電子測量與儀器課件 第五章 頻域測量與儀器2

5.3.1頻譜儀的組成及工作原理模擬式頻譜儀的最簡單原理是利用一系列窄帶濾波器，依次選取被測信號中不同頻率的信號，并借助于掃描信號，將不同頻率信號的幅度并排顯示在熒光屏上，得到被測信號的頻譜圖，該方式為順序濾波式，原理框圖如圖5.14所示。順序濾波式頻譜儀需要采用大量高穩(wěn)定度的窄帶濾波器，因儀器造價較高而較少采用。使用比較普遍的是掃頻外差式頻譜儀。1窄帶濾波器窄帶濾波器門電路檢波器………………Y放大器掃描電路窄帶濾波器門電路門電路……X放大器uxfx圖5.14順序濾波式頻譜儀原理圖2掃頻外差式頻譜儀的工作原理如圖5.15(a)所示。所謂“掃頻外差式”包括外差和掃頻兩個含意。“外差”即本振信號（即掃頻振蕩信號）與被測信號經(jīng)混頻器差頻產(chǎn)生固定中頻信號，因此儀器只要采用一個窄帶濾波器即可，而中頻放大器則起到窄帶濾波器的作用。“掃頻”即本振信號頻率是連續(xù)改變的。在本振頻率掃頻時，本振頻率和被測信號順序差頻得到中頻，即相當于選取一系列被測信號的頻率分量。例如，假設中頻頻率為6MHz、本振頻率從9MHz掃頻到13MHz，若被測信號包括3、4、5、6、7MHz五個頻率成分，當本振頻率為9MHz時與3MHz被測信號頻率差頻得到第一個6MHz信號；本振頻率掃到10MHz時和4MHz的被測信號差頻得到第二個6MHz信號。依此類推，將順序得到第三、四、五個中頻?？?見被測信號在一定頻率范圍內(nèi)，有一個頻率分量就有一個中頻輸出，中頻信號經(jīng)檢波器解調(diào)出各自的振幅，經(jīng)過放大后加到Y偏轉板，得到相應頻率成分的幅度值，該幅度值與對應頻率信號的幅度成正比。加到X偏轉板的鋸齒波掃描電壓就是本振掃頻振蕩器的調(diào)制電壓，因而水平軸變?yōu)轭l率軸，這樣熒光屏上就顯示出了被測信號的頻譜圖。由于窄帶濾波器存在一定的帶寬，故顯示的頻譜線并非理想的直線，而是一排窄帶濾波器的動態(tài)幅頻特性曲線，如圖5.15(b)所示。頻譜儀的實際構成要比圖5.15(a)復雜得多，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先為了獲得較高的靈敏度而采用多次變頻的方法，以便在幾個中頻頻率上進行電壓放大提高靈敏度，如果在一個中頻上增加放大器級數(shù)來提高靈敏度，則很容易4引起振蕩，而且多次變頻還可以提高頻率分辨力。其次采用輸入衰減器來擴大量程和提高輸入阻抗。再者采用頻標信號以便直接讀出頻率值。然后為了使幅值坐標“對數(shù)化”（取對數(shù)），還應在Y通道的檢波器和Y放大器之間接入對數(shù)放大器。對數(shù)放大是指輸出信號的幅度是輸入信號幅度的對數(shù)，即壓縮譜線幅度，使得在熒光屏有效高度范圍內(nèi)得到大的動態(tài)范圍?；祛l器中頻放大器Y放大器掃頻振蕩器鋸齒波掃描電路X放大器(a)(b)uifx圖5.15掃頻外差式頻譜儀組成框圖檢波5頻譜儀的實際構成要比圖5.15(a)復雜得多，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先為了獲得較高的靈敏度而采用多次變頻的方法，以便在幾個中頻頻率上進行電壓放大提高靈敏度，如果在一個中頻上增加放大器級數(shù)來提高靈敏度，則很容易引起振蕩，而且多次變頻還可以提高頻率分辨力。其次采用輸入衰減器來擴大量程和提高輸入阻抗。再者采用頻標信號以便直接讀出頻率值。然后為了使幅值坐標“對數(shù)化”（取對數(shù)），還應在Y通道的檢波器和Y放大器之間接入對數(shù)放大器。對數(shù)放大是指輸出信號的幅度是輸入信號幅度的對數(shù)，即壓縮譜線幅度，使得在熒光屏有效高度范圍內(nèi)得到大的動態(tài)范圍。65.3.2頻譜儀組成原理實例BP-28型音頻（20Hz～20MHz）頻譜儀的結構如同選頻電壓表，其組成框圖如圖5.16所示。被測信號經(jīng)輸入衰減獲得合適電平（10mV）后，送至前置放大器，由低通濾波器濾除20kHz以上的分量，再送入變頻器，在變頻器中使被測信號與掃頻信號差頻，當被測信號中的某一分量與掃頻信號相差一個中頻時，其差頻分量通過選頻放大器及中頻衰減器，分別送入線性放大器或對數(shù)放大器，再經(jīng)中頻放大器輸出至機外，另一路經(jīng)檢波器接到電壓表。同時在檢波器后將直流信號輸出。對儀器校準時，將10kHz、10mV的校準信號接至前置放大器，對儀器進行幅度校準。7掃頻振蕩器中的可變電容器與直流輸出電位器RP3的刻度盤同軸，使振蕩器的頻率與直流輸出電壓和刻度線三者同步，于是直流輸出的每一個電壓值即代表不同的頻率值，并由刻度線讀出。當用直流輸出電壓驅動記錄儀的X軸時，X軸的移動距離代表頻率值，出現(xiàn)在X軸某一位置的譜線長度，表示被測信號該頻率分量的幅值。該儀器的選頻放大器中使用晶體濾波器，可在4Hz，30Hz，150Hz三種頻率上人工選擇；有線性放大器和對數(shù)放大輸入衰減器前置放大器低通濾波器變頻器選頻放大器中頻衰減器中頻放大器線性放大器對數(shù)放大器數(shù)字頻率計掃頻振蕩器校準信號電壓表檢波器對數(shù)校準RP2RP3中頻輸出線性校準RP1fxf0fwui直流輸出圖5.16BP-28型音頻頻譜儀原理框圖8器可供選擇，以取得合適的頻率坐標分度；掃頻振蕩器的頻率用微電動機實現(xiàn)自動掃頻。由于儀器可以對信號或系統(tǒng)的各種諧波進行準確的測量，因而可作為高靈敏度諧波失真儀使用；可提供音頻掃頻信號，用以測量頻率特性曲線；由于中心頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因而亦可作為有源濾波器使用。

5.3.3頻譜儀的技術指標（1）頻率范圍頻率范圍是指能夠達到儀器規(guī)定性能的工作頻率范圍。（2）掃頻寬度掃頻寬度又稱為分析譜寬，其含義是頻譜儀在一次測量9分析過程中（即一個掃描正程）顯示的頻率范圍。為了觀測被測信號頻譜的全貌，需要較寬的掃頻寬度；為了分析頻譜圖中的細節(jié)，則需要窄帶掃描。因此，頻譜儀的掃頻寬度應是可調(diào)的。每厘米相對應的掃頻寬度，稱為頻寬因數(shù)。掃頻寬度很寬的頻譜儀稱為全景頻譜儀，可以觀測到信號頻譜的全貌。每完成一次頻譜分析所需要的時間稱為分析時間，即本機振蕩器頻率掃描完整個掃頻寬度所需要的時間，實際上就是掃描正程時間。掃頻寬度與分析時間之比稱為掃頻速度。（3）頻率分辨力頻率分辨力是指頻譜儀能夠分辨的最小譜線間隔。它表征了頻譜儀分辨兩個很接近的頻率分量的能力。由于熒光屏10顯示的譜線實際上是窄帶濾波器的動態(tài)幅頻特性，因此定義幅頻特性的3dB帶寬為頻譜儀的分辨力。由于窄帶濾波器的幅頻特性曲線形狀與速度有關，因此，分辨力亦與掃頻速度有關。包括以下兩種：

①掃頻速度為零時，靜態(tài)幅頻特性曲線的3dB帶寬稱為靜態(tài)分辨力。②在掃頻工作（