电子测量与仪表.ppt
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1、电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学电子测量与仪表 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第6章 频域测量6.1 频率特性测试仪工作原理6.2 操作使用6.3 扫频仪的应用6.4 频谱仪电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学第6章 频域测量学学习参参考考:频域测量仪
2、器包括扫频仪、频谱仪等仪器,主要用于测量频率特性曲线、频谱特性曲线,也是常用测试仪器之一。要求通过学习掌握仪器的基本组成与原理、了解它们的使用。本本章章要要点点:扫频仪、频谱仪的组成原理与性能指标及应用电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学频率特性测试仪简称为扫频仪,是一种能在示波器荧光屏上直接观测到各种电路频率特性曲线等的频域测量仪器,由此可以测算出被测电路频带宽度、品质因数、电压增益、输入输出阻抗及传输线特性阻抗等参数。扫频仪与示波器的区别在于前者能够自身提供测试时所需要的信号源,并将测试结果以
3、曲线形式显示在荧光屏上。第6章 频域测量电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.1 频率特性测试仪工作原理6.1.1 扫频仪工作原理扫频仪实质上是扫频信号源与示波器X-Y方式的结合。其组成框图及工作波形如图1所示。X放大器扫描信号源扫频信号源被测电路检波探头Y放大器频标信号形成电路混频器晶振u2u1u1u3u4u5tttttu1u2u3u4u5(b)(a)图1 扫频仪组成框图及工作波形电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南
4、科技大学西南科技大学6.1.1 扫频仪工作原理扫频信号源,即频率受控振荡器,在扫描信号u1控制下产生扫频信号u3。扫描信号源产生的扫描信号u1、扫频起停控制信号u2分别是扫频信号源的频率控制信号及停振控制信号,u1还是示波器的水平扫描信号。当扫频信号u3为锯齿波电压时,由于正程扫描速度慢,回程扫描速度快,使得扫描正程、扫描回程得到的波形不重合而无法观测,如图2(a)所示。正程回程u(f)fu(f)f(a)(b)图2 扫频仪扫描正程和扫描逆程的不重合电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.1.1 扫
5、频仪工作原理当扫频信号u3为正弦波电压号,u3在扫描回程时停振,使显示出的波形为被测波形和用作水平轴的水平回扫线的组合,如图2(b)所示。检波探头用于解调出经过被测电路的扫频信号的振幅(包络)变化情况,得到被测电路的幅频特性曲线。频标形成电路用于产生进行频率标度的频标信号,以便读出各点对应的频率值。正程回程u(f)fu(f)f(a)(b)图2 扫频仪扫描正程和扫描逆程的不重合电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.1.2 产生扫频信号的方法产生扫频信号的方法很多,比较常用的是变容二极管扫频。图3为
6、变容二极管扫频振荡器原理图,其中VT1组成电容三点式振荡器,变容二极管VD1、VD2与L1、L2及VT1的结电容组成振荡回路,C1为隔直电容,L3为高频扼流圈。L1L2R1R2C1VD1VD2L3R3VT1+EC调制信号扫频信号图3 变容二极管扫频振荡器原理图电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.1.2 产生扫频信号的方法调制信号经L3同时加至变容管VD1、VD2的两端,当调制电压随时间作周期性变化时,VD1、VD2结电容的容量也随之变化,从而使振荡器产生扫频信号。L1L2R1R2C1VD1VD
7、2L3R3VT1+EC调制信号扫频信号图3 变容二极管扫频振荡器原理图电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.1.3 变容二极管变容二极管:又称“可变电抗二极管”。是一种利用PN结电容(势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶,并采用外延工艺技术。反偏电压愈大,则结电容愈小。主要参量是:零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围(以皮法为单位)以及截止频率等,对于不同用途,应选用不同C和Vr特性的变容二极管,如有专用于谐
8、振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.1.3 变容二极管用于自动频率控制和调谐用的小功率二极管称变容二极管。通过施加反向电压,使其PN结的静电容量发生变化。因此,被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常,虽然是采用硅的扩散型二极管,但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管,因为这些二极管对于电压而言,其静电容量的变化率特别大。结电容随反向偏置电压Vr变
9、化,取代可变电容,用作调谐回路、振荡电路、锁相环路,常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路,多以硅材料制作。电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.1.4 频标产生电路扫频仪采用在幅频特性曲线上叠加频标的方法进行频率标度,包括菱形频标和针形频标两种,一般由差频电路产生。1.菱形频标图4(a)为菱形频标产生原理图,它对扫频信号与标准信号的基波、谐波进行混频而得到“零差频”的菱形频标,如图4(b)所示。设标准信号频率为fs,则谐波信号源输出信号频率为基波fs及各次谐波fs1、fs2、fs3、fs4、f
10、s5、。扫频信号与谐波信号源输出信号经混频器混频后,再经低通滤波输出差频信号,由此得到一系列零差点。电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.1.4 频标产生电路标准信号源谐波信号源扫频信号源被测电路检波探头频标混频低通滤波Y放大器(b)(a)图4 菱形频标产生原理fSfS1、fS2、fS3、fS4、fS5fS1fS2fS3fS4fS5fS1fS2fS3fS4fS5电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6
11、.1.4 频标产生电路例如在f=fs1处差频为零,而f在fs1点附近差频越来越大,由于低通滤波器的选通性,在靠近零差点的幅度最大,两边信号幅度迅速衰减,于是在f=fs1处形成“菱形频标”。同理,在f=fs2、f=fs3处也形成菱形频标。菱形频标与幅频特性曲线叠加便出现图4(b)所示的图形,配合标准信号源可读出频标的频率值。电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.1.4 频标产生电路菱形频标是由低通滤波器对差频信号的选择性而形成的,其选择性不可能无限高,故菱形频标总要占有一定的宽度,只有在特性曲线上
12、占有的宽度相对较窄时,才能形成相对很细的可分辨的频标,否则频标相互靠近、连接、甚至局部叠加,难以确定频率值。故菱形频标适于高频测量。BT-3C型频率特性测试仪采用差频法产生菱形频标,为了提高频标的准确度,采用频率分别为1MHz和10MHz的晶体振荡器产生菱形频标。电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.1.4 频标产生电路2.针形频标在低频扫频仪中常用针形频标,其产生方法与菱形频标相似。利用菱形差频信号触发单稳触发器,使之输出一个窄脉冲,窄脉冲经整形后再与幅频特性曲线在Y放大器中叠加,最后出现在幅
13、频特性曲线上。窄脉冲的宽度可由单稳触发器调节得很窄,所以产生的频标形似细针,称之为针形频标,适用于低频测量。例如,BT-4型低频频率特性测试仪即采用针形频标。电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.2 操作使用以BT-3GIII型频率特性测试仪为例来详细介绍扫频仪的使用方法。1、BT-3GIII型频率特性测试仪的面板布置电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.2 操作使用2、旋钮的名称与作用(1)显示
14、器的旋钮与作用亮度:用来调节扫描线的亮度,顺时针调整,亮度最大,反之则扫描线最暗。聚焦:调整该旋钮可使扫描线光滑清晰。水平校准:当扫描线不能和水平刻度线重合时,可加以调整。Y输入:通常接检波探头的输出端。对于含有内检波的四端网络,该网络的输出可直接加到Y输入。Y增益:用于调节输入信号的大小,以使得被测信号能直观地显示在屏幕上。电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.2 操作使用2、旋钮的名称与作用(1)显示器的旋钮与作用位移:通过旋钮的来回调节,可使整个扫描曲线上下移动。Y位移:通过旋钮的来回调节
15、,可使整个扫描曲线上下移动。Y轴衰减选择挡:共分为*1、*10、*100三挡,应和Y 增益配合使用,通过不同挡的选择,可改变整个Y轴的增益与扫描曲线的高度。电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.2 操作使用2、旋钮的名称与作用(2)扫频信号源的旋钮与作用中心频率:调节该旋钮,可使需要的中心频率置于屏幕的中心位置。扫频宽度:调节该旋钮,可得到合适的扫频带宽。输出衰减:输出衰减共分七挡,通过不同的组合,可得到不同的衰减量,它的设置可以改变扫频信号的输出幅度。扫频输出:扫频信号的输出端,通常接到被测四
16、端网络的输入端。电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.2 操作使用2、旋钮的名称与作用(3)频标信号发生器的旋钮与作用频标选择频标幅度外接频标电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.2 操作使用3.使用方法(1)使用前的准备工作将检波探头推入自校准插座,并将自校准插头接扫频输出插座,检波输出插头接Y输入。如图5所示:图5 检波探头的连接电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measu
17、rement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.2 操作使用3.使用方法(2)频标识别将频标选择旋钮置于10/1位置,中心频率置于起始处,此时屏幕中出现不同于菱形频标的特殊标识,称作零拍。顺时针转动中心频率旋钮,会发现0拍及右面的大小频标逐渐左移。其中幅度大的为10MHz频标,幅度小的为1MHz频标。将频标选择旋钮置于50位置,在零拍右面的第一个频标为50MHz,第二个频标为100MHz,其余依次类推。电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.2 操作使用3.使用方法(3)
18、扫频宽度不同的四端网络有着不同的频带,预置扫频宽度太窄,被测曲线在水平方向会很小;预置扫频宽度太宽,被测曲线在水平方向会很大。因此调节扫频宽度旋钮会得到合适的扫频宽度。电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic Measurement and Instruments)西南科技大学西南科技大学6.2 操作使用3.使用方法(4)中心频率读取不同的四端网络除了有不同的频带之外,还有不同的中心频率,预置中心频率过高,被测曲线会在右面,预置中心频率过低,被测曲线会在左面。调节中心频率旋钮,使得中心频率在屏幕中央,就可以对称地观察被测曲线。电子测量与仪表(电子测量与仪表(Electronic M
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