电子测量技术教案《6》

11111目录退出下一页上一页最后一页16.1扫描仪简介章节目录6.2扫描仪的应用6.3实训22222目录退出下一页上一页最后一页2第6章扫频仪本章要点扫频测量法扫频仪的组成基本原理框图扫频仪的使用技能33333目录退出下一页上一页最后一页36.1扫频仪简介扫频仪又称为频率特性测试仪。它能够直接显示被测电路的频率—幅度特性。一般示波器只能显示幅度与时间的关系的曲线。扫频仪把调频和扫频技术相结合（调频信号称为扫频信号），故能显示频率与幅度关系的曲线。所以称之为扫频仪。扫频仪可以用来测定调谐放大器、宽带放大器、各种滤波器、鉴频器、以及其它有源或无源网络的频率幅频特性。对于通信、广播电视、雷达导航、卫星地面站等设备的调试、及有关电路的分析和研究起着重要的作用。44444目录退出下一页上一页最后一页46.1.1扫频测量法1．点频测量法点频测量法是对被测设备电路的频率幅度特性测试最早的方法，按图6-1连接。信号发生器应能满足被测电路频率范围的要求及输出一定幅度的正弦信号。正弦信号用电缆送至被测电路的输入端，在被测电路的输出端连接一个高频电压表。机器间连接应该注意阻抗的匹配。可用通用二踪示波器分别监视输入和输出的信号波形和幅度的变化情况。55555目录退出下一页上一页最后一页5图6-1点频测量法的原理图66666目录退出下一页上一页最后一页6测试时，信号发生器送出的信号幅度始终保持不变，从频率低端按一定的频率间隔输出信号，信号通过被测电路后，在电压表或示波器上可以逐一得到一个一个的数值，把这些数值记下来，一直到达所需测试的频率高端为止。最后把这些数值用坐标纸画出来，坐标横轴表示频率；纵轴表示幅度。坐标上一个点，代表这点频率的信号经过被测电路幅度的变化值，用平滑的曲线连接各点，如图6-2所示，这就是被测电路的频率特性曲线。用点频测量法绘制成的曲线，叫静态频率特性曲线。77777目录退出下一页上一页最后一页7图6-2幅频特性曲线88888目录退出下一页上一页最后一页8用点频测量法测试，频率是不连续的，如果在某相邻两点之间频率特性有突变的情况，那么在频率特性曲线上反映不出来。所以它存在以下缺点：（1）测量次数多，测试时间长。（2）单点测试比不上扫频测试精确，对具有高品质因素的LC谐振回路的频率特性，测量结果会有一定差别的，如图6-3。由于LC电路存在着惰性，所以测试结果就不同，扫频信号是连续变化的，扫频测量法测得的叫动态频率特性，所得结果和电路正常工作状态相近似。99999目录退出下一页上一页最后一页9图6-3LC谐振回路的频率特性1010101010目录退出下一页上一页最后一页10图6-4扫频测量法的简要框图2.扫频测量法扫频测量法的测试简要方框图如图6-4所示。扫频信号发生器送出扫频信号至被测电路后，在显示器上可以观察到被测电路的频率特性曲线。1111111111目录退出下一页上一页最后一页11图6-5表示调幅信号的调制过程的波形图。图6-5调幅信号1212121212目录退出下一页上一页最后一页12图6-6调频信号图6-6表示调频信号的调制过程的波形图。1313131313目录退出下一页上一页最后一页13在调频时，频率由低端到高端周期性地连续变化（在扫频仪中叫扫频)，其频率变化的范围称频率偏移，简称频偏。在扫频仪中，希望有较大的频偏，并可以连续调节其变化范围。在频偏的中心位置的频率，称为中心频率。扫频测量原理的简单方框参见图6-7(a)，图(b)为波形的变化过程。扫频振荡器的频率f，随时间t线性地连续变化,而它的幅度保持不变。扫频信号通过被测电路时，信号的幅度将按被测电路的幅度频率特性而改变，到检波器输入端的信号不再是等幅波，经检波后的信号，再经垂直放大器加于示波管上，显示出被测电路的频率特性曲线。1414141414目录退出下一页上一页最后一页14图6-7扫频仪的原理框图及工作波形扫描仪框图测试波形图1515151515目录退出下一页上一页最后一页15扫频测量法具有下述优点：（1）它优于点频测量，扫频测量是一种半自动测试方法。（2）在测试中,可以迅速判断被测电路中的某一元器件对频率特性的影响，以便对电路进行改善。（3）可以观察各种冲激影响，如脉冲干扰，机械冲击等对被测电路的影响。以便对电路采取必要的措施。（4）和其他设备相配合，可以对生产过程或产品质量进行自动控制和监测。（5）可以测试电路的动态频率特性，没有点频测量的间隙，反映较全面。1616161616目录退出下一页上一页最后一页166.1.2扫频仪的组成及框图原理1．扫频仪的组成扫频仪是根据扫频测量法的原理设计而成的。扫频仪是由扫频信号发生器和示波器组合而成的。扫频信号发生器产生按一定规律变化的调频等幅波信号。扫频仪的主要组成包括扫描电压发生器、X轴放大器、扫频信号发生器、检波探头、Y轴放大器、频标电路示波管及电源电路。1717171717目录退出下一页上一页最后一页172．扫频仪的框图原理下面分析扫频仪的工作原理（如图6-7）（1）扫描电压发生器X轴扫描电压发生器的任务是产生锯齿波电压。锯齿波信号一般由50Hz市电经降压、限幅、整形之后获得。扫描电压发生器的作用是使扫描的图形在X方向展开。（2）X轴放大器为了得到足够的扫描电压的幅度，使荧光屏上的水平扫描有足够的宽度。1818181818目录退出下一页上一页最后一页18(a)扫描仪框图（3）扫频信号发生器扫描信号是在扫描电压的控制下产生的。扫频信号发生器在扫描正程电压的作用下，产生随着扫描信号幅度变化频率而发生变化的等幅波调频信号。在扫描电压的逆程，电路采取措施使扫描电压发生器向扫频信号发生器输出负脉冲，使扫频信号发生器无输出信号。逆程期屏幕上显示的是零基线。（4）扫频信号的产生一般有磁调制扫频和变容二极管扫频两种。1919191919目录退出下一页上一页最后一页19图6-8磁调制扫频2020202020目录退出下一页上一页最后一页20磁调制扫频磁调制扫频法的原理图如图6-8所示，图（6-8a）中L2、C调谐回路的谐振频率f0为(6-1)式（6-1）中L2为绕在高频磁芯MH上线圈的电感量，若能用时基系统产生的扫描信号改变L2，也就改变了谐振频率。由电磁学理论可知，带磁芯线圈的电感量与磁芯的导磁系数μ0。成正比：L2=µ0L(6-2)式（6-2）中L为空芯线圈的电感量。由于高频磁芯MH接在低频磁芯ML的磁路中，而绕在ML上的线圈中的电流是交流和直流两部分的扫描电流，如图(6-8b)所示。当扫描电流随时间变化时，使得磁芯的有效导磁系数也随着改变，再由式(6-1)、(6-2)可知，扫描电流的变化就导致了L2及谐振频率f0的变化，实现了“扫频”。CLf20π212121212121目录退出下一页上一页最后一页21变容二极管法变容二极管法的基本思想是用变容二极管充当振荡回路中的电容，用扫描锯齿波电压去控制变容二极管两端的电压，使其容量随之发生变化，从而使振荡频率随扫描锯齿波的电压变化而变化，而实现调频。图6-9扫频法的原理图2222222222目录退出下一页上一页最后一页22图6-9(a)为BT—3C频率特性测试仪的扫频振荡器电路。图6-9(b)是等效电路。振荡电路是一个改进型的电容三点式振荡电路。由于电感L固定，其振荡频率主要由变容二极管的结电容决定。变容二极管的结电容可表示为式（6-3）njjjUuCC)1(0式（6-3）中，Uj为二极管PN结接触电位差，对于硅材料，Uj=(0.6～0.7)V；n为电容指数。在扫频仪中的变容二极管一般采用超突变结，超突变结，n＝l～5。式（6-3）中，Uj为二极管PN结接触电位差，对于硅材料，Uj=(0.6～0.7)V；n为电容指数。在扫频仪中的变容二极管一般采用超突变结，超突变结，n＝l～5。2323232323目录退出下一页上一页最后一页23扫描锯齿波电压加至两变容管V1与V2的中点，控制结电容的变化，使扫频振荡器的频率随锯齿波电压的变化而变化。锯齿波电压的幅度的大小可以改变扫频宽度，即改变扫频振荡器的频偏。改变锯齿波的变化速率可改变扫频速度。2424242424目录退出下一页上一页最后一页24扫频仪获得宽频率覆盖的方法扫频仪的工作频率范围很宽，波段覆盖系数很大，同时要求在频段内的高、低端频率点都能产生相同的频偏。这是一般波段式高频信号发生器所难以达到的。通常需采用外差式电路来实现。扫频仪的扫频信号产生电路的方框图如图6-10所示。图中f1可在波段内工作，f2为固定频率振荡器的频率。为了获得所需的频偏，通常在较高的频率f1上进行调频，然后使该调频信号与f2差频，以产生所需的扫频信号。从上面的分析可知，光点的水平位移位置与X轴上所加电压有确定的对应关系，而扫频信号的瞬时频率与扫描电压又有一一对应关系，故X轴相应地成为频率坐标轴。2525252525目录退出下一页上一页最后一页25图6-10扫频仪的扫频信号产生电路2626262626目录退出下一页上一页最后一页26扫频信号的主要工作特性有效扫频宽度所谓有效扫频宽度，就是指在扫频线和振幅平稳性能符合要求的前提下，一次扫频能达到的最大频率的覆盖范围。一次扫频时能获得的最高fmax和最低fmin的瞬时频率之差就是有效扫频宽度，用表示。中心频率中心频率是指在线性扫频时，频率变化是均匀的，称为频偏。中心频率为：式（6-4）中心频率范围指f0的变化范围，也就是扫频仪的工作频率范围。即称为相对扫频宽度。2minmax0ffff0ffminmaxminmax02ffffff2727272727目录退出下一页上一页最后一页27扫频线性所谓扫描线性，就是指扫频信号瞬时频率的变化和调制电压瞬时值的变化之间的吻合程度，吻合程度越高，扫频线性越好。检查扫频线性好坏通常将频偏（频率范围）调到最大（15MHz），测出最低、最高频率与中心频率f0的A、B距离，如图6-11所示，那么扫频线性误差r为：式（6-5）%r100BABA我们把远小于信号瞬时值的扫频信号叫做窄带扫频，和瞬时频率相比拟的叫做宽带扫频。2828282828目录退出下一页上一页最后一页28一般要求r不大于10%。图6-11调频非线性系数的检查2929292929目录退出下一页上一页最后一页29振幅稳定性所谓振幅稳定性，就是指在幅频特性测试中，扫频仪输出的扫频信号的幅度的变化情况。理想情况下，扫频仪输出的扫频信号的幅度恒定不变。通常用寄生调幅系数M来表示扫频信号幅度的平稳性，寄生调幅系数越小，表示振幅平稳性越高。寄生调幅系数的检查，调节扫频宽度，在有效面积内，使扫频宽度为15MHz，旋转中心频率旋钮找一扫频线落差最大的地方，把最高点和最低点的高度分别记A、B，如图6-12所示。3030303030目录退出下一页上一页最后一页30图6-12寄生调幅系数的检查3131313131目录退出下一页上一页最后一页31那么M为：M=频标所谓频标是出现在幅频特性曲线上的频率标记。应有几种频率标记，必要时可外接频标。后面要介绍频标的产生。%100BABA3232323232目录退出下一页上一页最后一页32（4）被测电路被测电路是扫频仪所要测试的对象，不属于扫频仪的组成部分。把它画在图中是为了分析方便。扫频信号加至被测电路，检波探头（如果被测电路具备检波功能的，用非检波探头，幅频特性响应的信号直接送Y轴电路。）对被测电路的输出信号进行峰值检波，并将检波所得信号送往示波器Y轴电路，该信号的幅度变化正好反映了被测电路的幅频特性，因而在屏幕上能直接观察到被测电路的幅频特性曲线。3333333333目录退出下一页上一页最后一页33（5）探头扫频仪随机带有两条输出电缆（即两个输出探头）和两条输入电缆（即两个输入探头），输出探头有开路探头和匹配探头，输入探头有检波探头和非检波探头。要根据被测电路的输入阻抗和电路的功能选择探头。被测电路的输入阻抗为75Ω时，用开路探