示波器頻譜儀

示波器頻譜儀第1頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、

概述1．頻域和時(shí)域的關(guān)系通常一個(gè)過(guò)程或信號(hào)可以表示為時(shí)間t的函數(shù)f(t)，還可以表示為頻率f

或角頻率的函數(shù)s(ω)。在時(shí)域分析中，就以時(shí)間為自變量，以被觀測(cè)信號(hào)(電壓、電流、功率)為變量進(jìn)行的分析。例如示波器就常用來(lái)觀測(cè)信號(hào)電壓隨時(shí)間的變化，它是典型的時(shí)域分析儀器。在頻域分析中，以頻率為自變量，以各頻率分量的信號(hào)值為因變量進(jìn)行分析的。頻譜分析儀則可對(duì)信號(hào)本身分析和對(duì)線性系統(tǒng)非線性失真系數(shù)的測(cè)量，通過(guò)頻譜測(cè)量確定信號(hào)的諧波分量,了解信號(hào)的頻譜占用情況。第2頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)間、頻率和幅度的三維坐標(biāo)：第3頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任何一個(gè)過(guò)程或信號(hào)，既可以在時(shí)域進(jìn)行分析來(lái)獲得其各種特性，也可以在頻域進(jìn)行分析獲取各種特性，如圖所示。測(cè)得了一個(gè)信號(hào)的時(shí)域表征后，通過(guò)傅立葉變換，可以求得其相應(yīng)的頻域表征；反之亦然。時(shí)域分析和頻域分析各有其具體適用的場(chǎng)合，兩者相輔相成、互為補(bǔ)充。第4頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．常用頻域測(cè)試儀器（1）頻率特性測(cè)試儀：主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性進(jìn)行測(cè)量，包括幅頻特性、相頻特性、帶寬及回路Q值等。（2）頻譜分析儀：分析信號(hào)中所含的各個(gè)頻率分量的幅值、功率、能量和相位關(guān)系，以及振蕩信號(hào)源的相位噪聲特性、空間電磁干擾等。（3）選頻電壓表：通過(guò)調(diào)諧濾波的方法，選出并測(cè)量信號(hào)中某些頻率分量的大小。第5頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（4）調(diào)制域分析儀：對(duì)各種頻帶的射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，測(cè)量其調(diào)制度，如調(diào)幅波的調(diào)幅系數(shù)、調(diào)頻波的頻偏、調(diào)頻指數(shù)以及它們的寄生調(diào)制參量。（5）相位噪聲分析儀（6）數(shù)字信號(hào)處理機(jī)第6頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、頻譜分析儀頻譜分析儀主要用于分析信號(hào)中所包含的頻率成分，即分析信號(hào)的頻譜分布。頻譜儀采用濾波、跟蹤鎖相或快速傅立葉變換等技術(shù)，利用一個(gè)或多個(gè)微處理器進(jìn)行控制、誤差修正和數(shù)據(jù)處理，是一種工作頻率范圍極寬、分辯力極高，用途極廣的一大類儀器，有高頻“萬(wàn)用表”之稱。第7頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月頻譜分析的基本概念1．頻譜分析通常將合成信號(hào)的所有正弦波的幅度按頻率的高低依次排列所得到的圖形稱為頻譜。頻譜分析就是在頻率域內(nèi)對(duì)信號(hào)及特性進(jìn)行描述。傅立葉變換把時(shí)間信號(hào)分解成正弦和余弦曲線的疊加,完成信號(hào)由時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域的過(guò)程，變換的結(jié)果即為幅度頻譜或相位頻譜。第8頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．示波測(cè)試與頻譜分析的特點(diǎn)示波器和頻譜儀都可用來(lái)觀察同一物理現(xiàn)象，兩者所得的結(jié)果應(yīng)該是相同的。但由于兩者是從不同角度去觀察同一事物，故所得到的現(xiàn)象只能反映事物的不同側(cè)面。因此，從測(cè)量的觀點(diǎn)看，這兩類儀器各有特點(diǎn)，使用時(shí)應(yīng)注意選擇。第9頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）某些在時(shí)域較復(fù)雜的波形，在頻域的顯示可能較為簡(jiǎn)單。第10頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）如果兩個(gè)信號(hào)內(nèi)的基波幅度相等，兩次諧波幅度也相等，但兩者相位差不相等，則這兩個(gè)信號(hào)所顯示的頻譜圖是一樣的；但用示波器觀察這兩個(gè)信號(hào)的波形卻有明顯的不同。（3）當(dāng)信號(hào)中所含的各頻率分量的幅度略有不同時(shí)，波形的變化不太明顯，用示波器很難定量分析失真的程度，但頻譜儀對(duì)于信號(hào)的基波和各次諧波含量的大小則一目了然，因?yàn)樽V線數(shù)量明顯不同，而且直接可得出定量的結(jié)果。第11頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第12頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．獲取頻譜的基本方案最基本的方法是用一系列帶寬極窄的濾波器濾出被測(cè)信號(hào)在各個(gè)頻率點(diǎn)的頻譜分量，這種同時(shí)并行作業(yè)的測(cè)量方式，稱為同時(shí)分析。還可由電子開關(guān)輪流把各個(gè)濾波器的輸出接到一個(gè)公用的檢波、放大、顯示去，這是順序分析的方法。用一個(gè)可調(diào)的窄帶濾波器來(lái)代替上述的一系列濾波器，使得順序分析方案簡(jiǎn)化。使用掃頻外差接收機(jī)。第13頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月外差掃頻方式：用一個(gè)頻率可調(diào)的本地振蕩頻率f0來(lái)與被測(cè)信號(hào)的某一頻譜分量的頻率fx混頻，所得的差頻（或和頻）恰好等于中間頻率fIF。此方案中，通過(guò)調(diào)節(jié)f0與fx的差頻去適應(yīng)固定中頻濾波器通帶的中心頻率。中頻濾波器是固定的，工作于固定的窄頻帶。由于放大器的帶寬與增益的乘積基本上為常數(shù)，所以窄帶中頻放大器可獲得很高的增益，從而獲得較高的測(cè)量靈敏度和較高的頻率分辨力?！朔桨竷?yōu)越得多，廣泛使用。第14頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月頻譜分析儀的工作原理1．濾波式頻譜分析圖9.16濾波式頻譜分析儀的基本組成信號(hào)輸入信號(hào)帶通濾波器或掃描調(diào)諧式濾波顯示或記錄檢波器第15頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．計(jì)算法頻譜分析圖9.17計(jì)算法頻譜分析儀的基本組成模擬信號(hào)輸入低通濾波器采樣/保持電路摸數(shù)轉(zhuǎn)換電路存儲(chǔ)電路數(shù)字信號(hào)處理電路顯示記錄電路第16頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常用頻譜分析儀介紹1．并行濾波實(shí)時(shí)頻譜儀圖9.18并行濾波實(shí)時(shí)頻譜分析儀框圖濾波器2濾波器1濾波器n輸入信號(hào)輸入放大器電子開關(guān)CRT輸出放大器掃描發(fā)生器檢波器1檢波器2檢波器n第17頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．檔級(jí)濾波器式頻譜分析儀圖9.19檔級(jí)濾波器式頻譜分析儀框圖電子開關(guān)BPF2BPF1BPFn輸入信號(hào)輸入放大器CRT檢波器輸出放大器第18頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．掃描式頻譜分析儀輸入信號(hào)CRT檢波器輸出放大器電調(diào)諧帶通濾波器掃描發(fā)生器圖9.20外差式頻譜分析儀框圖第19頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4．外差式頻譜分析儀圖9.21外差式頻譜分析儀的構(gòu)成框圖輸入信號(hào)CRT輸出放大器混頻器濾波器中頻放大器檢波器掃描發(fā)生器放大器中頻放大器第20頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5．?dāng)?shù)字濾波式實(shí)時(shí)頻譜儀圖9.22數(shù)字濾波式頻譜分析儀框圖輸入信號(hào)CRTA/D變換數(shù)字濾波器數(shù)字檢波平均時(shí)基地址控制數(shù)據(jù)緩存第21頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6．時(shí)間壓縮式實(shí)時(shí)分析儀又稱為模擬數(shù)字混合式頻譜分析儀。時(shí)間壓縮法先將信號(hào)記錄后，以高倍率速度重放，這時(shí)整個(gè)信號(hào)的頻譜也隨之移向高頻段，并展寬了同樣的倍數(shù)，增大濾波器的帶寬，自然提高了掃描速度。但這種分析方法是在一個(gè)時(shí)間區(qū)段內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行譜分析，存在信號(hào)被截?cái)喽鴰?lái)頻譜泄漏。第22頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7．FFT分析儀通過(guò)FFT方法計(jì)算DFT，即可得到信號(hào)的離散頻譜，再經(jīng)平方獲得功率譜。它已成為低頻頻譜分析的主要方法。采用FFT作譜分析的儀器，一般都具有眾多的功能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了頻譜分析的范圍。第23頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8．采用數(shù)字中頻的

外差式頻譜分析儀融合了外差掃描與數(shù)字信號(hào)處理、實(shí)時(shí)分析技術(shù)。頻譜儀的中頻部分，采用全數(shù)字技術(shù)，通過(guò)數(shù)字濾波和FFT的方法，使分辨力和分析速度都大為提高；另外，由于中頻采用了數(shù)字技術(shù)，其輸出亦為數(shù)字量，儀器的末級(jí)部分也采用數(shù)字功率測(cè)量來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的各種方式的檢波，從而使頻譜分析儀的性能得到很大提高。第24頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月頻譜分析儀

的主要技術(shù)指標(biāo)1．頻率范圍：是指能達(dá)到頻譜分析儀規(guī)定性能的工作頻率區(qū)間。2．掃頻寬度：也稱分析寬度，是指頻譜分析儀在一次掃描分析過(guò)程中所顯示的頻率范圍，也就是本機(jī)振蕩器的掃頻寬度。3．掃描時(shí)間：指掃描一次整個(gè)頻率量程并完成測(cè)量所需要的時(shí)間，也稱分析時(shí)間。一般希望測(cè)量越快越好，即掃描時(shí)間越短越好，但也不可能任意地縮短，必須兼顧相關(guān)因素的影響，適當(dāng)設(shè)置。第25頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4．測(cè)量范圍：是指在任何環(huán)境下可以測(cè)量的最大信號(hào)與最小信號(hào)的比值。5．靈敏度：是指頻譜分析儀測(cè)量微弱信號(hào)的能力，定義為顯示幅度為滿刻度時(shí)，輸入信號(hào)的最小電平值。第26頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6．分辨率：是指頻譜分析儀能把靠得很近的兩個(gè)頻譜分量分辨出來(lái)的能力。由于屏幕顯示的譜線實(shí)際上是窄帶濾波器的動(dòng)態(tài)幅頻特性，因而頻譜分析儀的分辨率主要取決于窄帶濾波器的通頻帶寬度，因此定義窄帶濾波器幅頻特性的3dB帶寬為頻譜儀的分辨率.7．動(dòng)態(tài)范圍：頻譜分析儀能以給定精度測(cè)量、分析輸入端同時(shí)出現(xiàn)的兩個(gè)信號(hào)的最大功率比（用dB表示）。它實(shí)際上表示頻譜分析儀顯示大信號(hào)和小信號(hào)的頻譜的能力。第27頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月頻譜分析儀的應(yīng)用1．頻譜分析儀的特性（1）覆蓋頻帶寬（30Hz～325GHz）

（2）幅值范圍寬（-156dBm～＋30dBm）

（3）有供標(biāo)量測(cè)量用的跟蹤發(fā)生器

（4）對(duì)小信號(hào)檢測(cè)的靈敏度極高

（5）極好的頻率穩(wěn)定性

（6）頻率和幅值分辨率高

（7）具有數(shù)字解調(diào)能力第28頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．頻譜分析儀的應(yīng)用范圍（1）測(cè)量正弦信號(hào)的絕對(duì)幅值和相對(duì)幅值。（2）頻率、寄生頻率分量的絕對(duì)頻率和相對(duì)頻率、噪聲和頻率穩(wěn)定度等參數(shù)。（2）測(cè)試調(diào)幅、調(diào)頻、脈沖調(diào)幅等調(diào)制信號(hào)。（3）測(cè)試脈沖噪聲。（4）測(cè)試瞬變信號(hào)。（5）測(cè)試線性網(wǎng)絡(luò)和非線性網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性、非線性失真、增益或衰減等參數(shù)。（6）進(jìn)行電磁兼容性（EMC）的測(cè)試。第29頁(yè)，課件共31