第六章第六章 频域测量频域测量田宝凤田宝凤仪器科学与电气工程学院仪器科学与电气工程学院.主要内容主要内容6.1 扫频仪概述扫频仪概述6.2 扫频仪工作原理扫频仪工作原理6.3 频标单元频标单元6.4 Y通道单元通道单元6.5 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理6.6 本章小结本章小结2.教学侧重点教学侧重点扫频仪的构成与原理扫频仪的构成与原理FFTFFT频谱分析仪构成与原理频谱分析仪构成与原理扫频超外差式频谱分析仪构成与原理扫频超外差式频谱分析仪构成与原理频标单元产生框图与原理频标单元产生框图与原理.6.16.1扫频仪概述扫频仪概述扫频仪：又称频率特性测试仪。可用来扫频仪：又称频率特性测试仪。可用来测定各种有源或无源网络的传输特性、测定各种有源或无源网络的传输特性、阻抗特性等，如：测定调频放大器、宽阻抗特性等，如：测定调频放大器、宽频带放大器、各种滤波器、鉴频器等幅频带放大器、各种滤波器、鉴频器等幅频特性。频特性。扫频仪是一种能够完成上述功能并扫频仪是一种能够完成上述功能并具有显示装置的扫频信号发生器。具有显示装置的扫频信号发生器。4.6.1.1 6.1.1 常用术语常用术语有效频率范围：有效频率范围： 扫频信号发生器产生的载波频率范围。扫频信号发生器产生的载波频率范围。扫频宽度：扫频宽度： 扫频所覆盖的频率范围内的最高频率与扫频所覆盖的频率范围内的最高频率与最低频率之差。最低频率之差。扫频中心频率：扫频中心频率： 窄带扫频或对称扫频时，扫频宽度为窄带扫频或对称扫频时，扫频宽度为0 0的载波频率。的载波频率。5.6.1.2 6.1.2 扫频仪中的关键器件扫频仪中的关键器件（1 1变容二极管变容二极管变容二极管与普遍二极管类似，也是由一个变容二极管与普遍二极管类似，也是由一个PNPN结结构成的。所谓变容二极管是指它的结电容随外加构成的。所谓变容二极管是指它的结电容随外加偏压而改变，并呈现明显的非线性特性。偏压而改变，并呈现明显的非线性特性。 变容二极管电容公式：变容二极管电容公式：6公式中：公式中：U是外加是外加电压，反向偏置电压，反向偏置时是负值，正向时是负值，正向偏置时是正值。偏置时是正值。UT是内建电压，是内建电压，K与与n是常数。是常数。.6.1.26.1.2扫频仪中的关键器件扫频仪中的关键器件（2 2电调谐变容二极管电调谐变容二极管变容二极管有三类：参数变容二极管、功率变容变容二极管有三类：参数变容二极管、功率变容二极管、电调谐变容二极管。在扫频仪中使用的二极管、电调谐变容二极管。在扫频仪中使用的是电调谐变容二极管。是电调谐变容二极管。电调谐变容二极管用在频率调制电路中，其作用电调谐变容二极管用在频率调制电路中，其作用是：当加到是：当加到PNPN结上的偏压变化时，结电容结上的偏压变化时，结电容CjCj跟随跟随变化，从而改变电路的谐振频率，达到电调谐的变化，从而改变电路的谐振频率，达到电调谐的目的。目的。7.6.26.2扫频仪工作原理扫频仪工作原理6.2.16.2.1整机电路原理框图整机电路原理框图8频标单元频标单元扫频单元扫频单元被测网络被测网络衰减器衰减器检波器检波器Y通道通道控制部分控制部分斜波信号发生器斜波信号发生器X通道通道图图6.2.1 扫频仪电路工作原理框图扫频仪电路工作原理框图.6.2.16.2.1整机电路原理框图整机电路原理框图扫频仪的构成：扫频信号源和显示系统。扫频仪的构成：扫频信号源和显示系统。11、扫频信号源由扫频单元、频标单元和衰减器、扫频信号源由扫频单元、频标单元和衰减器三部分构成。具有以下功能：三部分构成。具有以下功能：(1)(1)能产生频率做线性变化的扫频信号；能产生频率做线性变化的扫频信号；(2)(2)扫频信号的输出是等幅的，且具有扫频信号的输出是等幅的，且具有一定功率；一定功率；(3)(3)扫频信号的频偏尽可能大且中心频扫频信号的频偏尽可能大且中心频率可调；率可调；(4)(4)扫频信号线性度良好；扫频信号线性度良好；(5)(5)能产生和扫频信号同步的频率标记；能产生和扫频信号同步的频率标记；(6)(6)输出阻抗要恒定。输出阻抗要恒定。22、显示系统由斜波电压发生器、显示系统由斜波电压发生器、X X、Y Y轴通道放轴通道放大器及示波管组成。大器及示波管组成。9.6.2.16.2.1整机电路原理框图整机电路原理框图扫频仪工作原理：扫频仪工作原理： 1. 1.斜波信号发生器一方面送给斜波信号发生器一方面送给X X通道提供扫描信号；另一通道提供扫描信号；另一方面又控制扫频信号源的振荡频率，使其产生从低频到高方面又控制扫频信号源的振荡频率，使其产生从低频到高频的周期性重复变化的等幅正弦波输送给被测电路，称为频的周期性重复变化的等幅正弦波输送给被测电路，称为扫频信号。扫频信号。 2. 2.这样，就使扫频信号的频率变化规律与扫描电压一致，这样，就使扫频信号的频率变化规律与扫描电压一致，从而使得每个扫描点与扫频信号输出的频率有一一对应的从而使得每个扫描点与扫频信号输出的频率有一一对应的确定关系，故确定关系，故X X轴相应地成为频率坐标轴。轴相应地成为频率坐标轴。 3. 3.被测电路的输出信号经峰值检波探头检出幅频特性曲线被测电路的输出信号经峰值检波探头检出幅频特性曲线送给送给Y Y通道，并最终在屏幕上显示出被测网络的幅频特性通道，并最终在屏幕上显示出被测网络的幅频特性曲线。曲线。10.6.2.26.2.2单元电路工作原理单元电路工作原理 1 1、扫频单元、扫频单元11图图6.2.2 扫频单元工作原理框图扫频单元工作原理框图扫频振荡器一般采用变容二极管扫频振荡器一般采用变容二极管作为压控元件，由于变容二极管作为压控元件，由于变容二极管的的C-U特性曲线不是线性的，因特性曲线不是线性的，因此为了获得线性的扫频振荡，加此为了获得线性的扫频振荡，加入线性校正电路。入线性校正电路。固频振荡器固频振荡器扫频振荡器扫频振荡器线性校正线性校正混混频频器器低通滤波低通滤波宽带放大宽带放大衰减器衰减器自动稳幅自动稳幅扫频输出扫频输出.6.2.26.2.2单元电路工作原理单元电路工作原理2 2、固定振荡器、固定振荡器12图图6.2.3 固定振荡器电路固定振荡器电路中心频率控制电压中心频率控制电压取自于面板上的电取自于面板上的电位器，中心频率控位器，中心频率控制电压一经确定，制电压一经确定，固频振荡器就会产固频振荡器就会产生固定频率的振荡生固定频率的振荡信号。改变中心频信号。改变中心频率控制电压就是改率控制电压就是改变变容二极管的偏变变容二极管的偏压，即改变振荡频压，即改变振荡频率。率。.6.2.26.2.2单元电路工作原理单元电路工作原理3、扫频振荡器、扫频振荡器136.2.4 扫频振荡器扫频振荡器穿心电容的作用是旁路掉杂散的高频干扰信号。穿心电容的作用是旁路掉杂散的高频干扰信号。扫频振荡器工作在开关状态，即在工作区产生扫频振荡器工作在开关状态，即在工作区产生扫频振荡，而在休止期内停振。扫频振荡，而在休止期内停振。.6.2.26.2.2单元电路工作原理单元电路工作原理扫频信号产生过程扫频信号产生过程14.6.2.26.2.2单元电路工作原理单元电路工作原理4、混频器和低通滤波器、混频器和低通滤波器 混频器就是将两个不同频率的信号加到非混频器就是将两个不同频率的信号加到非线性线性器件进行频率变换后取其差频或和频。器件进行频率变换后取其差频或和频。 低通滤波器就是将混频之后的和频信号滤低通滤波器就是将混频之后的和频信号滤除除掉，保留差频。掉，保留差频。15具体电路见教材：具体电路见教材：图图6.2.5 混频器和低通滤波器混频器和低通滤波器.6.36.3频标单元频标单元16图图6.3.1 频标单元工作原理框图频标单元工作原理框图频标选择频标选择外接频标外接频标谐波发生器谐波发生器谐波发生器谐波发生器谐波发生器谐波发生器频标混频频标混频频标混频频标混频频标混频频标混频频标混频频标混频低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波1/10分频分频1MHz10MHz晶振晶振50MHz晶振晶振来自扫频输出来自扫频输出频频标标形形成成及及放放大大去去 Y通通道道u频标是频率标记的简称。频率标记是用一定形式频标是频率标记的简称。频率标记是用一定形式的标记对频率特性曲线上的任意点进行定量描述。的标记对频率特性曲线上的任意点进行定量描述。u频标的形状大致四种：菱形频标、脉冲频标、线频标的形状大致四种：菱形频标、脉冲频标、线频标及光点式频标。频标及光点式频标。.6.36.3频标单元频标单元1 1、单一频标产生的工作原理、单一频标产生的工作原理17图图6.3.2 单一频标产生的工作原理框图单一频标产生的工作原理框图扫频信号扫频信号固频信号固频信号混频器混频器低通滤波低通滤波去频标放去频标放大器大器fsfg.6.36.3频标单元频标单元扫频信号中必然含有与正弦波固扫频信号中必然含有与正弦波固定频率定频率fgfg相等的瞬时值频率。相等的瞬时值频率。当扫频信号的频率自当扫频信号的频率自fminfmin向向fgfg接接近时，频差越来越小；当频率扫近时，频差越来越小；当频率扫变到等于变到等于fgfg时，产生零拍差频；时，产生零拍差频；而当扫频信号频率向而当扫频信号频率向fmaxfmax接近时，接近时，则频差越来越大。则频差越来越大。差频信号波形在差频信号波形在fgfg处是中间疏两处是中间疏两边越来越密。这个波形经低通滤边越来越密。这个波形经低通滤波器后，高频成分被滤掉，只有波器后，高频成分被滤掉，只有在在fgfg附近的低频成分保留下来，附近的低频成分保留下来，而且离开而且离开fgfg愈远的差频信号幅度愈远的差频信号幅度衰减愈大。衰减愈大。这部分被保留下来的差频信号形这部分被保留下来的差频信号形状如同一个菱形，常被叫做状如同一个菱形，常被叫做“菱菱形频标形频标”。 18图图6.3.3 频标波形图频标波形图扫频扫频信号信号固频固频信号信号低通低通滤波滤波后的后的菱形菱形频标频标.6.36.3频标单元频标单元2 2、产生多个频标的工作原理、产生多个频标的工作原理19图图6.3.4 多个频标产生原理框图多个频标产生原理框图扫频信号扫频信号谐波发生器谐波发生器混频器混频器低通滤波低通滤波去频标去频标放大器放大器 晶振晶振0fkfg 2fg3fg 4fgnfg.6.36.3频标单元频标单元20设标准信号频率为设标准信号频率为fg，则谐波，则谐波信号源输出信号频率为基波信号源输出信号频率为基波fg及各次谐波及各次谐波2fg、3fg、4fg、。扫频信号与谐波信号源输。扫频信号与谐波信号源输出信号经混频器混频后，再经出信号经混频器混频后，再经低通滤波输出差频信号，由此低通滤波输出差频信号，由此得到一系列零差点。例如在得到一系列零差点。例如在f=fg处差频为零，于是在处差频为零，于是在f=fg处形成处形成“菱形频标菱形频标”。同理，。同理，在在f=2fg、f=3fg处也形成处也形成菱形频标。菱形频标。图图6.3.5 多个菱形频标波形图多个菱形频标波形图.6.4 Y通道单元对对Y Y通道单元的具体要求：通道单元的具体要求： (1) (1)有较高的输入阻抗。有较高的输入阻抗。 (2) (2)有较好的频率特性。有较好的频率特性。 为了使被测信号在屏幕上稳定显示，要求扫描为了使被测信号在屏幕上稳定显示，要求扫描的正程和逆程加起来不得超过的正程和逆程加起来不得超过20ms20ms。被测信号加入。被测信号加入的时间工作期就是一个前沿陡峭的脉冲波，因的时间工作期就是一个前沿陡峭的脉冲波，因而要求频率特性要好。而要求频率特性要好。 (3) (3)要求有较小的漂移。要求有较小的漂移。 漂移会使图像上下移动，最好办法是采用差动漂移会使图像上下移动，最好办法是采用差动放大器。放大器。21图图6.4.1 Y通道单元原理框图通道单元原理框图图图6.4.2 扫频仪中的时序图扫频仪中的时序图衰减器衰减器频率标记输入频率标记输入Y前置放大前置放大Y末级放大末级放大去去Y偏偏转板转板被测信号被测信号10ms10ms工作期工作期休止期休止期.测试实例测试实例电路幅频特性的测量电路幅频特性的测量22当被测设备输入阻抗和扫当被测设备输入阻抗和扫频仪的输出阻抗相等时，频仪的输出阻抗相等时，采用空载电缆线连接被测采用空载电缆线连接被测设备；当不等时，应在扫设备；当不等时，应在扫频仪和被测设备之间加一频仪和被测设备之间加一个阻抗匹配网络。个阻抗匹配网络。 .6.56.5频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理6.5.1 时域和频域的关系时域和频域的关系6.5.2 频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类6.5.3 技术性能指标技术性能指标6.5.4 操作使用要点操作使用要点23.6.5.16.5.1时域和频域的关系时域和频域的关系电信号随时间的变化特性，称为时域分析，电信号随时间的变化特性，称为时域分析，一般采用电子示波器来测试波形。一般采用电子示波器来测试波形。电信号用它所包含的各种频率分量频谱分电信号用它所包含的各种频率分量频谱分布来表示，称为频域分析，用频谱分析仪布来表示，称为频域分析，用频谱分析仪来测量。来测量。24.256.6.16.6.1时域和频域的关系时域和频域的关系.6.5.16.5.1时域和频域的关系时域和频域的关系任何周期信号都可以展开成傅立叶级数。级数的每一项在频任何周期信号都可以展开成傅立叶级数。级数的每一项在频谱上都可以画成一条直线，代表信号的一种成分。谱上都可以画成一条直线，代表信号的一种成分。 如：如：26.6.5.26.5.2频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类频谱分析仪按其工作原理分为实时频谱分析仪和非实时频频谱分析仪按其工作原理分为实时频谱分析仪和非实时频谱分析仪。谱分析仪。实时频谱分析仪能同时观测显示其规定频率范围内的所有实时频谱分析仪能同时观测显示其规定频率范围内的所有频率分量，而且保持了两个信号间的相位关系，不仅能分频率分量，而且保持了两个信号间的相位关系，不仅能分析周期信号、随机信号，还能分析瞬时信号。分为多通道析周期信号、随机信号，还能分析瞬时信号。分为多通道滤波式频谱仪和滤波式频谱仪和FFTFFT式频谱仪。式频谱仪。非实时频谱分析仪常采用扫描调谐式。扫描调谐式频谱分非实时频谱分析仪常采用扫描调谐式。扫描调谐式频谱分析仪对输入信号按时间顺序进行扫描调谐，在某一瞬间只析仪对输入信号按时间顺序进行扫描调谐，在某一瞬间只能测量显示一个频率，逐次测量显示被测信号的全部频率能测量显示一个频率，逐次测量显示被测信号的全部频率范围。只能分析在规定时间内频谱几乎不变的周期性重复范围。只能分析在规定时间内频谱几乎不变的周期性重复信号。包括扫描射频调谐型频谱仪和扫频超外差式频谱仪。信号。包括扫描射频调谐型频谱仪和扫频超外差式频谱仪。27.6.5.26.5.2频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类FFTFFT型实时频谱仪型实时频谱仪28图图6.7.4 FFT频谱仪的简化框图频谱仪的简化框图ADCFFTfS输入显示器显示器处理器处理器 数字数字滤波器滤波器 模数模数转换器转换器取样器取样器衰减器衰减器 模仿模仿滤波器滤波器.6.5.26.5.2频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类29FFTFFT采用有限长度时间来计算，因而会产生频谱泄漏。解决这一问采用有限长度时间来计算，因而会产生频谱泄漏。解决这一问题的办法是利用窗口函数。题的办法是利用窗口函数。衰减器：扩大了信号的测量范围。衰减器：扩大了信号的测量范围。模拟低通滤波器：滤除了频带外多余的频率分量。模拟低通滤波器：滤除了频带外多余的频率分量。取样器和取样器和A/DA/D转换器：完成信号的取样和量化，模拟量转换为数字转换器：完成信号的取样和量化，模拟量转换为数字量。量。数字滤波器：采用频率取样式，减小信号带宽和降低取样频率，数字滤波器：采用频率取样式，减小信号带宽和降低取样频率，保证了频率分辨力又避免频谱混叠。保证了频率分辨力又避免频谱混叠。处理器：完成处理器：完成FFTFFT计算。计算。显示器：显示测量结果。显示器：显示测量结果。.6.5.26.5.2频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类扫频超外差式频谱仪扫频超外差式频谱仪基于这样的思想：若在频率轴上有一个特定的窗口，基于这样的思想：若在频率轴上有一个特定的窗口，只有进入窗口的信号才能被检测到。当窗口从一个频率只有进入窗口的信号才能被检测到。当窗口从一个频率点扫描到另一个频率点时，就可以得到被测信号在不同点扫描到另一个频率点时，就可以得到被测信号在不同频率点上的频谱分布。频率点上的频谱分布。采用中频窄带滤波器代替窗口，并固定在一个频率采用中频窄带滤波器代替窗口，并固定在一个频率点上，利用扫描振荡器，使混频得到的中频信号逐个通点上，利用扫描振荡器，使混频得到的中频信号逐个通过这个窗口实现频率扫描。过这个窗口实现频率扫描。30图图6.7.5 信号频谱分布图信号频谱分布图窗口V2V3V1f2f1fs3fs2fs1.6.5.26.5.2频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类扫频超外差式频谱仪续）扫频超外差式频谱仪续）31工作原理：扫频振荡器是仪器内部振荡源，它受锯齿波扫描电工作原理：扫频振荡器是仪器内部振荡源，它受锯齿波扫描电压调制，当扫频振荡器的频率在一定范围内自动扫动时，输入压调制，当扫频振荡器的频率在一定范围内自动扫动时，输入信号中的各个频率分量在混频器中产生差频信号信号中的各个频率分量在混频器中产生差频信号 ，依，依次落入中频放大器的通带内次落入中频放大器的通带内(这个通带是固定的这个通带是固定的)，获得中频增，获得中频增益，经检波后加到益，经检波后加到y放大器，使亮点在屏幕上的垂直偏移正比于放大器，使亮点在屏幕上的垂直偏移正比于该频率分量的幅值。该频率分量的幅值。由于扫描电压在调制扫频振荡器的同时，又驱动由于扫描电压在调制扫频振荡器的同时，又驱动x放大器，从而放大器，从而可以在屏幕上显示出被测信号的线状频谱图。图中的中频放大可以在屏幕上显示出被测信号的线状频谱图。图中的中频放大器相当于固定通带滤波器。器相当于固定通带滤波器。 .6.5.3 6.5.3 技术性能指标技术性能指标（1 1频频率率范范围围：频频率率范范围围是是指指能能达达到到频频谱谱分分析析仪仪规规定定性性能能的的工工作作频频率率区区间间，如如安安捷捷伦伦公公司司的的ESA-EESA-E系系列列频谱分析仪频率范围最高可达频谱分析仪频率范围最高可达325GHz325GHz。（2 2频频率率分分辨辨率率：是是指指频频谱谱分分析析仪仪能能把把靠靠得得很很近近的的两两个个频频谱谱分分量量分分辨辨出出来来的的能能力力。由由于于屏屏幕幕显显示示的的谱谱线线实实际际上上是是窄窄带带滤滤波波器器的的动动态态幅幅频频特特性性，因因而而频频谱谱分分析析仪仪的的分分辨辨率率主主要要取取决决于于窄窄带带滤滤波波器器的的通通频频带带宽宽度度，因因此此定定义义窄窄带带滤滤波波器器幅幅频频特特性性的的3 3 dBdB带带宽宽为为频频谱仪的分辨率。谱仪的分辨率。 32左图：观察到的谱线。左图：观察到的谱线。右图：右图：3dB带宽过宽，带宽过宽，分辨力太低时的图形。分辨力太低时的图形。.6.5.46.5.4操作使用要点操作使用要点（1 1电源要求：电源要求：220V220V交流稳压电源。交流稳压电源。（2 2静电防护：操作在防静电工作台上完成。静电防护：操作在防静电工作台上完成。（3 3对输入信号的要求：某些频谱仪要求输对输入信号的要求：某些频谱仪要求输入信号无直流成分。入信号无直流成分。（4 4更换电池：电池用于动态更换电池：电池用于动态RAMRAM中数据不中数据不丢失。两种方法：取出旧电池丢失。两种方法：取出旧电池10min10min内放入新内放入新电池；在开启频谱仪之后更换电池。电池；在开启频谱仪之后更换电池。33.6.6 6.6 本章小结本章小结重点：重点：电调谐变容二极管的作用电调谐变容二极管的作用扫频仪电路工作原理框图及阐述工作原理扫频仪电路工作原理框图及阐述工作原理频标信号产生的框图与原理频标信号产生的框图与原理FFTFFT型频谱仪的框图及各部分功能型频谱仪的框图及各部分功能难点：难点：扫频超外差式频谱仪的工作原理及框扫频超外差式频谱仪的工作原理及框图图34.