第10章 線性系統(tǒng)頻率特性測量和網(wǎng)絡(luò)分析(講義)

1、電子測量原理電子測量原理第1頁電子測量原理電子測量原理第2頁電子測量原理電子測量原理第3頁線性網(wǎng)絡(luò)線性網(wǎng)絡(luò)正弦信號正弦信號穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)H(j)：頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 或頻率特性或頻率特性幅度幅度|H(j)|：幅頻特性幅頻特性相位相位() ：相頻特性相頻特性信號的頻譜分析：可由頻譜分析儀完成信號的頻譜分析：可由頻譜分析儀完成線性系統(tǒng)頻率特性的測量：可由網(wǎng)絡(luò)分析儀完成線性系統(tǒng)頻率特性的測量：可由網(wǎng)絡(luò)分析儀完成電子測量原理電子測量原理第4頁電子測量原理電子測量原理第5頁電子測量原理電子測量原理第6頁電子測量原理電子測量原理第7頁電子測量原理電子測量原理第8頁電子測量原理電子測量原理第9頁掃掃描描信信

2、號號發(fā)發(fā)生生器器放放大大器器穩(wěn)穩(wěn)幅幅ALC低低通通濾濾波波器器寬寬帶帶 放放大大器器輸輸出出衰衰減減器器頻頻標(biāo)標(biāo)產(chǎn)產(chǎn)生生電電路路混混頻頻器器本本振振f0頻頻標(biāo)標(biāo)輸輸出出掃掃描描輸輸出出X 軸軸掃掃頻頻輸輸出出取取樣樣檢檢波波器器掃掃頻頻振振蕩蕩器器f1f2電子測量原理電子測量原理第10頁電子測量原理電子測量原理第11頁電子測量原理電子測量原理第12頁121202ffffff min0max0kk 線線性性系系數(shù)數(shù)%1002121 AAAAM調(diào)調(diào)幅幅系系數(shù)數(shù)f0：掃頻輸出中心頻率：掃頻輸出中心頻率f1：掃頻起點；：掃頻起點；f2：掃頻終點：掃頻終點k0：壓控特性：壓控特性f-V曲線的斜率曲線的斜

3、率A1：寄生調(diào)幅最大幅度：寄生調(diào)幅最大幅度A2：寄生調(diào)幅最小幅度：寄生調(diào)幅最小幅度電子測量原理電子測量原理第13頁電子測量原理電子測量原理第14頁電子測量原理電子測量原理第15頁方方波波形形成成方方波波形形成成QQSRA微微分分微微分分限限幅幅限限幅幅雙雙穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)觸觸發(fā)發(fā)器器_Iu1u2aabbcc電子測量原理電子測量原理第16頁電子測量原理電子測量原理第17頁通通道道1通通道道2門門控控電電路路主主計計數(shù)數(shù)門門標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)脈脈沖沖發(fā)發(fā)生生器器十十進進制制計計數(shù)數(shù)器器顯顯示示器器Tu1u2fSoSxoxNffTT360360 若計數(shù)門的計數(shù)值為若計數(shù)門的計數(shù)值為N，則相位差的計算式為，則相位差的計

4、算式為:電子測量原理電子測量原理第18頁帶帶通通濾濾波波器器 + +6 60 0o o移移相相器器自自動動相相位位控控制制VCO參參考考本本振振電電壓壓表表方方 波波發(fā)發(fā)生生電電路路觸觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖形形 成成相相位位顯顯示示雙雙穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)觸觸發(fā)發(fā)型型相相 位位 計計觸觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖形形 成成方方 波波發(fā)發(fā)生生電電路路帶帶通通濾濾波波器器中中頻頻輸輸出出2中中頻頻輸輸出出1取取樣樣頭頭1u1取取樣樣頭頭2u2相相位位調(diào)調(diào)零零取取樣樣脈脈沖沖發(fā)發(fā)生生器器 - -1 12 20 0o o移移相相器器電子測量原理電子測量原理第19頁電子測量原理電子測量原理第20頁電子測量原理電子測量原理第21頁q網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)

5、絡(luò)對實際物理電路和元件進行的數(shù)學(xué)抽象，對實際物理電路和元件進行的數(shù)學(xué)抽象，主要研究外部特性。主要研究外部特性。q網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)分析在感興趣的頻率范圍內(nèi)，通過線性在感興趣的頻率范圍內(nèi)，通過線性激勵激勵- -響應(yīng)測試確定元件的幅頻特性和相頻特性的響應(yīng)測試確定元件的幅頻特性和相頻特性的過程。過程。q網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀通過正弦掃頻測量獲得線性網(wǎng)絡(luò)通過正弦掃頻測量獲得線性網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)以及阻抗函數(shù)的儀器。的傳遞函數(shù)以及阻抗函數(shù)的儀器。q頻譜測量表征電路單元的信號特性，而網(wǎng)絡(luò)測量頻譜測量表征電路單元的信號特性，而網(wǎng)絡(luò)測量表征電路單元組成的系統(tǒng)特性。表征電路單元組成的系統(tǒng)特性。電子測量原理電子測量原理第22

6、頁電子測量原理電子測量原理第23頁2211 SS、 2211lg20lg20 ,lg20SSRL 、或或回回波波損損失失22222211111111,11, -11 SSSSVSWR 駐駐波波比比21lg20SA 衰衰減減 11Z、阻阻抗抗12212211 SSSSS、參數(shù)參數(shù)2121argS 電子測量原理電子測量原理第24頁b2b1S22S11S12S21a2a121DUT S10、S21、S12、S22：表示雙端口網(wǎng)絡(luò)的四個：表示雙端口網(wǎng)絡(luò)的四個S參數(shù)，即散射參量。參數(shù)，即散射參量。電子測量原理電子測量原理第25頁b1、b2: 端口端口1、2上的所有出射波上的所有出射波 a1、a2: 端口

7、端口1、2上的入射波上的入射波 012210111122 , aaabSabS021120222211 , aaabSabSS10:端口端口2匹配時端口匹配時端口1的反射系數(shù)的反射系數(shù)S21:端口端口2匹配時的正向傳輸系數(shù)匹配時的正向傳輸系數(shù)S22:端口端口1匹配時端口匹配時端口2的反射系數(shù)的反射系數(shù)S12:端口端口1匹配時的反向傳輸系數(shù)匹配時的反向傳輸系數(shù)22212122121111aSaSbaSaSb 電子測量原理電子測量原理第26頁端端口口2端端口口1S21S12S22S11b2b1a2a1電子測量原理電子測量原理第27頁 nkkkTT1T：信流圖所代表的網(wǎng)絡(luò)的增益或傳輸函數(shù)：信流圖所代

8、表的網(wǎng)絡(luò)的增益或傳輸函數(shù)Tk：第：第k條路徑上所有支路系數(shù)的乘積條路徑上所有支路系數(shù)的乘積：信流圖行列式，即信流圖所代表的網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)立方：信流圖行列式，即信流圖所代表的網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)立方程組的行列式程組的行列式k：與第與第k條開路不接觸的子信流圖的行列式條開路不接觸的子信流圖的行列式 電子測量原理電子測量原理第28頁LS21S12S22S11b1a1由梅森法則：由梅森法則：LS 2211,1 , 212212221111 LLSSTSST故有：故有： LLLLLSSSSSSSSS 221221112212212211111電子測量原理電子測量原理第29頁 網(wǎng)絡(luò)分析儀是通過測定網(wǎng)絡(luò)的反射參數(shù)和傳輸網(wǎng)絡(luò)分

9、析儀是通過測定網(wǎng)絡(luò)的反射參數(shù)和傳輸參數(shù)，從而對網(wǎng)絡(luò)中元器件特性的全部參數(shù)進行全參數(shù)，從而對網(wǎng)絡(luò)中元器件特性的全部參數(shù)進行全面描述的測量儀器，用于面描述的測量儀器，用于實現(xiàn)對線性網(wǎng)絡(luò)的頻率特實現(xiàn)對線性網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測量性測量。 網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠完成反射、傳輸兩種基本測量，網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠完成反射、傳輸兩種基本測量，從而確定幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)特性，從而確定幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)特性，S參數(shù)是其中最基參數(shù)是其中最基本的特性。本的特性。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀：只測量線性系統(tǒng)的幅度信息；：只測量線性系統(tǒng)的幅度信息；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：可同時進行幅度傳輸特性和相：可同時進行幅度傳輸特性和相位特性測量。位特

10、性測量。 電子測量原理電子測量原理第30頁12參參考考信信道道R測測試試信信道道T信信號號源源S參參量量測測量量裝裝置置被被測測網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)矢矢量量電電壓壓表表電子測量原理電子測量原理第31頁 信號源信號源：向被測網(wǎng)絡(luò)提供入射信號或激勵；：向被測網(wǎng)絡(luò)提供入射信號或激勵； S參量測量裝置參量測量裝置：實際上是反射測量電路與傳輸：實際上是反射測量電路與傳輸測量電路的組合，首先將入射、反射及傳輸信號測量電路的組合，首先將入射、反射及傳輸信號分離開，然后通過轉(zhuǎn)換開關(guān)分別進行測量；分離開，然后通過轉(zhuǎn)換開關(guān)分別進行測量； 矢量電壓表矢量電壓表：測量入射、反射和傳輸信號的幅值：測量入射、反射和傳輸信號的幅值及它

11、們之間的相位差。也可以通過幅相接收機實及它們之間的相位差。也可以通過幅相接收機實現(xiàn)此功能?，F(xiàn)此功能。 電子測量原理電子測量原理第32頁掃掃頻頻源源定定向向耦耦合合器器二二極極管管檢檢波波器器|b1|2|b2|2處處理理及及顯顯示示DUTBA|a1|2R電子測量原理電子測量原理第33頁掃掃頻頻源源LOH(s)PFD參參考考頻頻率率源源BPFDUTBPFBPF采采樣樣及及量量化化參參考考信信道道R反反射射測測試試信信道道B傳傳輸輸測測試試信信道道A源源輸輸出出信信道道S定定向向耦耦合合器器處處理理及及顯顯示示電子測量原理電子測量原理第34頁電子測量原理電子測量原理第35頁電子測量原理電子測量原理第

12、36頁電子測量原理電子測量原理第37頁DUT幅幅相相接接收收機機顯顯示示信信號號源源ES伸伸長長線線RT定定向向耦耦合合器器a1b1功功率率分分配配器器 設(shè)信號源出射波為設(shè)信號源出射波為ES、功分器分配系數(shù)分別是、功分器分配系數(shù)分別是c1、c2，DUT反射系數(shù)為反射系數(shù)為S10，定向耦合器將，定向耦合器將DUT的反射的反射波耦合到測試通道的耦合系數(shù)為波耦合到測試通道的耦合系數(shù)為c3。有。有11132ScccRT 電子測量原理電子測量原理第38頁DUT伸伸長長線線RA定定向向耦耦合合器器a1b1功功率率分分配配器器矢矢量量網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)分分析析儀儀S電子測量原理電子測量原理第39頁a3b3S13S32

13、S23S31S33S21S12S22S11b2b1a2a1321定定向向耦耦合合器器電子測量原理電子測量原理第40頁電子測量原理電子測量原理第41頁S11MS11A(DUT)DMS11+TRS10A：由梅森法則，可得由梅森法則，可得 DSMTDSMSRA 1111M111S電子測量原理電子測量原理第42頁 2111111211211111111111111 11 11ASARAASASRAAASRAAMSMSTDSSMSMTSDSSMTSDSSS 結(jié)論：當(dāng)結(jié)論：當(dāng)DUT的反射系數(shù)的反射系數(shù)S10A較小時，方向性誤差較小時，方向性誤差D的影響占主導(dǎo)地位；當(dāng)?shù)挠绊懻贾鲗?dǎo)地位；當(dāng)S10A較大時，源失

14、配誤差較大時，源失配誤差MS是影響反射測量精度的主要因素是影響反射測量精度的主要因素 電子測量原理電子測量原理第43頁電子測量原理電子測量原理第44頁SRMMTDS 111SRMMTDS 112 3DSM 電子測量原理電子測量原理第45頁 2132121212331322MMMMMSMMMMMMMMRMSSSSSMSSSSSSSSTSD DSMTDSMSRA 1111M111S校校 準(zhǔn)準(zhǔn)修修 正正電子測量原理電子測量原理第46頁幅幅相相接接收收機機顯顯示示RT信信號號源源ESa1b2功功率率分分配配器器DUT 設(shè)信號源出射波為設(shè)信號源出射波為ES，功率分配器的分配系數(shù)分別，功率分配器的分配系數(shù)

15、分別是是c1、c2，DUT的傳輸系數(shù)為的傳輸系數(shù)為S21，有：，有：2112SccRT 電子測量原理電子測量原理第47頁DUTRB功功率率分分配配器器矢矢量量網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)分分析析儀儀Sa1b2電子測量原理電子測量原理第48頁電子測量原理電子測量原理第49頁S10A：S12A：由梅森法則，可得：由梅森法則，可得：a1b2C1+TTMLS21AS22AS11AS12AMS AALSAALSALASTAMSSMMSSMMSMSMTSCabS22111221221121122111 電子測量原理電子測量原理第50頁 AALASTAALASTAAMSSMSMTCSSMSMTSCSSS212211212211

16、21212121 11 結(jié)論：傳輸系數(shù)測量誤差不僅與結(jié)論：傳輸系數(shù)測量誤差不僅與4項系統(tǒng)誤差有項系統(tǒng)誤差有關(guān)，還與網(wǎng)絡(luò)本身的特性參數(shù)有關(guān)，與反射參關(guān)，還與網(wǎng)絡(luò)本身的特性參數(shù)有關(guān)，與反射參數(shù)測量有區(qū)別！數(shù)測量有區(qū)別！ 電子測量原理電子測量原理第51頁矢矢量量網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)分分析析儀儀伸伸長長線線RA功功率率分分配配器器12端端口口1端端口口2DUTSB12電子測量原理電子測量原理第52頁RFS21MCF1+TTFMLFS21AS22AS11AS12AMSFS11M1DF1+TRFS22M1+TRRMSRS21AS22AS11AS12AMLR1DR1+TTRRFS12M端端口口1端端口口2(a)(b)C

17、R正向正向S10A、S21A測量測量誤差模型誤差模型反向反向S22A、S12A測量測量誤差模型誤差模型電子測量原理電子測量原理第53頁電子測量原理電子測量原理第54頁 AALFSFAALFSFALFASFAALFALFARFFMSSMMSSMMSMSMSSMSMSTDS2211122122111221221111111 AALFSFAALFSFALFASFTFAFMSSMMSSMMSMSMTSCS221112212211212111 AALRSRAALRSRALRASRAALRALRARRRMSSMMSSMMSMSMSSMSMSTDS2211211211222112112222111 AALR

18、SRAALRSRALRASRTRARMSSMMSSMMSMSMTSCS221121121122121211 全面測得全面測得4個個S參數(shù)之后，正向校準(zhǔn)需參數(shù)之后，正向校準(zhǔn)需6個校準(zhǔn)件并個校準(zhǔn)件并測量測量6次，反向校準(zhǔn)亦然次，反向校準(zhǔn)亦然共需測量共需測量12次次，才能一一，才能一一確定所有的系統(tǒng)誤差！確定所有的系統(tǒng)誤差！電子測量原理電子測量原理第55頁 22111jSFjRFFMeMeTDS SFRFFMMTDS 112 22311jSFjRFFMeMeTDS LFSFRFLFFMMMTMDS 115LFSFTFFMMMTCS 116電子測量原理電子測量原理第56頁 1122322123 jjMjMMjMFeAeSeSASeSD 32223MMMFj