第7章 频域测量技术PPT讲稿.ppt

第第7章章 频域测量技术频域测量技术第1页，共76页，编辑于2022年，星期一7.1 7.1 概述概述7.1 17.1 1频域和时域的关系频域和时域的关系1.1.时域测量：时域测量：把信号作为时间的函数进行分析；把信号作为时间的函数进行分析；通常一个过程或信号可以表示为时间通常一个过程或信号可以表示为时间t t的函数的函数f(t)f(t)，示示波器波器常用来观测信号电压随时间的变化，是典型的常用来观测信号电压随时间的变化，是典型的时域分析仪器。时域分析仪器。第2页，共76页，编辑于2022年，星期一2.2.频域测量：频域测量：把信号作为频率的函数进行分析，主要讨论线性系统把信号作为频率的函数进行分析，主要讨论线性系统频率特性的测量和信号的频谱分析。频率特性的测量和信号的频谱分析。过程或信号还可以表示为频率过程或信号还可以表示为频率f f 或角频率的函数或角频率的函数s()s()，频率特性测试仪、频谱分析仪都是以频率为自频率特性测试仪、频谱分析仪都是以频率为自变量，以各频率分量的信号值为因变量进行分析的变量，以各频率分量的信号值为因变量进行分析的仪器。仪器。第3页，共76页，编辑于2022年，星期一 任何一个过程或信号，它具有时间任何一个过程或信号，它具有时间-频率频率-幅度的三维特性。幅度的三维特性。既可在时域进行分析来获取其各种特性，也既可在时域进行分析来获取其各种特性，也可以在频域进行，如图所示。可以在频域进行，如图所示。第4页，共76页，编辑于2022年，星期一电压电压频频率率时间时间频频域域时时域域时间时间、频频率和幅度的三率和幅度的三维维坐坐标标第5页，共76页，编辑于2022年，星期一7.1.2 7.1.2 频域测量的分类频域测量的分类根根据据实实际际应应用用的的需需求求，频频域域分分析析和和测测量量的的对对象象和和目目的的也也各各不不相相同同，通通常常有有以以下下几几种种：（1 1）频频率率特性测量：特性测量：主主要要对对网网络络的的频频率率特特性性进进行行测测量量，包包括括幅幅频频特特性性、相频特性、带宽及回路相频特性、带宽及回路Q Q值等。值等。（2 2）选频测量：）选频测量：利利用用选选频频电电压压表表，通通过过调调谐谐滤滤波波的的方方法法，选选出出并并测测量量信号中某些频率分量的大小。信号中某些频率分量的大小。第6页，共76页，编辑于2022年，星期一（3 3）频谱分析：）频谱分析：用用频频谱谱分分析析仪仪分分析析信信号号中中所所含含的的各各个个频频率率分分量量的幅值、功率、能量和相位关系。的幅值、功率、能量和相位关系。（4 4）调制度分析测量：）调制度分析测量：对对各各种种频频带带的的射射频频信信号号进进行行解解调调，恢恢复复调调制制信信号号，测量其调制度。测量其调制度。（5 5）谐波失真度测量：）谐波失真度测量：信信号号通通过过非非线线性性器器件件都都会会产产生生新新的的频频率率分分量量，俗称非线性失真。俗称非线性失真。第7页，共76页，编辑于2022年，星期一休 息第8页，共76页，编辑于2022年，星期一7.2.17.2.1频率特性的基本测量方法频率特性的基本测量方法 测量网络频率特性的基本方法主要有两种：测量网络频率特性的基本方法主要有两种：1.1.点频测量法；点频测量法；2.2.扫频测量法。扫频测量法。7.2 7.2 线性系统频率特性的测量线性系统频率特性的测量第9页，共76页，编辑于2022年，星期一1 1点频测量法点频测量法 保持输入正弦信号大小不变，逐点改变输入信号保持输入正弦信号大小不变，逐点改变输入信号的频率，测量相应的输出电压值。的频率，测量相应的输出电压值。其原理如图所示：其原理如图所示：信号发生器信号发生器被测网络被测网络电子电压表电子电压表2电子电压表电子电压表1示波器示波器第10页，共76页，编辑于2022年，星期一1 1）信号发生器为正弦波输入信号，它作为被测网络输）信号发生器为正弦波输入信号，它作为被测网络输入的信号源，提供频率和电压幅度可调的正弦输入入的信号源，提供频率和电压幅度可调的正弦输入信号。信号。2 2）电子电压表）电子电压表1 1作为网络输入端的电压幅度指示器；作为网络输入端的电压幅度指示器；3 3）电子电压表）电子电压表2 2作为网络输出端的电压幅度指示器；作为网络输出端的电压幅度指示器；4 4）示波器主要用来检测它们的波形。）示波器主要用来检测它们的波形。第11页，共76页，编辑于2022年，星期一测量方法：测量方法：在被测网络整个工作频段内，保持输入电压的幅度在被测网络整个工作频段内，保持输入电压的幅度恒定，改变信号发生器输入网络的信号频率，在被测恒定，改变信号发生器输入网络的信号频率，在被测网络输出端用电子电压表网络输出端用电子电压表2 2测出各频率点相应的输出测出各频率点相应的输出电压。电压。在直角坐标系中，以横轴表示频率的变化，以纵轴在直角坐标系中，以横轴表示频率的变化，以纵轴表示输出电压幅度的变化，每个频率点对应一个输出表示输出电压幅度的变化，每个频率点对应一个输出电压值，描点并连成光滑曲线，即得到被测网络的幅电压值，描点并连成光滑曲线，即得到被测网络的幅频特性曲线。频特性曲线。第12页，共76页，编辑于2022年，星期一幅频特性曲线幅频特性曲线 第13页，共76页，编辑于2022年，星期一点频测量法的特点：点频测量法的特点：是一种静态测量方法。是一种静态测量方法。优点：不需要特殊仪器，测量准确度比较高，能反优点：不需要特殊仪器，测量准确度比较高，能反映出被测网络的静态特性。映出被测网络的静态特性。缺点：操作繁琐，工作量大，容易遗漏某些细节，不缺点：操作繁琐，工作量大，容易遗漏某些细节，不能反映出被测网络的动态特性。能反映出被测网络的动态特性。第14页，共76页，编辑于2022年，星期一2 2扫频测量法扫频测量法 利用扫频信号发生器取代点频测量法中的正弦信号利用扫频信号发生器取代点频测量法中的正弦信号发生器；用示波器取代点频测量法的电压表。发生器；用示波器取代点频测量法的电压表。扫频测量法的简要框图扫频测量法的简要框图 第15页，共76页，编辑于2022年，星期一测量方法：测量方法：u 扫频信号发生器中的扫频振荡器是关键环节，它扫频信号发生器中的扫频振荡器是关键环节，它产生一个幅度恒定且频率随时间线性变化的信号作产生一个幅度恒定且频率随时间线性变化的信号作为被测网络的输入信号，通常称为扫频信号。为被测网络的输入信号，通常称为扫频信号。u 这个扫频信号经过被测电路后就不再是等幅的，而这个扫频信号经过被测电路后就不再是等幅的，而是幅度按照被测网络的幅频特性做相应的变化。该信是幅度按照被测网络的幅频特性做相应的变化。该信号经过示波器号经过示波器Y Y通道放大，加到示波管的通道放大，加到示波管的Y Y偏转系统。偏转系统。第16页，共76页，编辑于2022年，星期一u 扫描电路产生线性良好的锯齿波电压，该电压一方面加扫描电路产生线性良好的锯齿波电压，该电压一方面加到扫频振荡器中对其振荡频率进行调制，另一方面，该锯到扫频振荡器中对其振荡频率进行调制，另一方面，该锯齿波经过放大，加到示波管齿波经过放大，加到示波管X X偏转系统，配合偏转系统，配合Y Y偏转信号来偏转信号来显示图形。显示图形。扫频信号发生器送出扫频信号至被测电路后，在显示扫频信号发生器送出扫频信号至被测电路后，在显示器上可以观察到被测电路的频率特性曲线。器上可以观察到被测电路的频率特性曲线。第17页，共76页，编辑于2022年，星期一扫频测量法的特点：扫频测量法的特点：是一种动态测量方法。是一种动态测量方法。优点：测量过程简单，速度快，不会产生遗漏现象，优点：测量过程简单，速度快，不会产生遗漏现象，还能边测边调试，提高了工作效率。还能边测边调试，提高了工作效率。缺点：测量的准确度比点频测量法低。缺点：测量的准确度比点频测量法低。第18页，共76页，编辑于2022年，星期一 频率特性测试仪简称扫频仪，主要用于测量网络的幅频率特性测试仪简称扫频仪，主要用于测量网络的幅频特性频特性。它是根据扫频法的测量原理设计而成的。它是根据扫频法的测量原理设计而成的。利用扫频信号发生器及示波器显示原理，可将被测电利用扫频信号发生器及示波器显示原理，可将被测电路的幅频特性直接显示在示波管的屏幕上的电子测量路的幅频特性直接显示在示波管的屏幕上的电子测量仪器。仪器。7.2.2 7.2.2 频率特性测试仪工作原理频率特性测试仪工作原理第19页，共76页，编辑于2022年，星期一能够直接显示被测电路的能够直接显示被测电路的频率频率幅度幅度特性。特性。扫扫频频仪仪能能显显示示频频率率与与幅幅度度关关系系的的曲曲线线，所所以以称称之之为为扫频仪。扫频仪。扫频仪可以用来测定调谐放大器、宽带放大器、各种扫频仪可以用来测定调谐放大器、宽带放大器、各种滤波器、鉴频器、以及其它有源或无源网络的频率幅频滤波器、鉴频器、以及其它有源或无源网络的频率幅频特性。特性。对于通信、广播电视、雷达导航、卫星地面站等设对于通信、广播电视、雷达导航、卫星地面站等设备的调试、及有关电路的分析和研究起着重要的作备的调试、及有关电路的分析和研究起着重要的作用。用。第20页，共76页，编辑于2022年，星期一1.1.频率特性测试仪的工作原理频率特性测试仪的工作原理 根据扫频测量法的原理设计、制造而成的。它是根据扫频测量法的原理设计、制造而成的。它是将扫频信号源及示波器的将扫频信号源及示波器的X XY Y显示功能结合为一体，显示功能结合为一体，用于测量网络的幅频特性。用于测量网络的幅频特性。第21页，共76页，编辑于2022年，星期一扫频仪的原理框图如图所示：扫频仪的原理框图如图所示：u1u1u2u3u4u5X放大器扫描电压发生器扫频信号发生器被测电路检波探头Y放大器晶振混频器频标信号形成电路u3第22页，共76页，编辑于2022年，星期一1 1）扫描电压发生器）扫描电压发生器 输出输出u u1 1和和u u2 2两个信号。两个信号。u u1 1：扫描电压信号：扫描电压信号；一方面给扫频信号发生器提供调制信号，；一方面给扫频信号发生器提供调制信号，另一方面给示波器另一方面给示波器x x轴偏转板提供扫描电压。轴偏转板提供扫描电压。u u2 2：扫频停振信号：扫频停振信号；为消除扫描逆程期间，回扫轨迹对正程；为消除扫描逆程期间，回扫轨迹对正程轨迹的干扰，在扫描电压逆程期间，使扫频振荡器停止产生轨迹的干扰，在扫描电压逆程期间，使扫频振荡器停止产生扫频信号，从而回扫时呈现水平线光迹。扫频信号，从而回扫时呈现水平线光迹。第23页，共76页，编辑于2022年，星期一X X轴扫描电压发生器轴扫描电压发生器的任务是产生锯齿波电压。的任务是产生锯齿波电压。锯锯齿齿波波信信号号一一般般由由50Hz50Hz市市电电经经降降压压、限限幅幅、整整形形之后获得。之后获得。扫描电压发生器的作用是使扫描的图形在扫描电压发生器的作用是使扫描的图形在X X方向展开。方向展开。X X轴放大器轴放大器为为了了得得到到足足够够的的扫扫描描电电压压的的幅幅度度，使使荧荧光光屏屏上上的的水水平扫描有足够的宽度。平扫描有足够的宽度。第24页，共76页，编辑于2022年，星期一2 2）扫频信号发生器）扫频信号发生器 在扫描信号控制下，输出频率随扫描电压幅度大小变在扫描信号控制下，输出频率随扫描电压幅度大小变化的扫频信号化的扫频信号；同时也受扫描停振信号的控制，在扫描电压逆程期间停同时也受扫描停振信号的控制，在扫描电压逆程期间停振；即为振；即为u u3 3。第25页，共76页，编辑于2022年，星期一(a)扫描仪框图 扫描信号是在扫描电压的控制下产生的。扫描信号是在扫描电压的控制下产生的。扫扫频频信信号号发发生生器器在在扫扫描描正正程程电电压压的的作作用用下下，产产生生随随着着扫扫描信号幅度变化频率而发生变化的描信号幅度变化频率而发生变化的等幅波调频信号等幅波调频信号。在在扫扫描描电电压压的的逆逆程程，电电路路采采取取措措施施使使扫扫描描电电压压发发生生器器向向扫扫频频信信号号发发生生器器输输出出负负脉脉冲冲，使使扫扫频频信信号号发发生器无输出信号。逆程期屏幕上显示的是生器无输出信号。逆程期屏幕上显示的是零基线零基线。扫频信号的产生一般有磁调制扫频和变容二极管扫频信号的产生一般有磁调制扫频和变容二极管扫频两种。扫频两种。第26页，共76页，编辑于2022年，星期一 磁调制扫频磁调制扫频 图中图中L L2 2、C C调谐回路的谐振频率调谐回路的谐振频率f f0 0为：为：L L2 2为绕在高频磁芯为绕在高频磁芯M MH H上线圈上线圈的电感量。的电感量。若能用时基系统产生的扫描信号改变若能用时基系统产生的扫描信号改变L L2 2，也就改变了谐振频率。，也就改变了谐振频率。第27页，共76页，编辑于2022年，星期一 由由电电磁磁学学理理论论可可知知，带带磁磁芯芯线线圈圈的的电电感感量量与与磁磁芯芯的的导导磁系数磁系数0 0成正比：成正比：L L2 2=0 0L L 式中式中L L为空芯线圈的电感量。为空芯线圈的电感量。由由于于高高频频磁磁芯芯M MH H接接在在低低频频磁磁芯芯M ML L的的磁磁路路中中，而而绕绕在在M ML L上上的线圈中的电流是交流和直流两部分的扫描电流。的线圈中的电流是交流和直流两部分的扫描电流。当当扫扫描描电电流流随随时时间间变变化化时时，使使得得磁磁芯芯的的有有效效导导磁磁系系数数也也随随着着改改变变，扫扫描描电电流流的的变变化化就就导导致致了了L L2 2及及谐谐振振频频率率f f0 0的变化，实现了的变化，实现了“扫频扫频”。第28页，共76页，编辑于2022年，星期一 变容二极管法变容二极管法 变容二极管法的基本思想变容二极管法的基本思想：用用变变容容二二极极管管充充当当振振荡荡回回路路中中的的电电容容，用用扫扫描描锯锯齿齿波波电电压压去去控控制制变变容容二二极极管管两两端端的的电电压压，使使其其容容量量随随之之发发生生变变化化，从从而而使使振振荡荡频频率率随随扫扫描描锯锯齿齿波波的的电电压变化而变化，而实现调频。压变化而变化，而实现调频。第29页，共76页，编辑于2022年，星期一 扫扫描描锯锯齿齿波波电电压压加加至至两两变变容容管管V1V1与与V2V2的的中中点点，控控制制结结电电容容的的变变化化，使使扫扫频频振振荡荡器器的的频频率率随随锯锯齿齿波波电电压的变化而变化。压的变化而变化。锯锯齿齿波波电电压压的的幅幅度度的的大大小小可可以以改改变变扫扫频频宽宽度度，即即改改变扫频振荡器的频偏。变扫频振荡器的频偏。改变锯齿波的变化速率可改变扫频速度。改变锯齿波的变化速率可改变扫频速度。第30页，共76页，编辑于2022年，星期一3 3）被测电路）被测电路 由于输入信号的频率变化，按照电路自身的特性输由于输入信号的频率变化，按照电路自身的特性输出信号的幅度不同；即为出信号的幅度不同；即为u u4 4。4 4）检波探头）检波探头 将被测电路的输出信号将被测电路的输出信号u u4 4包络波形检出，形成包络波形检出，形成u u5 5信号。信号。第31页，共76页，编辑于2022年，星期一 测试波形图测试波形图 第32页，共76页，编辑于2022年，星期一5 5）频标形成电路）频标形成电路 频标的产生方法通常是频标的产生方法通常是差频法差频法。晶体振荡器产生的信号经谐波发生器产生一系列晶体振荡器产生的信号经谐波发生器产生一系列的谐波分量，这些基波和谐波分量与扫频信号一起的谐波分量，这些基波和谐波分量与扫频信号一起进入频标混频器进行混频。进入频标混频器进行混频。第33页，共76页，编辑于2022年，星期一当扫频信号的频率正好等于基波或某次谐波时，当扫频信号的频率正好等于基波或某次谐波时，频标混频器产生频标混频器产生零差频零差频；当两者的频率相近时，频标混频器输出差频，当两者的频率相近时，频标混频器输出差频，差频值随差频值随扫频信号的瞬时频偏的变化而变化扫频信号的瞬时频偏的变化而变化。差频信号经低通滤波器及放大后形成菱形图形，差频信号经低通滤波器及放大后形成菱形图形，这就是菱形频标。这就是菱形频标。第34页，共76页，编辑于2022年，星期一5MHz4MHz6MHz扫频信号4MHz5MHz6MHz晶振信号频标信号第35页，共76页，编辑于2022年，星期一休 息第36页，共76页，编辑于2022年，星期一 信号时域分析与频域分析的比较：信号时域分析与频域分析的比较：1 1、定义、定义时域分析：把被测信号作为时间的函数进行分析，以时时域分析：把被测信号作为时间的函数进行分析，以时间间 t t 作水平轴。作水平轴。如：用示波器观察信号波形。如：用示波器观察信号波形。频域分析：把被测信号作为频率的函数进行分析，以频域分析：把被测信号作为频率的函数进行分析，以频率频率 f f 作水平轴。作水平轴。如：用扫频仪测量电路的幅频特性，用频谱分析仪观测如：用扫频仪测量电路的幅频特性，用频谱分析仪观测信号的频谱。信号的频谱。6.3 6.3 频谱分析仪频谱分析仪第37页，共76页，编辑于2022年，星期一2 2、示例、示例 一个由基波和二次谐波合成的信号，用示波器进行时一个由基波和二次谐波合成的信号，用示波器进行时域测量和频谱分析仪进行频域测量。域测量和频谱分析仪进行频域测量。基波与二次谐波初始相位相同基波与二次谐波初始相位相同基波二次谐波第38页，共76页，编辑于2022年，星期一示波器显示：示波器显示：频谱仪显示：频谱仪显示：基波频率二次谐波频率第39页，共76页，编辑于2022年，星期一 将时域分析与频域分析绘于同一图上进行比较将时域分析与频域分析绘于同一图上进行比较幅度u频率f时间tf 0时域分析T=1/f 0时域观点v-t频域观点v-f频域分析第40页，共76页，编辑于2022年，星期一可见：可见：反映基波与谐波的相位差（可以分析反映基波与谐波的相位差（可以分析 信号失真的原因）信号失真的原因）示波器示波器 反映信号幅度反映信号幅度 体现不出信号的微小失真体现不出信号的微小失真 反映信号中的频率分量（可以测出反映信号中的频率分量（可以测出 微小谐波分量）微小谐波分量）频谱分析仪频谱分析仪 反映幅度反映幅度 体现不出基波与谐波的相位差体现不出基波与谐波的相位差第41页，共76页，编辑于2022年，星期一总结：总结：时域分析时域分析与与频域分析频域分析从不同角度观察同一信号，从不同角度观察同一信号，结果不同但其本质是共通的。结果不同但其本质是共通的。“频谱频谱”(幅度频谱幅度频谱)，即信号中各频率分量的幅，即信号中各频率分量的幅度对频率值的关系线图，其中每条线代表某一频率分度对频率值的关系线图，其中每条线代表某一频率分量的幅度，称为谱线。量的幅度，称为谱线。幅度频率第42页，共76页，编辑于2022年，星期一 频谱分析仪的工作原理频谱分析仪的工作原理1 1、模拟顺序滤波式频谱分析仪、模拟顺序滤波式频谱分析仪 该种仪器以模拟滤波器为基础，即用适当该种仪器以模拟滤波器为基础，即用适当的滤波器选出被测信号的频率分量。的滤波器选出被测信号的频率分量。第43页，共76页，编辑于2022年，星期一信号输入（含有谐波分量fx1、fx2、fx3、fxn）示波管带通滤波器2带通滤波器1带通滤波器3带通滤波器n前置放大器检波器阶梯波扫描发生器Sf 01f 02f 03f 0n 缺点：需要大量的窄带滤波器第44页，共76页，编辑于2022年，星期一2 2、扫频外差式频谱仪、扫频外差式频谱仪 该种仪器是按外差方式来选择所需频率的，其中频固定，该种仪器是按外差方式来选择所需频率的，其中频固定，通过改变本机振荡器的振荡频率达到选频的目的。通过改变本机振荡器的振荡频率达到选频的目的。主要由外差式接收机和示波器构成。主要由外差式接收机和示波器构成。混频器中频放大器检波器扫频本机振荡器扫描电压发生器Y放大X放大 f x（含有谐波分量fx1、fx2、fx3、fxn）f onf L（t）第45页，共76页，编辑于2022年，星期一1 1、扫频本机振荡器、扫频本机振荡器 是仪器内部的振荡源，受扫描电压发生器输出信号扫是仪器内部的振荡源，受扫描电压发生器输出信号扫描电压调制，输出在一定范围内扫动的扫频信号。描电压调制，输出在一定范围内扫动的扫频信号。2 2、扫描电压发生器、扫描电压发生器 一方面给扫频振荡器提供调制电压，另一方面给示波器一方面给扫频振荡器提供调制电压，另一方面给示波器提供水平扫描电压，故水平轴已变成频率轴。提供水平扫描电压，故水平轴已变成频率轴。tu0tu0第46页，共76页，编辑于2022年，星期一3 3、混频器、混频器 接收被测信号和扫频信号，产生两者的差频接收被测信号和扫频信号，产生两者的差频 fon=f Lfon=f L（t t）fxn fxn。依次落入中频放大器的通频带内。依次落入中频放大器的通频带内。4 4、中频放大器、中频放大器 具有固定通频带，只对通频带内的频率信号进行放具有固定通频带，只对通频带内的频率信号进行放大。大。0uff 0f1f2第47页，共76页，编辑于2022年，星期一5 5、检波器、检波器 对中频放大器的输出信号进行峰值检波，并将检波所对中频放大器的输出信号进行峰值检波，并将检波所得信号送往示波器得信号送往示波器Y Y轴电路。轴电路。0ut0uf检波器 第48页，共76页，编辑于2022年，星期一休 息第49页，共76页，编辑于2022年，星期一8.3 频谱分析测量频谱分析测量8.3.1 选频测量图8.9所示为外差式谐波分析仪的原理框图。第50页，共76页，编辑于2022年，星期一图8.9 外差式谐波分析仪的原理框图第51页，共76页，编辑于2022年，星期一8.3.2 频谱分析仪1.频谱分析仪的原理1)滤波式频谱分析图8.10示出了滤波式频谱仪的基本结构。输入信号经过一组中心频率不同的滤波器或经过一个扫描调谐式滤波器，选出各个频率分量，经检波后进行显示或记录。在这种频谱仪中，随着滤波器频率的改变，完成频谱分析，因此，滤波器和检波器是两个重要的单元电路，它们的构成形式和性能好坏对频谱分析仪起着重要的作用。其原理简图如图8.11所示。第52页，共76页，编辑于2022年，星期一图8.10 滤波式频谱分析法的简要原理框图第53页，共76页，编辑于2022年，星期一图8.11 外差扫频方式频谱分析方法的原理简图第54页，共76页，编辑于2022年，星期一2)计算法频谱分析计算法在快速傅里叶变换（FFT）算法问世后，才被广泛应用于频谱分析。通过直接计算有限离散傅里叶变换（DFT），即可获得信号序列的离散频谱。有限离散序列xn和它的频谱Xm之间的DFT可表示为计算法频谱分析仪的构成如图8.12所示。第55页，共76页，编辑于2022年，星期一图8.12 计算法频谱分析仪框图第56页，共76页，编辑于2022年，星期一2.频谱分析仪的分类1）并行滤波实时频谱仪并行滤波实时频谱仪又称为多通道滤波式频谱分析仪，其原理如图8.13所示。第57页，共76页，编辑于2022年，星期一图8.13 并行滤波实时频谱仪的原理框图第58页，共76页，编辑于2022年，星期一2）扫频滤波式频谱仪扫频滤波式频谱仪利用一个中心频率受扫频电压调节的带通滤波器来实现工作频带内的频谱分析，其原理框图如图8.14所示。第59页，共76页，编辑于2022年，星期一图8.14 扫频滤波式频谱分析仪的原理框图第60页，共76页，编辑于2022年，星期一3）扫频外差式频谱仪 借助于外差式收音机和扫频的原理，将输入信号与仪器内部的本地振荡信号进行混频，通过线性地调整本地振荡源的频率，使其与被测信号中各频率成分形成固定的差频，用相对频移的方法取代图8.14中的电调谐带通滤波器，这就构成了扫频外差式频谱分析仪，如图8.15所示。第61页，共76页，编辑于2022年，星期一图8.15 扫频外差式频谱分析仪的原理框图第62页，共76页，编辑于2022年，星期一4）时基压缩式实时频谱仪时基压缩式实时分析仪又称为模拟数字混合式频谱分析仪，其原理框图如图8.16所示。5）数字式频谱仪随着数字信号处理技术的成熟与应用，频谱分析仪也走向了数字化。用数字滤波器代替上述模拟频谱分析仪中的模拟滤波器、用数字平方检波和均方算法代替二极管检波，这就构成了数字滤波式频谱分析仪。第63页，共76页，编辑于2022年，星期一图8.16 时基压缩式频谱仪的原理框图第64页，共76页，编辑于2022年，星期一6）采用数字中频的外差式频谱分析仪数字式频谱分析仪目前由于受到A/D采样速率和数字信号处理器处理速度的限制，无法实现对射频及微波信号的频谱实时分析，为解决这一问题，采用数字中频的外差式频谱分析仪诞生了。这种分析仪融合了外差扫描与数字信号处理及实时分析技术，在传统模拟外差式频谱分析仪的基础上，在中频及以后部分采用了全数字技术，通过数字滤波和FFT的方法，使分辨力和分析速度都大为提高，频谱分析仪的性能得到很大改善。第65页，共76页，编辑于2022年，星期一3.频谱分析仪的主要技术参数 频谱分析仪的参数较多，并且不同种类的频谱仪参数也不完全相同，但以下技术参数是最基本的。1）频率范围频率范围是指能达到频谱分析仪规定性能的工作频率区间，如安捷伦公司的ESA-E系列频谱分析仪频率范围可达325 GHz。2）扫频宽度与分析时间、扫频速度 扫频宽度也称分析宽度，是指频谱分析仪在一次扫描分析过程中所显示的频率范围，也就是本机振荡器的扫频宽度。第66页，共76页，编辑于2022年，星期一3）频率分辨率频率分辨率是指频谱分析仪能把靠得很近的两个频谱分量分辨出来的能力。由于屏幕显示的谱线实际上是窄带滤波器的动态幅频特性，因而频谱分析仪的分辨率主要取决于窄带滤波器的通频带宽度，因此定义窄带滤波器幅频特性的3 dB带宽为频谱仪的分辨率。4）动态范围与测量范围频谱分析仪的动态范围定义为：频谱分析仪能以给定精度测量、分析输入端同时出现的两个信号的最大功率比（用dB表示）。它实际上表示频谱分析仪显示大信号和小信号的频谱的能力。其上限受到非线性失真的制约，一般可达60 dB以上，有的甚至达90 dB。第67页，共76页，编辑于2022年，星期一5）灵敏度灵敏度是指频谱分析仪测量微弱信号的能力，定义为显示幅度为满刻度时，输入信号的最小电平值。灵敏度受分析仪中存在的噪声、杂波、失真以及杂散响应的限制，并且与扫速有关，扫速越快，动态幅频特性峰值就越低，灵敏度也越低。许多频谱分析仪的灵敏度可达-135-115 dBm。第68页，共76页，编辑于2022年，星期一 4.频谱分析仪的应用1）对信号参数进行测量 由上述频谱仪的工作原理可知，用频谱仪可以测量信号本身（即基波）及各次谐波的频率、幅度、功率谱，以及各频率分量之间的间隔，具体包括：(1)直接测量各次谐波的频率、幅值，用以判断失真的性质及大小。(2)可以用做选频电压表，如测量工频干扰的大小。(3)根据谱线的抖动情况，可以测量信号频率的稳定度。(4)测试调幅、调频、脉冲调制等调制信号的功率谱及边带辐射。(5)测量脉冲噪声，测试瞬变信号。第69页，共76页，编辑于2022年，星期一2）信号仿真测量 对于声音信号来说，通常说的“音色”是对频谱而言的，音色如何是由其谐波成分决定的。各种乐器或歌唱家的音色可用频谱来鉴别。通过频谱仪可对各种乐器的频谱进行精确的分析测量，由电子电路制作的电子琴是典型的仿真乐器，在电子琴的制作和调试过程中，通过与被仿乐器的频谱做精确的比对，可提高电子琴的仿真效果。同理，可通过频谱分析仪的协助来实现语言的仿真。第70页，共76页，编辑于2022年，星期一3）电子设备生产调测频谱分析仪可显示信号的各种频率成分及幅度，在生产、检测中常用于调测分频器、倍频器、混频器、频率合成器、放大器及各种电子设备整机等，测量其增益、谐波失真、相位噪声、杂波辐射等，如频谱分析仪是无线电通信设备整机检测的重要仪器。图8.17给出了发射机杂散辐射测量的示意图。第71页，共76页，编辑于2022年，星期一4）电磁干扰（EMI）的测量频谱分析仪是电磁干扰的测试、诊断和故障检修中用途最广的一种工具。频谱分析仪对于一个电磁兼容（EMC）工程师来说就像一位数字电路设计工程师手中的逻辑分析仪一样重要。如在诊断电磁干扰源并指出辐射发射区域时，采用便携式频谱分析仪是很方便的。5）相位噪声的测量频谱分析仪还广泛用于信号源、振荡器、频率合成器输出信号相位噪声的测量。第72页，共76页，编辑于2022年，星期一图8.17 发射机杂波辐射的测量第73页，共76页，编辑于2022年，星期一思考题思考题81.什么是频域测量？常包括哪些应用种类？2.频率特性的测试方法有哪几种？3.扫频仪主要由哪几部分电路组成？说明各部分电路的作用，并举例说明扫频仪的应用。4.频谱分析仪主要有哪几种？简述其工作原理？5.数字式频谱分析仪有何特点？采用数字中频的外差式频谱分析仪有什么特点？第74页，共76页，编辑于2022年，星期一6.举例说明频谱分析仪的应用。7.谐波失真的测量方法主要有哪几种？8.某放大器对一纯正弦波信号进行放大，对其输出信号进行频谱分析，观察到的频谱如图8.19所示，已知谱线间间隔恰好为基波频率，求该信号的失真度。第75页，共76页，编辑于2022年，星期一图8.19 题8图第76页，共76页，编辑于2022年，星期一