电子测量技术-第六章-频域测量

电子测量原理第1页第6章频域测量6.1扫频仪6.2扫频仪工作原理6.3频标单元6.4Y通道单元6.5操作使用6.6测试实例6.7频谱分析仪工作原理电子测量原理第2页6.1扫频仪扫频仪，又称频率特性测试仪。可以用来测定调频放大器、宽频放大器、各种滤波器，以及其他有源或无源网络的频率特性。在示波管显示图形的水平方向为被测信号的频率，垂直方向为被测信号的幅度，其频率特性是连续变化的。扫频信号通过被测电子设备后，信号曲线将随被测网络的幅频特性而变化，因此进入宽带检波器的信号是调幅波。该调幅波的包络就是被测网络的幅频特性。电子测量原理第3页扫频信号发生器：是扫频仪的重要部件，实质是V/F转换器，将线性的锯齿波电压转换成频率，并将其作为被测网络的信号源。6.1.1常用术语（在以后用中说明）6.1.2扫频仪中的关键器件变容二极管：是扫频发生器中的关键器件。当二极管两端施加不同的反向电压时，PN结的电容将随之而，由此改变振荡频率，产生扫频信号。电子测量原理第4页jjQLCCvV10、1、PN结电容变容二极管变容特性Vm三点式振荡器LC调谐回路RumaxjCminjC0等效大njQnQBRjQjxCVVuCC)1()1(2、电调谐变容二极管归一化调制电压变容指数结电场反压越大PN结越宽电容越小其中，uR为外加的交变电压；CjQ为无交变信号时变容管的电容量。谐振频率为：电子测量原理第5页大大大大变容管实用的连接方式谐振频率f0近似与电容的平方根成反比，所以f0近似与反向电压uR成正比，从而得到线性扫频结果。谐振频率为：220)1()1(11)(ncnjQjxxLCLCx电子测量原理第6页频标单元6.2扫频仪工作原理6.2.1组成原理框图扫频仪主要由两部分组成：1、显示系统：由锯齿波发生器，X、Y轴放大器，示波管等组成（类似通用示波器)。2、扫频信号源：由扫频信号发生器（产生约200mV扫频信号），频标发生器（产生菱形的标志用于读取频率值）和衰减器（dB读数）等组成。电子测量原理第7页调制信号与扫描信号均用锯齿波电压，其正程产生扫频信号，逆程停止扫频，亮点回扫，如图a所示。图b实用正弦波做扫描电压时，其上升边产生扫频信号，下降边形成基线。扫频振荡器的频率根据被测网络的中心频率f0范围进行调解的，应使被测曲线的中心频率移至屏幕中央。3、频率特性的显示f0电子测量原理第8页图6.2.2扫频单元工作原理框图固定6.2.2单元电路1、扫频单元扫频部分相当于一个信号源，它的功能在于产生一个等幅的、波形失真小的、频率随时间线性变化的电压。扫频振荡频率为500800MHz，固定频率500MHz，混频输出0300MHz，最大频偏约150MHz。电子测量原理第9页2、固定振荡器固定beC3CVDC图6.2.3（b）等效电路三点式振荡条件：发射极具有两个同性电抗，基极和集电极具有两个异性电抗（简称射同它异）。)111(13cebeVDoscCCCCL振荡圆频率：振荡频率随变容二极管反向电压的大小而变。作用：产生扫频信号的中心频率，其频率约500MHz。电子测量原理第10页3、扫频振荡器固定图6.2.4（a）是利用结电容组成的电容三点式扫频振荡器。振荡频率受锯齿波电压的控制，可以产生f150MHz的频偏。作用：产生扫频信号，其频率范围为500800MHz。图6.2.4（a）的等效电路beCceCVDC锯齿波电压自动电平控制电路用于引入负反馈，实现自动增益调整，使扫频信号幅度稳定。锯齿波电压发生器保证在调节扫频宽度时不引起中心频率变化。这样屏幕上的曲线只有宽度变化而中心位置基本不变。电子测量原理第11页4、混频器和低通滤波器固定(LCR)大小将500MHz的固定频率和扫频(500800MHz)信号经过混频器、滤波器后取出它们的差频0300MHz作为扫频信号。图6.2.5（a）为二极管双平衡混频器。其二极管通断受固定频率控制。混频输出：tVRRiIsmDLIcos222式中RL为低通滤器的负载，RD为二极管导通电阻，I为两个频率之差。电子测量原理第12页(LCR)大小二极管双平衡混频器具有组合频率少、动态范围大、两个信号间的串扰小（隔离度可达-40dB）等优点。缺点是混频增益小于1，理论上的混频损耗为7dB，这可以通过后续的放大器进行补偿，达到符合要求的扫频信号输出。固定扫频信号的最大输出电压（衰减0dB）约为200mV。为了便于测量网络的增益，衰减器通常采用dB开关。电子测量原理第13页c6.3频标（频率标记）单元f010M镜像反射1、单一频标产生的原理扫频fs和固频fg经混频低通后取其差值。当fs中的fgh=fg时vo=0，当fgh渐近、渐远fg时vo有所下降（如图c）。c图信号经低通滤波和反相放大后产生接近菱形的频标。fghfsafgbdtVtvgsomo)cos()(ttVkVtvgsgmsmocoscos)(fs扫频信号固频信号混频器低通-放大fgvoov电子测量原理第14页2、多个频标产生的原理fgfs2fg3fg4fg10M20M30M40M1fg2fg3fg4fgtf4fg3fg2fg1fg扫频特性tv谐波特性1fg2fg3fgNfgvofsfgNfg扫频信号10M晶振谐波发生器混频器低通频标放大器Y轴（N=1、2、）10M频标输出电子测量原理第15页3、频标单元频标选择10分频器50M晶振谐波发生器谐波发生器混频器低通混频器低通扫频信号10M晶振谐波发生器混频器低通频标放大器Y轴f050镜像反射100150200250300MHz当选择50MHz频标时，全屏显示的频标图形：当选择10/1MHz频标时，全屏显示的频标图形：f0镜像反射102030MHz电子测量原理第16页6.4Y通道单元扫频仪是示波器功能的扩展，所以扫频仪的X、Y通道与通用示波器相似。其Y轴特殊部分表现为：1、有较高的输入阻抗：Y轴输入来自阻抗大于200K峰值检波器探头。2、有较好的频率特性：扫频发生器输出的扫频信号在0300MHz范围内其伏频特性应该平坦。v(dB)f(MHz)00dB3dB300扫频信号被测网络检波前置放大Y偏转板末级放大频标发生器衰减器dB读数电子测量原理第17页4、有低噪声Y轴放大器：Y轴输入的信号可能较低，所以Y轴放大器应该是低噪声的，否则放大器的噪声会使扫描线变粗，影响读数精度。另外，因为X轴扫描电路和显示部分与示波器一样，所以该部分从略。3、有较小的漂移：特别是电压漂移、温度漂移一定要小，否则影响扫频仪的稳定性能。扫频信号被测网络检波前置放大Y偏转板末级放大频标发生器衰减器电子测量原理第18页6.5操作使用1、操作面板BT—3G频率特性测试仪亮度Y位移Y增益2、悬钮的名称与作用电子测量原理第19页3、使用方法“输出衰减”（1）定标：扫频仪的“Y输入”和“扫频输出”短路；“输出衰减”为0dB；调“Y增益”使横线高度为5格(100%)。ftfVfV①①①检波探头示波管扫频发生器Y轴主放大器0dB1dB2dB3dB4dB10dB20dB30dB“扫频输出”“Y输入”110100X轴主放大器“Y衰减”频标发生器①电子测量原理第20页②②（2）插入调谐放大器。ftfVfV①①①检波探头示波管扫频发生器Y轴主放大器0dB1dB2dB3dB4dB10dB20dB30dB“扫频输出”“Y输入”110100X轴主放大器“Y衰减”频标发生器①“输出衰减”①②设放大10dB调谐放大器电子测量原理第21页③③（4）调“中心频率”可使特性曲线水平移动，“扫频宽度”可改变曲线宽度，将特性曲线移至屏幕中央。ftfVfV①①①调谐放大器②②②③设放大10dB检波探头示波管扫频发生器Y轴主放大器0dB1dB2dB3dB4dB10dB20dB30dB“扫频输出”“Y输入”110100X轴主放大器“Y衰减”频标发生器“输出衰减”（3）调节“输出衰减”量使曲线高度为定标时的格数(5格100%)，则“输出衰减”的变化量为放大器的增益。电子测量原理第22页4、扫频仪的应用增益的测量带宽的测量电子测量原理第23页6.6测试实例1、单调谐回路的扫频测量（1）电路（2）步骤+12VL1C4C5C3LRCCTR1R2REC2C1OUTIN⑥调节“输出衰减”量使曲线高度为定标的5格，则衰减器的变化量为放大器的增益。①定标：扫频仪的“Y输入”和“扫频输出”短路；“输出衰减”为0dB；调“Y增益”使横线高度为5格(100%)②R取10K③RE取500④入出扫频仪⑤⑦调“中心频率”（有水平移动作用）和“扫频宽度”使1大格为1M。以便读取频率参数。（徐州隆宇公司提供）电子测量原理第24页（3）数据1）画出频率特性曲线和频标，表注参数2）记录：增益K=46dB中心频率fo=11.6MHz50%带宽W50=1.0MHz101511.6M50%0100%电子测量原理第25页2、双调谐回路的扫频测量（1）测试电路+12VL3CC7CT2L1C3CT1R1R2R3C2C1OUTINVC6C4C5L2入出扫频仪②①③C=3P（2）测试步骤在定标完成的基础上按①、②、③步骤测量工作。电子测量原理第26页50%0.50.670%10.510.3510.71011fc（3）记录频率特性数据70%带宽W70=MHz50%带宽W50=MHz中心频率fo=MHz画出当C=3P时的频率特性记录：增益K=dB左峰频率f=MHz/%右峰频率f=MHz/%凹处频率f=MHz/%10598854410.3510.710.50.60.510.59.710.850%1.25C接9PK=44dBfc=10.2MK=44dBC接3Pfc=10.5M10fc在幅频特性中作一垂线使两边的面积目测相等，该垂线对应的频率为中心频率f0。电子测量原理第27页3、相位鉴频器的扫频测量被测电路（图6.6.5）可以参考《高频电路》，其鉴频特性如图6.6.6所示。4、用扫频仪测量振荡频率（不准确，不建议采用）5、用扫频仪测量无源高通滤波器（图6.6.7、6.6.8）6、主要技术指标（1）扫频范围：1300MHz；（2）扫频宽度：100MHz；（3）扫频输出电压：0.5V（3.33mW）；（4）扫频输出阻抗：75；（5）扫频输出衰减：0~70dB（1dB步进）；（6）频标：50MHz、10/1MHz、外接；（7）垂直灵敏度：20mV/div。电子测量原理第28页6.7频谱分析仪工作原理fu图6.7.1周期信号频谱fo2fo3foNfo6.7.1时域和频域的关系按信号在时域上变化的特点可分为周期信号与非周期信号；任何周期性信号都可以用付里叶级数展开为频域上的离散频谱。tu3fo2fofof图6.7.2时域与频域的三维关系图从时域看从频域看以锯齿波为例：电子测量原理第29页K2(t)tT02T0T0/2-T1T11)5cos513cos31(cos4)(002ttttKfufo3fo5fo双开关K2(t)的波形、频谱和展开式。表6.7.1为常见信号的波形和频谱。频谱分析的意义之一：发现干扰，进而消除干扰。若用频谱仪发现K2(t)频谱中混有不相关的干扰信号fr，则可由相应的滤波器滤除干扰信号。fufo3fo5fofrfufr滤波器特性电子测量原理第30页6.7.2频谱分析仪（频谱仪）的分类按分析处理方法分类：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模拟/数字混合式频谱仪；按基本工作原理分类：扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪；按处理的实时性分类：实时频谱仪、非实时频谱仪；按输入通道数目分类：单通道频谱仪、多通道频谱仪；按工作频带分类：高频、射频、低频等频谱仪。重点讨论模拟式频谱仪，简介数字式频谱仪。电子测量原理第31页模拟式频谱仪（先讲）与数字式频谱仪（后讲）2、模拟式频谱仪模拟式基本形式：模拟式频谱仪以扫描式为基础构成，采用滤波器和混频器将被分析信号中各频率分量逐一分离。所有早期的频谱仪几乎都属于模拟滤波式或超