线性系统频率特性测量和网络分析.pptx

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1、会计学1线性系统频率特性测量和网络分析线性系统频率特性测量和网络分析10.1.1 10.1.1 幅频特性测量幅频特性测量幅频特性测量幅频特性测量 为测量线性系统的频率特性，需要对被测电路输入激励源，此激励源的频率必须能在一定范围内调谐或选择，以获得被测系统在某一频率范围内的特性。为测量线性系统的频率特性，需要对被测电路输入激励源，此激励源的频率必须能在一定范围内调谐或选择，以获得被测系统在某一频率范围内的特性。为测量线性系统的频率特性，需要对被测电路输入激励源，此激励源的频率必须能在一定范围内调谐或选择，以获得被测系统在某一频率范围内的特性。为测量线性系统的频率特性，需要对被测电路输入激励源，

2、此激励源的频率必须能在一定范围内调谐或选择，以获得被测系统在某一频率范围内的特性。放大器的幅频特性曲线放大器的幅频特性曲线幅频特性测量的方法有：点频法、扫频法。幅频特性测量的方法有：点频法、扫频法。幅频特性测量的方法有：点频法、扫频法。幅频特性测量的方法有：点频法、扫频法。第1页/共24页 每次只向被测线性系统输入某一每次只向被测线性系统输入某一频率的激励信号，测量过程中，依次频率的激励信号，测量过程中，依次改变激励源的频率，分别测出各频点改变激励源的频率，分别测出各频点处的参数，再将各点数据连成完整的处的参数，再将各点数据连成完整的曲线，从而得到频率特性测量结果。曲线，从而得到频率特性测量结

3、果。此方法是此方法是线性系统频率特性的经典测线性系统频率特性的经典测量法。量法。缺点：缺点：缺点：缺点：所得频率特性是所得频率特性是所得频率特性是所得频率特性是静态静态静态静态的，无法反映信号的连续变化；的，无法反映信号的连续变化；的，无法反映信号的连续变化；的，无法反映信号的连续变化；测量频点的选择对测量结果有很大影响，特别对某些特性曲线的锐变部分以及失常点，可能会因频点选择不当或不足而测量频点的选择对测量结果有很大影响，特别对某些特性曲线的锐变部分以及失常点，可能会因频点选择不当或不足而测量频点的选择对测量结果有很大影响，特别对某些特性曲线的锐变部分以及失常点，可能会因频点选择不当或不足而

4、测量频点的选择对测量结果有很大影响，特别对某些特性曲线的锐变部分以及失常点，可能会因频点选择不当或不足而漏掉漏掉漏掉漏掉这些测量结果。这些测量结果。这些测量结果。这些测量结果。点频测量法点频测量法点频测量法点频测量法f0K(f)f第2页/共24页扫频测量法扫频测量法扫频测量法扫频测量法 频频率率源源的的输输出出能能够够在在测测量量所所需需的的范范围围内内连连续续扫扫描描，因因此此可以连续测出各频率点上的频率特性，并立即显示特性曲线。可以连续测出各频率点上的频率特性，并立即显示特性曲线。n n优点：优点：扫扫频频信信号号的的频频率率连连续续变变化化，扫扫频频测测量量所所得得的的频频率率特特性性是

5、是动动态态频频率率特特性性，也不会漏掉细节。也不会漏掉细节。n n缺点：缺点：如如果果输输入入的的扫扫频频信信号号频频率率变变化化速速度度快快于于系系统统输输出出响响应应时时间间，则则频频率率的的响响应应幅幅度度会会出出现现不不足足，扫扫频频测测量量所所得得幅度会小于点频测量的幅度；幅度会小于点频测量的幅度；电电路路中中LCLC元元件件的的惰惰性性会会使使幅幅度度峰峰值有所偏差，因此会产生频率偏离。值有所偏差，因此会产生频率偏离。第3页/共24页两种幅频特性测量法的比较两种幅频特性测量法的比较两种幅频特性测量法的比较两种幅频特性测量法的比较n n扫扫频频法法测测量量所所得得的的动动态态特特性性

6、曲曲线线峰峰值值低低于于点点频频测测量量所所得得的的静静态态特特性性曲曲线线。扫扫频速度越快，下降越多；频速度越快，下降越多；n n动动态态特特性性曲曲线线峰峰值值出出现现的的水水平平位位置置（频频率率）相相对对于于静静态态特特性性曲曲线线有有所所偏偏离离，并并向向频频率率变变化化的的方方向向移移动动。扫频速度越快，偏离越大；扫频速度越快，偏离越大；同一线性系统使用点频法和同一线性系统使用点频法和扫频法获得的幅频特性曲线扫频法获得的幅频特性曲线 I为点频法；为点频法；II、III为扫频法，为扫频法，且且III的扫速较快。的扫速较快。第4页/共24页n n当当静静态态特特性性曲曲线线对对称称时时

7、，随随着着扫扫频频速速度度加加快快，动动态态特特性性曲曲线线明明显显出出现现不不对对称称，并并向向频率变化方向的一侧倾斜；频率变化方向的一侧倾斜；n n动动态态特特性性曲曲线线较较平平缓缓，其其3dB3dB带带宽宽大大于于静静态态特特性性曲曲线线的的3dB3dB带宽；带宽；同一线性系统使用点频法和同一线性系统使用点频法和扫频法获得的幅频特性曲线扫频法获得的幅频特性曲线 I为点频法；为点频法；II、III为扫频法，为扫频法，且且III的扫速较快。的扫速较快。小结：小结：小结：小结：测量系统动态特性时，必须用扫频法；测量系统动态特性时，必须用扫频法；测量系统动态特性时，必须用扫频法；测量系统动态特

8、性时，必须用扫频法；测量系统静态特性时，必须选择极慢的扫频速度以得到近似的静态特性曲线，或采用点频法。测量系统静态特性时，必须选择极慢的扫频速度以得到近似的静态特性曲线，或采用点频法。测量系统静态特性时，必须选择极慢的扫频速度以得到近似的静态特性曲线，或采用点频法。测量系统静态特性时，必须选择极慢的扫频速度以得到近似的静态特性曲线，或采用点频法。第5页/共24页10.1.2 10.1.2 扫频测量与扫频源扫频测量与扫频源扫频测量与扫频源扫频测量与扫频源 能能产产生生扫扫频频输输出出信信号号的的频频率率源源称称为为扫扫频频信信号号发发生生器器或或扫扫频频信信号号源源，简简称称扫扫频频源源。它它既

9、既可可作作为为独独立立的的测测量量用用信信号号发发生生器，又可作为频率特性测量类仪器的前端。器，又可作为频率特性测量类仪器的前端。典型的扫频源应具备下列三方面功能：典型的扫频源应具备下列三方面功能：典型的扫频源应具备下列三方面功能：典型的扫频源应具备下列三方面功能：产生扫频信号（通常是等幅正弦波）；产生扫频信号（通常是等幅正弦波）；产生扫频信号（通常是等幅正弦波）；产生扫频信号（通常是等幅正弦波）；产生同步输出的扫描信号，可以是三角波、正弦波或锯齿波等；产生同步输出的扫描信号，可以是三角波、正弦波或锯齿波等；产生同步输出的扫描信号，可以是三角波、正弦波或锯齿波等；产生同步输出的扫描信号，可以是

10、三角波、正弦波或锯齿波等；产生同步输出的频率标志，可以是等频率间隔的通用频标、专用于某项测试的专用频标及活动频标。产生同步输出的频率标志，可以是等频率间隔的通用频标、专用于某项测试的专用频标及活动频标。产生同步输出的频率标志，可以是等频率间隔的通用频标、专用于某项测试的专用频标及活动频标。产生同步输出的频率标志，可以是等频率间隔的通用频标、专用于某项测试的专用频标及活动频标。第6页/共24页扫频信号源的组成扫频信号源的组成扫频信号源的组成扫频信号源的组成扫频振荡器：扫频振荡器：输出扫频信号，频率范围输出扫频信号，频率范围f1f2；扫描信号发生器：扫描信号发生器：产生扫描锯齿波，控制输出频率线性

11、变化；产生扫描锯齿波，控制输出频率线性变化；混频器：混频器：对扫描区间进行搬移；对扫描区间进行搬移；取样检波器：取样检波器：监测扫频输出信号的幅度；监测扫频输出信号的幅度；稳幅放大器：稳幅放大器：输出信号的自动稳幅控制（输出信号的自动稳幅控制（ALC）。）。第7页/共24页n n在预定频带内有足够大的输出功在预定频带内有足够大的输出功率，且幅度稳定，以获得最大的率，且幅度稳定，以获得最大的动态范围；动态范围；n n调频线性好，并有经过校正的频调频线性好，并有经过校正的频率标记，以便确定频带宽度和点率标记，以便确定频带宽度和点频输出；频输出；n n为使测量误差最小，扫频信号中为使测量误差最小，扫

12、频信号中的寄生振荡和谐波均应很小；的寄生振荡和谐波均应很小；n n扫频源输出的中心频率稳定，并扫频源输出的中心频率稳定，并可以任意调节；可以任意调节；n n频率偏移的范围越宽越好，并可频率偏移的范围越宽越好，并可以任意调节。以任意调节。对扫频源的一般技术要求对扫频源的一般技术要求对扫频源的一般技术要求对扫频源的一般技术要求第8页/共24页扫频源的主要特性指标扫频源的主要特性指标扫频源的主要特性指标扫频源的主要特性指标f0：扫频输出中心频率；：扫频输出中心频率；f1：扫频起点；：扫频起点；f2：扫频终点：扫频终点k0：压控特性：压控特性f-V曲线的斜率曲线的斜率A1：寄生调幅最大幅度：寄生调幅最

13、大幅度A2：寄生调幅最小幅度：寄生调幅最小幅度有效扫频宽度：有效扫频宽度：有效扫频宽度：有效扫频宽度：扫频线性和振幅平稳性均符合要求的最大频率覆盖范围，一般用相对值表示：扫频线性和振幅平稳性均符合要求的最大频率覆盖范围，一般用相对值表示：扫频线性和振幅平稳性均符合要求的最大频率覆盖范围，一般用相对值表示：扫频线性和振幅平稳性均符合要求的最大频率覆盖范围，一般用相对值表示：扫频线性：扫频线性：扫频线性：扫频线性：扫频振荡器的压控特性曲线的非线性（线性）程度，可用线性系数表示。扫频振荡器的压控特性曲线的非线性（线性）程度，可用线性系数表示。扫频振荡器的压控特性曲线的非线性（线性）程度，可用线性系数

14、表示。扫频振荡器的压控特性曲线的非线性（线性）程度，可用线性系数表示。输出振幅平稳性：输出振幅平稳性：输出振幅平稳性：输出振幅平稳性：通常用扫频信号的寄生调幅表示。通常用扫频信号的寄生调幅表示。通常用扫频信号的寄生调幅表示。通常用扫频信号的寄生调幅表示。越大越好越大越好越大越好越大越好越接近于越接近于越接近于越接近于1 1越好越好越好越好越小越好越小越好越小越好越小越好第9页/共24页获得扫频信号的方法获得扫频信号的方法获得扫频信号的方法获得扫频信号的方法n n变容二极管电调扫频变容二极管电调扫频变容二极管的变容二极管的PNPN结电容随外加偏置结电容随外加偏置电压变化而变化。在振荡电路中，通电

15、压变化而变化。在振荡电路中，通过改变过改变PNPN结偏置电压，进而改变其电结偏置电压，进而改变其电容，最终改变振荡频率。容，最终改变振荡频率。此法常见于射频至微波段。此法常见于射频至微波段。优点：实现简单、输出功率适中、优点：实现简单、输出功率适中、扫频速度较快；扫频速度较快；缺点：扫频宽度小，在宽带扫频时缺点：扫频宽度小，在宽带扫频时线性差，需额外进行扫频线性补偿。线性差，需额外进行扫频线性补偿。第10页/共24页n nYIGYIG（钇铁石榴石钇铁石榴石）电调扫频电调扫频YIGYIG具有铁磁谐振特性。在直流磁具有铁磁谐振特性。在直流磁场作用下，产生谐振。场作用下，产生谐振。常用于产生常用于产

16、生GHzGHz以上频段的信号，以上频段的信号，利用下变频可实现宽带扫频。可覆盖利用下变频可实现宽带扫频。可覆盖高达高达1010倍频程的频率范围，扫频线性倍频程的频率范围，扫频线性好、损耗低、稳定性好。好、损耗低、稳定性好。n n合成扫频源合成扫频源同同时时具具有有扫扫频频源源和和合合成成信信号号源源特特性性的信号源。的信号源。通常有通常有2 2中实现方式：中实现方式：DDSDDS和和PLLPLL。输输出出一一定定频频率率间间隔隔的的频频点点，是是一一种种自自动动跳跳频频的的连连续续波波工工作作方方式式，频频率率不不完全连续变化，输出频率准确。完全连续变化，输出频率准确。第11页/共24页频率标

17、记频率标记频率标记频率标记 为为了了在在扫扫频频源源显显示示器器的的水水平平轴轴上上有有准准确确的的频频率率读读数数，通通常常在在扫扫频频信信号号中中附附带带输输出出2 2个个或或多多个个可可移移动动的的频频率率标标记记脉脉冲冲，以以准准确确的的标标读读扫扫描描区区间间内内任一点的频率值。任一点的频率值。频率标记是扫频测量中的频率定度。产生频标的基本方法是频率标记是扫频测量中的频率定度。产生频标的基本方法是频率标记是扫频测量中的频率定度。产生频标的基本方法是频率标记是扫频测量中的频率定度。产生频标的基本方法是差频法差频法差频法差频法，利用差频方式可产生一个或多个频标，频标的数目取决于和扫频信号

18、混频的基准频率的成分。，利用差频方式可产生一个或多个频标，频标的数目取决于和扫频信号混频的基准频率的成分。，利用差频方式可产生一个或多个频标，频标的数目取决于和扫频信号混频的基准频率的成分。，利用差频方式可产生一个或多个频标，频标的数目取决于和扫频信号混频的基准频率的成分。常见频率标记有：菱形频标、脉冲频标、线性频标。常见频率标记有：菱形频标、脉冲频标、线性频标。常见频率标记有：菱形频标、脉冲频标、线性频标。常见频率标记有：菱形频标、脉冲频标、线性频标。第12页/共24页10.1.3 10.1.3 相频特性测量相频特性测量相频特性测量相频特性测量 测测量量线线性性系系统统的的相相频频特特性性时

19、时，常常以以被被测测电电路路输输入入端端的的信信号号作作为为参参考考信信号号，输输出出端端信信号号作作为为被被测测信信号号，所所测测的的输输入入/输输出出相相位位差差就就是是电电路路的的相相频频特性点。特性点。相相位位测测量量同同样样可可采采用用点点频频法法或或扫扫频频法法以以获获得得相相频频特特性性曲曲线线。其其中中，扫扫频频法法所所得得的的相相频频特特性性主主要要是是被被测测网网络络的相位和时延特性的动态测量。的相位和时延特性的动态测量。放大器的相频特性曲线放大器的相频特性曲线第13页/共24页本本节节主主要要讨讨论论对对单单频频点点上上的的网网络络时时延延特特性性和和相相位位差差进进行行

20、点点频频测测量量，以以及及用于点频测量的相频特性测量仪器用于点频测量的相频特性测量仪器。常常见见的的测测量量相相频频特特性性的的仪仪器器有有：低低频频段段的的模模拟拟式式相相位位计计、数数字字式式相相位位计计，高频段的矢量电压表等。高频段的矢量电压表等。第14页/共24页双稳型鉴相器双稳型鉴相器双稳型鉴相器双稳型鉴相器 也称双稳型鉴相器，是也称双稳型鉴相器，是模拟式模拟式相位计。相位计。采采用用“过过零零时时间间法法”实实现现相相位位差差测测量量，即即测测量量两两个个同同频频信信号号波波形形的的同同向向过过零零点点之之间间的的时时间间间间隔隔并并与与被被测测信信号号周周期期相相比，从而得到相位

21、差值。比，从而得到相位差值。第15页/共24页数字式相位计数字式相位计数字式相位计数字式相位计相位相位-时间变换型：时间变换型：将将两两个个信信号号的的相相位位差差转转换换成成时时间间差差，再再用用计计数器测量该时间间隔；数器测量该时间间隔；相位相位-电压变换型：电压变换型：将将相相位位差差转转换换成成相相应应的的电电压压值值，然然后后用用数数字字电压表完成测量。电压表完成测量。第16页/共24页瞬时值型数字相位计瞬时值型数字相位计瞬时值型数字相位计瞬时值型数字相位计瞬时值型数字相位计属于相位瞬时值型数字相位计属于相位瞬时值型数字相位计属于相位瞬时值型数字相位计属于相位-时间变换型。时间变换型

22、。时间变换型。时间变换型。缺点：缺点：缺点：缺点：由于被测信号在传输过程中的干扰会直接影响计数门的开启和关闭时间，因此瞬时值型相位计的测量结果较不稳定。可以采用多次测量求平均的办法以提高测量精度。由于被测信号在传输过程中的干扰会直接影响计数门的开启和关闭时间，因此瞬时值型相位计的测量结果较不稳定。可以采用多次测量求平均的办法以提高测量精度。由于被测信号在传输过程中的干扰会直接影响计数门的开启和关闭时间，因此瞬时值型相位计的测量结果较不稳定。可以采用多次测量求平均的办法以提高测量精度。由于被测信号在传输过程中的干扰会直接影响计数门的开启和关闭时间，因此瞬时值型相位计的测量结果较不稳定。可以采用多

23、次测量求平均的办法以提高测量精度。第17页/共24页 矢量电压表矢量电压表矢量电压表矢量电压表 矢矢量量电电压压表表是是一一种种能能同同时时测测量量信信号号幅幅度度和和相相位位的的仪仪器器，本本质质上上属属于于矢矢量量网网络络分分析析仪仪。矢矢量量电电压压表表较较多多采采用用的的相相频频特特性性测测量量方方法法是是脉脉冲冲触触发发式式。如如图图所示，是一种宽频带双通道矢量电压表，其相位差测量范围为所示，是一种宽频带双通道矢量电压表，其相位差测量范围为-180-180o o+180+180o o。高高高高频频频频信信信信号号号号u u u u1 1 1 1、u u u u2 2 2 2分分分分别

24、别别别加加加加到到到到两两两两个个个个取取取取样样样样头头头头变变变变换换换换为为为为固固固固定定定定的的的的中中中中频频频频信信信信号号号号，同同同同时时时时保保保保持持持持了了了了高高高高频频频频输输输输入入入入原原原原有有有有的的的的波波波波形形形形、幅幅幅幅度度度度及及及及信信信信号号号号间间间间的的的的相相相相位位位位关关关关系系系系。取取取取样样样样后后后后的的的的中中中中频频频频信信信信号号号号经经经经过过过过带带带带通通通通滤滤滤滤波波波波器器器器进进进进行行行行电电电电压压压压幅幅幅幅度度度度测测测测量量量量，同同同同时时时时被被被被整整整整形形形形为为为为方方方方波波波波，

25、然然然然后后后后进进进进入入入入双双双双稳稳稳稳态态态态触触触触发发发发型型型型相相相相位位位位计计计计中中中中实实实实现现现现相相相相位位位位测测测测量量量量。固固固固定定定定的的的的中中中中频频频频信信信信号号号号单单单单独独独独输输输输出出出出还还还还可可可可用用用用于调幅度及波形失真等参数的测量。于调幅度及波形失真等参数的测量。于调幅度及波形失真等参数的测量。于调幅度及波形失真等参数的测量。第18页/共24页10.2 10.2 网络分析仪网络分析仪网络分析仪网络分析仪q网络网络对实际物理对实际物理电路和元件电路和元件进行的数学抽象，主要研究外部特性。并非现在的计算机网络。进行的数学抽象

26、，主要研究外部特性。并非现在的计算机网络。q网络分析网络分析在感兴趣的频率范围内，通过线性激励在感兴趣的频率范围内，通过线性激励-响应测试，确定元件的响应测试，确定元件的幅频特性幅频特性和和相频特性相频特性的过程。的过程。q网络分析仪网络分析仪通过正弦扫频测量获得线性网络的通过正弦扫频测量获得线性网络的传递函数传递函数以及以及阻抗函数阻抗函数的仪器。的仪器。q频谱测量频谱测量表征电路单元的表征电路单元的信号特性信号特性，而，而网络测量网络测量表征电路单元组成的表征电路单元组成的系统特性系统特性。第19页/共24页网络分网络分2 2种：种：n n线线性性网网络络（系系统统）：仅仅改改变变输输入入

27、信信号号的的幅幅度度和和（或或）相相位位，不不会会产产生生新新的频率信号；的频率信号；n n非非线线性性网网络络（系系统统）：改改变变输输入入信信号的频率，或产生其他频率成分。号的频率，或产生其他频率成分。网网络络分分析析总总是是假假定定被被分分析析网网络络是是线线性性的的，因因而而可可以以基基于于正弦扫频法进行频率特性的定量分析。正弦扫频法进行频率特性的定量分析。非线性网络通常使用频谱仪进行测量。非线性网络通常使用频谱仪进行测量。网络分析参数通常有：网络分析参数通常有：网络分析参数通常有：网络分析参数通常有：标量反射参数、标量传输参数、矢量反射参数、标量反射参数、标量传输参数、矢量反射参数、

28、标量反射参数、标量传输参数、矢量反射参数、标量反射参数、标量传输参数、矢量反射参数、矢量网络参数、矢量相位、品质因数矢量网络参数、矢量相位、品质因数矢量网络参数、矢量相位、品质因数矢量网络参数、矢量相位、品质因数QQ。第20页/共24页10.2.2 10.2.2 网络分析系统网络分析系统网络分析系统网络分析系统 网络分析仪是通过测定网络的反射参数和传输参数，从而对网络中元器件特性的全部参数进行全面描述的测量仪器，用于网络分析仪是通过测定网络的反射参数和传输参数，从而对网络中元器件特性的全部参数进行全面描述的测量仪器，用于实现对实现对线性网络的频率特性测量线性网络的频率特性测量。网络分析仪能够完

29、成反射、传输两种基本测量，从而确定几乎所有的网络特性，网络分析仪能够完成反射、传输两种基本测量，从而确定几乎所有的网络特性，S参数是其中最基本的特性。参数是其中最基本的特性。标量网络分析仪标量网络分析仪：只测量线性系统的幅度信息；：只测量线性系统的幅度信息；矢量网络分析仪矢量网络分析仪：可同时进行幅度传输特性和相位特性测量。：可同时进行幅度传输特性和相位特性测量。第21页/共24页 国产国产TD3611C标量网络分析仪是一种人机对话、使用极其方便，专为广电、通信行业设计的一款高性价比标量网络分析仪。它能快速准确测量标量网络分析仪是一种人机对话、使用极其方便，专为广电、通信行业设计的一款高性价比

30、标量网络分析仪。它能快速准确测量RF产品的增益、衰减、频响和回波损耗。是广播电视、通讯领域必备的仪器。可对放大器、同轴电缆、功分器、模块、天线、耦合器、滤波器、隔离器、分支分配器等产品的增益、衰减、频响和回波损耗。是广播电视、通讯领域必备的仪器。可对放大器、同轴电缆、功分器、模块、天线、耦合器、滤波器、隔离器、分支分配器等RF器件进行传输特性和反射特性测量。两个独立的通道可以同时进行传输和反射测量。器件进行传输特性和反射特性测量。两个独立的通道可以同时进行传输和反射测量。国产国产TD3611C标量网络分析仪标量网络分析仪配套线缆配套线缆第22页/共24页 国产国产TD8714B矢量网络分析仪是一种对矢量网络分析仪是一种对RF器件或系统进行测试的最佳仪器器件或系统进行测试的最佳仪器,它具有速度快和精度高的特点，对于它具有速度快和精度高的特点，对于RF器件或系统的测试是十分理想的。它能测量器件或系统的测试是十分理想的。它能测量RF器件或系统的传输特性、反射特性和相位特性，例如测量器件或系统的传输特性、反射特性和相位特性，例如测量RF器件的插损、增益、衰减、隔离、回波损耗、驻波比器件的插损、增益、衰减、隔离、回波损耗、驻波比(SWR)、相位、阻抗、群延迟、史密斯圆图等。、相位、阻抗、群延迟、史密斯圆图等。国产国产TD8714B矢量网络分析仪矢量网络分析仪第23页/共24页