电子测量技术第七章

第七章
频 域 测 量
3、扫频外差式频谱仪
中频信号处理 IF 滤波 fL LO 扫描信号 发生器 X放大 检波 视频 滤波 Y放大
fx 输入 电路
f o f L (t ) f xi
(1)工作原理：
f o f L (t ) f xi
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输入信号频谱：fx1 fx2 fxn 扫描 电压发生器 扫频振荡器 fL（t）（可变） 混频器
（a）、机械扫频：三十年代，工艺材料为齿轮、电容
f
1 2 LC
（b）、变容二极管扫频
（c）、磁调制扫频
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频 域 测 量
扫频测量原理图 例如：放大器的动态频率特性 扫频信号 发生器 峰值 检波器
Vi
被测电路
Vo
Vg
扫描 发生器
X
Vx
Y
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特点：
1、扫频测量可以实现图示测量；
2、快速扫频可实现测量被测器件或系统的动态特性 例如窄带滤波器动态滤波特性，锁相环对频率斜升 信号的动态跟踪特性。
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滤波式
S 信 号 输 入 前置 放大器 检波器
阶梯波 扫描发生器
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优点：简单易行 缺点：需要大量滤波器，体积过大，分辨力和灵敏度都不是很高 适用：一般用于低频段的音频测试等场合。
在所有滤波式频谱仪中，带通滤波器是关键器件。
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(2)带通滤波器的性能指标
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第 7章
频域测量技术
7.1 信号频谱分极及频谱分析仪
7.2 信号的失真度测量
7.3 线性系统频率特性的测量
7.4 网络分析仪
第七章
频 域 测 量
一、概述
本章重点：信号频谱分析、扫频测量技术
本章涉及两个基本测量问题： 1、信号频谱分析
包括对信号本身的分析 和非线性失真系数的测量
2、线性系统频率特性的测量
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7-2、线形系统频率特性的测量
概念：
线形系统对正弦输入的稳态响应称为频率特性；
可用幅频特性和相频特性来全面表征。
正弦测量技术：
理论基础：对于线形系统，其输入为正弦信号激励， 输出响应是具有与输入频率相同的正弦波。
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测量步骤：
1、测量电路的连接 2、提供测试信号 3、测量被测系统输出响应 4、取得测量数据，进行数据处理
二、频谱仪 1、频谱仪分类 数字式 频谱仪 模拟式 外差式 滤波式
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模拟式频谱仪：以扫描式为基础构成，采用滤波器或混频 器将被分析信号中各频率分量逐一分离。所有早期的频谱仪几 乎都属于模拟滤波式或超外差结构，并被沿用至今 数字式频谱仪：非扫描式，以数字滤波器或FFT变换为基 础构成。精度高、性能灵活，但受到数字系统工作频率的限制。 目前单纯的数字式频谱仪一般用于低频段的实时分析，尚达不 到宽频带高精度频谱分析
频率特性测量通常采用正弦测量技术。
经典方法：静态 频率特性测量方法
动态
正弦测量技术
第七章 频域 第七章 频测 域量 测 量
静态：点频法 频率特性测量 动态：图示测量扫频仪
点频法：
在不同的输入频率点上，逐点测量数据。
例、增益或衰耗的测量 方法：比较法和直接测量法
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（一）、点频法：逐点描绘法
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K Bq
扫频速度
fo
f
应适当选择扫频速度 有关
扫频速度
有关
幅频特性曲线
分辨力
Bs固定，Bd与扫速关系
5
第七章
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Bd/Bq
Bd Bs2 K (

Bs
4
3 2 1 0 结 论 k Bd/Bs 0.5 1 1.5 2 2.5
)2
K
Bs
Bd 分辨力下降
经验公式：
B
2 q
三、频谱仪工作特性
1、频率分辨力
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定义：频谱仪的分辨力是指能够分辨两个幅值相等的信 号的最小谱线间隔。
观察到实际的谱线。
3dB带宽过宽，分辨力太低
滤波式和外差式的频率分辨率影响因素不同
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2、输入电平和动态范围
动态范围：同时可测的最大与最小信号的幅度范围。 典型值：70---100dB
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（3）、外差式频谱仪的正确使用 1、扫频宽度的选择
根据被测信号的频谱宽度来选择的
2、Bq带宽的选择
扫频宽度的选择应与静态分辨率Bq 相适应
扫频宽度 静态分辨力 5～30kHz 150Hz 1.5～10kHz 30Hz ＜2kHz 6Hz
3、扫频速度的选择
兼顾扫描速度、Bq、Bd之间的关系
B 3dB
B 40dB －40 B 60dB f0 f
3dB f1 f2 f
－60
波形因子定义为滤波器60dB带宽与 3dB带宽之比：
SF60 / 3 B60dB / B3dB
波型因子反映了区分两个不等幅 信号的能力，也称带宽选择性
也可用 40dB 带宽与 3dB 带宽之比 表示。波形因子较小的滤波器的特性 曲线更接近于矩形，故波形因子也称 矩形系数
所以，在现代电子测量中，扫频测量技术得到广泛应用。
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1、工作原理 学习要点：记框图、明白箭头关系、了解扫频信号 的产生、要求幅度适中、不要有寄生调幅、不能失真。 扫频信号发生器由扫描发生器驱动。
被测电路电压振幅的包络经峰值检波器检波
示波器 X轴 扫频仪 X轴 时间轴 频率轴 扫频信号变化规律与 时间轴变化规律一致
3、与静态特性相比，动态特性曲线3dB带宽 变宽，谐振峰低于静态特性。 所以，扫频测量的优点之一为动态特性的测量。
小结：测量系统动态特性，必须用扫频法；为了 得到静态特性，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。
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2、扫频信号的获得
（1）产生扫频信号的方法：
fo= fL（t）-fxn
滤波器 检波器
显示器
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优点：频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变 目前频谱仪中数量最大的一种
缺点：不能进行实时分析 （被分析的频谱依次被顺序采样） 只能提供幅度谱，不能提供相位谱
（2）扫频的速度与中频滤波器的动态特性 A（f） K= 静态 K=1 K=0.75 动态
A
① ②
A
第七章 ①
频 域 测 量 ②
t
0
t
0
t
(a)用示波器易观察波形的相位不同 A A
0
f
0
f
(b)用频谱仪观察的频谱相同
示波器和频谱仪对比观察相位不同的波形
A
A
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0
t
0
t
(a)用示波器不容易观察波形的失真 A A
0
f
0
f
(b)用频谱仪容易观察微小的幅度和相位变化
用示波器和频谱仪观察微小失真的波形
固定，Bd与Bs关系 Bd
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Bd B K (
2 s

Bs
)2
Bd0 0
K
0.5
1
2 Bs
2.5
Bd
Bs
Bs宽，k>1即 较小时,
选择窄的Bs有助于提高分辨力。
Bd Bs窄, k<1即 较大时， Bs 选择窄的Bs反而使分辨力降低。 最佳动态分辨力： 最小的Bd（k=1）
1倍频程 1倍频程
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外差式频谱仪在一次分析过程中所用的分析滤波器带宽恒 定。恒带宽滤波器的特性曲线在线性频率刻度下，关于滤 波器的中心频率f0对称
在对数刻度下，恒百分比带宽滤波器的频率特性曲线 关于其中心频率 f0 对称。常用“倍频程选择性”表示远离 中心频率一倍频率处（0.5f0和2f0）的滤波器衰减量。
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• 滤波器响应时间（建立时间）
信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的时间。 通常用达到稳幅幅度的90％所需的时间TR来表述，它与绝对 带宽B成反比：TR∝1/B。
宽带滤波器的响应时间短，测量速度快；窄带滤波器建 立时间较长，但频率分辨率更高、信噪比好。响应时间限制 了频谱仪的扫描分析速度，影响实时频谱分析的实现。
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2、滤波式频谱分析仪原理
(1)基本原理： 先用带通滤波器选出待分析信号，然后用检波器将该频率分量 变为直流信号，再送到显示器将直流信号的幅度显示出来。为 显示输入信号的各频率分量，带通滤波器的中心频率是多个或 可变的。
档级滤波式频谱仪 并行滤波式频谱仪 扫频滤波式频谱仪 数字滤波式频谱仪
vi
vo
A
fi
DVM
频率计
fo
A=F（f）
f
所得频率特性是静态的，无法反映信号的连续变化； 缺点：该方法繁琐、费时、不直观、测量误差大。
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（二）、扫频测量技术
动态：扫频图示仪 概念：
扫频测量技术就是利用扫频信号进行频率特性的测量 技术； 扫频信号就是频率扫动的正弦信号； 而该信号的频率扫动是随时间按一定规律、在一定范围 内反复扫动。
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3、时域和频域分析的比较
示波器：时域测量典型代表，可进行像波形失真原因 等的研究。 频谱仪：频域测量典型代表，能定量测出很小的谐波 分量，进行测量信号电平、频率及频率响应、 频率稳定度、频谱纯度等。