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文檔簡介
第6章頻域測量6.1掃頻儀概述掃頻儀,又稱頻率特性測試儀,用來測定各種有源、無源二端口和四端口網(wǎng)絡(如調頻放大器、寬頻放大器、各種濾波器、鑒頻器、雷達等)的傳輸特性、阻抗特性和反射特性等。第6章頻域測量6.1掃頻儀概述1點頻測量法——線性系統(tǒng)頻率特性的經(jīng)典測量法每次只能將加到被測線性系統(tǒng)的信號源的頻率調節(jié)到某一個頻點。依次設置調諧到各指定頻點上,分別測出各點處的參數(shù),再將各點數(shù)據(jù)連成完整的曲線,從而得到頻率特性測量結果。所得頻率特性是靜態(tài)的,無法反映信號的連續(xù)變化;測量頻點的選擇對測量結果有很大影響,特別對某些特性曲線的銳變部分以及失常點,可能會因頻點選擇不當或不足而漏掉這些測量結果。點頻測量法——線性系統(tǒng)頻率特性的經(jīng)典測量法2幅頻特性掃頻測量法
頻率源的輸出能夠在測量所需的范圍內連續(xù)掃描,因此可以連續(xù)測出各頻率點上的頻率特性結果并立即顯示特性曲線。優(yōu)點:掃頻信號的頻率連續(xù)變化,掃頻測量所得的頻率特性是動態(tài)頻率特性,也不會漏掉細節(jié)。不足:如果輸入的掃頻信號頻率變化速度快于系統(tǒng)輸出響應時間,則頻率的響應幅度會出現(xiàn)不足,掃頻測量所得幅度小于點頻測量的幅度;電路中LC元件的惰性會使幅度峰值有所偏差,因此會產(chǎn)生頻率偏離。幅頻特性掃頻測量法頻率源的輸出能夠在測量所需的范圍內3兩種幅頻特性測量法的比較掃頻測量所得的動態(tài)特性曲線峰值低于點頻測量所得的靜態(tài)特性曲線。掃頻速度越快,下降越多;動態(tài)特性曲線峰值出現(xiàn)的水平位置(頻率)相對于靜態(tài)特性曲線有所偏離,并向頻率變化的方向移動。掃頻速度越快,偏離越大;兩種幅頻特性測量法的比較掃頻測量所得的動態(tài)特性曲線峰值低于點4當靜態(tài)特性曲線對稱時,隨著掃頻速度加快,動態(tài)特性曲線明顯出現(xiàn)不對稱,并向頻率變化的方向一側傾斜;動態(tài)特性曲線較平緩,其3dB帶寬大于靜態(tài)特性曲線的3dB帶寬;小結:測量系統(tǒng)動態(tài)特性,必須用掃頻法;為了得到靜態(tài)特性,必須選擇極慢的掃頻速度以得到近似的靜態(tài)特性曲線,或采用點頻法。兩種幅頻特性測量法的比較(續(xù))當靜態(tài)特性曲線對稱時,隨著掃頻速度加快,動態(tài)特性曲線明顯出現(xiàn)52.常用頻域測試儀器(1)頻率特性測試儀2.常用頻域測試儀器(1)頻率特性測試儀6(2)頻譜分析儀(2)頻譜分析儀7第6章頻域測量課件86.1.1常用術語1.掃頻信號發(fā)生器2.掃頻儀3.有效頻率范圍4.掃頻寬度5.掃頻中心頻率6.掃頻方式7.自動掃頻8.手動掃頻9.觸發(fā)掃頻10.單次觸發(fā)掃頻11.對數(shù)掃頻12.起止掃頻13.標志掃頻14.窄帶掃頻外掃頻15.頻率標志16.分辨率17.掃頻線性誤差18.掃頻時間6.1.1常用術語1.掃頻信號發(fā)生器2.掃頻儀96.1.2掃頻儀中的關鍵器件1、變容二極管6.1.2掃頻儀中的關鍵器件1、變容二極管102.變容二極管掃頻等效電路如圖V變容管在零偏壓時的電容。PN結的內建電位差,硅管=0。6v電容指數(shù),決定于PN結中雜質濃度的分布情況,對于突變結變容管,,而超突變結變容管勢壘電容與外加電壓的關系:2.變容二極管掃頻V變容管在零偏壓時的電容。PN結的內建電位11工作原理:基于PN結反向偏置時,結電容與偏置電壓有關這一原理制成的。變容二極管構成的振蕩回路掃描信號隔直電容偏置電壓接振蕩器變容管掃頻振蕩器的優(yōu)點:
電路簡單,頻偏寬,對調制信號幾乎不消耗功率。它一般用于晶體管化的掃頻儀中。L工作原理:基于PN結反向偏置時,結電容與偏置電壓有關這一原12變容管掃頻儀的組成及原理變容管掃頻發(fā)生器被測電路峰值檢波器三角波掃描發(fā)生器XY變容管掃頻儀的組成及原理變容管掃頻發(fā)生器被13第6章頻域測量課件14變容二極管等效電路圖表變容特性曲線變容二極管等效電路圖表變容特性曲線152、電協(xié)調變容二極管變容二極管有三種類型:參數(shù)變容二極管、功率變容二極管、電調諧變容二極管。在掃頻儀中使用的是電調諧變容二極管。2、電協(xié)調變容二極管變容二極管有三種類型:參數(shù)166.2掃頻儀工作原理6.2.1整機電路原理框圖它主要由掃頻信號源和顯示系統(tǒng)兩大部分構成。6.2掃頻儀工作原理6.2.1整機電路原理框圖它17掃頻源的基本工作原理
能產(chǎn)生掃頻輸出信號的頻率源稱為掃頻信號發(fā)生器或掃頻信號源,簡稱掃頻源。它既可作為獨立的測量用信號發(fā)生器,又可作為頻率特性測量類儀器的前端。掃頻源的基本工作原理能產(chǎn)生掃頻輸出信號的18
典型的掃頻源應具備下列三方面功能:產(chǎn)生掃頻信號(通常是等幅正弦波);產(chǎn)生同步輸出的掃描信號,可以是三角波、正弦波或鋸齒波等;產(chǎn)生同步輸出的頻率標志,可以是等頻率間隔的通用頻標、專用于某項測試的專用頻標及活動頻標。掃頻源的基本工作原理(續(xù))典型的掃頻源應具備下列三方面功能:掃頻源的基本19掃頻源的主要特性
對掃頻源通常的技術要求:在預定頻帶內有足夠大的輸出功率,且幅度穩(wěn)定,以獲得最大的動態(tài)范圍;調頻線性好,并有經(jīng)過校正的頻率標記,以便確定頻帶寬度和點頻輸出;為使測量誤差最小,掃頻信號中的寄生振蕩和諧波均應很??;掃頻源輸出的中心頻率穩(wěn)定,并可以任意調節(jié);頻率偏移的范圍越寬越好,并可以任意調節(jié)。掃頻源的主要特性對掃頻源通常的技術要求:20
有效掃頻寬度掃頻線性輸出振幅平穩(wěn)性掃頻源的主要特性(續(xù))f0:掃頻輸出中心頻率f1:掃頻起點;f2:掃頻終點k0:壓控特性f-V曲線的斜率A1:寄生調幅最大幅度A2:寄生調幅最小幅度有效掃頻寬度掃頻源的主要特性(續(xù))f0:掃頻輸出中心頻率211、掃頻信號源的構成及功能掃頻信號源由掃頻單元、頻標單元和衰減器三部分組成,在控制信號的作用下要求掃頻信號源具有以下功能:能產(chǎn)生頻率做線性變化的掃頻信號;這個掃頻信號的輸出是等幅的,且具有一定的功率;掃頻信號的頻偏應盡可能大且中心頻率可調;要求掃頻信號的線性度良好;能產(chǎn)生和掃頻信號同步的頻率標記;輸出阻抗要恒定。1、掃頻信號源的構成及功能掃頻信號源由掃頻單222、顯示系統(tǒng)的構成及功能對于顯示系統(tǒng)而言,主要的要求有兩點:軌跡明亮而清晰,在不失真的前提下要有足夠高的增益。顯示系統(tǒng)主要由斜波電壓發(fā)生器,x,y軸通道放大器及示波管等電路構成。2、顯示系統(tǒng)的構成及功能對于顯示系統(tǒng)而言,主236.2.2單元電路工作原理1.掃頻單元6.2.2單元電路工作原理242、固定振蕩器2、固定振蕩器253、掃頻振蕩器3、掃頻振蕩器264、混頻器和低通濾波器4、混頻器和低通濾波器276.3頻標單元6.3頻標單元281、單一頻標產(chǎn)生的工作原理1、單一頻標產(chǎn)生的工作原理292、產(chǎn)生多個頻標的工作原理
以10MHz通用頻標為例來說明獲得多個頻標的工作原理:2、產(chǎn)生多個頻標的工作原理以10MHz通用頻標30頻率標記
頻率標記是掃頻測量中的頻率定度。產(chǎn)生頻標的基本方法是差頻法,利用差頻方式可產(chǎn)生一個或多個頻標,頻標的數(shù)目取決于和掃頻信號混頻的基準頻率的成分。所用的頻率基準的頻率穩(wěn)定度和準確度較高頻標幅度應基本一致、顯示整齊不包含雜頻和泄漏進來的掃頻信號多種頻標形式以滿足不同的顯示和測量需要電路時延盡可能小以減小頻率定度誤差頻率標記頻率標記是掃頻測量中的頻率定度。產(chǎn)生頻標的31頻率標記(續(xù))菱形頻標利用差頻法得到,適用于測量高頻段的頻率特性。對作為基準頻率進行限幅、整形和微分,形成含有很多諧波成分的尖脈沖,再和掃頻信號混頻。脈沖頻標由菱形頻標變換而來的。將菱形頻標送去觸發(fā)單穩(wěn)電路并產(chǎn)生輸出,整形后形成極窄的矩形脈沖頻標,也叫針形頻標。寬度較菱形頻標窄,在測量低頻電路時分辨力更高。線形頻標狀如一條條極細的垂直亮線,是光柵增輝式顯示器特有的頻標形式。頻率標記(續(xù))菱形頻標32頻率標記:用于頻率值的標定,頻率標記簡稱頻標主要有四種方法(模擬法):差頻法、電壓比較法、吸收法、選頻法差頻法:形成菱形頻標,適用于高頻掃頻儀中。(頻標寬度)掃頻信號發(fā)生器標準信號發(fā)生器混頻器帶通濾波器放大器諧波發(fā)生器
頻率標記頻率標記:用于頻率值的標定,頻率標記簡稱頻標掃頻信號發(fā)334.98MHz5MHz5.02MHz掃頻信號1MHz振蕩信號的五次諧波5MHz20kHz20kHz混頻輸出通過窄帶通濾波器并放大4.98MHz5MHz5.02MHz掃頻信號1MHz振蕩信號3410MHz頻標10MHz頻標35第6章頻域測量課件363、頻標單元電路分析本電路包括四個部分:10MHz晶振、隔離放大器、波發(fā)生器及混頻濾波電路。3、頻標單元電路分析376.4Y通道單元6.4Y通道單元38Y通道單元的具體要求為:有較高的輸入阻抗;有較好的頻率特性;要求有較小的漂移;Y通道單元的具體要求為:396.5操作使用以BT-3GIII型頻率特性測試儀為例來詳細介紹掃頻儀的使用方法1、BT-3GIII型頻率特性測試儀的面板布置6.5操作使用以BT-3GIII型頻率特402、旋鈕的名稱與作用(1)顯示器的旋鈕與作用亮度:用來調節(jié)掃描線的亮度,順時針調整,亮度最大,反之則掃描線最暗。聚焦:調整該旋鈕可使掃描線光滑清晰。水平校準:當掃描線不能和水平刻度線重合時,可加以調整。Y輸入:通常接檢波探頭的輸出端。對于含有內檢波的四端網(wǎng)絡,該網(wǎng)絡的輸出可直接加到Y輸入。Y增益:用于調節(jié)輸入信號的大小,以使得被測信號能直觀地顯示在屏幕上。2、旋鈕的名稱與作用(1)顯示器的旋鈕與作用亮度:用來調節(jié)掃41⑥位移:通過旋鈕的來回調節(jié),可使整個掃描曲線上下移動。Y位移:通過旋鈕的來回調節(jié),可使整個掃描曲線上下移動。Y軸衰減選擇擋:共分為*1、*10、*100三擋,應和Y增益配合使用,通過不同擋的選擇,可改變整個Y軸的增益與掃描曲線的高度。⑥位移:通過旋鈕的來回調節(jié),可使整個掃描曲線上下移動。42(2)掃頻信號源的旋鈕與作用中心頻率:調節(jié)該旋鈕,可使需要的中心頻率置于屏幕的中心位置。掃頻寬度:調節(jié)該旋鈕,可得到合適的掃頻帶寬。輸出衰減:輸出衰減共分七擋,通過不同的組合,可得到不同的衰減量,它的設置可以改變掃頻信號的輸出幅度。掃頻輸出:掃頻信號的輸出端,通常接到被測四端網(wǎng)絡的輸入端。(2)掃頻信號源的旋鈕與作用中心頻率:調節(jié)該旋鈕,可使需要的43(3)頻標信號發(fā)生器的旋鈕與作用頻標選擇頻標幅度外接頻標(3)頻標信號發(fā)生器的旋鈕與作用頻標選擇443.使用方法(1)使用前的準備工作將檢波探頭推入自校準插座,并將自校準插頭接掃頻輸出插座,檢波輸出插頭接Y輸入。如圖6.5.2所示:3.使用方法(1)使用前的準備工作將檢波探頭推入自校準插座,45(2)頻標識別將頻標選擇旋鈕置于10/1位置,中心頻率置于起始處,此時屏幕中出現(xiàn)不同于菱形頻標的特殊標識,稱作零拍。順時針轉動中心頻率旋鈕,會發(fā)現(xiàn)0拍及右面的大小頻標逐漸左移。其中幅度大的為10MHz頻標,幅度小的為1MHz頻標,如圖6.5.3(a)所示。(2)頻標識別將頻標選擇旋鈕置于10/1位置,中心頻率置于起46將頻標選擇旋鈕置于50位置,掃頻特性曲線如圖6.5.3(b)所示,在零拍右面的第一個頻標為50MHz,第二個頻標為100MHz,其余依次類推。將頻標選擇旋鈕置于50位置,掃頻特性曲線如圖6.5.3(b)47(3)掃頻寬度不同的四端網(wǎng)絡有著不同的頻帶,預置掃頻寬度太窄,被測曲線在水平方向會很??;預置掃頻寬度太寬,被測曲線在水平方向會很大。因此調節(jié)掃頻寬度旋鈕會得到合適的掃頻寬度。(3)掃頻寬度不同的四端網(wǎng)絡有著不同的頻帶,48(4)中心頻率讀取不同的四端網(wǎng)絡除了有不同的頻帶之外,還有不同的中心頻率,預置中心頻率過高,被測曲線會在右面,預置中心頻率過低,被測曲線會在左面。調節(jié)中心頻率旋鈕,使得中心頻率在屏幕中央,就可以對稱地觀察被測曲線。圖6.5.4示出了中心頻率為20MHz掃頻寬度為24MHz的校準曲線。需要說明的是,中心頻率20MHz是在0拍右面的第2個大頻標。(4)中心頻率讀取不同的四端網(wǎng)絡除了有不同的頻496.6測試實例1、單調諧回路的掃頻測量(1)單調諧回路的電路原理圖6.6測試實例1、單調諧回路的掃頻測量50(2)掃頻儀各旋鈕預置如下:將-/+置于+,AC/DC置于DC,Y衰減置于×1;掃頻輸出衰減旋鈕置于0dB;頻標選擇旋鈕置于10/1MHz;掃頻寬度旋鈕置于>5MHz;將低阻檢波器和自校準插座分別接Y輸入和掃頻輸出插座,調整Y增益使得掃描曲線為5大格,并記下此值(2)掃頻儀各旋鈕預置如下:將-/+置于+,AC/DC置于D51(3)掃頻儀與單協(xié)調回路的連接方法:注意:檢波器為高阻檢波器,掃頻輸出為帶鱷魚夾的高頻電纜。(3)掃頻儀與單協(xié)調回路的連接方法:注意:檢波52(3)調節(jié)輸出衰減為47dB,單調諧回路的幅頻特性曲線:該單調諧回路的增益為47dB,即放大量為100余倍。(3)調節(jié)輸出衰減為47dB,單調諧回路的幅頻特性曲線:該單532、雙諧調回路的掃頻測量步驟如下:雙諧調回路原理圖:2、雙諧調回路的掃頻測量步驟如下:54掃頻儀各旋鈕預置如實例1;掃頻儀與雙諧調回路的連接方法與實例1相同;調整輸出衰減為50dB,被測雙諧調回路的幅頻特性曲線如圖:掃頻儀各旋鈕預置如實例1;553、相位鑒頻器的掃頻測量3、相位鑒頻器的掃頻測量56相位鑒頻器的特性曲線相位鑒頻器的特性曲線574、利用掃頻儀測量振蕩器的振蕩頻率5、用掃頻儀測量無源的高通濾波器高通濾波器電路原理圖4、利用掃頻儀測量振蕩器的振蕩頻率高通濾波器電路原理圖581頻道高通濾波器特性曲線1頻道高通濾波器特性曲線596、主要技術指標掃頻范圍:1~300MHz;掃頻寬度:>100MHz;掃頻非線性:<+-5%;輸出電壓:0.5V(3.33mW)+-10%;輸出平坦度:+-0.25dB;輸出衰減:0~70dB,1dB步進;輸出阻抗:75歐;頻率標記:50MHz、10MHz/1MHz復合及外接三種,外接頻標靈敏度優(yōu)于300mV;顯示部分垂直靈敏度:優(yōu)于20mV(峰-峰)/cm;顯示屏幕有效尺寸:100mm*80mm。6、主要技術指標掃頻范圍:1~300MHz;606.7頻譜分析儀工作原理6.7.1時域和頻域的關系頻域和時域的關系通常一個過程或信號可以表示為時間t的函數(shù)f(t),示波器常用來觀測信號電壓隨時間的變化,是典型的時域分析儀器。過程或信號還可以表示為頻率f或角頻率的函數(shù)s(ω),頻率特性測試儀、頻譜分析儀都是以頻率為自變量,以各頻率分量的信號值為因變量進行分析的儀器。6.7頻譜分析儀工作原理6.7.1時域和頻域的關系頻61常見電信號波形圖與頻譜圖的對應關系常見電信號波形圖與頻譜圖的對應關系62表中純正弦波,只顯示一條譜線,f0=1/T,線高等于正弦波的幅值;方波含有1,3,5...奇次諧波;三角波與梯形波也含有1,3,5...奇次諧波,但各分量的幅值與方波不同;而鋸齒波含有1,2,3...各次諧波,按自然數(shù)排列。這些均可通過傅里葉級數(shù)求出。表中純正弦波,只顯示一條譜線,f0=1/T,636.7.2頻譜分析儀的分類頻譜分析儀按其工作原理分為實時頻譜分析儀和非實時頻譜分析儀兩大類。實時頻譜分析儀按工作原理又可分為多通道(信道)濾波式、時基壓縮式、掃頻超外差式、相關存儲濾波式、快速傅里葉變換(FFT)式等。6.7.2頻譜分析儀的分類頻譜分析儀按其工作641、FFT型實時頻譜儀1、FFT型實時頻譜儀65付里葉分析儀
付里葉分析儀將輸入信號數(shù)字化,再對時域數(shù)字信息進行FFT變換以獲得頻域表征,屬于數(shù)字式頻譜儀。由于采用微處理器或專用集成電路,速度明顯超過傳統(tǒng)的模擬式掃描頻譜儀,能進行實時分析;但它同時受A/D轉換器件的指標限制,通常帶寬是有限的,工作頻段較低。付里葉分析儀付里葉分析儀將輸入信66FFT分析儀原理
FFT分析儀原理及組成輸入信號首先經(jīng)過可變衰減器以提供不同的幅度測量范圍,然后經(jīng)低通濾波器除去儀器頻率范圍之外的高頻分量。接下來對信號進行時域波形的采樣和量化,轉變?yōu)閿?shù)字信息。最后由微處理器利用FFT計算波形的頻譜,并將結果顯示出來。FFT分析儀原理FFT分析儀原理及組成67FFT分析儀的特點
FFT的基本特性FFT是一種面向記錄的算法。將N個采樣點作為時間記錄輸入,得到N個節(jié)點的頻譜輸出,輸出記錄的復數(shù)值同時包含幅度、相位信息。各節(jié)點之間的頻率間隔fstep由時間記錄長度N和采樣頻率fS決定:fstep=fS/N,第n個節(jié)點對應的頻率值為fn=fS×n/N。FFT形成的頻譜相對于折疊頻率ff(ff=fS/2)對稱,因此輸出頻率的前半部分是多余的,只需保留(N/2)+1個有效節(jié)點,對應于頻率從0到fS/2
,故FFT的輸出頻率范圍為0~fS/2,類似于低通濾波。FFT分析儀的特點FFT的基本特性68FFT分析儀的特點(續(xù)4)
頻譜泄漏及其處理FFT在原理上是采用有限長的時間記錄進行付氏變換,并在總體上不斷重復以代表對無限長實際序列的積分。然而在重復波形時,某些波形的形狀和相位可能會有瞬變,這種情況下的FFT頻譜與付氏變換積分的結果有較大差異,頻譜圖中會看到譜線的頻率范圍變寬,這就是頻譜泄漏。常用解決辦法是使用窗函數(shù)與時間記錄相乘,即強迫波形在有限長度的時間記錄之外變?yōu)榱?,于是波形不再有瞬變現(xiàn)象。FFT分析儀的特點(續(xù)4)頻譜泄漏及其處理692、掃頻超外差式頻譜儀2、掃頻超外差式頻譜儀70外差式頻譜分析儀外差式頻譜分析儀核心部分如同一臺外差式接收機,其框圖如下圖所示。外差式頻譜分析儀具有頻率范圍寬、靈敏度高、頻率分辨力可變等優(yōu)點,是頻譜儀中數(shù)量最多的一種,高頻頻譜儀幾乎全部采用外差式。圖外差式頻譜分析儀的構成框圖外差式頻譜分析儀圖外差式頻譜分析儀的構成框圖71外差式頻譜儀的組成
主要包括輸入通道、混頻電路、中頻處理電路、檢波和視頻濾波等部分。
外差式頻譜分析儀頻率范圍寬、靈敏度高、頻率分辨率可變,是目前頻譜儀中數(shù)量最大的一種。由于被分析的頻譜依次被順序采樣,因而不能進行實時分析。這種分析儀只能提供幅度譜,不能提供相位譜。外差式頻譜儀的組成主要包括輸入通道、混頻電路72輸入通道(續(xù)3)多級混頻高中頻很難實現(xiàn)窄帶帶通濾波和性能良好的檢波,需要進行多級變頻(混頻)處理。第一混頻實現(xiàn)高中頻頻率變換,再由第二、三級甚至第四級混頻將固定的中頻逐漸降低。每級混頻之后有相應的帶通濾波器抑制高次諧波交調分量。輸入通道(續(xù)3)多級混頻高中頻很難實現(xiàn)窄帶帶73FFT分析儀與外差式頻譜分析儀
FFT分析儀比外差式頻譜儀測量速度快。外差式頻譜儀的測量速度受限于分辨率帶寬,在較低頻段區(qū)分緊鄰的譜線需要很窄的RBW,因此導致掃描時間可能會長到無法忍受。而FFT分析儀的速度僅取決于量化和FFT計算所需的時間,在相等的頻率分辨率下,F(xiàn)FT分析儀較外差式頻譜儀快得多。由于FFT分析儀需使用高速ADC進行過采樣,可分析的頻率范圍受限于A/D器件的速度,因而在頻率覆蓋范圍上FFT分析儀不及外差式頻譜儀。FFT分析儀與外差式頻譜分析儀FFT分析儀比外差式頻譜74FFT分析儀與外差式頻譜分析儀(續(xù))
現(xiàn)代頻譜儀將外差式掃描頻譜分析技術與FFT數(shù)字信號處理技術相結合,兼有兩種技術的優(yōu)點:前端仍采用傳統(tǒng)的外差式結構,而在中頻處理部分采用數(shù)字結構,中頻信號由ADC量化,F(xiàn)FT則由通用微處理器或專用數(shù)字邏輯實現(xiàn)。這種方案充分利用了外差式頻譜儀的頻率范圍和FFT優(yōu)秀的頻率分辨率,使得在很高的頻率上進行極窄帶寬的頻譜分析成為可能,整機性能大大提高。FFT分析儀與外差式頻譜分析儀(續(xù))現(xiàn)代頻譜儀將外差756.7.3信號頻譜測量1、調幅信號分析(1)掃頻法6.7.3信號頻譜測量1、調幅信號分析(1)掃頻法76(2)時域法(2)時域法77(3)FFT頻域法(3)FFT頻域法78(4)調幅(AM)信號測量方法的選擇(4)調幅(AM)信號測量方法的選擇792、調頻信號分析調頻信號的頻譜是由無限邊帶組成的,然而在窄帶調頻情況下,只有兩個主要的邊帶,它們的幅度相對于載波幅度為:2、調頻信號分析調頻信號的頻譜是由無限邊帶組成80(1)掃頻頻域法(2)貝塞爾(Bessel)零點法(1)掃頻頻域法(2)貝塞81(3)哈伯雷(Haberly)法(3)哈伯雷(Haberly)法82(4)斜率檢波/解調法斜率檢波/解調法是將頻譜儀設置在零掃寬的位置上(SPAN=0Hz),利用中頻濾波器的斜率來解調信號的。如果信號正好處于頻譜儀中心頻率處,即中頻信號位于中頻濾波器中心處,顯示信號就變成一根直線,幅度上沒有變化。如果調節(jié)頻譜儀中心頻率,使得信號位于中頻濾波器的斜邊上,任何頻率變化就變?yōu)榉茸兓?,因此得到解調波形。這種方法對測量非正弦調制(如噪聲、音頻、數(shù)字調制)的峰值頻偏是非常重要的。(4)斜率檢波/解調法83(5)調頻(FM)信號測量方法的選擇(5)調頻(FM)信號測量方法的選擇843、脈沖調制信號分析(1)窄帶測量3、脈沖調制信號分析(1)窄帶測量85(2)寬帶測量(2)寬帶測量864、復合信號頻譜分析4、復合信號頻譜分析876.7.4技術性能指標(1)頻率分辨率(2)顯示平均噪聲電平(3)視頻濾波器和視頻平均(4)動態(tài)范圍(5)檢波器與檢波方式(6)噪聲邊帶(7)假響應(8)剩余響應(9)多重響應(10)交調失真(11)增益壓縮(12)沖擊帶寬(13)預選器6.7.4技術性能指標886.7.5操作使用要點1、選型依據(jù)2、使用要點(1)電源要求(2)靜電防護(3)對輸入信號的要求(4)更換電池(5)地址設置(6)其他說明6.7.5操作使用要點89謝謝!90謝謝!90第6章頻域測量6.1掃頻儀概述掃頻儀,又稱頻率特性測試儀,用來測定各種有源、無源二端口和四端口網(wǎng)絡(如調頻放大器、寬頻放大器、各種濾波器、鑒頻器、雷達等)的傳輸特性、阻抗特性和反射特性等。第6章頻域測量6.1掃頻儀概述91點頻測量法——線性系統(tǒng)頻率特性的經(jīng)典測量法每次只能將加到被測線性系統(tǒng)的信號源的頻率調節(jié)到某一個頻點。依次設置調諧到各指定頻點上,分別測出各點處的參數(shù),再將各點數(shù)據(jù)連成完整的曲線,從而得到頻率特性測量結果。所得頻率特性是靜態(tài)的,無法反映信號的連續(xù)變化;測量頻點的選擇對測量結果有很大影響,特別對某些特性曲線的銳變部分以及失常點,可能會因頻點選擇不當或不足而漏掉這些測量結果。點頻測量法——線性系統(tǒng)頻率特性的經(jīng)典測量法92幅頻特性掃頻測量法
頻率源的輸出能夠在測量所需的范圍內連續(xù)掃描,因此可以連續(xù)測出各頻率點上的頻率特性結果并立即顯示特性曲線。優(yōu)點:掃頻信號的頻率連續(xù)變化,掃頻測量所得的頻率特性是動態(tài)頻率特性,也不會漏掉細節(jié)。不足:如果輸入的掃頻信號頻率變化速度快于系統(tǒng)輸出響應時間,則頻率的響應幅度會出現(xiàn)不足,掃頻測量所得幅度小于點頻測量的幅度;電路中LC元件的惰性會使幅度峰值有所偏差,因此會產(chǎn)生頻率偏離。幅頻特性掃頻測量法頻率源的輸出能夠在測量所需的范圍內93兩種幅頻特性測量法的比較掃頻測量所得的動態(tài)特性曲線峰值低于點頻測量所得的靜態(tài)特性曲線。掃頻速度越快,下降越多;動態(tài)特性曲線峰值出現(xiàn)的水平位置(頻率)相對于靜態(tài)特性曲線有所偏離,并向頻率變化的方向移動。掃頻速度越快,偏離越大;兩種幅頻特性測量法的比較掃頻測量所得的動態(tài)特性曲線峰值低于點94當靜態(tài)特性曲線對稱時,隨著掃頻速度加快,動態(tài)特性曲線明顯出現(xiàn)不對稱,并向頻率變化的方向一側傾斜;動態(tài)特性曲線較平緩,其3dB帶寬大于靜態(tài)特性曲線的3dB帶寬;小結:測量系統(tǒng)動態(tài)特性,必須用掃頻法;為了得到靜態(tài)特性,必須選擇極慢的掃頻速度以得到近似的靜態(tài)特性曲線,或采用點頻法。兩種幅頻特性測量法的比較(續(xù))當靜態(tài)特性曲線對稱時,隨著掃頻速度加快,動態(tài)特性曲線明顯出現(xiàn)952.常用頻域測試儀器(1)頻率特性測試儀2.常用頻域測試儀器(1)頻率特性測試儀96(2)頻譜分析儀(2)頻譜分析儀97第6章頻域測量課件986.1.1常用術語1.掃頻信號發(fā)生器2.掃頻儀3.有效頻率范圍4.掃頻寬度5.掃頻中心頻率6.掃頻方式7.自動掃頻8.手動掃頻9.觸發(fā)掃頻10.單次觸發(fā)掃頻11.對數(shù)掃頻12.起止掃頻13.標志掃頻14.窄帶掃頻外掃頻15.頻率標志16.分辨率17.掃頻線性誤差18.掃頻時間6.1.1常用術語1.掃頻信號發(fā)生器2.掃頻儀996.1.2掃頻儀中的關鍵器件1、變容二極管6.1.2掃頻儀中的關鍵器件1、變容二極管1002.變容二極管掃頻等效電路如圖V變容管在零偏壓時的電容。PN結的內建電位差,硅管=0。6v電容指數(shù),決定于PN結中雜質濃度的分布情況,對于突變結變容管,,而超突變結變容管勢壘電容與外加電壓的關系:2.變容二極管掃頻V變容管在零偏壓時的電容。PN結的內建電位101工作原理:基于PN結反向偏置時,結電容與偏置電壓有關這一原理制成的。變容二極管構成的振蕩回路掃描信號隔直電容偏置電壓接振蕩器變容管掃頻振蕩器的優(yōu)點:
電路簡單,頻偏寬,對調制信號幾乎不消耗功率。它一般用于晶體管化的掃頻儀中。L工作原理:基于PN結反向偏置時,結電容與偏置電壓有關這一原102變容管掃頻儀的組成及原理變容管掃頻發(fā)生器被測電路峰值檢波器三角波掃描發(fā)生器XY變容管掃頻儀的組成及原理變容管掃頻發(fā)生器被103第6章頻域測量課件104變容二極管等效電路圖表變容特性曲線變容二極管等效電路圖表變容特性曲線1052、電協(xié)調變容二極管變容二極管有三種類型:參數(shù)變容二極管、功率變容二極管、電調諧變容二極管。在掃頻儀中使用的是電調諧變容二極管。2、電協(xié)調變容二極管變容二極管有三種類型:參數(shù)1066.2掃頻儀工作原理6.2.1整機電路原理框圖它主要由掃頻信號源和顯示系統(tǒng)兩大部分構成。6.2掃頻儀工作原理6.2.1整機電路原理框圖它107掃頻源的基本工作原理
能產(chǎn)生掃頻輸出信號的頻率源稱為掃頻信號發(fā)生器或掃頻信號源,簡稱掃頻源。它既可作為獨立的測量用信號發(fā)生器,又可作為頻率特性測量類儀器的前端。掃頻源的基本工作原理能產(chǎn)生掃頻輸出信號的108
典型的掃頻源應具備下列三方面功能:產(chǎn)生掃頻信號(通常是等幅正弦波);產(chǎn)生同步輸出的掃描信號,可以是三角波、正弦波或鋸齒波等;產(chǎn)生同步輸出的頻率標志,可以是等頻率間隔的通用頻標、專用于某項測試的專用頻標及活動頻標。掃頻源的基本工作原理(續(xù))典型的掃頻源應具備下列三方面功能:掃頻源的基本109掃頻源的主要特性
對掃頻源通常的技術要求:在預定頻帶內有足夠大的輸出功率,且幅度穩(wěn)定,以獲得最大的動態(tài)范圍;調頻線性好,并有經(jīng)過校正的頻率標記,以便確定頻帶寬度和點頻輸出;為使測量誤差最小,掃頻信號中的寄生振蕩和諧波均應很?。粧哳l源輸出的中心頻率穩(wěn)定,并可以任意調節(jié);頻率偏移的范圍越寬越好,并可以任意調節(jié)。掃頻源的主要特性對掃頻源通常的技術要求:110
有效掃頻寬度掃頻線性輸出振幅平穩(wěn)性掃頻源的主要特性(續(xù))f0:掃頻輸出中心頻率f1:掃頻起點;f2:掃頻終點k0:壓控特性f-V曲線的斜率A1:寄生調幅最大幅度A2:寄生調幅最小幅度有效掃頻寬度掃頻源的主要特性(續(xù))f0:掃頻輸出中心頻率1111、掃頻信號源的構成及功能掃頻信號源由掃頻單元、頻標單元和衰減器三部分組成,在控制信號的作用下要求掃頻信號源具有以下功能:能產(chǎn)生頻率做線性變化的掃頻信號;這個掃頻信號的輸出是等幅的,且具有一定的功率;掃頻信號的頻偏應盡可能大且中心頻率可調;要求掃頻信號的線性度良好;能產(chǎn)生和掃頻信號同步的頻率標記;輸出阻抗要恒定。1、掃頻信號源的構成及功能掃頻信號源由掃頻單1122、顯示系統(tǒng)的構成及功能對于顯示系統(tǒng)而言,主要的要求有兩點:軌跡明亮而清晰,在不失真的前提下要有足夠高的增益。顯示系統(tǒng)主要由斜波電壓發(fā)生器,x,y軸通道放大器及示波管等電路構成。2、顯示系統(tǒng)的構成及功能對于顯示系統(tǒng)而言,主1136.2.2單元電路工作原理1.掃頻單元6.2.2單元電路工作原理1142、固定振蕩器2、固定振蕩器1153、掃頻振蕩器3、掃頻振蕩器1164、混頻器和低通濾波器4、混頻器和低通濾波器1176.3頻標單元6.3頻標單元1181、單一頻標產(chǎn)生的工作原理1、單一頻標產(chǎn)生的工作原理1192、產(chǎn)生多個頻標的工作原理
以10MHz通用頻標為例來說明獲得多個頻標的工作原理:2、產(chǎn)生多個頻標的工作原理以10MHz通用頻標120頻率標記
頻率標記是掃頻測量中的頻率定度。產(chǎn)生頻標的基本方法是差頻法,利用差頻方式可產(chǎn)生一個或多個頻標,頻標的數(shù)目取決于和掃頻信號混頻的基準頻率的成分。所用的頻率基準的頻率穩(wěn)定度和準確度較高頻標幅度應基本一致、顯示整齊不包含雜頻和泄漏進來的掃頻信號多種頻標形式以滿足不同的顯示和測量需要電路時延盡可能小以減小頻率定度誤差頻率標記頻率標記是掃頻測量中的頻率定度。產(chǎn)生頻標的121頻率標記(續(xù))菱形頻標利用差頻法得到,適用于測量高頻段的頻率特性。對作為基準頻率進行限幅、整形和微分,形成含有很多諧波成分的尖脈沖,再和掃頻信號混頻。脈沖頻標由菱形頻標變換而來的。將菱形頻標送去觸發(fā)單穩(wěn)電路并產(chǎn)生輸出,整形后形成極窄的矩形脈沖頻標,也叫針形頻標。寬度較菱形頻標窄,在測量低頻電路時分辨力更高。線形頻標狀如一條條極細的垂直亮線,是光柵增輝式顯示器特有的頻標形式。頻率標記(續(xù))菱形頻標122頻率標記:用于頻率值的標定,頻率標記簡稱頻標主要有四種方法(模擬法):差頻法、電壓比較法、吸收法、選頻法差頻法:形成菱形頻標,適用于高頻掃頻儀中。(頻標寬度)掃頻信號發(fā)生器標準信號發(fā)生器混頻器帶通濾波器放大器諧波發(fā)生器
頻率標記頻率標記:用于頻率值的標定,頻率標記簡稱頻標掃頻信號發(fā)1234.98MHz5MHz5.02MHz掃頻信號1MHz振蕩信號的五次諧波5MHz20kHz20kHz混頻輸出通過窄帶通濾波器并放大4.98MHz5MHz5.02MHz掃頻信號1MHz振蕩信號12410MHz頻標10MHz頻標125第6章頻域測量課件1263、頻標單元電路分析本電路包括四個部分:10MHz晶振、隔離放大器、波發(fā)生器及混頻濾波電路。3、頻標單元電路分析1276.4Y通道單元6.4Y通道單元128Y通道單元的具體要求為:有較高的輸入阻抗;有較好的頻率特性;要求有較小的漂移;Y通道單元的具體要求為:1296.5操作使用以BT-3GIII型頻率特性測試儀為例來詳細介紹掃頻儀的使用方法1、BT-3GIII型頻率特性測試儀的面板布置6.5操作使用以BT-3GIII型頻率特1302、旋鈕的名稱與作用(1)顯示器的旋鈕與作用亮度:用來調節(jié)掃描線的亮度,順時針調整,亮度最大,反之則掃描線最暗。聚焦:調整該旋鈕可使掃描線光滑清晰。水平校準:當掃描線不能和水平刻度線重合時,可加以調整。Y輸入:通常接檢波探頭的輸出端。對于含有內檢波的四端網(wǎng)絡,該網(wǎng)絡的輸出可直接加到Y輸入。Y增益:用于調節(jié)輸入信號的大小,以使得被測信號能直觀地顯示在屏幕上。2、旋鈕的名稱與作用(1)顯示器的旋鈕與作用亮度:用來調節(jié)掃131⑥位移:通過旋鈕的來回調節(jié),可使整個掃描曲線上下移動。Y位移:通過旋鈕的來回調節(jié),可使整個掃描曲線上下移動。Y軸衰減選擇擋:共分為*1、*10、*100三擋,應和Y增益配合使用,通過不同擋的選擇,可改變整個Y軸的增益與掃描曲線的高度。⑥位移:通過旋鈕的來回調節(jié),可使整個掃描曲線上下移動。132(2)掃頻信號源的旋鈕與作用中心頻率:調節(jié)該旋鈕,可使需要的中心頻率置于屏幕的中心位置。掃頻寬度:調節(jié)該旋鈕,可得到合適的掃頻帶寬。輸出衰減:輸出衰減共分七擋,通過不同的組合,可得到不同的衰減量,它的設置可以改變掃頻信號的輸出幅度。掃頻輸出:掃頻信號的輸出端,通常接到被測四端網(wǎng)絡的輸入端。(2)掃頻信號源的旋鈕與作用中心頻率:調節(jié)該旋鈕,可使需要的133(3)頻標信號發(fā)生器的旋鈕與作用頻標選擇頻標幅度外接頻標(3)頻標信號發(fā)生器的旋鈕與作用頻標選擇1343.使用方法(1)使用前的準備工作將檢波探頭推入自校準插座,并將自校準插頭接掃頻輸出插座,檢波輸出插頭接Y輸入。如圖6.5.2所示:3.使用方法(1)使用前的準備工作將檢波探頭推入自校準插座,135(2)頻標識別將頻標選擇旋鈕置于10/1位置,中心頻率置于起始處,此時屏幕中出現(xiàn)不同于菱形頻標的特殊標識,稱作零拍。順時針轉動中心頻率旋鈕,會發(fā)現(xiàn)0拍及右面的大小頻標逐漸左移。其中幅度大的為10MHz頻標,幅度小的為1MHz頻標,如圖6.5.3(a)所示。(2)頻標識別將頻標選擇旋鈕置于10/1位置,中心頻率置于起136將頻標選擇旋鈕置于50位置,掃頻特性曲線如圖6.5.3(b)所示,在零拍右面的第一個頻標為50MHz,第二個頻標為100MHz,其余依次類推。將頻標選擇旋鈕置于50位置,掃頻特性曲線如圖6.5.3(b)137(3)掃頻寬度不同的四端網(wǎng)絡有著不同的頻帶,預置掃頻寬度太窄,被測曲線在水平方向會很?。活A置掃頻寬度太寬,被測曲線在水平方向會很大。因此調節(jié)掃頻寬度旋鈕會得到合適的掃頻寬度。(3)掃頻寬度不同的四端網(wǎng)絡有著不同的頻帶,138(4)中心頻率讀取不同的四端網(wǎng)絡除了有不同的頻帶之外,還有不同的中心頻率,預置中心頻率過高,被測曲線會在右面,預置中心頻率過低,被測曲線會在左面。調節(jié)中心頻率旋鈕,使得中心頻率在屏幕中央,就可以對稱地觀察被測曲線。圖6.5.4示出了中心頻率為20MHz掃頻寬度為24MHz的校準曲線。需要說明的是,中心頻率20MHz是在0拍右面的第2個大頻標。(4)中心頻率讀取不同的四端網(wǎng)絡除了有不同的頻1396.6測試實例1、單調諧回路的掃頻測量(1)單調諧回路的電路原理圖6.6測試實例1、單調諧回路的掃頻測量140(2)掃頻儀各旋鈕預置如下:將-/+置于+,AC/DC置于DC,Y衰減置于×1;掃頻輸出衰減旋鈕置于0dB;頻標選擇旋鈕置于10/1MHz;掃頻寬度旋鈕置于>5MHz;將低阻檢波器和自校準插座分別接Y輸入和掃頻輸出插座,調整Y增益使得掃描曲線為5大格,并記下此值(2)掃頻儀各旋鈕預置如下:將-/+置于+,AC/DC置于D141(3)掃頻儀與單協(xié)調回路的連接方法:注意:檢波器為高阻檢波器,掃頻輸出為帶鱷魚夾的高頻電纜。(3)掃頻儀與單協(xié)調回路的連接方法:注意:檢波142(3)調節(jié)輸出衰減為47dB,單調諧回路的幅頻特性曲線:該單調諧回路的增益為47dB,即放大量為100余倍。(3)調節(jié)輸出衰減為47dB,單調諧回路的幅頻特性曲線:該單1432、雙諧調回路的掃頻測量步驟如下:雙諧調回路原理圖:2、雙諧調回路的掃頻測量步驟如下:144掃頻儀各旋鈕預置如實例1;掃頻儀與雙諧調回路的連接方法與實例1相同;調整輸出衰減為50dB,被測雙諧調回路的幅頻特性曲線如圖:掃頻儀各旋鈕預置如實例1;1453、相位鑒頻器的掃頻測量3、相位鑒頻器的掃頻測量146相位鑒頻器的特性曲線相位鑒頻器的特性曲線1474、利用掃頻儀測量振蕩器的振蕩頻率5、用掃頻儀測量無源的高通濾波器高通濾波器電路原理圖4、利用掃頻儀測量振蕩器的振蕩頻率高通濾波器電路原理圖1481頻道高通濾波器特性曲線1頻道高通濾波器特性曲線1496、主要技術指標掃頻范圍:1~300MHz;掃頻寬度:>100MHz;掃頻非線性:<+-5%;輸出電壓:0.5V(3.33mW)+-10%;輸出平坦度:+-0.25dB;輸出衰減:0~70dB,1dB步進;輸出阻抗:75歐;頻率標記:50MHz、10MHz/1MHz復合及外接三種,外接頻標靈敏度優(yōu)于300mV;顯示部分垂直靈敏度:優(yōu)于20mV(峰-峰)/cm;顯示屏幕有效尺寸:100mm*80mm。6、主要技術指標掃頻范圍:1~300MHz;1506.7頻譜分析儀工作原理6.7.1時域和頻域的關系頻域和時域的關系通常一個過程或信號可以表示為時間t的函數(shù)f(t),示波器常用來觀測信號電壓隨時間的變化,是典型的時域分析儀器。過程或信號還可以表示為頻率f或角頻率的函數(shù)s(ω),頻率特性測試儀、頻譜分析儀都是以頻率為自變量,以各頻率分量的信號值為因變量進行分析的儀器。6.7頻譜分析儀工作原理6.7.1時域和頻域的關系頻151常見電信號波形圖與頻譜圖的對應關系常見電信號波形圖與頻譜圖的對應關系152表中純正弦波,只顯示一條譜線,f0=1/T,線高等于正弦波的幅值;方波含有1,3,5...奇次諧波;三角波與梯形波也含有1,3,5...奇次諧波,但各分量的幅值與方波不同;而鋸齒波含有1,2,3...各次諧波,按自然數(shù)排列。這些均可通過傅里葉級數(shù)求出。表中純正弦波,只顯示一條譜線,f0=1/T,1536.7.2頻譜分析儀的分類頻譜分析儀按其工作原理分為實時頻譜分析儀和非實時頻譜分析儀兩大類。實時頻譜分析儀按工作原理又可分為多通道(信道)濾波式、時基壓縮式、掃頻超外差式、相關存儲濾波式、快速傅里葉變換(FFT)式等。6.7.2頻譜分析儀的分類頻譜分析儀按其工作1541、FFT型實時頻譜儀1、FFT型實時頻譜儀155付里葉分析儀
付里葉分析儀將輸入信號數(shù)字化,再對時域數(shù)字信息進行FFT變換以獲得頻域表征,屬于數(shù)字式頻譜儀。由于采用微處理器或專用集成電路,速度明顯超過傳統(tǒng)的模擬式掃描頻譜儀,能進行實時分析;但它同時受A/D轉換器件的指標限制,通常帶寬是有限的,工作頻段較低。付里葉分析儀付里葉分析儀將輸入信156FFT分析儀原理
FFT分析儀原理及組成輸入信號首先經(jīng)過可變衰減器以提供不同的幅度測量范圍,然后經(jīng)低通濾波器除去儀器頻率范圍之外的高頻分量。接下來對信號進行時域波形的采樣和量化,轉變?yōu)閿?shù)字信息。最后由微處理器利用FFT計算波形的頻譜,并將結果顯示出來。FFT分析儀原理FFT分析儀原理及組成157FFT分析儀的特點
FFT的基本特性FFT是一種面向記錄的算法。將N個采樣點作為時間記錄輸入,得到N個節(jié)點的頻譜輸出,輸出記錄的復數(shù)值同時包含幅度、相位信息。各節(jié)點之間的頻率間隔fstep由時間記錄長度N和采樣頻率fS決定:fstep=fS/N,第n個節(jié)點對應的頻率值為fn=fS×n/N。FFT形成的頻譜相對于折疊頻率ff(ff=fS/2)對稱,因此輸出頻率的前半部分是多余的,只需保留(N/2)+1個有效節(jié)點,對應于頻率從0到fS/2
,故FFT的輸出頻率范圍為0~fS/2,類似于低通濾波。FFT分析儀的特點FFT的基本特性158FFT分析儀的特點(續(xù)4)
頻譜泄漏及其處理FFT在原理上是采用有限長的時間記錄進行付氏變換,并在總體上不斷重復以代表對無限長實際序列的積分。然而在重復波形時,某些波形的形狀和相位可能會有瞬變,這種情況下的FFT頻譜與付氏變換積分的結果有較大差異,頻譜圖中會看到譜線的頻率范圍變寬,這就是頻譜泄漏。常用解決辦法是使用窗函數(shù)與時間記錄相乘,即強迫波形在有限長度的時間記錄之外變?yōu)榱?,于是波形不再有瞬變現(xiàn)象。FFT分析儀
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