頻域測量ok課件

第6章頻域測量掃頻儀，又稱頻率特性測試儀，用來測定各種有源、無源二端口和四端口網(wǎng)絡(luò)（如調(diào)頻放大器、寬頻放大器、各種濾波器、鑒頻器、雷達(dá)等）的傳輸特性、阻抗特性和反射特性等。6.1.1常用術(shù)語1.掃頻信號發(fā)生器2.掃頻儀3.有效頻率范圍4.掃頻寬度5.掃頻中心頻率6.掃頻方式7.自動(dòng)掃頻8.手動(dòng)掃頻9.觸發(fā)掃頻10.單次觸發(fā)掃頻11.對數(shù)掃頻12.起止掃頻13.標(biāo)志掃頻14.窄帶掃頻外掃頻15.頻率標(biāo)志16.分辨率17.掃頻線性誤差18.掃頻時(shí)間

1、線性電路幅頻特性的測量

在測量技術(shù)分類中，頻域測量占有重要地位，其中主要原因是線性電路對正弦激勵(lì)的響應(yīng)仍是正弦信號，只是與輸入相比，其振幅和相位發(fā)生了變化，一般情況下都是頻率的函數(shù)。我們已經(jīng)知道，正弦穩(wěn)態(tài)下的系統(tǒng)函數(shù)或傳輸函數(shù)N()就反映了該系統(tǒng)激勵(lì)與響應(yīng)間的關(guān)系式中(或?qū)懗?與(或?qū)懗?分別稱為電路(系統(tǒng))的幅頻特性和相頻特性.圖6.1—1點(diǎn)頻法測量系統(tǒng)的幅頻特性圖6.1—1點(diǎn)頻法測量系統(tǒng)的幅頻特性

點(diǎn)頻法原理簡單，需要的設(shè)備也不復(fù)雜。但由于要逐點(diǎn)測量，操作繁瑣費(fèi)時(shí)，并且由于頻率離散而不連續(xù)，非常容易遺漏掉某些特性突變點(diǎn)，而這常常是我們在測試和分析電路性能時(shí)非常關(guān)注的問題。另外當(dāng)我們試圖改變電路的結(jié)構(gòu)或元件參數(shù)時(shí)，任何改變都必然導(dǎo)致重新逐點(diǎn)測量。如果能夠在測試過程中，使信號源輸出信號的頻率按特定規(guī)律自動(dòng)連續(xù)并且周期性重復(fù)，利用檢波器將輸出包絡(luò)檢出送到示波器上顯示，就得到了被測電路的幅頻特性曲線。這種快速直觀的測量方法就是掃頻法測量的基本思想，提供頻率可自動(dòng)連續(xù)變化的正弦波信號源，稱為掃頻信號源或掃頻振蕩器。圖6.1—2掃頻法測量網(wǎng)絡(luò)頻率特性原理圖6.1—2掃頻法測量網(wǎng)絡(luò)頻率特性原理圖6.1—2掃頻法測量網(wǎng)絡(luò)頻率特性原理

振幅不變而頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的正弦信號加到被測電路(例如調(diào)諧放大器)的輸入端，由于調(diào)諧放大器的增益隨頻率而變，故其輸出信號uo的振幅也將隨頻率而改變，uo的包絡(luò)就反映了該放大器的幅頻特性(圖(d))，經(jīng)峰值檢波器檢出輸出信號的包絡(luò)(圖(e))，將它送至示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，同時(shí)掃描信號us加到示波管的水平系統(tǒng)作為掃描時(shí)基信號，由于掃頻信號ui的瞬時(shí)頻率和水平掃描電壓us的瞬時(shí)值一一對應(yīng)，使得示波管的水平軸成為線性的頻率坐標(biāo)軸。這樣在us和的共同作用下，示波管熒光屏上就直接顯示出該調(diào)諧放大器的幅頻特性。

和點(diǎn)頻法相比，掃頻法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性的自動(dòng)或半自動(dòng)測量，特別是在進(jìn)行電路調(diào)試時(shí)，人們可以一邊調(diào)節(jié)電路中有關(guān)元件，一邊觀察熒光屏上頻率特性曲線的變化，從而迅速地將電路性能調(diào)整到預(yù)定的要求.②由于掃頻信號的頻率是連續(xù)變化的，因此所得到的被測網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線也是連續(xù)的，不會(huì)出現(xiàn)由于點(diǎn)頻法中的頻率點(diǎn)離散而遺漏掉細(xì)節(jié)的問題。③點(diǎn)頻法中是人工逐點(diǎn)改變輸入信號的頻率，速度慢，得到的是被測電路穩(wěn)態(tài)情況下的頻率特性曲線。掃頻測量法是在一定掃描速度下獲得被測電路的動(dòng)態(tài)頻率特性，而后者更符合被測電路的應(yīng)用實(shí)際。

2、掃頻儀的基本構(gòu)成

1．掃頻儀的基本方框圖圖6.1—3中(a)是掃頻儀原理框圖，(b)是BT—4型低頻(200H2—2MH2)掃頻儀框圖。圖(a)中幾個(gè)主要部分的功能如下。

時(shí)基系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)掃描信號，由該信號控制一個(gè)可調(diào)諧的連續(xù)振蕩源以產(chǎn)生頻率隨時(shí)間變化的正弦信號，頻率變化的規(guī)律就取決于掃描信號，若掃描信號是鋸齒波或三角波(這是最常用的情況)，則掃頻規(guī)律就呈線性，或者說掃頻振蕩器輸出正弦信號的瞬時(shí)頻率隨時(shí)間線性增加或降低。有些場合也使用對數(shù)型掃描信號，則掃頻規(guī)律就呈現(xiàn)對數(shù)性。圖6.1—3掃頻儀原理框圖圖6.1—3掃頻儀原理框圖

2．掃頻振蕩器的工作原理實(shí)現(xiàn)掃頻振蕩的方法很多，常用的有磁調(diào)電感法、變?nèi)荻O管法以及微波波段使用的返波管法、YIG（億鐵拓榴石）諧振法等。下面簡單介紹前兩種方法。

(1)磁調(diào)電感法磁調(diào)電感法原理圖如圖6.1—4，圖(a)中L2、C諧振回路的諧振頻率f0為：(1)圖6.1—4磁調(diào)電感式掃頻法原理

式中L2為繞在高頻磁芯MH上線圈的電感量，若能用時(shí)基系統(tǒng)產(chǎn)生的掃描信號改變L2，也就改變了諧振頻率。由電磁學(xué)理論可知，帶磁芯線圈的電感量與磁芯的導(dǎo)磁系數(shù)成正比。(2)式中L為空芯線圈的電感量。由于高頻磁芯MH接在低頻磁芯ML的磁路中，而繞在ML上的線圈中的電流是交流和直流兩部分的掃描電流，如圖(b)所示。當(dāng)掃描電流隨時(shí)間變化時(shí)，使得磁芯的有效導(dǎo)磁系數(shù)也隨著改變，再由式(1)、(2)可知，掃描電流的變化就導(dǎo)致了L2及諧振頻率f0的變化，實(shí)現(xiàn)了“掃頻”。

(2)變?nèi)荻O管法由式(1)可知，如果能用掃描信號改變諧振電路中電容量C的大小，也能使諧振頻率隨之改變，變?nèi)荻O管法掃頻振蕩器就是基于這一原理。圖6.1—5是變?nèi)荻O管特性曲線，這種二極管的特性可表示為：式中Cj0為變?nèi)荻O管反向電壓為零時(shí)的結(jié)電容，r為電容變化系數(shù)，UD為PN結(jié)勢壘電壓，U為加到變?nèi)荻O管兩端的反向電壓。(1)*3、變?nèi)荻O管

前面所敘述的僅是磁調(diào)電感法和變?nèi)荻O管法產(chǎn)生掃頻振蕩的最基本原理，實(shí)際掃頻振蕩器中還有許多其他電路，用以增大掃頻振蕩的頻率復(fù)蓋系數(shù)，改善掃頻線性等。許多掃頻儀中，還將掃頻振蕩器分成幾個(gè)波段，用以擴(kuò)大掃頻范圍，而在不同掃頻波段，可能采用不同的掃頻振蕩方式，用手工切換或自動(dòng)切換各個(gè)頻段。6.2掃頻儀工作原理6.2.1

整機(jī)電路原理框圖它主要由掃頻信號源和顯示系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。1、掃頻信號源的構(gòu)成及功能掃頻信號源由掃頻單元、頻標(biāo)單元和衰減器三部分組成，在控制信號的作用下要求掃頻信號源具有以下功能:能產(chǎn)生頻率做線性變化的掃頻信號；這個(gè)掃頻信號的輸出是等幅的，且具有一定的功率；掃頻信號的頻偏應(yīng)盡可能大且中心頻率可調(diào)；要求掃頻信號的線性度良好；能產(chǎn)生和掃頻信號同步的頻率標(biāo)記；輸出阻抗要恒定。2、顯示系統(tǒng)的構(gòu)成及功能對于顯示系統(tǒng)而言，主要的要求有兩點(diǎn):(1)軌跡明亮而清晰;(2)在不失真的前提下要有足夠高的增益。顯示系統(tǒng)主要由斜波電壓發(fā)生器，x，y軸通道放大器及示波管等電路構(gòu)成。6.2.2單元電路工作原理1.掃頻單元2、固定振蕩器3、掃頻振蕩器4、混頻器和低通濾波器6.3頻標(biāo)單元1、單一頻標(biāo)產(chǎn)生的工作原理2、產(chǎn)生多個(gè)頻標(biāo)的工作原理

以10MHz通用頻標(biāo)為例來說明獲得多個(gè)頻標(biāo)的工作原理：10MHz頻標(biāo)3、頻標(biāo)單元電路分析本電路包括四個(gè)部分：10MHz晶振、隔離放大器、波發(fā)生器及混頻濾波電路。6.4Y通道單元Y通道單元的具體要求為：有較高的輸入阻抗;有較好的頻率特性;要求有較小的漂移;*6.5操作使用以BT-3GIII型頻率特性測試儀為例來詳細(xì)介紹掃頻儀的使用方法。1、BT-3GIII型頻率特性測試儀的面板布置2、旋鈕的名稱與作用（1）顯示器的旋鈕與作用亮度：用來調(diào)節(jié)掃描線的亮度，順時(shí)針調(diào)整，亮度最大，反之則掃描線最暗。聚焦：調(diào)整該旋鈕可使掃描線光滑清晰。水平校準(zhǔn)：當(dāng)掃描線不能和水平刻度線重合時(shí)，可加以調(diào)整。Y輸入：通常接檢波探頭的輸出端。對于含有內(nèi)檢波的四端網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的輸出可直接加到Y(jié)輸入。Y增益：用于調(diào)節(jié)輸入信號的大小，以使得被測信號能直觀地顯示在屏幕上。⑥位移：通過旋鈕的來回調(diào)節(jié)，可使整個(gè)掃描曲線上下移動(dòng)。Y位移：通過旋鈕的來回調(diào)節(jié)，可使整個(gè)掃描曲線上下移動(dòng)。Y軸衰減選擇擋：共分為*1、*10、*100三擋，應(yīng)和Y增益配合使用，通過不同擋的選擇，可改變整個(gè)Y軸的增益與掃描曲線的高度。（2）掃頻信號源的旋鈕與作用中心頻率：調(diào)節(jié)該旋鈕，可使需要的中心頻率置于屏幕的中心位置。掃頻寬度：調(diào)節(jié)該旋鈕，可得到合適的掃頻帶寬。輸出衰減：輸出衰減共分七擋，通過不同的組合，可得到不同的衰減量，它的設(shè)置可以改變掃頻信號的輸出幅度。掃頻輸出：掃頻信號的輸出端，通常接到被測四端網(wǎng)絡(luò)的輸入端。（3）頻標(biāo)信號發(fā)生器的旋鈕與作用頻標(biāo)選擇頻標(biāo)幅度外接頻標(biāo)3.使用方法（1）使用前的準(zhǔn)備工作將檢波探頭推入自校準(zhǔn)插座，并將自校準(zhǔn)插頭接掃頻輸出插座，檢波輸出插頭接Y輸入。如圖6.5.2所示:（2）頻標(biāo)識別將頻標(biāo)選擇旋鈕置于10/1位置，中心頻率置于起始處，此時(shí)屏幕中出現(xiàn)不同于菱形頻標(biāo)的特殊標(biāo)識，稱作零拍。順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)中心頻率旋鈕，會(huì)發(fā)現(xiàn)零拍及右邊的大小頻標(biāo)逐漸左移。其中幅度大的為10MHz頻標(biāo)，幅度小的為1MHz頻標(biāo)，如圖6.5.3（a）所示。將頻標(biāo)選擇旋鈕置于50位置，掃頻特性曲線如圖6.5.3（b）所示，在零拍右面的第一個(gè)頻標(biāo)為50MHz，第二個(gè)頻標(biāo)為100MHz，其余依次類推。（3）掃頻寬度不同的四端網(wǎng)絡(luò)有著不同的頻帶，預(yù)置掃頻寬度太窄，被測曲線在水平方向會(huì)很?。活A(yù)置掃頻寬度太寬，被測曲線在水平方向會(huì)很大。因此調(diào)節(jié)掃頻寬度旋鈕會(huì)得到合適的掃頻寬度。（4）中心頻率讀取不同的四端網(wǎng)絡(luò)除了有不同的頻帶之外，還有不同的中心頻率，預(yù)置中心頻率過高，被測曲線會(huì)在右面，預(yù)置中心頻率過低，被測曲線會(huì)在左面。調(diào)節(jié)中心頻率旋鈕，使得中心頻率在屏幕中央，就可以對稱地觀察被測曲線。圖6.5.4示出了中心頻率為20MHz掃頻寬度為24MHz的校準(zhǔn)曲線。需要說明的是，中心頻率20MHz是在0拍右面的第2個(gè)大頻標(biāo)。

*4、BT—3型掃頻儀

l.掃頻儀的主要性能要求掃頻振蕩器除應(yīng)具有一般正弦振蕩器所具有的工作特性外，還有下面幾個(gè)主要的性能要求.(1)中心頻率范圍大且可連續(xù)調(diào)節(jié)。中心頻率是指掃頻信號從低頻到高頻之間中心位置的頻率。不同測試對象對中心頻率要求也不同。(2)掃頻寬度(頻寬)要寬且可任意調(diào)節(jié)。頻偏是指掃頻信號的瞬時(shí)頻率與中心頻率的差值。顯然，頻偏應(yīng)能覆蓋被測電路的通頻帶，以便測繪該電路完整的頻率特性曲線。例如測試電視接收機(jī)中的圖像中頻通道，要求頻偏達(dá)±5MHz，測試伴音中頻頻道時(shí)，頻偏只需±0.5MHz。

(3)寄生調(diào)幅要小。理想的調(diào)頻波應(yīng)是等幅波，因?yàn)橹挥性趻哳l信號幅度保持恒定不變的情況下，被測電路輸出信號的包絡(luò)才能表征該電路的幅頻特性曲線.(4)掃描線性度好。當(dāng)掃頻信號的頻率和調(diào)制信號間成線性關(guān)系時(shí)，示波管的水平軸則變換成線性的頻率軸，這時(shí)幅頻特性曲線上的頻率標(biāo)尺將均勻分布，便于觀察。在測試寬帶放大器時(shí)若使用對數(shù)幅頻特性，則要求掃頻規(guī)律和掃頻電壓之間是對數(shù)關(guān)系。

*5.BT—3型頻率特性測試儀(掃頻儀)BT—3型掃頻儀主要用來測試寬帶放大器、雷達(dá)接收機(jī)的高頻放大器、電視接收機(jī)各通道頻率特性，也可用于鑒頻器測試，是一種較為典型的頻率特性測試儀，其框圖如圖6.5—6所示，主要由掃頻信號發(fā)生器、頻標(biāo)發(fā)生器、顯示器及電源等四部分組成。面板圖示于圖6.5—7。*圖6.5—6BT—3掃頻儀原理框圖*圖6.5—7BT—3面板圖

BT—3型掃頻儀的主要技術(shù)性能：①中心頻率：在1～300MHz內(nèi)可任意調(diào)節(jié)，分1～75MHz，75～上50MHz，150～300MHz三個(gè)波段；②掃頻頻偏：最大頻偏±7.5MHz；③掃頻信號輸出：輸出電壓≥0.1V(有效值)，輸出阻抗75Ω～；④寄生調(diào)幅系數(shù)：最大頻偏時(shí)<±7.5％；⑤調(diào)頻非線性系數(shù)：最大頻偏時(shí)<20％；⑥頻標(biāo)信號：1MHz、10MHz和外接頻標(biāo)三種。*6.6測試實(shí)例1、單調(diào)諧回路的掃頻測量（1）單調(diào)諧回路的電路原理圖（2）掃頻儀各旋鈕預(yù)置如下：將-/+置于+，AC/DC置于DC，Y衰減置于×1;掃頻輸出衰減旋鈕置于0dB;頻標(biāo)選擇旋鈕置于10/1MHz;掃頻寬度旋鈕置于>5MHz；將低阻檢波器和自校準(zhǔn)插座分別接Y輸入和掃頻輸出插座，調(diào)整Y增益使得掃描曲線為5大格，并記下此值。（3）掃頻儀與單調(diào)諧回路的連接方法：注意：檢波器為高阻檢波器，掃頻輸出為帶鱷魚夾的高頻電纜。（4）調(diào)節(jié)輸出衰減為47dB，單調(diào)諧回路的幅頻特性曲線:該單調(diào)諧回路的增益為47dB，即放大量為100余倍。2、雙諧調(diào)回路的掃頻測量步驟如下：雙諧調(diào)回路原理圖：掃頻儀各旋鈕預(yù)置如實(shí)例1；掃頻儀與雙諧調(diào)回路的連接方法與實(shí)例1相同；調(diào)整輸出衰減為50dB，被測雙諧調(diào)回路的幅頻特性曲線如圖：3、相位鑒頻器的掃頻測量相位鑒頻器的特性曲線4、利用掃頻儀測量振蕩器的振蕩頻率5、用掃頻儀測量無源的高通濾波器高通濾波器電路原理圖1頻道高通濾波器特性曲線6、主要技術(shù)指標(biāo)掃頻范圍：1~300MHz；掃頻寬度：>100MHz;掃頻非線性：<+-5%；輸出電壓：0.5V(3.33mW)+-10%;輸出平坦度：+-0.25dB;輸出衰減：0~70dB,1dB步進(jìn)；輸出阻抗：75歐；頻率標(biāo)記：50MHz、10MHz/1MHz復(fù)合及外接三種，外接頻標(biāo)靈敏度優(yōu)于300mV；顯示部分垂直靈敏度：優(yōu)于20mV(峰-峰）/cm;顯示屏幕有效尺寸：100mm*80mm。*6.7頻譜分析儀工作原理6.7.1時(shí)域和頻域的關(guān)系常見電信號波形圖與頻譜圖的對應(yīng)關(guān)系表中純正弦波，只顯示一條譜線，f0=1/T，線高等于正弦波的幅值；方波含有1,3,5...奇次諧波；三角波與梯形波也含有1,3,5...奇次諧波，但各分量的幅值與方波不同；而鋸齒波含有1,2,3...各次諧波，按自然數(shù)排列。這些均可通過傅里葉級數(shù)求出。6.7.2頻譜分析儀的分類頻譜分析儀按其工作原理分為實(shí)時(shí)頻譜分析儀和非實(shí)時(shí)頻譜分析儀兩大類。實(shí)時(shí)頻譜分析儀按工作原理又可分為多通道（信道）濾波式、時(shí)基壓縮式、掃頻超外差