《频域测量与仪器》PPT课件.ppt

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1、频域测量与仪器 第 5 章第第5 5章章 频频域域测测量量与与仪仪器器 5.1 频率特性测试仪工作原理频率特性测试仪工作原理 5.2 AH1254B型宽频带扫频仪型宽频带扫频仪 5.3 频谱仪频谱仪本章小结本章小结1频域测量与仪器 第 5 章第第5章章 频域测量与仪器频域测量与仪器学习参考：学习参考：频域测量仪器包括扫频仪、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。本章要点：本章要点：扫频仪、频谱仪的组成原理与性能指标及应用。2频域测量与仪器 第 5 章5.1 频率特性测试仪工作原理频率特性测试仪工作原理

2、5.1.1 频率特性测量法频率特性测量法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，并将测试结果以曲线形式显示在荧光屏上。被测电路的频率特性曲线即幅频特性曲线，测量方法包括点频测量法和扫频测量法。点频测量法即静态测量法，由人工逐次改变输入正弦信号的频率，逐点记录对应频率的输出信号幅度而得到幅频特性3频域测量与仪器 第 5 章曲线。该方法繁琐、费时、不直观、测量误差大。扫频测量法即动态测量法，

3、其原理框图如图5.1所示。扫描信号源一方面为示波器提供扫描信号u1；另一方面又控制扫频信号源的振荡频率，使其产生从低频到高频的周期性重复变化的等幅正弦波u2输送给被测电路，u2称为扫频信号。被测电路的输出信号u3经峰值检波探头检出幅频特性曲线u4，并最终显示出幅频特性曲线来。由于扫频信号是连续变化的，故扫频测量法无测试频率的断点，该方法操作方便直观。扫频信号源扫描信号源示波器被测电路峰值检波探头u1u2u3u1u4XY图5.1 幅频特性的扫频测量原理框图4频域测量与仪器 第 5 章5.1.2 扫频仪工作原理扫频仪工作原理由上述分析可见，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

4、图及工作波形如图5.2所示。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5.3(a)所示。当扫频信号u3为正弦波电压号5频域测量与仪器 第 5 章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5.2 扫频仪组成框图及工作波形正程回

5、程u(f)fu(f)f(a)(b)图5.3 扫频仪扫描正程和扫描逆程的不重合6频域测量与仪器 第 5 章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5.3(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。5.1.3 产生扫频信号的方法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5.4为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

6、，C1为隔直电容，L3为高频扼流圈。调制信号经L37频域测量与仪器 第 5 章同时加至变容管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。5.1.4 频标产生电路频标产生电路 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。L1L2R1R2C1VD1VD2L3R3VT1+EC调制信号扫频信号图5.4 变容二极管扫频振荡器原理图8频域测量与仪器 第 5 章1.菱形频标菱形频标图5.5(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

7、形频标，如图5.5(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、fs5、。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。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5.5(b)所示的图形，配合标准信号源可读出频标的频率值。9频域测量与仪器 第 5 章标准信号源谐波信号源扫频信号源被测电

8、路检波探头频标混频低通滤波Y放大器(b)(a)图5-5 菱形频标产生原理fSfS1、fS2、fS3、fS4、fS5fS1fS2fS3fS4fS5fS1fS2fS3fS4fS510频域测量与仪器 第 5 章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。2.针形频标针

9、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11频域测量与仪器 第 5 章后出现在幅频特性曲线上。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。5.1.5 技术指标技术指标 1.有效扫频宽度和中心频率有效扫频宽度和中心频率 有效扫频宽度是指在扫频线性和振幅平稳性能符合要求的前提下，一次扫频能达到的最大的频率覆盖范围，即f=fmaxfmin式中，f为有效扫频宽度；fmax为扫频最高频

10、率；fmin为扫频最低频率。12频域测量与仪器 第 5 章 扫频信号中心频率f0定义为f0=(fmax+fmin)/2 相对扫频宽度定义为有效扫频宽度与中心频率之比，即 通常把f远小于信号瞬时频率的扫频信号称为窄带扫频，f和瞬时频率可以相比拟的称为宽带扫频。通常把f远小于中心频率的扫频信号称为窄带扫频，f和中心频率可以相比拟的称为宽带扫频。2.扫频线性扫频线性 扫频线性是指扫频信号瞬时频率的变化和调制电压瞬时值13频域测量与仪器 第 5 章变化之间的吻合程度，吻合程度越高，扫频线性越好。3.振幅平稳性振幅平稳性 在幅频特性测试中，必须保证扫频信号的幅度恒定不变。扫频信号的振幅平稳性通常用它的寄

11、生调幅来表示，寄生调幅越小，振幅平稳性越好。5.2 AH1254B型宽频带扫频仪型宽频带扫频仪 AH1254型宽频带扫频仪是由晶体管及集成电路组成的电子测量仪器，其主要特点是：扫频宽度和中心频率均可在1300MHz内连续调节；设置有直流电源输出，以方便对VHF频段高频头的测试；具有点频信号输出，可作为一般信号发生器使用。14频域测量与仪器 第 5 章5.2.1 性能指标性能指标（1）中心频率1300MHz内连续调节。（2）扫频频偏Fmin1MHz，Fmax300MHz。（3）扫频非线性系数扫频频偏在40MHz内不大于5%。（4）扫频信号输出电压不小于250mV。（5）扫频信号输出阻抗75。15

12、频域测量与仪器 第 5 章（6）寄生调幅系数频偏在40MHz内不大于5%，300MHz内不大于10%。（7）输出衰减10dB6，1dB10步进。（8）频标1MHz、10MHz（复合），50MHz及外接。（9）Y轴输入衰减分1、10、100三挡。（10）Y轴输入灵敏度4mV/div。16频域测量与仪器 第 5 章（11）辅助电压输出+12V（0.5A），AGC时06V可调，AFT时012V可调。（12）38MHz输出电压不小于100mV。5.2.2 工作原理工作原理AH1254B型扫频仪的原理框图如图5.6所示。它由扫频信号发生器、频标发生器、显示器、38MHz信号发生器及电源等部分组成。扫频信

13、号发生器包括方波及三角波发生器、线性频率变换器、扫频振荡器、混频器、定频振荡器、稳幅放大器、宽17频域测量与仪器 第 5 章定频振荡器混频器扫频振荡器稳幅放大器宽带放大器衰减器Y轴放大器线性频率变换器高频电压产生器频标发生器X轴放大器CRT方波、三角波发生器电源变压器稳压电源38MHz信号发生器扫频输出Y轴输入图5.6 AH1254型宽带扫频仪原理框图38MHz输出15V、12V+18V、+24V+40V18频域测量与仪器 第 5 章带放大器、衰减器等电路。方波及三角波发生器将降压后的50Hz市电放大整形称为方波，再通过积分得到三角波。三角波一路送往X轴放大器作为扫描信号；另一路送往线性频率变

14、换器进行非线性处理，使加至扫频振荡器的调制信号波形成凹形上升状。这样处理的目的是为了补偿变容二极管的变容特性带来的非线性影响，使扫频信号的瞬时频率随时间线性变化。方波信号用于控制扫频振荡器，使得在电子束回扫期间振荡器停振，从而在荧光屏上形成一条水平基线。为了使扫频信号有较宽的频率调节范围及频偏，本仪器通过差频方式来获取扫频信号。定频振荡器与扫频振荡器均工作于较高频率，它们的输出信号在混频器中混频后输出1300MHz的扫频信号。该信号经宽带放大、衰减后由面板直接输出。19频域测量与仪器 第 5 章5.2.3 面板结构图面板结构图图5.7为AH1254B型扫频仪前面板结构图，面板上各开关旋钮的作用

15、如下：图5.7 AH1254B型扫频仪前面板图111213141516171820频域测量与仪器 第 5 章（1）电源亮度旋钮电源亮度旋钮（见图5.7中）拉出时，仪器接通电源；顺时针旋转，波形亮度加强，反之，变暗。（2）Y轴位移旋钮Y轴移位旋钮（见图5.7中）控制特性曲线上下移动，兼作控制Y轴的输入耦合方式：拉出时为直流（DC）耦合，推入时为交流（AC）耦合。（3）影像极性开关影像极性开关（见图5.7中）拉出时，荧光屏上显示的幅频特性曲线与Y轴输入信号同方向（同相），反之，为反方向（反相）。21频域测量与仪器 第 5 章（4）中心频率旋钮中心频率旋钮（见图5.7中）用于调节扫频信号的中心频率。

16、（5）频率偏移旋钮频率偏移旋钮（见图5.7中）用于调节扫频信号的频偏量。（6）输出衰减旋钮控制扫频信号的输出幅度，分粗调衰减（见图5.7中）及细调衰减（见图5.7中）两组，衰减量为两组旋钮读数之和。22频域测量与仪器 第 5 章（7）Y轴衰减开关Y轴衰减开关（见图5.7中）用于控制特性曲线幅度的大小，自左至右分别为1、10、100挡衰减。（8）频标增益旋钮频标增益旋钮（见图5.7中）用于控制屏幕上频标幅度的大小。（9）外接输入插座外接输入插座（见图5.7中）用于接收外部频标输入信号。（10）射频输出（75）插座射频输出插座（见图5.7中 ）用于输出扫频信号。1123频域测量与仪器 第 5 章（

17、11）AGC旋钮AGC旋钮（见图5.7中 ）拉出时，三路辅助电源（见图5.7中 ）接通；顺时针旋转时，AGC插孔输出电压逐渐增大。（12）38MHz输出插座38MHz输出插座（见图5.7中 ）输出38MHz的定频信号。（13）“、AFT、AGC、+12V”插孔“、AFT、AGC、+12V”插孔（见图5.7中 ）分别输出AFT（012V）、AGC（06V）、+12V三路直流电压，这三路电压称为辅助电源。（14）频标选择（MHz）开关频标选择开关（见图5.7中 ）控制频标的频率值，自左至121413141524频域测量与仪器 第 5 章右分别为“1，10”、“50”、“外接”三挡，其中“1，10”

18、挡为复合挡，即按下该键，屏幕上同时显示出1MHz（幅度小）和10MHz（幅度大）两种频标。（15）AFT旋钮 AFT旋钮（见图5.7中 ）用于调节AFT插孔输出电压的大小。（16）Y轴输入插座 Y轴输入插座（见图5.7中 ）用于接收被测电路经检波后的包络信号。（17）Y轴增益旋钮 Y轴增益旋钮（见图5.7中 ）用于调节特性曲线幅度大16171825频域测量与仪器 第 5 章小。荧光屏上扫描线的长短，无需经常调整。另外，扫频仪后面板上还有下列开关旋钮及插座：（1）X轴增益电位器 X轴增益电位器用于调节荧光屏上扫描线的长短，无需经常调整。（2）X轴位移电位器 X轴位移电位器用于调节扫描线在水平方向

19、上的位置，无需经常调整。（3）工作选择开关 工作选择开关用于控制射频输出（75）插座输出信号的类型：开关拨向“扫频”时输出扫频信号，拨向“点频”时输出定26频域测量与仪器 第 5 章频信号，信号频率由“中心频率”旋钮控制。在点频状态下扫频仪相当于一台宽频信号发生器（1300MHz）。5.2.4 扫频仪的检查、校正及使用扫频仪的检查、校正及使用 1.扫频仪的检查、校正扫频仪的检查、校正 仪器使用之前检查电源电压，电源亮度旋钮拉出时接通电源。调节辉度、聚焦旋钮，以得到足够的亮度和细的扫描线，并选择合适的输入极性“+、”和AC、DC耦合方式。检查仪器内部频标部分，选择频标1MHz、10 MHz或50

20、MHz，此时扫描基线上呈现频标信号，调节频标幅度旋钮可以均匀地调节频标幅度。27频域测量与仪器 第 5 章检查扫频范围。将“频标选择”置于50，频标幅度调至适当位置，即对应于荧光屏的中心位置，旋转“中心频率”旋钮时，扫频信号中心频率的移动范围应能在1300MHz内连续变化。频偏的检查。“频标选择”仍置于50，“频率偏移”旋钮由最小旋至最大，频偏量应能在1300MHz内连续变化。检查扫频信号寄生调幅系数。将连接“射频输出”端的电缆与连接“Y轴输入”端的检波探头对接，“粗衰减”及“细衰减”均置于0，“Y轴衰减”置于1，调节“Y轴增益”旋钮，使荧光屏上显示出高度适当的矩形方框，如图5.8所示，设方框

21、最大值为A，最小值为B，则寄生调幅系数为：28频域测量与仪器 第 5 章对应不同的扫频频偏，在整个频段内m应满足技术性能中规定的要求。检查扫频信号的非线性系数。仍按上述连接方法连接，“中心频率”处任意位置，调节频率偏移旋钮使频偏在40MHz以内，读出在中心频率f0两边频偏量f相等的水平距离，如图5.9所示，记下偏离f0的最大距离A、最小距离B，则非线性系数为：AB图5.8 扫频信号寄生调幅AB图5.9 扫频信号非线性f0f0ff0+f29频域测量与仪器 第 5 章检查扫频输出电压。将后面板上的工作选择开关置于“点频”位置，调节频率偏移旋钮使频偏最小，将超高频毫伏表经75电缆接至射频输出端，此时

22、整个频段内其输出电压应不小于250mV。2.使用方法及注意事项使用方法及注意事项扫频仪检查、校正之后，即可进行测试。使用方法及注意事项如下：测试时注意输出、输入电缆和输入检波探头的接线尽量短，探头探针不应再接另外接线。测试带有检波输出的被测设备时，可直接用输入电缆连接到Y轴输入端。如果被测设备带有直流电位，Y轴输入应选择AC耦合方式，以免损坏仪器。30频域测量与仪器 第 5 章如需要特殊的频率标记，可选择外频标，在外频标插座上加上所需的频率信号，此信号应大于50mV有效值。5.2.5 扫频仪的应用扫频仪的应用扫频仪的应用很广泛，尤其在无线电、电视、雷达及通信等领域内的应用更加普遍。BT-3C型

23、扫频仪的应用举例如下：1.电路幅频特性的测量电路幅频特性的测量按图5.10所示连接扫频仪与被测电路，并根据被测电路的工作频率及测试条件，调节扫频仪面板上有关开关旋钮，如“中心频率”、“输出衰减”等，则可在荧光屏上获得被测电路的幅频特性曲线。31频域测量与仪器 第 5 章BT-3C型扫频仪的输出特性阻抗为75，如果被测电路的输入阻抗也为75，可以用同轴电缆将扫频信号输出端连接到被测电路输入端。否则，应当在两者之间加阻抗匹配电路。2.电路参数的测量电路参数的测量 根据显示的幅频特性曲线可以得出各种电路参数，电路连接如图5.10所示。（1）增益 调节好幅频特性后，用粗、细调衰减器控制扫频信号电压幅度

24、，使其符合电路要求的输入信号幅度，注意衰减器的总衰减量被测电路图5.10扫频仪与被测电路的连接扫频输出Y轴输入32频域测量与仪器 第 5 章应不大于放大器设计的总增益。若显示器的幅频高度为H，输出衰减为B1（dB），将检波探头与扫频输出端短接，改变“输出衰减”，使幅频高度仍为H，此时输出衰减的读数若为B2(dB)，则该放大器增益为：A=(B2B1)(dB)应当注意，在得到衰减量B1读数后，应保持扫频仪的“Y轴增益”旋钮位置不变，否则，测量结构不准确。（2）带宽 对于宽带电路，可以直接用扫频仪的内频标，方便地显示和读出频率特性曲线的宽度，为了更准确地测量，有时也使用外频标。33频域测量与仪器 第

25、 5 章对于窄带调谐电路，可以由图形曲线看出谐振频率f0，如图5.11所示。使扫频仪输出衰减置于3dB处，调整Y增益，使图形峰点与屏幕上某一水平刻度线（虚线AA）相切，然后使扫频信号输出电压增加3dB，则曲线与虚线AA相交，两交点所对应频率即为上下频率fH、fL。则带宽为：BW=fHfL （3）回路Q值 电路连接如图5.10，在用外接频标测出回路的谐振频率f0和fH、fL后，回路Q值的计算如下：Q=f0/BWAAfLfHf0图5.11单调谐回路带宽的测量34频域测量与仪器 第 5 章3.高频阻抗的测量高频阻抗的测量扫频仪还可以测量电路的输入、输出阻抗及电缆特性阻抗，但测量精确度不很高，但使用方

26、便，操作简单。（1）输入阻抗和输出阻抗的测量按图5.12(a)所示进行连接，图中RP1、RP2为无感电阻。测量时，先将RP1短路、RP2断开，调节扫频仪面板上的有关开关旋钮，使屏幕显示的幅频特性曲线的高度为A格，如图5.12所示。撤去RP1上的短路线，调节RP1直至荧光屏显示的曲线高度为A/2格，则RP1的电阻即为被测电路的输入电阻。将RP1重新短路，使曲线高度仍为A格，接通RP2并调节其值直至曲线高度为A/2格，则RP2的电阻值即为被测电路的输出阻抗。35频域测量与仪器 第 5 章应当注意，当被测电路含有选频回路时，荧光屏上显示的曲线将不可能是一条平坦直线，这时可在曲线上选取一个参考点来测量

27、，但所得的阻抗值是对该频率而言的。（2）传输线特性阻抗的测量按图5.13所示进行连接。传输线的一端接可变电阻器，另一端于扫频输出电缆、检波探头并接。Y轴输入扫频输出RP被测传输线图5.13 测量传输线特性阻抗的连接示意图Y轴输入扫频输出RP1RP2被测网络图5.12 测量输入、输出电阻的连接示意图AA/2（b）（a）36频域测量与仪器 第 5 章测量时，调节可变电阻RP直至荧光屏上显示的波形为一平坦直线，此时RP的电阻值即为传输线的特性阻抗。5.3 频谱仪频谱仪观察某一个信号特性的最普遍方法是用示波器来显示波形，它能够将被测信号的波形显示在荧光屏上，并对信号的幅度、频率等进行时域分析，但不能显

28、示出构成非正弦信号频率分量的情况。频谱仪即频谱分析仪，能够将构成非正弦波信号的基波与各次谐波的频率及幅度显示在Y轴输入扫频输出RP被测传输线图5.13 测量传输线特性阻抗的连接示意图37频域测量与仪器 第 5 章荧光屏上，从而得到非正弦波的频谱图，从中得到时域观测所不能得到的独特信息。频谱仪除应用于信号的频谱分析外，还用于放大器的谐波失真、信号发生器的频谱纯度以及系统的频率特性分析等。频谱仪按其工作原理分为数字式和模拟式两大类，目前应用比较普遍的是模拟式频谱仪。模拟式频谱仪分为顺序滤波式、扫频滤波式、扫频外差式等，主要用于射频段和微波频段。数字式频谱仪主要用于低频段和超低频段。本节重点讨论扫频

29、外差式频谱仪。5.3.1 频谱仪的组成及工作原理频谱仪的组成及工作原理 模拟式频谱仪的最简单原理是利用一系列窄带滤波器，依次选取被测信号中不同频率的信号，并借助于扫描信号，38频域测量与仪器 第 5 章将不同频率信号的幅度并排显示在荧光屏上，得到被测信号的频谱图，该方式为顺序滤波式，原理框图如图5.14所示。顺序滤波式频谱仪需要采用大量高稳定度的窄带滤波器，因仪器造价较高而较少采用。使用比较普遍的是扫频外差式频谱仪。窄带滤波器窄带滤波器门电路检波器Y放大器扫描电路窄带滤波器门电路门电路X放大器uxfx图5.14 顺序滤波式频谱仪原理图39频域测量与仪器 第 5 章扫频外差式频谱仪的工作原理如图

30、5.15(a)所示。所谓“扫频外差式”包括外差和扫频两个含意。“外差”即本振信号（即扫频振荡信号）与被测信号经混频器差频产生固定中频信号，因此仪器只要采用一个窄带滤波器即可，而中频放大器则起到窄带滤波器的作用。“扫频”即本振信号频率是连续改变的。在本振频率扫频时，本振频率和被测信号顺序差频得到中频，即相当于选取一系列被测信号的频率分量。例如，假设中频频率为6MHz、本振频率从9MHz扫频到13MHz，若被测信号包括3、4、5、6、7MHz五个频率成分，当本振频率为9MHz时与3MHz被测信号频率差频得到第一个6MHz信号；本振频率扫到10MHz时和4MHz的被测信号差频得到第二个6MHz信号。

31、依此类推，将顺序得到第三、四、五个中频。可40频域测量与仪器 第 5 章见被测信号在一定频率范围内，有一个频率分量就有一个中频输出，中频信号经检波器解调出各自的振幅，经过放大后加到Y偏转板，得到相应频率成分的幅度值，该幅度值与对应频率信号的幅度成正比。加到X偏转板的锯齿波扫描电压就是本振扫频振荡器的调制电压，因而水平轴变为频率轴，这样荧光屏上就显示出了被测信号的频谱图。由于窄带滤波器存在一定的带宽，故显示的频谱线并非理想的直线，而是一排窄带滤波器的动态幅频特性曲线，如图5.15(b)所示。频谱仪的实际构成要比图5.15(a)复杂得多，主要体现在以下几个方面：首先为了获得较高的灵敏度而采用多次变

32、频的方法，以便在几个中频频率上进行电压放大提高灵敏度，如果在一个中频上增加放大器级数来提高灵敏度，则很容易41频域测量与仪器 第 5 章引起振荡，而且多次变频还可以提高频率分辨力。其次采用输入衰减器来扩大量程和提高输入阻抗。再者采用频标信号以便直接读出频率值。然后为了使幅值坐标“对数化”（取对数），还应在Y通道的检波器和Y放大器之间接入对数放大器。对数放大是指输出信号的幅度是输入信号幅度的对数，即压缩谱线幅度，使得在荧光屏有效高度范围内得到大的动态范围。混频器中频放大器Y放大器扫频振荡器锯齿波扫描电路X放大器(a)(b)uifx图5.15 扫频外差式频谱仪组成框图检波42频域测量与仪器 第 5

33、 章频谱仪的实际构成要比图5.15(a)复杂得多，主要体现在以下几个方面：首先为了获得较高的灵敏度而采用多次变频的方法，以便在几个中频频率上进行电压放大提高灵敏度，如果在一个中频上增加放大器级数来提高灵敏度，则很容易引起振荡，而且多次变频还可以提高频率分辨力。其次采用输入衰减器来扩大量程和提高输入阻抗。再者采用频标信号以便直接读出频率值。然后为了使幅值坐标“对数化”（取对数），还应在Y通道的检波器和Y放大器之间接入对数放大器。对数放大是指输出信号的幅度是输入信号幅度的对数，即压缩谱线幅度，使得在荧光屏有效高度范围内得到大的动态范围。43频域测量与仪器 第 5 章5.3.2 频谱仪组成原理实例频

34、谱仪组成原理实例BP-28型音频（20Hz20MHz）频谱仪的结构如同选频电压表，其组成框图如图5.16所示。被测信号经输入衰减获得合适电平（10mV）后，送至前置放大器，由低通滤波器滤除20kHz以上的分量，再送入变频器，在变频器中使被测信号与扫频信号差频，当被测信号中的某一分量与扫频信号相差一个中频时，其差频分量通过选频放大器及中频衰减器，分别送入线性放大器或对数放大器，再经中频放大器输出至机外，另一路经检波器接到电压表。同时在检波器后将直流信号输出。对仪器校准时，将10kHz、10mV的校准信号接至前置放大器，对仪器进行幅度校准。44频域测量与仪器 第 5 章扫频振荡器中的可变电容器与直

35、流输出电位器RP3的刻度盘同轴，使振荡器的频率与直流输出电压和刻度线三者同步，于是直流输出的每一个电压值即代表不同的频率值，并由刻度线读出。当用直流输出电压驱动记录仪的X轴时，X轴的移动距离代表频率值，出现在X轴某一位置的谱线长度，表示被测信号该频率分量的幅值。该仪器的选频放大器中使用晶体滤波器，可在4Hz，30Hz，150Hz三种频率上人工选择；有线性放大器和对数放大输入衰减器前置放大器低通滤波器变频器选频放大器中频衰减器中频放大器线性放大器对数放大器数字频率计扫频振荡器校准信号电压表检波器对数校准RP2RP3中频输出线性校准RP1fxf0fwui直流输出图5.16 BP-28型音频频谱仪原

36、理框图45频域测量与仪器 第 5 章器可供选择，以取得合适的频率坐标分度；扫频振荡器的频率用微电动机实现自动扫频。由于仪器可以对信号或系统的各种谐波进行准确的测量，因而可作为高灵敏度谐波失真仪使用；可提供音频扫频信号，用以测量频率特性曲线；由于中心频率可以连续调节，因而亦可作为有源滤波器使用。5.3.3 频谱仪的技术指标频谱仪的技术指标 （1）频率范围 频率范围是指能够达到仪器规定性能的工作频率范围。（2）扫频宽度 扫频宽度又称为分析谱宽，其含义是频谱仪在一次测量46频域测量与仪器 第 5 章分析过程中（即一个扫描正程）显示的频率范围。为了观测被测信号频谱的全貌，需要较宽的扫频宽度；为了分析频

37、谱图中的细节，则需要窄带扫描。因此，频谱仪的扫频宽度应是可调的。每厘米相对应的扫频宽度，称为频宽因数。扫频宽度很宽的频谱仪称为全景频谱仪，可以观测到信号频谱的全貌。每完成一次频谱分析所需要的时间称为分析时间，即本机振荡器频率扫描完整个扫频宽度所需要的时间，实际上就是扫描正程时间。扫频宽度与分析时间之比称为扫频速度。（3）频率分辨力 频率分辨力是指频谱仪能够分辨的最小谱线间隔。它表征了频谱仪分辨两个很接近的频率分量的能力。由于荧光屏47频域测量与仪器 第 5 章显示的谱线实际上是窄带滤波器的动态幅频特性，因此定义幅频特性的3dB带宽为频谱仪的分辨力。由于窄带滤波器的幅频特性曲线形状与速度有关，因

38、此，分辨力亦与扫频速度有关。包括以下两种：扫频速度为零时，静态幅频特性曲线的3dB带宽称为静态分辨力。在扫频工作（扫频速度不为零）时，动态幅频特性曲线的3dB带宽称为动态分辨力。在技术说明书中给出的一般是静态分辨力，而动态分辨力则与使用有关。显然，动态分辨力低于静态分辨力，而且速度越快，动态分辨力越低。（4）动态范围 动态范围是表征频谱仪同时显示大信号与小信号的真实48频域测量与仪器 第 5 章频谱能力，动态范围的上限由频谱仪的非线性失真所决定。频谱仪的动态范围一般在60dB以上，有时甚至达90dB。为了适应不同测量的需要，频谱仪的幅值显示方式具有两种选择：线性显示和对数显示。对数显示时要用到

39、对数放大器，而线性显示用线性放大器。（5）灵敏度 灵敏度是表征频谱仪测量微小信号的能力。定义显示幅度为满刻度时输入信号的电平值为频谱仪的灵敏度。灵敏度与仪器内部噪声及扫频速度有关，扫频速度加快，动态幅频特性峰值降低，使灵敏度下降，并产生幅值误差。5.3.4 频谱仪的使用频谱仪的使用 在频谱仪面板上“扫频宽度”、“频率标记”、“频带宽度”都49频域测量与仪器 第 5 章是可调的。应根据被测信号频谱的特性合理地选择使用有关的旋钮。（1）扫频宽度的选择 扫频宽度是根据被测信号的频谱宽度来选择的。例如要分析一个调幅波，则扫频宽度应大于2fm（fm为最大音频调制频率），若要观测是否存在二次谐波的调制边带

40、，则应大于4fm。（2）带宽的选择 静态分辨力Bq越高（数值越小），要求扫频宽度越窄，反之，变宽。为了使Bq与扫频宽度相适应，可参考表5-1进行选择。一般来说，宽带扫频可选Bq=150Hz，而窄带扫频可选Bq=6Hz。50频域测量与仪器 第 5 章（3）扫频速度的选择当扫频宽度与静态分辨力选定后，扫频速度的选择以获得较高的动态分辨力为准则。同时还应合理地处理它与分析时间的矛盾，因为在扫频宽度一定时，扫频速度的选择实际上就是分析时间的选择。分析时间越长，即扫频速度越慢，则动态分辨力越接近静态分辨力。当动、静态分辨力相等时，动态分辨力最高，但分析时间长。一般可按下列经验式选择：表表5-1 频谱仪静

41、态分辨力的参考范围频谱仪静态分辨力的参考范围扫频宽度530kHz1.510kHz2kHz静态分辨力150Hz30Hz6Hz51频域测量与仪器 第 5 章vsBq2 式中，vs为扫频速度，单位为Hz/s；Bq为静态分辨力，单位为Hz。现代频谱仪通常装有微处理器，可根据输入信号，自动设置最佳分析带宽、分析时间等参数，无需人工调节，实现自动操作，并具有高的准确度和高分辨力。5.3.5 频谱仪的应用频谱仪的应用 频谱仪是一种多功能的测量仪器，可用来测量信号电平、谐波失真、调制系数、频率稳定度、频谱纯度。用于查找干扰的实例如下：52频域测量与仪器 第 5 章1.测量发射机的辐射型杂波辐射测量发射机的辐射

42、型杂波辐射无线发射机的辐射型杂波辐射是指用标准信号作为调制信号，发射机除载波和由调制信号决定的边带以外离散频率的辐射，它对接收机，尤其对于接收带宽过大的接收机将造成严重的影响。发射机频谱仪信号发生器S“输出”图5.17 发射机的杂波辐射测量图5.17为测量发射机杂波辐射的电路连接图，图中“输出”是指通过天线输出。首先使发射机在未调制状态下工作，将频谱仪调整在发射机载频频率上，则载波峰值电平在屏幕上显示在0dB线上。然后调节频谱仪的频率旋钮在100kHz1000MHz或4倍载频的范围内变化，记下各杂波辐射电平。最53频域测量与仪器 第 5 章后在发射机上加调制信号，重复以上测量过程。当载波功率大

43、于25W时，离散频率的杂波辐射功率应比载波功率电平小70dB；当载波功率小于或等于25W时，离散频率的辐射功率电平应不大于2.5V。2.测量接收机的杂波辐射 接收机的杂波辐射是指由接收机引起的辐射。杂波辐射电平包括：杂波辐射在天线端的功率电平。由机箱和设备结构屏蔽不良引起的辐射，即机箱辐射。发射机频谱仪信号发生器S“输出”图5.17 发射机的杂波辐射测量54频域测量与仪器 第 5 章图5.18为测量电路连接图，图中“输入”是指通过天线输入。首先打开接收机电源，将开关S置于“1”，用频谱仪寻找100kHz2GHz以内的任何杂波辐射分量。然后将开关S置于“2”，用信号发生器输出模拟杂波辐射分量的信

44、号，以确定其杂波辐射分量的电平值。在测量机箱辐射时，应将被测接收机置于屏蔽室内或无辐射的场所。技术指标为：在规定的频率范围内，任何杂波辐射分量的功率均不超过2nW。接收机频谱仪信号发生器“输入”图5.18 接收机的杂波辐射测量12S55频域测量与仪器 第 5 章本章小结本章小结 本章主要介绍了频域测量及仪器的组成与工作原理。（1）扫频仪是一种能直接观测被测电路幅频特性曲线的仪器，可以用来测量被测电路带宽、品质因数等参数，主要由扫描信号源、扫频信号源、频标电路和示波器（X-Y方式）等组成。（2）扫频仪的频标分为菱形频标和针形频标，用于进行频率标度，一般利用差频电路产生，二者分别适于高频、低频测量。（3）频谱仪是信号频域分析的重要工具。频谱仪除用于信号的频谱分析外，还用于分析放大器的谐波失真、信号发生器的频谱纯度以及系统的频率特性等。(4）频谱仪按其工作原理分为数字式和模拟式两大类。最常用的是扫频外差式模拟频谱仪，包括外差和扫频两个含意。(5）频谱仪的技术指标包括：频率范围、扫频宽度、频率分辨力、动态范围及灵敏度。频率分辨力包括动态分辨力和静态分辨力，前者低于后者。(6）频谱仪面板设置的扫频宽度、频率标记、频带宽度等旋钮都是可调的，应根据被测信号频谱的特性合理选择旋钮的位置。56