2022年频谱分析仪的原理及应用 .pdf
频谱分析仪的原理及应用（远程互动方式）一、实验目的：1、熟悉远程电子实验系统客户端程序的操作，了解如何控制远地服务器主机，操作与其连接的电子综合实验板和PCI-1200 数据采集卡，具体可参照实验操作说明。2、了解 FFT 快速傅立叶变换理论及数字式频谱分析仪的工作原理，同时了解信号波形的数字合成方法以及程控信号源的工作原理。3、在客户端程序上进行远程实验操作，由程控信号源分别产生正弦波、方波、三角波等几种典型电压波形，并由数字频谱分析仪对这几种典型电压波形进行频谱分析，并对测量结果做记录。二、实验原理：1、理论概要数字式频谱分析仪是通过A/D 采样器件，将模拟信号转换为数字信号，传给微处理器系统或计算机来处理和显示，与模拟仪器相比，数据的量化更精确，而且很容易实现存储、传输、控制等智能化的功能。电压测量的分辨率取决于A/D 采样器件的位数，例如12 位A/D 采样的分辨率是1/4096。在对交流信号的测量中，根据奈奎斯特采样定理，采样速率必须是信号频率的两倍以上，采样频率越高， 时间轴上的信号分辨力就越高，所获得的信号就越接近原始信号，在频谱上展现的频带就越宽。本实验系统基于虚拟仪器构建，数字频谱分析仪是通过PCI-1200 数据采集卡来实现的。通过虚拟仪器软件提供的网络通信功能，实现客户端与服务器之间的远程通信。由客户端程序发出操作请求， 由服务器接受并按照要求控制硬件实验系统，然后将采集到的实验数据发给客户端，由客户端程序进行处理。频谱分析仪是在频域进行信号分析测量的仪器之一，它采用滤波或傅立叶变换的方法，分析信号中所含各个频率份量的幅值、功率、能量和相位关系。频谱仪按工作原理，大致可分为滤波法和计算法两大类，本实验所用的数字频谱分析仪采用的是计算法。计算法频谱分析仪的构成如图1 所示：图 1计算法频谱分析仪构成方框图数据采集部分由数据采集部分由抗混低通滤波（LP） 、 采样保持（S/H） 和模数转换（A/D ）几个部分组成。数字信号处理（DSP）部分的核心是FFT 运算。有限离散序列Xn 和它的频谱Xm 之间的傅立叶变换可表示如下：N-1nm Xm = XnWNn=0 -j2/N 式中WN = C n,m = 0,1,N-11 N-1-nm Xn = XmWNNm=0 Xm有 N 个复数值，由它可获得振幅和相位谱Xm,m。由于时间信号Xn 总是实函数， Xm 的 N 个值的前后半部分共轭对称。由于数据采集进行的是有限时间内的信号采集，而不是无限时间信号，在进行FFT 变LP S/H A/D RAM DSP 显示模拟输入名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 换时，会出现频谱遗漏和干扰，因此，需要用数学的方法进行平滑处理，即FFT 变换后再采用相应的平滑窗函数进行处理。2、程控信号源的工作原理可以用数字合成的办法产生任意波形的电压信号。原理图如图2 所示，信号的一个周期用256 个点组成， 每个点的值由8 位的二进制码表示， 因此需要一个2568 的 ROM 来存储一个周期的波形数据。由加法计数器计数， 产生 0-255的 8 位二进制码，作为地址码提供给ROM ，依次取出ROM 中存储的 256 个点的值（ 8 位二进码） ，送至 DAC输入端，在DAC输出端即可产生相应的电压波形。在时钟的驱动下，计数器循环计数就可以产生连续的周期电压信号。地址输入线数据输入线D/A转换器计数器88时钟脉冲f0U0ROM256 8图 2任意信号波形的数字合成法程控信号源实验模板的硬件原理如图3 所示。可变分频器减法计数器Q1|Q8晶体振荡器Q1-Q4Q5-Q874LS273D1-D8ROMA7|A0D7|D0A11-A827C64DAC(11)D10-D170832DAC(1)D17|D100832Vr输出WRjWRjDB0-DB7奇地址偶地址A0图 3 程控信号源实验模板硬件原理在 EPROM27C64 中固化有 16 种波形数据， 每一种波形的一个周期由256 个点构成， 每个点的值由8 位二进制码表示，因此该EPROM 要有 162568 的存储空间。输出信号的频率是由计数器前的分频器控制的。晶体振荡器产生的是2MHz的标准时钟信号，改变分频器的分频比就改变了计数器的时钟频率，从而改变了DAC输出的速率。 那么，输出信号的频率可以由下式得出：输出频率 = 2MHz/( 分频比 256) 输出信号的幅度是由DAC(11)控制的。 0832 为 8位 D/A 转换芯片， DAC(1)和的参考电压为 5V，则它输出的某个点的电压值Vo1为：Vo1 = 5V DI1/255 其中，DI1 为 DAC(1)的输入数据 (D10-D17) ， 即该点在 EPROM 中存储的 8 位二进码的值。DAC(1)的输出 Vo1 作为 DAC(11)的参考电压， DAC(11)的输入数据DI2（D10-D17）由数据总线写入，则DAC(11)输出的某个点的电压值Vo2为：Vo2 = Vo1 DI2/255 = 5VDI1 DI2/(255 255) 从数据总线写入不同的DI2，就可得到不同的信号幅度。信号为单极性输出，幅度范围为 0-5V 。三、实验硬件及软件：1、可以上网的计算机一台；2、客户端程序。四、实验预习要求：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 1、复习好电子测量中频谱分析及信号源的有关章节。2、参照远程实验操作说明书，了解程控信号源、数字频谱分析仪的控制方法。3、详细阅读实验指导书，作好测试记录的准备。五、实验步骤：1、将本地计算机联网，并用ping 命令测试与远地服务器是否可以连通。2、运行客户端程序，输入用户名及密码，选择进入“电子综合实验”，并正确输入主、从服务器的IP 地址（可以从实验主页上获取）。实验界面如下：图 4 数字频谱分析仪面板3、本实验只需一个信号源。由程控信号源一产生一个正弦波，频率控制设为8，幅度控制设为200，PCI-1200 采集卡的采样频率设为20000，采样点数设为10000。用数字频谱分析仪对该信号进行频谱测量，幅度刻度方式设为对数刻度（dbV） ，谱线显示方式设为离散方式，并将测量结果填入表1。表 1 正弦波的频谱分析频率分量参数直流分量基波二次谐波三次谐波四次谐波五次谐波频率（ Hz）幅度（ dbV）4、由程控信号源一产生一个方波，频率控制设为8，幅度控制设为200，PCI-1200 采集卡的采样频率设为20000，采样点数设为10000。用数字频谱分析仪对该信号进行频谱测量，幅度刻度方式设为对数刻度（dbV ） ，谱线显示方式设为离散方式，并将测量名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 结果填入表2。表 2 方波的频谱分析频率分量参数直流分量基波二次谐波三次谐波四次谐波五次谐波频率（ Hz）幅度（ dbV）5、由程控信号源一产生一个三角波，频率控制设为8，幅度控制设为200，PCI-1200采集卡的采样频率设为20000，采样点数设为10000。用数字频谱分析仪对该信号进行频谱测量，幅度刻度方式设为对数刻度（dbV） ，谱线显示方式设为离散方式，并将测量结果填入表3。表 3 正弦波的频谱分析频率分量参数直流分量基波二次谐波三次谐波四次谐波五次谐波频率（ Hz）幅度（ dbV）6、在对以上几种典型电压波形的频谱观测中，改变信号源的频率和幅度，再进行测试分析。六、思考题：1、数据采集卡的采样频率对频谱测量有什么影响？2、数字频谱分析仪的频率分辨率和哪些因素有关？名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -
