電子測量與儀表

1、電子測量與儀表,第6章 頻域測量,6.1 頻率特性測試儀工作原理 6.2 操作使用 6.3 掃頻儀的應用 6.4 頻譜儀,第6章 頻域測量,學習參考：頻域測量儀器包括掃頻儀、頻譜儀等儀器，主要用于測量頻率特性曲線、頻譜特性曲線，也是常用測試儀器之一。要求通過學習掌握儀器的基本組成與原理、了解它們的使用。 本章要點：掃頻儀、頻譜儀的組成原理與性能指標及應用,頻率特性測試儀簡稱為掃頻儀，是一種能在示波器熒光屏上直接觀測到各種電路頻率特性曲線等的頻域測量儀器，由此可以測算出被測電路頻帶寬度、品質(zhì)因數(shù)、電壓增益、輸入輸出阻抗及傳輸線特性阻抗等參數(shù)。掃頻儀與示波器的區(qū)別在于前者能夠自身提供測試時所需要的

2、信號源，并將測試結果以曲線形式顯示在熒光屏上。,第6章 頻域測量,6.1 頻率特性測試儀工作原理,6.1.1 掃頻儀工作原理 掃頻儀實質(zhì)上是掃頻信號源與示波器X-Y方式的結合。其組成框圖及工作波形如圖1所示。,6.1.1 掃頻儀工作原理,掃頻信號源，即頻率受控振蕩器，在掃描信號u1控制下產(chǎn)生掃頻信號u3。 掃描信號源產(chǎn)生的掃描信號u1、掃頻起?？刂菩盘杣2分別是掃頻信號源的頻率控制信號及停振控制信號，u1還是示波器的水平掃描信號。 當掃頻信號u3為鋸齒波電壓時，由于正程掃描速度慢，回程掃描速度快，使得掃描正程、掃描回程得到的波形不重合而無法觀測，如圖2(a)所示。,6.1.1 掃頻儀工作原理,

3、當掃頻信號u3為正弦波電壓號，u3在掃描回程時停振，使顯示出的波形為被測波形和用作水平軸的水平回掃線的組合，如圖2(b)所示。 檢波探頭用于解調(diào)出經(jīng)過被測電路的掃頻信號的振幅（包絡）變化情況，得到被測電路的幅頻特性曲線。 頻標形成電路用于產(chǎn)生進行頻率標度的頻標信號，以便讀出各點對應的頻率值。,6.1.2 產(chǎn)生掃頻信號的方法,產(chǎn)生掃頻信號的方法很多，比較常用的是變?nèi)荻O管掃頻。圖3為變?nèi)荻O管掃頻振蕩器原理圖，其中VT1組成電容三點式振蕩器，變?nèi)荻O管VD1、VD2與L1、L2及VT1的結電容組成振蕩回路，C1為隔直電容，L3為高頻扼流圈。,6.1.2 產(chǎn)生掃頻信號的方法,調(diào)制信號經(jīng)L3同時加至

4、變?nèi)莨躒D1、VD2的兩端，當調(diào)制電壓隨時間作周期性變化時，VD1、VD2結電容的容量也隨之變化，從而使振蕩器產(chǎn)生掃頻信號。,6.1.3 變?nèi)荻O管,變?nèi)荻O管：又稱“可變電抗二極管”。是一種利用PN結電容（勢壘電容)與其反向偏置電壓Vr的依賴關系及原理制成的二極管。所用材料多為硅或砷化鎵單晶，并采用外延工藝技術。反偏電壓愈大，則結電容愈小。主要參量是：零偏結電容、零偏壓優(yōu)值、反向擊穿電壓、中心反向偏壓、標稱電容、電容變化范圍（以皮法為單位）以及截止頻率等，對于不同用途，應選用不同C和Vr特性的變?nèi)荻O管，如有專用于諧振電路調(diào)諧的電調(diào)變?nèi)荻O管、適用于參放的參放變?nèi)荻O管以及用于固體功率源中倍

5、頻、移相的功率階躍變?nèi)荻O管等。,6.1.3 變?nèi)荻O管,用于自動頻率控制和調(diào)諧用的小功率二極管稱變?nèi)荻O管。通過施加反向電壓， 使其PN結的靜電容量發(fā)生變化。因此，被使用于自動頻率控制、掃描振蕩、調(diào)頻和調(diào)諧等用途。通常，雖然是采用硅的擴散型二極管，但是也可采用合金擴散型、外延結合型、雙重擴散型等特殊制作的二極管，因為這些二極管對于電壓而言，其靜電容量的變化率特別大。結電容隨反向偏置電壓Vr變化，取代可變電容，用作調(diào)諧回路、振蕩電路、鎖相環(huán)路，常用于電視機高頻頭的頻道轉(zhuǎn)換和調(diào)諧電路，多以硅材料制作。,6.1.4 頻標產(chǎn)生電路,掃頻儀采用在幅頻特性曲線上疊加頻標的方法進行頻率標度，包括菱形頻標和

6、針形頻標兩種，一般由差頻電路產(chǎn)生。 1. 菱形頻標 圖4(a)為菱形頻標產(chǎn)生原理圖，它對掃頻信號與標準信號的基波、諧波進行混頻而得到“零差頻”的菱形頻標，如圖4(b)所示。設標準信號頻率為fs，則諧波信號源輸出信號頻率為基波fs及各次諧波fs1、fs2、fs3、fs4、fs5、。掃頻信號與諧波信號源輸出信號經(jīng)混頻器混頻后，再經(jīng)低通濾波輸出差頻信號，由此得到一系列零差點。,6.1.4 頻標產(chǎn)生電路,6.1.4 頻標產(chǎn)生電路,例如在f=fs1處差頻為零，而f在fs1點附近差頻越來越大，由于低通濾波器的選通性，在靠近零差點的幅度最大，兩邊信號幅度迅速衰減，于是在f=fs1處形成“菱形頻標”。同理，在

7、f=fs2、f=fs3處也形成菱形頻標。菱形頻標與幅頻特性曲線疊加便出現(xiàn)圖4(b)所示的圖形，配合標準信號源可讀出頻標的頻率值。,6.1.4 頻標產(chǎn)生電路,菱形頻標是由低通濾波器對差頻信號的選擇性而形成的，其選擇性不可能無限高，故菱形頻標總要占有一定的寬度，只有在特性曲線上占有的寬度相對較窄時，才能形成相對很細的可分辨的頻標，否則頻標相互靠近、連接、甚至局部疊加，難以確定頻率值。故菱形頻標適于高頻測量。 BT-3C型頻率特性測試儀采用差頻法產(chǎn)生菱形頻標，為了提高頻標的準確度，采用頻率分別為1MHz和10MHz的晶體振蕩器產(chǎn)生菱形頻標。,6.1.4 頻標產(chǎn)生電路,2. 針形頻標 在低頻掃頻儀中常

8、用針形頻標，其產(chǎn)生方法與菱形頻標相似。利用菱形差頻信號觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器，使之輸出一個窄脈沖，窄脈沖經(jīng)整形后再與幅頻特性曲線在Y放大器中疊加，最后出現(xiàn)在幅頻特性曲線上。窄脈沖的寬度可由單穩(wěn)觸發(fā)器調(diào)節(jié)得很窄，所以產(chǎn)生的頻標形似細針，稱之為針形頻標，適用于低頻測量。例如，BT-4型低頻頻率特性測試儀即采用針形頻標。,6.2 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,6.2 操作使用,2、旋鈕的名稱與作用 (1)顯示器的旋鈕與作用 亮度：用來調(diào)節(jié)掃描線的亮度，順時針調(diào)整，亮度最大，反之則掃描線最暗。 聚焦：調(diào)整該旋鈕可使

9、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(diào)整。 Y輸入：通常接檢波探頭的輸出端。對于含有內(nèi)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(diào)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。,6.2 操作使用,2、旋鈕的名稱與作用 (1)顯示器的旋鈕與作用 位移：通過旋鈕的來回調(diào)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(diào)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。,6.2 操作使用,2、旋鈕的名稱與作用 (2)掃頻信號源的旋

10、鈕與作用 中心頻率：調(diào)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(diào)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。,6.2 操作使用,2、旋鈕的名稱與作用 (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,6.2 操作使用,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，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5所示:,圖5 檢波探頭的連接,6.2 操作使用,3.使用方法 (2)頻標識別

11、 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(zhuǎn)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。 將頻標選擇旋鈕置于50位置，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。,6.2 操作使用,3.使用方法 (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(diào)節(jié)掃頻寬度旋鈕會得到合適的掃頻寬度。,6.2 操作使用,3.使用方法 (4)中心頻率讀取 不同的四端

12、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(diào)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。,6.3 掃頻儀的應用,掃頻儀的應用很廣泛，尤其在無線電、電視、雷達及通信等領域內(nèi)的應用更加普遍。BT-3C型掃頻儀的應用舉例如下： 1.電路幅頻特性的測量 按圖6所示連接掃頻儀與被測電路，并根據(jù)被測電路的工作頻率及測試條件，調(diào)節(jié)掃頻儀面板上有關開關旋鈕，如“中心頻率”、“輸出衰減”等，則可在熒光屏上獲得被測電路的幅頻特性曲線。,6.3 掃頻儀的應用,BT-3C型掃頻儀的輸出特性阻抗為75，如果被測電路的輸入

13、阻抗也為75，可以用同軸電纜將掃頻信號輸出端連接到被測電路輸入端。否則，應當在兩者之間加阻抗匹配電路。 2.電路參數(shù)的測量 根據(jù)顯示的幅頻特性曲線 可以得出各種電路參數(shù)，電路 連接如圖6所示。,6.3 掃頻儀的應用,(1)增益 調(diào)節(jié)好幅頻特性后，用粗、細調(diào)衰減器控制掃頻信號電壓幅度，使其符合電路要求的輸入信號幅度，注意衰減器的總衰減量應不大于放大器設計的總增益。若顯示器的幅頻高度為H，輸出衰減為B1(dB)，將檢波探頭與掃頻輸出端短接，改變“輸出衰減”，使幅頻高度仍為H，此時輸出衰減的讀數(shù)若為B2(dB)，則該放大器增益為： A=(B2B1) (dB) 應當注意，在得到衰減量B1讀數(shù)后，應保持

14、掃頻儀的“Y軸增益”旋鈕位置不變，否則，測量結構不準確。,A,A,fL,fH,f0,圖7 單調(diào)諧回路帶寬的測量,6.3 掃頻儀的應用,(2)帶寬 對于寬帶電路，可以直接用掃頻儀的內(nèi)頻標，方便地顯示和讀出頻率特性曲線的寬度，為了更準確地測量，有時也使用外頻標。對于窄帶調(diào)諧電路，可以由圖形曲線看出諧振頻率f0，如圖7所示。使掃頻儀輸出衰減置于3dB處，調(diào)整Y增益，使圖形峰點與屏幕上某一水平刻度線(虛線AA)相切，然后使掃頻信號輸 出電壓增加3dB，則曲線與虛線AA相交， 兩交點所對應頻率即為上下頻率fH、fL。 則帶寬為： BW=fHfL,6.3 掃頻儀的應用,3.高頻阻抗的測量 掃頻儀還可以測量

15、電路的輸入、輸出阻抗及電纜特性阻抗，但測量精確度不很高，但使用方便，操作簡單。 (1)輸入阻抗和輸出阻抗的測量 按圖8(a)所示進行連接，圖中RP1、RP2為無感電阻。 測量時，先將RP1短路、RP2斷開，調(diào)節(jié)掃頻儀面板上的有關開關旋鈕，使屏幕顯示的幅頻特性曲線的高度為A格，如圖8(b)所示。撤去RP1上的短路線，調(diào)節(jié)RP1直至熒光屏顯示的曲線高度為A/2格，則RP1的電阻即為被測電路的輸入電阻。,6.3 掃頻儀的應用,將RP1重新短路，使曲線高度仍為A格，接通RP2并調(diào)節(jié)其值直至曲線高度為A/2格，則RP2的電阻值即為被測電路的輸出阻抗。 應當注意，當被測電路含有選頻回路時，熒光屏上顯示的曲

16、線將不可能是一條平坦直線，這時可在曲線上選取一個參考點來測量，但所得的阻抗值是對該頻率而言的。,6.3 掃頻儀的應用,(2)傳輸線特性阻抗的測量 按圖9所示進行連接。傳輸線的一端接可變電阻器，另一端于掃頻輸出電纜、檢波探頭并接。 Y軸輸入掃頻輸出RP被測傳輸線圖9測量傳輸線特性阻抗的連接示意圖 測量時，調(diào)節(jié)可變電阻RP直至熒光屏上顯示的波形為一平坦直線，此時RP的電阻值即為傳輸線的特性阻抗。,6.4 頻譜儀,觀察某一個信號特性的最普遍方法是用示波器來顯示波形，它能夠?qū)⒈粶y信號的波形顯示在熒光屏上，并對信號的幅度、頻率等進行時域分析，但不能顯示出構成非正弦信號頻率分量的情況。頻譜儀即頻譜分析儀，

17、能夠?qū)嫵煞钦也ㄐ盘柕幕ㄅc各次諧波的頻率及幅度顯示在熒光屏上，從而得到非正弦波的頻譜圖，從中得到時域觀測所不能得到的獨特信息。頻譜儀除應用于信號的頻譜分析外，還用于放大器的諧波失真、信號發(fā)生器的頻譜純度以及系統(tǒng)的頻率特性分析等。,6.4 頻譜儀,頻譜儀按其工作原理分為數(shù)字式和模擬式兩大類，目前應用比較普遍的是模擬式頻譜儀。模擬式頻譜儀分為順序濾波式、掃頻濾波式、掃頻外差式等，主要用于射頻段和微波頻段。數(shù)字式頻譜儀主要用于低頻段和超低頻段。本節(jié)重點討論掃頻外差式頻譜儀。,6.4.1 頻譜儀的組成及工作原理,模擬式頻譜儀的最簡單原理是利用一系列窄帶濾波器，依次選取被測信號中不同頻率的信號，并借

18、助于掃描信號，將不同頻率信號的幅度并排顯示在熒光屏上，得到被測信號的頻譜圖，該方式為順序濾波式，原理框圖如圖10所示。 順序濾波式頻譜儀需要采用大量高穩(wěn)定度的窄帶濾波器，因儀器造價較高而較少采用。使用比較普遍的是掃頻外差式頻譜儀。,6.4.1 頻譜儀的組成及工作原理,6.4.1 頻譜儀的組成及工作原理,掃頻外差式頻譜儀的工作原理如圖11(a)所示。所謂“掃頻外差式”包括外差和掃頻兩個含意。 “外差”即本振信號（即掃頻振蕩信號）與被測信號經(jīng)混頻器差頻產(chǎn)生固定中頻信號，因此儀器只要采用一個窄帶濾波器即可，而中頻放大器則起到窄帶濾波器的作用。,6.4.1 頻譜儀的組成及工作原理,“掃頻”即本振信號頻

19、率是連續(xù)改變的。在本振頻率掃頻時，本振頻率和被測信號順序差頻得到中頻，即相當于選取一系列被測信號的頻率分量。 例如，假設中頻頻率為6MHz、本振頻率從9MHz掃頻到13MHz，若被測信號包括3、4、5、6、7MHz五個頻率成分，當本振頻率為9MHz時與3MHz被測信號頻率差頻得到第一個6MHz信號；本振頻率掃到10MHz時和4MHz的被測信號差頻得到第二個6MHz信號。依此類推，將順序得到第三、四、五個中頻。,6.4.1 頻譜儀的組成及工作原理,可見被測信號在一定頻率范圍內(nèi)，有一個頻率分量就有一個中頻輸出，中頻信號經(jīng)檢波器解調(diào)出各自的振幅，經(jīng)過放大后加到Y偏轉(zhuǎn)板，得到相應頻率成分的幅度值，該幅

20、度值與對應頻率信號的幅度成正比。加到X偏轉(zhuǎn)板的鋸齒波掃描電壓就是本振掃頻振蕩器的調(diào)制電壓，因而水平軸變?yōu)轭l率軸，這樣熒光屏上就顯示出了被測信號的頻譜圖。由于窄帶濾波器存在一定的帶寬，故顯示的頻譜線并非理想的直線，而是一排窄帶濾波器的動態(tài)幅頻特性曲線，如圖11(b)所示。,6.4.1 頻譜儀的組成及工作原理,頻譜儀的實際構成要比圖11(a)復雜得多，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先為了獲得較高的靈敏度而采用多次變頻的方法，以便在幾個中頻頻率上進行電壓放大提高靈敏度，如果在一個中頻上增加放大器級數(shù)來提高靈敏度，則很容易引起振蕩，而且多次變頻還可以提高頻率分辨力。其次采用輸入衰減器來擴大量程和提高輸入阻

21、抗。再者采用頻標信號以便直接讀出頻率值。然后為了使幅值坐標“對數(shù)化”（取對數(shù)），還應在Y通道的檢波器和Y放大器之間接入對數(shù)放大器。對數(shù)放大是指輸出信號的幅度是輸入信號幅度的對數(shù)，即壓縮譜線幅度，使得在熒光屏有效高度范圍內(nèi)得到大的動態(tài)范圍。,6.4.2 頻譜儀的使用,在頻譜儀面板上“掃頻寬度”、“頻率標記”、“頻帶寬度”都是可調(diào)的。應根據(jù)被測信號頻譜的特性合理地選擇使用有關的旋鈕。 (1)掃頻寬度的選擇：掃頻寬度是根據(jù)被測信號的頻譜寬度來選擇的。例如要分析一個調(diào)幅波，則掃頻寬度應大于2fm（fm為最大音頻調(diào)制頻率），若要觀測是否存在二次諧波的調(diào)制邊帶，則應大于4fm。 (2)帶寬的選擇：靜態(tài)分辨

22、力Bq越高（數(shù)值越?。?，要求掃頻寬度越窄，反之，變寬。為了使Bq與掃頻寬度相適應，可參考表5-1進行選擇。一般來說，寬帶掃頻可選Bq=150Hz，而窄帶掃頻可選Bq=6Hz。,6.4.2 頻譜儀的使用,(3)掃頻速度的選擇 當掃頻寬度與靜態(tài)分辨力選定后，掃頻速度的選擇以獲得較高的動態(tài)分辨力為準則。同時還應合理地處理它與分析時間的矛盾，因為在掃頻寬度一定時，掃頻速度的選擇實際上就是分析時間的選擇。分析時間越長，即掃頻速度越慢，則動態(tài)分辨力越接近靜態(tài)分辨力。當動、靜態(tài)分辨力相等時，動態(tài)分辨力最高，但分析時間長。一般可按下列經(jīng)驗式選擇：,6.4.2 頻譜儀的使用,vsBq2 式中，vs為掃頻速度，單位為Hz/s；Bq為靜態(tài)分辨力，單位為Hz。 現(xiàn)代頻譜儀通常裝有微處理器，可根據(jù)輸入信號，自動設置最佳