电子测量与仪器—频域测量

第8章频域测量第8章频域测量•8.1线性系统幅频特性的测量–8.1.1静态频率特性测量——点频法–8.1.2动态频率特性测量——扫频法–8.1.3扫频仪举例1——BT-3型频率特性测试仪•8.3频谱分析仪概述–8.3.1信号的时域和频域分析–8.3.2频谱仪的主要用途–8.3.3频谱仪的分类–8.3.4频谱仪的工作原理•8.4扫频式频谱分析仪–8.4.1工作原理–8.4.2实例1——BP-1型频谱仪–8.4.3实例2——AV4032系列频谱仪•8.6频谱仪的主要技术特性–8.6.1选择性–8.6.2灵敏度–8.6.3动态范围–8.6.4典型产品简介•8.7频谱仪的应用–8.7.1正弦信号的测量–8.7.2调幅信号的测量–8.7.3调频信号的测量–8.7.4脉冲调制信号的测量–8.7.5复合信号频谱的测量–8.7.6相位噪声的测量•本章小结•作业布置8.1线性系统幅频特性的测量频率特性的基本测量方法取决于加到被测系统的测试信号。正弦稳态下的系统函数或传输函数H(jω)反映该系统激励与响应的关系：式中，H(ω)也可写成H(f)，称为测量的幅频特性。Φ(ω)是相频特性。()()()()()jOiUjHjHeUj8.1.1静态频率特性测量——点频法点频法就是“逐点”测量幅频特性的方法，注意明确被测电路选用相应仪器。f0K(f)f特点：所测出的幅频特性是电路系统在稳态情况下的静态特性曲线。但操作繁琐费时，并且可能遗漏掉某些特性突变点。这种方法一般只用于实验室测试研究。如果能够在测试过程中，使信号源输出信号频率能自动地从低到高连续变化并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就可自动地描绘出幅频特性曲线。8.1.2动态频率特性测量——扫频法1.扫频法的工作原理扫频法可以实现频率特性的自动测绘，而且不会像点频法那样遗漏掉某些细节的问题。更值得注意的是，扫频法是在一定扫描速度下获得被测电路的动态频率特性，这比较符合被测电路的实际应用情况。扫频仪2.动态频率特性随着扫描速度的提高，频率特性将扫频方向偏移。图中Ⅰ为静态特性，Ⅱ、Ⅲ为依次提高扫速时的动态特性曲线。可以看出动态频率特性有以下特点：(1)顶部最大值下降；(2)特性曲线被展宽；(3)扫速愈高，偏移愈严重。图8.3动态特性曲线其原因是由于实际电路是由动态元件L、C等元件组成的(如调谐电路)，信号在其上建立或消失都需要一定的时间，扫频速度太快时，信号在其上来不及建立或消失，故谐振曲线出现滞后且展宽，出现了“失敏”或“钝化”现象。3、扫频信号源上述扫频法测量中，扫频信号的产生是关键。（1）扫频信号的产生方法主要是通过自动调谐方式改变振荡器的频率，使之连续地变化，实现扫频。1）磁调电感通过改变低频磁心的导磁系数改变振荡回路中高频线圈的电感量，从而实现振荡频率的改变。2）变容二极管电调扫频3）YIG电调扫频YIG是一种单晶铁氧体材料钇铁柘榴石的简称，具有铁磁谐振特性。4）合成扫频法同时具有扫频源和合成源特性的信号源被称为“合成扫频源”。合成扫频源通过软件使扫频源按照一定的频率间隔和停留时间，将输出频率依次锁定在一定范围内的一系列频率点上，达到扫频效果。（2）扫频信号的技术特性1）有效扫频宽度即扫频源输出的扫频线性和振幅平稳性均符合要求的最大频率覆盖范围，一般用相对值表示。21012()/2ffffff表示扫频起点f1与终点f2之间的频率范围。扫频输出的中心频率或平均频率。2）扫频线性表示扫频振荡器的压控振荡器的压控特性曲线的非线性（或线性）程度，可以用线性系数表征0max0min()()kk线性系数压控振荡VCO的最大控制灵敏度VCO的最小控制灵敏度3）振荡平稳性通常用扫频信号的寄生调幅表示。调幅系数为2121100%AAMAAA2，A1分别表示发生寄生调幅时的最大、最小幅度。8.1.3扫频仪举例1——BT-3型频率特性测试仪BT-3型扫频仪主要用来测试宽带放大器、雷达接收机的中频放大器、电视接收机的视频率特性及鉴频器特性，是一种较为典型的频率特性测试仪。1.BT-3扫频仪的主要技术性能：(1)中心频率：在1MHz～300MHz内可任意调节，分1MHz～75MHz、75MHz～150MHz、150MHz～300MHz三个波段；(2)扫频频偏：最大频偏±7.5MHz；(3)扫频信号输出：输出电压≥0.1V（有效值），输出阻抗75Ω；(4)寄生调幅系数：最大频偏时±7.5%；(5)调频非线系数：最大频偏时20%；(6)频标信号：1MHz、10MHz和外接频标三种。BT3C-A型频率特性测试仪扫频信号输出端检波探头2.中心频率和扫频范围本扫频仪工作时是以某中心频率为中心进行扫频的。中心频率是人工手调振荡回路中的可变电容C，例如图中调到100MHz。扫频是扫描电流IM作用于调制线圈LC使振荡频率在100MHz中心频率的基础上产生±7.5MHz的频偏，即扫频范围最大只有15MHz。3.频标产生的原理以1MHz频标为例进行说明。1MHz的晶振输出的正弦波加到谐波发生器，进行限幅、整形、微分，形成含有丰富谐波成分的尖脉冲，再与扫频信号混频而得到菱形频标。设在100MHz谐波处，与扫频信号混频。混频后的信号在零差点附近两频率之差迅速变小，经低通滤波器后高频成分被滤除，使零差点附近的信号幅度迅速衰减而形成菱形频标。4.扫描信号与回扫处理本仪器是采用在回扫期间令振荡停振的办法（原理框图中的“截止脉冲形成电路”即是加扫频振荡器的停振信号）8.3频谱分析仪概述8.3.1信号的时域与频域分析信号的时域和频域特性在数学上可表示为一对傅里叶变换关系：deFtftj)(21)(()()jtFftedt图8.25时域与频域观测之间的关系示波器和频谱仪是从不同角度观测同一个电信号，各有不同的特点。示波器从时域上容易区分电信号的相位关系，而频谱仪上则会明显看到由于非线性失真带来的新的频谱分量。可见，示波器和频谱仪有各自的特点，并起到互为补充的作用。图8.26不同相位合成的波形(a)(b)8.3.2频谱仪的主要用途频谱仪的主要应用于如下一些方面：1.正弦信号的频谱纯度2.调制信号的频谱3.非正弦波（如脉冲信号、音频、视频信号）的频谱4.通信系统的发射机质量5.激励源响应的测量6.放大器的性能测试7.噪声频谱的分析8.电磁干扰的测量8.3.3频谱仪的分类频谱仪从工作原理上可分为模拟式与数字式两大类。模拟式频谱仪是以模拟滤波器为基础的；数字式频谱仪是以数字滤波器或快速傅里叶变换为基础的。分类如下：模拟式实时----并行滤波法顺序滤波法非实时可调滤波法扫频外差法数字式数字滤波法快速傅里叶变换（FFT）计算法8.3.4频谱仪的工作原理1.模拟式频谱仪1）、并行滤波法滤波器的中心频率是固定的，并按分辨率的要求依次增大，在这些滤波器的输出端分别接有检波器和相应的检测指示仪器。优点：各频谱分量被实时地同时检出来；缺点：结构复杂、成本高。2）、顺序滤波法各路滤波后通过电子开关轮流公用检波、放大及显示器，但这样不能进行实时分析。3）、可调滤波法采用中心频率可调的滤波器，可以大大简化电路，然而可调滤波器的通带难以做得很窄，其可调范围也难以做得很宽，而且在调谐范围内难以保持恒定不变的滤波特性，因此只适用于窄带频谱分析。4）、扫频外差法将频谱逐个移进不变的滤波器中，图中窄带滤波器的中心频率是不变的，被测信号与扫频的本振混频，将被测信号各频谱分量逐个移进窄带滤波器中，然后与扫描锯齿波信号同步地加在示波管上显示出来。2.数字式频谱仪①数字滤波法：所谓数字滤波，其主要功能是对数字信号进行过滤处理。与模拟滤波器相比它具有滤波特性好、可靠性高、体积小、重量轻、便于大规模生产等优点。但是，目前数字系统速度还不够高，故在使用上还有局限性。图8.31数字滤波式频谱仪方案②快速傅里叶（FFT）分析法：是一种软件计算法。通常采用DSP（DigitalSignalProcessor）数字信号处理器来完成FFT的频谱分析功能。应当指出，通常应用的大多是外差式模拟频谱仪。较好的现代频谱仪则采用模拟与数字混合的方案。纯数字式FFT频谱仪目前主要用于低频段，但随着数字技术的进步，数字式频谱仪有着很好的发展前景。图8.32快速傅里叶变换式频谱仪方案8.4扫频式频谱分析仪8.4.1工作原理699tf0-Ff0700f0+F701f0F图8.33调幅波及其频谱图③②①混频器窄带滤波器检波器放大器对数扫频本振锯齿电压波①②③①②①②③①②③①②③±15HzfI=60KHz③频谱仪=超外差接收机+示波器工作原理外差式频谱仪的原理可以简述为：扫频的本振与信号混频后，使信号的各频谱分量依次地移入窄带滤波器，检波放大后与扫描时基线同步显示出来。其要点是移频滤波。8.4.2实例1—BP-1型频谱仪是国产的早期产品，性能指标不高，用它讲解原理比较简明易懂。变频器M0(+)2.3~5.3MHz100Hz～3MHz3MHz～6MHz3MHZ～30MHz被测信号100Hz～30MHz(设fs=10MHz1KHz标准调幅波)fs10MHz第一混频M1(–)第二混频M2(–)第三混频M3(–)窄带滤波器检波对数放大垂直偏转系统第一本振第二本振第三本振扫描发生器水平偏转系统3～6MHz5MHz700kHz60kHz60kHzWyABCD15MHz4.3MHz6,30,150Hz760±15kHzWx0.2~0.3S图8.35BP-1频谱仪原理框图K2K11122从图中可以看到以下特点：1.多级变频从框图可以看出频谱仪主要电路是一台超外差接收机。为了提高分辨频谱能力，则要提高接收机的选择性，而决定选择性的通频带：Qff（8.13）谐振回路的Q值提高较困难，故欲使f减小，主要措施是降低信号频率f，因此要通过多次变频将被测信号的频谱搬移到较低的中频上，这样窄带滤波器才容易实现。现以被测信号为10MHz的标准调幅波来说明其工作过程。第三本振是扫频的，它将三根谱线依次地移入窄带滤波器（即第三中频放大器），它的带宽有6、30、150Hz三档可选。2.多级放大在多级变频的同时，实际上信号也是经各级中频放大的，其主要目的是要提高频谱仪的灵敏度，以便能测量微弱信号的频谱。BP-1的灵敏度是：1mV～20mV。3.对数放大检波后的视频放大器通常串入对数放大器，其目的是防止被测信号较强时使放大器饱和，提高抗过载能力，使频谱仪输入信号具有较大的动态范围，可以同时显示大小信号的频谱。4.磁偏转光栅显示BP-1型频谱仪没有采用静电偏转式示波管，而是采用黑白电视机中的磁偏转光栅显示9寸显像管，以获得较大显示屏幕。8.4.3实例2—AV4032系列频谱仪是一台由微处理器控制的外差式频谱仪。从电路原理上讲它是一种采用了三次变频技术的超外差接收机，频率范围9kHz～26.5GHz，本振采用了跟踪锁频技术。下面对框图中几个主要电路进行说明。1.输入衰减器用于防止第一变频器过载，优化混频器电平以实现最大的测量动态范围。该衰减器的默认状态设置是10dB，用于改善频谱仪和被测源之间的匹配。2.低通滤波器---为抑制镜频干扰从图中可以看出，若在第一变频器前没有加入低通滤波器，高波段的信号中与低波段镜像对应的频谱分量，也能与第一本振混频进入第一中放，成为镜像干扰。3.预选器YTF（YIGtunedfilter钇铁柘榴石调谐滤波器）预选器的引入将极大地抑制镜像和多重响应，带外抑制可达到70dB～90dB。同时也可改善二次谐波失真和频率间隔较宽的三阶交调失真的动态范围。4.调谐方程和频率参数低波段：信号频率FRF=9kHz～2.95GHzF1LO+FRF=F1IF=3.9214GHzF1IF-F2IF=F2IF=321.4MHz高波段：信号频率FRF=2.7GHz～26.5GHzN×F1LO-FRF=F2IF=321.4MHz式中：N为谐波混频次数；F1LO为第一本振频率；F2LO为第二本振频率。第三中频：F3IF=21.4MHz该仪器具有自校准、自适应、自诊断、自动搜索、