《電子測量技術(shù)》課件-第8章

第8章頻域測量技術(shù)8.1頻域測量的原理與分類8.2線性系統(tǒng)頻率特性測量8.3頻譜分析測量8.4諧波失真度測量

8.1頻域測量的原理與分類

8.1.1頻域測量的原理對于一個過程或信號,它具有時間—頻率—幅度的三維特性,如圖8.1所示。

圖8.1信號的三維特性

8.1.2頻域測量的分類

根據(jù)實際應(yīng)用的需求,頻域分析和測量的對象和目的也各不相同,通常有以下幾種:

(1)頻率特性測量:主要對網(wǎng)絡(luò)的頻率特性進行測量,包括幅頻特性、相頻特性、帶寬及回路Q值等。

(2)選頻測量:利用選頻電壓表,通過調(diào)諧濾波的方法,選出并測量信號中某些頻率分量的大小。

(3)頻譜分析:用頻譜分析儀分析信號中所含的各個頻率分量的幅值、功率、能量和相位關(guān)系,以及振蕩信號源的相位噪聲特性、空間電磁干擾等。

(4)調(diào)制度分析測量:對各種頻帶的射頻信號進行解調(diào),恢復(fù)調(diào)制信號,測量其調(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)諧波失真度測量:信號通過非線性器件都會產(chǎn)生新的頻率分量,俗稱非線性失真。

8.2線性系統(tǒng)頻率特性測量

線性系統(tǒng)對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)稱為系統(tǒng)的頻率響應(yīng),也稱頻率特性。通常情況下,線性系統(tǒng)的頻率特性是復(fù)函數(shù),它的絕對值稱為幅頻特性,表示頻率特性的幅度隨頻率的變化規(guī)律;它的相位稱為相頻特性,表示系統(tǒng)產(chǎn)生的相移隨頻率的變化規(guī)律。線性系統(tǒng)頻率特性的測量包括幅頻特性和相頻特性的測量。

8.2.1基本測量方法

1.點頻測量法

點頻測量法屬于靜態(tài)測量法。

動態(tài)測量法則能較好地反映被測網(wǎng)絡(luò)的實際特性,圖8.2中的曲線2就是使用動態(tài)測量法所獲得的曲線。這時,曲線略有右移,最大值也略有降低。

圖8.2靜、動態(tài)測量曲線

2.掃頻測量法

所謂掃頻,就是利用某種方法,使激勵正弦信號的頻率隨時間變化按一定規(guī)律在一定范圍內(nèi)反復(fù)掃動。這種頻率掃動的正弦信號稱為掃頻信號。

掃頻測量法就是將等幅掃頻信號加至被測電路輸入端,然后用顯示器來顯示信號通過被測電路后振幅的變化。由于掃頻信號的頻率是連續(xù)變化的,因此在屏幕上可直接顯示出被測電路的幅頻特性。

掃頻測量法是一種動態(tài)測量法,它使我們可以測量被測器件或系統(tǒng)的動態(tài)特性。與點頻測量法相比,掃頻測量法具有以下優(yōu)點:

(1)可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻率特性的自動或半自動測量,特別是在進行電路測試時,人們可以一面調(diào)節(jié)電路中的有關(guān)元件,一面觀察熒光屏上頻率特性曲線的變化,隨時判明元件變化對幅頻特性產(chǎn)生的影響,并迅速調(diào)整,以查找電路的故障。

(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,不會出現(xiàn)由于點頻法中頻率點離散而遺漏細(xì)節(jié)的問題,且能夠觀察到電路存在的各種沖激變化(如脈沖干擾等),更符合被測電路的應(yīng)用特性。

(3)掃頻測量法操作簡單、速度快,可實現(xiàn)頻率特性測量的自動化,已成為一種廣泛使用的方法。

3.多頻測量法

多頻測量是利用多頻信號作為激勵信號的一種頻域測量技術(shù)。所謂多頻信號,是指由若干頻率離散的正弦波組成的集合。多頻測量將這個多頻信號作為激勵,同時加到被測系

統(tǒng)的輸入端,并檢測被測網(wǎng)絡(luò)輸出信號在這些頻率點的頻譜,在與輸入進行比較之后就可以得到被測網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。

4.廣譜快速測量法

當(dāng)系統(tǒng)對非線性失真的要求較高時,可采用白噪聲作為測量的激勵信號。

8.2.2相頻特性測量

線性系統(tǒng)的頻率特性還包括相頻特性。在一些實際的應(yīng)用系統(tǒng)中,相頻特性對系統(tǒng)的性能有很大的影響。如圖8.3所示圖8.3線性系統(tǒng)的相頻特性測量

8.2.3掃頻儀

頻率特性測量最常用的儀器是掃頻儀。掃頻儀又稱頻率特性測量儀,是一種根據(jù)掃頻測量法制成的分析電路頻率特性的電子測量儀器。掃頻儀能夠直接在顯示屏上顯示放大器、濾波器、鑒頻器以及其他有源或無源網(wǎng)絡(luò)的頻率特性,與示波器不同的是,它的橫坐標(biāo)為頻率軸,縱坐標(biāo)為電平值,而且在顯示圖形上疊加有頻率標(biāo)志,可對電路幅頻特性、帶寬等進行定量測量。

1.基本工作原理

掃頻儀是將掃頻信號源及示波器的X－Y顯示功能結(jié)合為一體,并增加了某些附屬電路而構(gòu)成的一種通用電子儀器,用于測量網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性。其原理框圖如圖8.4所示

對掃頻信號發(fā)生器的基本要求有以下幾點:

(1)中心頻率范圍大且可以連續(xù)調(diào)節(jié)。

(2)掃頻寬度要寬且可任意調(diào)節(jié),常用頻偏進行描述。

(3)寄生調(diào)幅要小。

(4)掃描線性度要好。

圖8.4掃頻儀的簡要原理框圖

實現(xiàn)掃頻振蕩的方法很多,目前廣泛采用的是利用變?nèi)荻O管實現(xiàn)掃頻振蕩;若要獲得較高的掃頻頻率(幾十到幾百兆赫茲),可采用磁調(diào)電感的掃頻方法;若要得到更高的掃頻頻率(千兆赫茲級),則可采用YIG(釔鐵石榴石)掃頻。它們通過改變振蕩回路元件(電感或電容)的參數(shù)值來改變振蕩信號的頻率,其掃頻寬度和掃描線性受到一定的限制。為保證掃頻儀有很寬的工作頻率范圍,往往將整個工作頻段劃分成幾個分波段,還可以通過混頻的方法獲得更高的工作頻率,如圖8.5所示。

圖8.5混頻法拓展掃頻儀至更高的工作頻率

2.主要技術(shù)指標(biāo)

掃頻儀的主要技術(shù)指標(biāo)包括有效掃頻帶寬、掃頻線性、幅度不平坦性等。

1)有效掃頻寬度和中心頻率

有效掃頻寬度也稱掃頻頻偏,是指在掃頻線性和幅度不平坦性符合要求的前提下,一次掃頻能達到的最大頻率范圍,即

2)掃頻線性

掃頻線性表示掃頻信號頻率與掃描電壓之間線性相關(guān)的程度,常用掃頻線性系數(shù)來表示,定義為

3)幅度不平坦性

在幅頻特性測量中,必須保證掃頻信號的幅度保持不變。掃頻信號的幅度不平坦性常用它的寄生調(diào)幅來表示,定義為

3.掃頻儀的分類

按用途劃分,掃頻儀可分為通用掃頻儀、專用掃頻儀、寬帶掃頻儀、阻抗圖示儀、微波綜合測量儀等;按頻率劃分,掃頻儀可分為低頻掃頻儀、高頻掃頻儀、電視掃頻儀等。

4.掃頻儀的應(yīng)用

掃頻儀的應(yīng)用范圍十分廣泛,在無線電通信、廣播電視、雷達導(dǎo)航、衛(wèi)星地球站等領(lǐng)域內(nèi),為有關(guān)電路的頻率特性測量、鑒頻器的特性測量,以及電路性能等的研究、分析或改善提供了方便的條件。除此之外,掃頻儀還能用于傳輸線特性阻抗的測量。

1)電路幅頻特性的測量

幅頻特性測量電路如圖8.6所示。圖8.6幅頻特性的測量

圖8.7給出了典型濾波器的頻率特性測量曲線圖8.7典型濾波器的頻率特性測量曲線

2)電路參數(shù)的測量

從上面所測得的幅頻特性上可以求得各種電路參數(shù)。

(1)增益的測量。在調(diào)好幅頻特性的基礎(chǔ)上,用粗、細(xì)調(diào)衰減器控制掃頻信號的電壓幅度,使它符合被測電路設(shè)計時要求的輸入信號幅度。衰減器的總衰減量應(yīng)不小于放大器設(shè)計的總增益。記下此時屏幕上顯示的幅頻高度A,輸出總衰減B1(dB)。將檢波探頭直接和掃頻輸出端短接,改變“輸出衰減”,使幅頻特性的高度仍為A,此時輸出衰減的讀數(shù)若為B2(dB),則該放大器的增益為

(2)帶寬的測量。被測電路的連接方法同幅頻特性的測量一樣。

測量帶寬時,先調(diào)節(jié)掃頻儀輸出衰減和調(diào)整Y增益,使頻率特性曲線的頂部與屏幕上某一水平刻度線相切(如圖8.8中與AB線相切);然后保持Y增益不變,將掃頻儀輸出衰減減小3dB,則此時屏幕上的曲線將上移而與AB線相交,兩交點處的頻率即分別為下截止頻率fL

和上截止頻率fH。因而被測電路的帶寬為

圖8.8掃頻儀測量帶寬

(3)回路Q值的測量。測量時電路連接和測量方法與回路帶寬的測量相同,在用外接頻標(biāo)測出回路的諧振頻率f0以及上、下截止頻率fH和fL后,按下面的公式即可計算出回路的Q值:

8.3頻譜分析測量

8.3.1選頻測量當(dāng)只需要測量信號中某些頻率分量幅值的大小時,可以選用諧波分析儀進行測量。圖8.9所示為外差式諧波分析儀的原理框圖。

圖8.9外差式諧波分析儀的原理框圖

8.3.2頻譜分析儀

頻譜測量的目的是分辨信號的性質(zhì)和能量分布。

1.頻譜分析儀的原理

通常頻譜儀無論是對確定信號還是周期信號,所分析的大多是功率譜。分析功率譜的方法有三種:濾波法、相關(guān)函數(shù)傅里葉變換法和直接傅里葉變換法。后兩種都是通過傅里葉變換計算來完成的,故可將它們歸為計算法。

1)濾波式頻譜分析

圖8.10示出了濾波式頻譜儀的簡要原理框圖。圖8.10濾波式頻譜儀的簡要原理框圖

實際應(yīng)用中,要獲得足夠高的頻率分辨率和足夠?qū)挼墓ぷ黝l帶,使用大量中心頻率不同的帶通濾波器是不現(xiàn)實的,實際采用的大都為外差掃頻方式。其基本原理是:將選頻測量與掃頻測量結(jié)合,此時本地振蕩器受掃頻電壓控制,這樣輸入信號實際上與一個本地的掃頻信號進行混頻,得到一固定的中頻信號,然后對這個中頻信號進行檢波、放大,得到其幅值后送至Y軸,而X軸表示與掃頻電壓相對的輸入信號的頻率,這樣通過連續(xù)掃描就在屏幕上直接得到了被測輸入信號的頻譜,并能夠保證較高的頻率分辨率和較高的測量靈敏度。其原理簡圖如圖8.11所示。

圖8.11外差掃頻方式頻譜分析法的原理簡圖

2)計算法頻譜分析

計算法頻譜分析儀的構(gòu)成如圖8.12所示。

圖8.12計算法頻譜分析儀框的構(gòu)成圖

2.頻譜分析儀的分類

頻譜分析儀的種類繁多,按信號處理方式可分為模擬式、數(shù)字式、模擬數(shù)字混合式;按工作頻帶不同可以分為高頻頻譜儀、低頻頻譜儀、音頻頻譜儀;按工作原理不同大致可分為濾波法和計算法兩大類;按其分析的實時性又可分為實時和非實時頻譜分析儀。

模擬式頻譜儀以模擬濾波器為基礎(chǔ),用濾波器來實現(xiàn)信號中各頻率成分的分離,使用頻率很寬,可以覆蓋低頻至射頻及微波頻段,如目前使用最廣的外差式頻譜分析儀。模擬式頻譜儀的工作方式有并行濾波法、時間壓縮法、傅里葉變換法、順序濾波法、掃頻濾波法和掃頻外差法等,其中前三種為實時頻譜分析,后三種為非實時頻譜分析。

數(shù)字式頻譜儀是以數(shù)字濾波器或快速傅里葉變換為基礎(chǔ)而構(gòu)成的。

1)并行濾波實時頻譜儀

并行濾波實時頻譜儀又稱為多通道濾波式頻譜分析儀,其原理如圖8.13所示。圖8.13并行濾波實時頻譜儀的原理框圖

2)掃頻濾波式頻譜儀

掃頻濾波式頻譜儀利用一個中心頻率由掃頻電壓調(diào)節(jié)的帶通濾波器來實現(xiàn)工作頻帶內(nèi)的頻譜分析,其原理框圖如圖8.14所示。圖8.14掃頻濾波式頻譜儀的原理框圖

3)掃頻外差式頻譜儀

借助外差式收音機和掃頻的原理,將輸入信號與儀器內(nèi)部的本地振蕩信號進行混頻,通過線性地調(diào)整本地振蕩源的頻率,使其與被測信號中各頻率成分形成固定的差頻,用相對頻移的方法取代圖8.14中的電調(diào)諧帶通濾波器,就構(gòu)成了掃頻外差式頻譜儀,其原理框圖如圖8.15所示。

圖8.15掃頻外差式頻譜儀的原理框圖

4)時基壓縮式實時頻譜儀

用并行模擬濾波法進行窄帶的實時分析,需要大量的濾波器和檢波器;采用數(shù)字濾波式頻譜分析儀時,工作頻率受到數(shù)字電路工作速度的限制;外差法雖然無須大量的濾波器,但不能進行實時分析,而且隨著帶寬變窄,需要很長的掃描分析時間。

時基壓縮式實時頻譜分析儀又稱為模擬數(shù)字混合式頻譜分析儀,其原理框圖如圖8.16所示。

圖8.16時基壓縮式頻譜儀的原理框圖

5)數(shù)字式頻譜儀

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的成熟與應(yīng)用,頻譜分析儀也走向了數(shù)字化。用數(shù)字濾波器代替上述模擬頻譜分析儀中的模擬濾波器、用數(shù)字平方檢波和均方算法代替二極管檢波,就構(gòu)成了數(shù)字濾波式頻譜分析儀。它具有更高的精度、更好的穩(wěn)定性和一致性,但大量的窄帶數(shù)字濾波器對數(shù)字信號處理的速度提出了很高的要求。根據(jù)前面的介紹,分析信號頻譜更直接的方法是進行傅里葉變換。對數(shù)字采樣后的信號通過FFT方法計算DFT,即可同時得到其離散頻譜,再經(jīng)平方就可獲得功率譜。這就是FFT頻譜分析儀的核心,它已成為低頻頻譜分析的主要方法,如現(xiàn)在廣為流行的虛擬儀器(VI)中的頻譜分析功能就是基于高速數(shù)據(jù)采集和計算機快速傅里葉變換(FFT)實現(xiàn)的。

6)采用數(shù)字中頻的外差式頻譜分析儀

數(shù)字式頻譜分析儀目前由于受到A/D采樣速率和數(shù)字信號處理器處理速度的限制,無法實現(xiàn)對射頻及微波信號的頻譜實時分析,為解決這一問題,采用數(shù)字中頻的外差式頻譜分析儀誕生了。這種分析儀融合了外差掃描與數(shù)字信號處理及實時分析技術(shù),在傳統(tǒng)模擬外差式頻譜分析儀的基礎(chǔ)上,在中頻及以后部分采用了全數(shù)字技術(shù),通過數(shù)字濾波和FFT的方法,使分辨力和分析速度都大為提高,頻譜分析儀的性能得到很大改善。

3.頻譜分析儀的主要技術(shù)參數(shù)

頻譜分析儀的參數(shù)較多,并且不同種類的頻譜儀參數(shù)也不完全相同,但以下技術(shù)參數(shù)是最基本的。

1)頻率范圍

頻率范圍是指能達到頻譜分析儀規(guī)定性能的工作頻率區(qū)間,如安捷倫公司的ESA－E系列頻譜分析儀頻率范圍可達325GHz。

2)掃頻寬度、分析時間、掃頻速度

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程中所顯示的頻率范圍,也就是本機振蕩器的掃頻寬度。

3)頻率分辨率

頻率分辨率是指頻譜分析儀能把靠得很近的兩個頻譜分量分辨出來的能力。由于屏幕顯示的譜線實際上是窄帶濾波器的動態(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。

4)動態(tài)范圍與測量范圍

頻譜分析儀的動態(tài)范圍定義為,頻譜分析儀能以給定精度測量、分析輸入端同時出現(xiàn)的兩個信號的最大功率比(用dB表示)。

5)靈敏度

靈敏度是指頻譜分析儀測量微弱信號的能力,定義為顯示幅度為滿刻度時,輸入信號的最小電平值。靈敏度受分析儀中存在的噪聲、雜波、失真以及雜散響應(yīng)的限制,并且與

掃速有關(guān),掃速越快,動態(tài)幅頻特性峰值就越低,靈敏度也越低。許多頻譜分析儀通過開啟內(nèi)置的前置放大器來提高靈敏度,其靈敏度可達-155~-135dBm。

4.頻譜分析儀的應(yīng)用

1)對信號參數(shù)進行測量

由上述頻譜儀的工作原理可知,用頻譜儀可以測量信號本身(即基波)及各次諧波的頻率、幅度、功率譜,以及各頻率分量之間的間隔,具體包括:

(1)直接測量各次諧波的頻率、幅值,用以判斷失真的性質(zhì)及大小。

(2)可以用作選頻電壓表,如測量工頻干擾的大小。

(3)根據(jù)譜線的抖動情況,可以測量信號頻率的穩(wěn)定度。

(4)測試調(diào)幅、調(diào)頻、脈沖調(diào)制等調(diào)制信號的功率譜及邊帶輻射。

(5)測量脈沖噪聲,測試瞬變信號。

2)信號仿真測量

對于聲音信號來說,通常說的“音色”是對頻譜而言的,音色如何是由其諧波成分決定的。各種樂器或歌唱家的音色可用頻譜來鑒別。

3)電子設(shè)備生產(chǎn)調(diào)測

頻譜分析儀可顯示信號的各種頻率成分及幅度,在生產(chǎn)、檢測中常用于調(diào)測分頻器、倍頻器、混頻器、頻率合成器、放大器及各種電子設(shè)備整機等,可測量其增益、諧波失真、相位噪聲、雜波輻射等,如頻譜分析儀是無線電通信設(shè)備整機檢測的重要儀器。圖8.17給出了發(fā)射機雜散輻射測量的示意圖。

圖8.17發(fā)射機雜波輻射的測量

4)電磁干擾(EMI)的測量

頻譜分析儀是電磁干擾的測試、診斷和故障檢修中用途最廣的一種工具。頻譜分析儀對于電磁兼容(EMC)工程師來說就像數(shù)字電路設(shè)計工程師手中的邏輯分析儀一樣重要,如

在診斷電磁干擾源并指出輻射發(fā)射區(qū)域時,采用便攜式頻譜分析儀是很方便的。測試人員可在室內(nèi)對被測產(chǎn)品進行連續(xù)觀察和測試,還可以用電場或磁場探頭探測被測設(shè)備的泄漏

區(qū)域,通常這些區(qū)域包括箱體接縫、CRT前面板、接口線纜、鍵盤線纜、