频域测量仪器及应用
频谱分析仪知识概述
频谱分析仪知识一、概述（一）用途频谱分析仪是频域测试领域使用最广泛的一类仪器，可以测量连续波、脉冲及调制等多种信号的频谱，可以测试信号的频率、功率、带宽、调制等参数，增加选件可以进行相位噪声、噪声系数、信道功率、矢量信号、网络参数、故障定位、电磁兼容等测试分析，广泛应用于通信、雷达、导航、频谱管理、信号监测、信息安全等测试领域，还可以用于电子元器件、部件和设备的科研、生产、测试、试验以及计量等。
（二）分类与特点频谱分析仪按其工作原理可分为非实时频谱分析仪和实时频谱分析仪两大类。
●非实时频谱分析仪特点非实时频谱分析仪按工作原理分为扫描调谐型、超外差型等，它们首先对输入信号按时间顺序进行扫描式调谐变频，然后对变频后的信号进行中频滤波、包络检波、视频滤波等处理，最终得到信号的频谱信息。
这种扫描式频谱分析仪在某一瞬间只能“观看”一个频率，逐次“观看”待测信号的全部频率范围，因此，它们只能分析在规定时间内频谱几乎不变化的周期重复信号。
但是，扫本振型超外差式频谱分析仪具有频率范围宽、选择性好、灵敏度高、动态范围大等多项优点，是目前用途最广泛的一类频谱分析仪。
●实时频谱分析仪特点实时频谱分析仪通过FFT变换，能同时观测显示其规定频率范围内所有频率分量，而且保持了两个信号间的时间关系（相位关系），使得它不仅能分析周期信号、随机信号，而且能分析瞬时信号和猝发信号。
实时触发、无缝捕获和多域分析是实时频谱分析仪的几个主要特点。
实时频谱分析仪可以很好地解决现代雷达和通信系统中出现的脉冲压缩、捷变频、直扩、跳频、码分多址和自适应调制等各种复杂信号的测试需求。
频谱分析仪按其结构形式可分为台式、便携式、手持式和模块（VXI、PCI、PXI、LXI等总线形式)等类型产品。
（三）产品国内外现状国内生产频谱分析仪的厂家主要有：中国电子科技集团41所、成都前锋电子、天津德力、北京普源精电、安泰信电子、苏州同创电子等单位。
中国电子科技集团41所拥有台式、便携式、手持式和模块产品，频率范围覆盖3Hz～50GHz（通过外扩频方式可到110GHz）。
物理实验技术中的频率测量使用方法
物理实验技术中的频率测量使用方法物理实验中频率测量的使用方法在物理实验中，频率测量是一项重要的技术手段。
频率测量可以帮助我们了解物体的振动、波动以及各种物理信号的特性。
本文将介绍一些常见的频率测量使用方法，包括机械振子实验、示波器测量和频谱分析仪应用。
一、机械振子实验中的频率测量在机械振子实验中，频率测量是为了了解振子的固有频率，并用于研究与频率相关的现象。
常见的测量方法有计数器法和示波器法。
计数器法是一种简单直接的方法。
我们可以使用一个计数器来计算振子的振动周期，然后通过周期计算出频率。
这种方法适用于频率较低或周期较长的振动现象。
示波器法则是一种更为常见和精确的方法。
示波器可以将振子的振动实时显示在屏幕上，通过观察波形图的重复周期，可以直接测量出频率。
示波器法适用于频率较高或周期较短的振动现象。
二、示波器测量中的频率测量示波器是一种用于观察和测量电子信号的设备。
在物理实验中，示波器的频率测量功能被广泛应用于信号分析和调试。
示波器的频率测量主要通过时间测量来实现。
示波器可以测量信号波形的时间周期，并通过倒数转换为频率。
常见的示波器频率测量方法有峰峰值法和周期计数法。
峰峰值法是一种直接测量示波器屏幕上两个相邻波峰或波谷之间的时间间隔的方法。
通过不断测量并求平均值，可以得到相对精确的频率值。
周期计数法是一种更常用的示波器频率测量方法。
示波器可以自动识别信号波形的上升沿或下降沿，并开始计数，直到下一次上升沿或下降沿出现，然后停止计数并除以测量时间，得到频率值。
三、频谱分析仪在频率测量中的应用频谱分析仪是一种专门用于分析信号频谱的设备。
频谱分析仪可以将信号分解成不同频率分量，并显示每个频率分量的幅度和相位。
频谱分析仪的频率测量是基于信号的频谱分析原理。
通过将信号输入频谱分析仪，它可以对信号进行频域分解，然后通过测量各个频率分量的位置和幅度来得到频率信息。
频谱分析仪广泛应用于信号分析和故障诊断。
例如，在音频产业中，频谱分析仪可以用于分析音频信号的频谱，帮助制造商调试音响设备的性能。
什么是频谱分析仪,频谱分析仪的工作原理是什么,频谱分析仪怎样使用？
什么是频谱分析仪，频谱分析仪的工作原理是什么，频谱分析仪怎样使用？什么是频谱分析仪？频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。
它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。
现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。
仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。
频谱分析仪的工作原理以及应用方面推广：频谱分析仪的组成及工作原理图1所示为扫频调谐超外差频谱分析仪组成框图。
输入信号经衰减器以限制信号幅度，经低通输入滤波器滤除不需的频率，然后经混频器与本振（LO）信号混频将输入信号转换到中频（IF）。
LO 的频率由扫频发生器控制。
随着LO频率的改变，混频器的输出信号（它包括两个原始信号，它们的和、差及谐波，）由分辨力带宽滤波器滤出本振比输入信号高的中频，并以对数标度放大或压缩。
然后用检波器对通过IF滤波器的信号进行整流，从而得到驱动显示垂直部分的直流电压。
随着扫频发生器扫过某一频率范围，屏幕上就会画出一条迹线。
该迹线示出了输入信号在所显示频率范围内的频率成分。
频谱仪各部分作用及显示信号分析输入衰减器：保证频谱仪在宽频范围内保持良好匹配特性，以减小失配误差;保护混频器及其它中频处理电路，防止部件损坏和产生过大的非线性失真。
混频器：完成信号的频谱搬移，将不同频率输入信号变换到相应中频。
在低频段（《3GHz）利用高混频和低通滤波器抑制镜像干扰;在高频段（》3GHz）利用带通跟踪滤波器抑制镜像干扰。
本振（LO）：它是一个压控振荡器，其频率是受扫频发生器控制的。
其频率稳定度锁相于参考源。
扫频发生器：除了控制本振频率外，它也能控制水平偏转显示，锯齿波扫描使频谱仪屏幕上从左到右显示信号，然后重复这个扫描不断更新迹线。
电子测量与仪器第八章频率域测量频谱分析仪
2023/5/16
电子测量与仪器第八章频率域测量频 谱分析仪
•8.1 频率域测量概述
一、频域测量的任务： 两大任务：
１、线性系统频率特性测量： 集总参数、分布参数；准静态系统(低频、高频、
微波)；不同的波段，用不同的仪器： 高频段(30-300MHz)：扫频仪 微波段(300M-300GHz)：网络分析仪 (非绝对分法)
相位信息。适用于连续信号和周期信号的频谱测量。 扫频式分析：使分析滤波器的频率响应在频率轴上 扫描。 差频式分析（外差式分析）：利用超外差接收机的 原理，将频率可变的扫频信号与被分析信号进行差 频，再对所得的固定频率信号进行测量分析，由此 依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。这是 模拟式频谱仪最常采用的方法。
电子测量与仪器第八章频率域测量频 谱分析仪
•二、顺序滤波式频谱仪
也这叫种档方级法滤简波单频易谱行仪，，但由在多频个带通较带宽互或相较衔高接频的段 带 的情通况滤下波需器要和大共量用滤检波波器器，构仪成器。体用积多过个大频；率由固于定通带且 相 窄，邻的分窄辨带力带和通灵滤敏波度器都阵不列是来很区高分。被一测般信用号于的低各频种段频的
• 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。
III：150~300MHz，由II倍频得到
电子测量与仪器第八章频率域测量频 谱分析仪
一、外差式频谱仪的组成 主要包括输入通道、混频电路、中频处理 电路、检波和视频滤波等部分。
频域测量与仪器
第 5 章 频域测量与仪器
（6）寄生调幅系数 频偏在40MHz内不大于5%，300MHz内不大于10%。 （7）输出衰减 10dB×6，1dB×10步进。 （8）频标 1MHz、10MHz（复合），50MHz及外接。 （9）Y轴输入衰减 分1、10、100三挡。 （10）Y轴输入灵敏度 4mV/div。
5.1 频率特性测试仪工作原理
5.1.1 频率特性测量法 频率特性测试仪简称为扫频仪，是一种能在示波器荧光屏 上直接观测到各种电路频率特性曲线等的频域测量仪器，由此 可以测算出被测电路频带宽度、品质因数、电压增益、输入输 出阻抗及传输线特性阻抗等参数。扫频仪与示波器的区别在于 前者能够自身提供测试时所需要的信号源，并将测试结果以曲 线形式显示在荧光屏上。 被测电路的频率特性曲线即幅频特性曲线，测量方法包括 点频测量法和扫频测量法。 ①点频测量法即静态测量法，由人工逐次改变输入正弦信 号的频率，逐点记录对应频率的输出信号幅度而得到幅频特性
第 5 章 频域测量与仪器
第5章 频域测量与仪器
学习参考：频域测量仪器包括扫频仪、频谱仪等仪器，主 要用于测量频率特性曲线、频谱特性曲线，也是常用测试仪器 之一。要求通过学习掌握仪器的基本组成与原理、了解它们的 使用。
本章要点：扫频仪、频谱仪的组成原理与性能指标及应用。
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第 5 章 频域测量与仪器
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第 5 章 频域测量与仪器
u1
t
X放大器 u1
Y放大器
频标信号
u2
形成电路
u3
t t
扫描信号源
晶振
u1
u2
扫频信号源 u3
被测电路
u4
u5 检波探头
混频器
u4
t
电子测量与仪器—频域测量
4.调谐方程和频率参数
2.动态频率特性
随着扫描速度的提高，频率特性将扫频方向偏移。图中Ⅰ 为静态特性，Ⅱ、Ⅲ为依次提高扫速时的动态特性曲线。可以
看出动态频率特性有以下特点：
(1)顶部最大值下降； (2)特性曲线被展宽；
(3)扫速愈高，偏移愈严重。 其原因是由于实际电路是由
动态元件L、C等元件组成的(如 调谐电路)，信号在其上建立或
正弦稳态下的系统函数或传输函数H(jω)反映该系统 激励与响应的关系：
式中，H(ω)也可写成H(f)，称为测量的幅频特性。 Φ(ω)是相频特性。
8.1.1 静态频率特性测量——点频法
点频法就是“逐点”测量幅频特性的方法，注意明确 被测电路选用相应仪器。
K( f )
f f0
特点：所测出的幅频特性是电路系统在稳态情况下的静态 特性曲线。但操作繁琐费时，并且可能遗漏掉某些特性突 变点。这种方法一般只用于实验室测试研究。
8.4.2 实例1—BP-1型频谱仪
是国产的早期产品，性能指标不高，用它讲解原理比较简明易懂。
3MHz～6MHz fs K1 1
变频器 M0(+)
100Hz～3MHz
1 2
K2
被测信号 (设fs =10MHz 100Hz～30MHz
1KHz标准调幅波)
10MHz 2
3MHZ～30MHz
3～6MHz 5MH
0.2~0.3S 图8.35 BP-1 频谱仪原理框图
从图中可以看到以下特点： 1.多级变频
从框图可以看出频谱仪主要电路是一台超外差接收机 。为了提高分辨频谱能力，则要提高接收机的选择性，而 决定选择性的通频带：
（8.13）
谐振回路的Q值提高较困难，故欲使 减小，主要措施是 降低信号频率 ，因此要通过多次变频将被测信号的频谱搬移 到较低的中频上，这样窄带滤波器才容易实现。
频谱分析仪的使用
频谱分析仪的使用一、什么是频谱分析仪在频域内分析信号的图示测试仪。
以图形方式显示信号幅度按频率的分布，即X轴表示频率，Y轴表示信号幅度。
二、原理：用窄带带通滤波器对信号进行选通。
三、主要功能：显示被测信号的频谱、幅度、频率。
可以全景显示，也可以选定带宽测试。
四、测量机制：1、把被测信号与仪器内的基准频率、基准电平进行对比。
因为许多测量的本质都是电平测试，如载波电平、A/V、频响、C/N、CSO、CTB、HM、CM以及数字频道平均功率等。
2、波形分析：通过107选件和相应的分析软件，对电视的行波形进行分析，从而测试视频指标。
如DG、DP、CLDI、调制深度、频偏等。
五、操作：（一）硬键、软键和旋钮：这是仪器的基本操作手段。
1、三个大硬键和一个大旋钮：大旋钮的功能由三个大硬键设定。
按一下频率硬键，则旋钮可以微调仪器显示的中心频率；按一下扫描宽度硬键，则旋钮可以调节仪器扫描的频率宽度；按一下幅度硬键，则旋钮可以调节信号幅度。
旋动旋钮时，中心频率、扫描宽度（起始、终止频率）、和幅度的dB数同时显示在屏幕上。
2、软键：在屏幕右边，有一排纵向排列的没有标志的按键，它的功能随项目而变，在屏幕的右侧对应于按键处显示什么，它就是什么按键。
3、其它硬键：仪器状态(INSTRUMNT STATE)控制区有十个硬键：RESET清零、CANFIG配置、CAL校准、AUX CTRL辅助控制、COPY打印、MODE模式、SAVE存储、RECALL调用、MEAS/USER 测量/用户自定义、SGL SWP信号扫描。
光标（MARKER）区有四个硬键：MKR光标、MKR 光标移动、RKR FCTN光标功能、PEAK SEARCH峰值搜索。
控制（CONTRL）区有六个硬键：SWEEP扫描、BW带宽、TRIG触发、AUTO COVPLE自动耦合、TRACE跟踪、DISPLAY显示。
在数字键区有一个BKSP回退，数字键区的右边是一纵排四个ENTER确认键，同时也是单位键。
《频谱仪的使用》
《频谱仪的使用》频谱仪是一种用于分析信号频谱特性的仪器，它能够将信号频谱以图形的方式展示出来，从而帮助我们更好地理解信号的频谱特性及其变化规律。
频谱仪在无线通信、音频处理、声学研究等领域有着广泛的应用，并且在科研领域中是一种非常重要的测试仪器。
频谱仪的基本工作原理是通过将输入信号进行变换，从时域转换到频域，然后将频域信号以图形形式显示出来。
常见的频谱仪可分为两种类型，分别是基于频谱分析法的频谱仪和基于光学原理的光谱仪。
基于频谱分析法的频谱仪通过对输入信号进行傅里叶变换，将信号从时域转换到频域，然后通过电子显示器等设备将频域信号以波形图的形式显示出来。
这种频谱仪适用于分析连续信号的频谱特性，可以很好地显示信号的频率分布和功率分布情况。
基于光学原理的光谱仪则是利用玻璃光栅或光纤光栅等光学元件分解出不同波长的光，并通过光电二极管等光敏器件将光信号转换为电信号，并通过显示器将电信号以图形的方式显示出来。
光谱仪适用于分析光信号的频谱特性，常用于光学实验和光谱分析领域。
对于频谱仪的使用，首先需要根据实际需求选购适合的型号和规格。
在使用过程中，应仔细阅读使用说明书，了解仪器的基本操作方法和安全注意事项。
为了保证测量结果的准确性，还需要注意以下几个方面：1.选择适当的输入信号源。
频谱仪的输入信号源可以是声音、光信号、无线电信号等，需要根据实际需求选择合适的输入源。
在使用前应确保输入信号源的稳定性和可靠性，以免影响测量结果。
2.设置合适的测量范围和分辨率带宽。
频谱仪的测量范围和分辨率带宽需要根据实际信号的频率范围和分辨率要求进行设置。
选择合适的测量范围和分辨率带宽可以提高测量的精确度和分辨能力。
3.避免干扰信号。
在使用频谱仪时，应尽量将测量环境中的干扰信号降至最低。
例如，在无线通信中，可以将频谱仪与被测信号之间隔离一定的距离，避免干扰信号对测量结果的影响。
4.使用合适的测量参数。
频谱仪提供了多种测量参数，例如功率谱密度、峰值功率、谱线宽度等。
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项目6 频域测量仪器及应用
知识 2.2 频率特性测试仪的工作原理
扫频仪主要由扫频信号发生器、频标发生器、波形显 示电路三大部分组成。其组成框图如图6-5所示。其中检 波探头(扫频仪附件)是扫频仪外部的一个电路部件，用于 直接探测被测电路的输出电压。检波探头与示波器的衰减 探头外形相似(体积稍大)，但电路结构和作用不同，它内 藏检波二极管，起包络检波作用。
由图可见，由扫频仪的输出端口输出等幅扫频信号， 作为被测系统的输入测试信号；其输入端口接收被测系统 经检波后的输出信号，扫频仪与被测电路构成了闭合回路。
项目6 频域测量仪器及应用
时域测量分析与频域测量分析虽然可以用来反映同一 信号的特性，但是它们分析的角度不同，针对不同的实际 情况，时域测量和频域测量各有其具体的适用场合，两者 是相辅相成、互为补充的。
项目6 频域测量仪器及应用
知识 1.2 频域测量的主要内容
根据实际应用的需求，频域分析与测量的对象和目的 也各不相同，通常有以下一些。
项目6 频域测量仪器及应用
知识 2.1 频率特性的测试方法
频率特性的测试方法有点频测量法和扫频测量法。 1．点频测量法 点频测量法就是通过逐点测量一系列规定频率点上的 系统增益来确定幅频特性曲线的方法，其原理框图如图6-2 所示。
图6-2 点频测量法原理框图
图6-3 频率特性曲线
项目6 频域测量仪器及应用
项目6 频域测量仪器及应用
扫频测量法简单、速度快，可以实现频率特性测量的 自动化。由于扫频信号的频率变化是连续的，所以不会像 点频测量法那样由于测量的频率点不够密而遗漏某些被测 频率特性的细节。扫频测量法反映的是被测电路的动态特 性，这一点对某些系统的测量尤为重要，如滤波器的动态 滤波特性的测量等。此外，用扫频法测量电路时，还能边 测量边进行调试，大大地提高了调试的工作效率。扫频测 量法的不足之处是测量的准确度比点频法低。
(1) 频率特性测量 (2) 选频测量 (3) 频谱分析测量 (4) 调制度分析测量 (5) 谐波失真度测量
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知识 1.3 频域测量仪器的类型
根据实际应用的需求，常用频域分析与测量仪器有以 下几种类型。
(1) 频率特性测试仪 (2) 频谱分析仪 (3) 失真度测量仪 (4) 谐波分析仪 (5) 调制度测量仪
项目6 频域测量仪器及应用
时域测量分析是研究信号的瞬时幅度u与时间t的变化 关系，如信号通过电路后幅度的放大、衰减或畸变等。通 过时域测量可测定电路是否工作在线性区、电路的增益大 小及时间响应特性等。实际工作中常用的示波器就是典型 的时域测量分析仪器，常用它来观测信号电压随时间的变 化，但它无法获得信号中包含哪些频率成份、它们之间的 相对幅度如何等信息，也无法得到信号通过某个系统后频 率成份是否产生了变化及变化的大小等信息，这些都必须 借助于频域测量分析来完成。
对于任何一个信号，都具有时间－频率－幅度的三维 特性，信号的幅度既可表示为时间t的函数，又可以表示为 频率 f (或角频率ω) 的函数；既可以在时域对它进行测量分 析，也可以在频域进行测量分析，以获得不同的变化特性， 频域和时域的关系如图6-1所示。
Hale Waihona Puke 目6 频域测量仪器及应用图6-1 信号的时域和频域测量
图中，扫频信号发生器实际上是一个调频振荡器，产 生幅度不变振荡频率受扫描信号控制的调频信号，如图中(a) 所示。该信号通过被测电路后，信号幅度将随被测电路的幅 频特性而变化，如图中(b)所示。经检波后，将幅度随频率 变化的包络信号加到示波器的垂直通道，同时将扫描信号加 到示波器的水平通道。由于示波器的水平扫描电压，同时又 用于调制扫频信号发生器的频率。因此，示波器屏幕光点的 水平位移与扫频信号的频率随时间的变化规律完全一致，所 以示波器的水平轴也就变换成了频率轴。也就是说，在屏幕 上显示的图形是被测电路的幅频特性曲线，如图中(c)所示。
其测量方法是：在被测系统的整个工作频率范围内， 改变输入信号的频率，在改变输入信号频率的同时，应保 持输入电压的幅度恒定(用电压表I 来监视)；在被测系统输 出端用电压表II 测出各频率点相应的输出电压值，并做好 记录。然后在直角坐标系中，以横轴表示频率的变化，以 纵轴表示输出电压幅度的变化，连接各个点，就可描绘出 系统的幅频特性曲线，如图6-3所示。
项目6 频域测量仪器及应用
项目6 频域测量仪器及应用
任务1 知识引领——频域测量基本知识 任务2 仪器介绍——频率特性测试仪 任务3 仪器介绍——频谱分析仪 任务4 仪器介绍——失真度测试仪 任务5 应用实训——频域测量实训
项目6 频域测量仪器及应用
任务 1 知识引领——频域测量基本知识
知识 1.1 频域和时域的关系
项目6 频域测量仪器及应用
频域测量分析则是研究信号中各频率分量的幅值u与 频率 f 的关系，主要包括线性系统的频率特性测量和信号 的频谱分析。频率特性测量和频谱分析都是以频率为自变 量，以频率分量的信号幅值为因变量进行分析的，需要由 频域测量仪器来完成。例如，频率特性测试仪利用扫频测 量法，可直接在显示屏上显示被测系统的频率响应特性； 频谱分析仪是对信号本身进行分析或对系统的非线性失真 大小进行测量，以确定信号所含的频率成份，了解信号的 频谱占用情况，以及非线性失真特性。
项目6 频域测量仪器及应用
任务 1 知识引领——频域测量基本知识
频率特性测试仪，简称扫频仪，是利用扫频测量法在 示波管上直接显示被测电路或系统频率特性曲线的仪器， 它是在静态逐点测量法的基础上发展起来的一种快速、简 便、直观、实时、动态、多参数的测量仪器，广泛应用于 电子技术领域。在家用电器(电视机、录像机等)、电子设备 的测试和调整中都离不开扫频仪。
项目6 频域测量仪器及应用
2．扫频测量法 扫频测量法可以实现对被测电路简捷快速的动态测量 和图形曲线显示。它是以扫频信号发生器代替图6-1中的正 弦波信号发生器，并利用示波器显示波形的原理，将被测 电路的幅频特性直接显示在示波管屏幕上，其原理框图如 图6-4所示。
图6-4 扫频测量法原理框图
项目6 频域测量仪器及应用