率粗/细调：两个旋钮都用于调节中心频率。一、认识AT5010B前面板I视频滤波器：视频滤波器可用来降低屏幕上的噪声。正常情况下，在平均噪声电平上或刚好高出它的信号（小信号）的频谱可以观察。该滤波器带宽是4kHz。JY位移：调节射速垂直方向移动。K输入频谱仪的BNC50Ω输入：不输入衰减时，不允许超出的最大允许输入电压为±25VDC和+10dBmAC。加上40dB最大输入衰减时，最大输入电压为+20dBm。L衰减器：输入衰减器包含有4个10dB衰减器，在进入第1混频器之前降低信号幅度，按键压下时每个衰减器接入。M扫频宽度“＜”“＞”按键：调节水平轴的每格扫频宽度。“＞”按键增加每格频宽，“＜”按键减少每格频宽。NＸ（频率）：位置校零。O耳机（3.5mm耳机插孔）：阻抗大于16Ω的耳机或扬声器可以连到这个输出插座。P音量：调节耳机输出的音量。Q探头供电：输出＋6ＶDC电压，使得AZ530近场嗅觉探头工作，其专用线随AZ530提供。二、频谱仪的用途频谱仪主要可以做如下测试：相位噪声、脉冲信号、信道和邻道功率、正弦信号的绝对幅值和相对幅值、脉冲噪声、噪声和频率稳定度等参数的测试；调幅、调频、脉冲调幅等调制信号的特性、电磁兼容性（EMC）的测试等。理论知识一、频谱分析仪的概述二、频谱分析仪的组成和原理三、频谱分析仪的主要性能指标四、频谱分析仪的发展现状与发展趋势任务一频谱分析仪的认识一、频谱分析仪的概述一般地，频谱分析仪有如下三种定义：定义1：以频率的函数形式给出信号的振幅或功率分布的仪器。定义2：能以模拟或数字方式显示信号频谱的仪器。定义3：以模拟或数字方式显示信号频谱的仪器，它能够从频域来观察电信号的特性，分析的频率范围最低可到1Hz以下，最高可达30~300GHz。1.频谱分析的基本概念按照信号随时间变化的特点可将信号分为：•确定信号与随机信号。•连续时间信号与离散时间信号。•周期信号与非周期信号。2.信号的分析利用示波器观察某种信号的幅度随时间而变化的关系称为时域测量；研究信号的瞬时值（幅度Um）与时间（t）之间的关系称为时域分析，使用的仪器为示波器。信号的时域分析通常用示波器来显示信号波形，以时间t作为水平轴，在时间域内观察信号，如图12-3（a）所示为周期信号的时域分析。利用频谱分析仪研究某一个复杂信号中各个信号成分与频率变化的关系称为频谱测量；研究信号中各频率分量的幅度Um与频率f之间的关系称为频域分析，如图12-3（b）、12-3（c）所示。信号的分析可以分为时域分析和频域分析，如图12-4所示给出了时域分析和频域分析的关系。图12-3信号的时域分析与频域分析3.信号频谱分析的内容信号的频谱分析包括对信号本身频率特性的分析，如对幅度谱、相位谱、能量谱、功率谱等进行测量，从而获得信号在不同频率上的幅度、相位、功率等信息；还包括对线性系统非线性失真的测量，如噪声、失真度、调制度等测量。4.频谱分析仪的分类按照分析处理方法的不同，频谱分析仪可分为模拟式频谱仪、数字式频谱仪和模拟/数字混合式频谱仪。按照基本工作原理的不同，可分为扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪。按照处理的实时性，可分为实时频谱仪、非实时频谱仪。按照频率轴刻度的不同，可分为恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪。按照输入通道的数目，可分为单通道频谱仪、多通道频谱仪。按照工作频带的高低，可分为高频、射频、低频等频谱仪等。二、频谱分析仪的组成和原理超外差频谱分析仪内部结构如图12-5所示。二、频谱分析仪的组成和原理其信号分析过程为：被测信号经过滤波衰减后，与本振信号进入混频器混频转换成中频信号，因为本振信号频率可变，所以都可以被转换成固定中频，经放大后进入中频滤波器（中心频率固定），最后进入一个对数放大器，对中频信号进行压缩，然后进行包络检波，所得信号即视频信号。为了能平滑显示，中频信号在包络检波之前通过可调低通滤波器（即视频滤波器）；视频信号在阴极射线管内垂直偏转，即显示出该信号的幅度。二、频谱分析仪的组成和原理1.衰减器衰减器主要有三个作用：1保护频谱仪不受损坏：测量高电平信号时，为了避免烧坏频谱分析仪，必须对信号进行衰减。2提高测试的准确性：混频器是非线性器件，当混频器输入的信号电平较高时，输出会产生许多杂波，而且电平太高会干扰测试结果。3提高频谱仪动态范围：通过设置步进衰减器调节进入混频器的电平，可以得到较大的动态范围。二、频谱分析仪的组成和原理2.混频器混频器的作用就是将输入的高频信号转换成中频信号，由于混频器是非线性器件，输出会含有很多频率成分：mfRF±nfLO。但我们需要的是fLO-fRF。3.中频放大器输入信号经过前置衰减器，电平已经降低，为了恢复信号幅值，补偿输入衰减器的变化，在混频后需要对中频信号进行放大，不过在放大有用信号的同时，噪声和干扰信号也会被同时放大。4.中频滤波器中频信号经放大后，会经过中频滤波器。中频滤波器是一个带通滤波器，它选出需要的混频分量，抑制掉其他不需要的信号。中频滤波器的带宽决定了频谱分析仪的RBW范围。二、频谱分析仪的组成和原理5.模拟滤波器模拟滤波器用来实现大的分辨率带宽。一般频谱仪为4级滤波电路，也有5级滤波电路产品，这样可分别得到14和10的波形因子，然而理想的高斯滤波器的波形因子为4.6。选择性=BW3dB/BW60dB很多公司的产品提供了滤波器3B带宽，表示等幅正弦信号频率相差多少时仍能将它们区分开，这样的合成响应曲线仍有两个峰值，中间下沉大约3B，如图12-6所示。二、频谱分析仪的组成和原理6.数字中频滤波器信号通过数字滤波器可以获得很窄的带宽。和模拟滤波器相比，理想的高斯滤波器可以实现。数字滤波器在可接受的价格内有更好的选择性。如5级电路模拟滤波器的波形因子为10，高斯滤波器为4.6。7.FFT滤波器（傅里叶滤波器）如果单纯加为了测试精度而设置非常窄的分辨率带宽，会造成长时间的扫描，因此在非常高的分辨率的情况下，建议采用FFT滤波器，从时域特性计算频谱，如图12-7所示。采用FFT滤波器时，过高的频率信号不能通过A/D直接采样，需经过与本振混频变为中频，并在时域对带通信号取样。8.对数放大器与检波器频谱分析仪一般都是用包络信号将IF信号转换成视频。检波器之前有一个对数放大器，对数放大器按照对数函数来压缩信号电平（对于输入电压幅度v，输出电压幅度为本振gv），这大大减小了由检波器所检测的信号电平的变化，而同时向用户提供校准成用分贝读数的对数垂直刻度，在频谱分析仪中，由于信号电平大幅度变化，故需要采用对数刻度。9.视频滤波器视频滤波器在包络检波器之后，决定视频带宽，视频滤波器是第一级低通设置，用于从视频信号中滤除噪声、平滑轨迹，从而使显示结果趋于稳定，如图12-8、12-9所示。10.锯齿波发生器、本振和显示锯齿波发生器既控制显示器上曲线的位置，又控制输入信号的频率，所以可以通过校准，用显示器的水平轴来表示输入信号频率。三、频谱分析仪的主要性能指标1.分辨率带宽分辨率带宽指分辨频谱中两个相邻分量之间的最小谱线间隔，单位是赫兹（Hz）它表示频谱仪将两个彼此靠得很近的等幅信号在规定低点处分辨开来的能力。2.输入频率范围输入频率范围指频谱仪能够正常工作的最大频率区域，以赫兹表示该范围的上限和下限，由扫描本振的频率范围决定。3.灵敏度灵敏度指在给定分辨率带宽、显示方式和其他影响因素下，频谱仪显示最小信号电平的能力，一般以dBm、dBu、dBv、V等为单位。4.动态范围能以规定的准确度测量同时出现在输入端的两个信号之间的最大差值称为动态范围，动态范围的上限受到非线性失真的制约。而频谱仪的动态范围一般在60dB以上，有时甚至达到100dB以上。5.频率扫描宽度（Span）频率扫描宽度是指频谱仪显示屏幕最左和最右垂直刻度线内所能显示的响应信号的频率范围（频谱宽度）。根据测量的需要自动调节，一般有分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等不同的叫法，可以或人为设置。6.扫描时间（SweepTime，简作ST）进行一次全频率范围的扫描，并完成测量所需的时间称为扫描时间，也称为分析时间。通常扫描时间越短越好，但为保证测量精度，扫描时间也必须适当。7.幅度测量精度幅度测量精度有绝对幅度精度和相对幅度精度两种。绝对幅度精度是针对满刻度信号的指标，受输入衰减、中频增益、分辨率带宽、刻度逼真度、频响及校准信号本身精度等的综合影响；相对幅度精度与测量方式有关，在理想情况下仅有频响和校准信号精度两项误差来源，测量精度可以非常高。8.1dB压缩点和最大输入电平在动态范围内，因输入电平过高而引起的信号增益下降1dB时的点称为1dB压缩点。1dB压缩点表明了频谱仪过载能力。通常出现在输入衰减0dB的情况下，由第一混频决定。输入衰减增大，1dB压缩点的位置将同步增高。为避免非线性失真，所显示的最大输入电平（参考电平）必须位于1dB压缩点之下。最大输入电平，反映了频谱仪可正常工作的最大限度，它的值一般由通道中第一个关键器件决定。四、频谱分析仪的发展现状与发展趋势1.传统频谱分析仪传统频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经变频器变频后由低通滤波器输出，滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，即输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率（30Hz～30GHz），与外部混频器配合，可扩展到100GHz以上，频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一。2.现代频谱分析仪基于快速傅里叶变换（FFT）的现代频谱分析仪是通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的结果。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器（ADC）对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱分布图。现代扫频式频谱仪基本工作原理与古老的频谱仪工作原理相比，最显著的变化是：在中频滤波器之后进行了A/D采样，分辨率带宽滤波、检波、视频滤波均采用数字信号处理的方式实现。扫频式频谱仪仍是目前频谱仪的主流，根据其应用领域的不同，可进一步分为台式频谱仪、手持式频谱仪、VXI总线频谱仪、PXI总线频谱仪、LXI总线频谱仪等。任务二频谱分析仪的使用技能知识一、频谱分析仪的使用二、使用测试实例任务二频谱分析仪的使用一、频谱分析仪的使用•扫频宽度的选择：需要根据被观测的信号的频谱宽度进行选择。•带宽的选择：应与扫频宽度相当。•扫频速度的选择：以获得较高的动态分辨力为准则；同时，应合理处理与分析时间的矛盾。•频谱仪和被测仪器都必须可靠接地，操作员需要带