1、頻域測量課件頻域測量課件26.1 6.1 掃頻儀概述掃頻儀概述6.2 6.2 掃頻儀工作原理掃頻儀工作原理6.3 6.3 頻標單元頻標單元6.4 Y6.4 Y通道單元通道單元6.5 6.5 頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理6.6 6.6 本章小結本章小結頻域測量課件掃頻儀的構成與原理掃頻儀的構成與原理FFTFFT頻譜分析儀構成與原理頻譜分析儀構成與原理掃頻超外差式頻譜分析儀構成與原理掃頻超外差式頻譜分析儀構成與原理頻標單元產生框圖與原理頻標單元產生框圖與原理頻域測量課件4掃頻儀：掃頻儀：又稱頻率特性測試儀。可用來又稱頻率特性測試儀。可用來測定各種有源或無源網絡的傳輸特性、測定各種有源或無源

2、網絡的傳輸特性、阻抗特性等，如：測定調頻放大器、寬阻抗特性等，如：測定調頻放大器、寬頻帶放大器、各種濾波器、鑒頻器等幅頻帶放大器、各種濾波器、鑒頻器等幅頻特性。頻特性。 掃頻儀是一種能夠完成上述功能并掃頻儀是一種能夠完成上述功能并具具有顯示裝置的掃頻信號發生器。有顯示裝置的掃頻信號發生器。頻域測量課件5有效頻率范圍：有效頻率范圍： 掃頻信號發生器產生的載波頻率范圍。掃頻信號發生器產生的載波頻率范圍。掃頻寬度：掃頻寬度： 掃頻所覆蓋的頻率范圍內的最高頻率與最掃頻所覆蓋的頻率范圍內的最高頻率與最低頻率之差。低頻率之差。掃頻中心頻率：掃頻中心頻率： 窄帶掃頻或對稱掃頻時，掃頻寬度為窄帶掃頻或對稱掃頻

3、時，掃頻寬度為0 0的的載波頻率。載波頻率。頻域測量課件6（1 1）變容二極管）變容二極管變容二極管與普遍二極管類似，也是由一個變容二極管與普遍二極管類似，也是由一個PNPN結構成的。結構成的。所謂變容二極管是指它的結電容隨外加偏壓而改變，并呈所謂變容二極管是指它的結電容隨外加偏壓而改變，并呈現明顯的非線性特性。現明顯的非線性特性。 變容二極管電容公式：變容二極管電容公式：nTjUUKC/1)(公式中：公式中：U是外加是外加電壓，反向偏置電壓，反向偏置時是負值，正向時是負值，正向偏置時是正值。偏置時是正值。UT是內建電壓，是內建電壓，K與與n是常數。是常數。頻域測量課件7（2 2）電調諧變容二

4、極管）電調諧變容二極管變容二極管有三類：參數變容二極管、功率變容變容二極管有三類：參數變容二極管、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。是電調諧變容二極管。電調諧變容二極管用在頻率調制電路中，其作用電調諧變容二極管用在頻率調制電路中，其作用是：當加到是：當加到PNPN結上的偏壓變化時，結電容結上的偏壓變化時，結電容C Cj j跟隨跟隨變化，從而改變電路的諧振頻率，達到電調諧的變化，從而改變電路的諧振頻率，達到電調諧的目的。目的。jLCf21頻域測量課件86.2.16.2.1整機電路原理框圖整機電路原理框圖頻標單元頻標單元

5、掃頻單元掃頻單元被測網絡被測網絡衰減器衰減器檢波器檢波器Y通道通道控制部分控制部分斜波信號發生器斜波信號發生器X通道通道圖圖6.2.1 掃頻儀電路工作原理框圖掃頻儀電路工作原理框圖頻域測量課件9掃頻儀的構成：掃頻信號源和顯示系統。掃頻儀的構成：掃頻信號源和顯示系統。 1 1、掃頻信號源掃頻信號源由掃頻單元、頻標單元和衰減器由掃頻單元、頻標單元和衰減器三部分構成。具有以下功能：三部分構成。具有以下功能： (1) (1) 能產生頻率做線性變化的掃頻信號；能產生頻率做線性變化的掃頻信號； (2) (2) 掃頻信號的輸出是等幅的，且具有一定功率；掃頻信號的輸出是等幅的，且具有一定功率； (3) (3)

6、 掃頻信號的頻偏盡可能大且中心頻率可調；掃頻信號的頻偏盡可能大且中心頻率可調； (4) (4) 掃頻信號線性度良好；掃頻信號線性度良好； (5) (5) 能產生和掃頻信號同步的頻率標記；能產生和掃頻信號同步的頻率標記； (6) (6) 輸出阻抗要恒定。輸出阻抗要恒定。 2 2、顯示系統顯示系統由斜波電壓發生器、由斜波電壓發生器、X X、Y Y軸通道放軸通道放大器及示波管組成。大器及示波管組成。頻域測量課件10掃頻儀工作原理：掃頻儀工作原理： 1 1. .斜波信號發生器一方面送給斜波信號發生器一方面送給X X通道提供掃描信號；另一通道提供掃描信號；另一方面又控制掃頻信號源的振蕩頻率，使其產生從低

7、頻到高方面又控制掃頻信號源的振蕩頻率，使其產生從低頻到高頻的周期性重復變化的等幅正弦波輸送給被測電路，稱為頻的周期性重復變化的等幅正弦波輸送給被測電路，稱為掃頻信號。掃頻信號。 2.2.這樣，就這樣，就使掃頻信號的頻率變化規律與掃描電壓一致，使掃頻信號的頻率變化規律與掃描電壓一致，從而使得每個掃描點與掃頻信號輸出的頻率有一一對應的從而使得每個掃描點與掃頻信號輸出的頻率有一一對應的確定關系，確定關系，故故X X軸相應地成為頻率坐標軸。軸相應地成為頻率坐標軸。 3.3.被測電路的輸出信號經峰值檢波探頭檢出幅頻特性曲線被測電路的輸出信號經峰值檢波探頭檢出幅頻特性曲線送給送給Y Y通道，并最終在屏幕上

8、顯示出被測網絡的幅頻特性通道，并最終在屏幕上顯示出被測網絡的幅頻特性曲線。曲線。頻域測量課件11 1 1、掃頻單元、掃頻單元圖圖6.2.2 掃頻單元工作原理框圖掃頻單元工作原理框圖掃頻振蕩器一般采用變容二極管掃頻振蕩器一般采用變容二極管作為壓控元件，由于變容二極管作為壓控元件，由于變容二極管的的C-U特性曲線不是線性的，因特性曲線不是線性的，因此為了獲得線性的掃頻振蕩，加此為了獲得線性的掃頻振蕩，加入線性校正電路。入線性校正電路。固頻振蕩器固頻振蕩器掃頻振蕩器掃頻振蕩器線性校正線性校正混混頻頻器器低通濾波低通濾波寬帶放大寬帶放大衰減器衰減器自動穩幅自動穩幅掃頻輸出掃頻輸出頻域測量課件122 2

9、、固定振蕩器、固定振蕩器圖圖6.2.3 固定振蕩器電路固定振蕩器電路中心頻率控制電壓中心頻率控制電壓取自于面板上的電取自于面板上的電位器，中心頻率控位器，中心頻率控制電壓一經確定，制電壓一經確定，固頻振蕩器就會產固頻振蕩器就會產生固定頻率的振蕩生固定頻率的振蕩信號。改變中心頻信號。改變中心頻率控制電壓就是改率控制電壓就是改變變容二極管的偏變變容二極管的偏壓，即改變振蕩頻壓，即改變振蕩頻率。率。頻域測量課件133 3、掃頻振蕩器、掃頻振蕩器6.2.4 掃頻振蕩器掃頻振蕩器穿心電容的作用是旁路掉雜散的高頻干擾信號。穿心電容的作用是旁路掉雜散的高頻干擾信號。掃頻振蕩器工作在開關狀態，即在工作區產生掃

10、頻振蕩器工作在開關狀態，即在工作區產生掃頻振蕩，而在休止期內停振。掃頻振蕩，而在休止期內停振。頻域測量課件14掃頻信號產生過程掃頻信號產生過程頻域測量課件154 4、混頻器和低通濾波器、混頻器和低通濾波器 混頻器就是將兩個不同頻率的信號加到非線性混頻器就是將兩個不同頻率的信號加到非線性器件進行頻率變換后取其差頻或和頻。器件進行頻率變換后取其差頻或和頻。 低通濾波器就是將混頻之后的和頻信號濾除低通濾波器就是將混頻之后的和頻信號濾除掉，保留差頻。掉，保留差頻。具體電路見教材：具體電路見教材：圖圖6.2.5 混頻器和低通濾波器混頻器和低通濾波器頻域測量課件16圖圖6.3.1 頻標單元工作原理框圖頻標

11、單元工作原理框圖頻標選擇頻標選擇外接頻標外接頻標諧波發生器諧波發生器諧波發生器諧波發生器諧波發生器諧波發生器頻標混頻頻標混頻頻標混頻頻標混頻頻標混頻頻標混頻頻標混頻頻標混頻低通濾波低通濾波低通濾波低通濾波低通濾波低通濾波低通濾波低通濾波1/10分頻分頻1MHz10MHz晶振晶振50MHz晶振晶振來自掃頻輸出來自掃頻輸出頻頻標標形形成成及及放放大大去去 Y通通道道u頻標是頻率標記的簡稱。頻率標記是用一定形式頻標是頻率標記的簡稱。頻率標記是用一定形式的標記對頻率特性曲線上的任意點進行定量描述。的標記對頻率特性曲線上的任意點進行定量描述。u頻標的形狀大致四種：菱形頻標、脈沖頻標、線頻標的形狀大致四種

12、：菱形頻標、脈沖頻標、線頻標及光點式頻標。頻標及光點式頻標。頻域測量課件171 1、單一頻標產生的工作原理、單一頻標產生的工作原理圖圖6.3.2 單一頻標產生的工作原理框圖單一頻標產生的工作原理框圖掃頻信號掃頻信號固頻信號固頻信號混頻器混頻器低通濾波低通濾波去頻標放去頻標放大器大器fsfg頻域測量課件18掃頻信號中必然含有與正弦波固掃頻信號中必然含有與正弦波固定頻率定頻率fgfg相等的瞬時值頻率。相等的瞬時值頻率。當掃頻信號的頻率自當掃頻信號的頻率自f fminmin向向fgfg接接近時，頻差越來越小；當頻率掃近時，頻差越來越小；當頻率掃變到等于變到等于fgfg時，產生零拍差頻；時，產生零拍差

13、頻；而當掃頻信號頻率向而當掃頻信號頻率向f fmaxmax接近時，接近時，則頻差越來越大。則頻差越來越大。差頻信號波形在差頻信號波形在fgfg處是中間疏兩處是中間疏兩邊越來越密。這個波形經低通濾邊越來越密。這個波形經低通濾波器后，高頻成分被濾掉，只有波器后，高頻成分被濾掉，只有在在fgfg附近的低頻成分保留下來，附近的低頻成分保留下來，而且離開而且離開fgfg愈遠的差頻信號幅度愈遠的差頻信號幅度衰減愈大。衰減愈大。這部分被保留下來的差頻信號形這部分被保留下來的差頻信號形狀如同一個菱形，常被叫做狀如同一個菱形，常被叫做“菱菱形頻標形頻標”。 圖圖6.3.3 頻標波形圖頻標波形圖掃頻掃頻信號信號固

14、頻固頻信號信號低通低通濾波濾波后的后的菱形菱形頻標頻標頻域測量課件192 2、產生多個頻標的工作原理、產生多個頻標的工作原理圖圖6.3.4 多個頻標產生原理框圖多個頻標產生原理框圖掃頻信號掃頻信號諧波發生器諧波發生器混頻器混頻器低通濾波低通濾波去頻標去頻標放大器放大器 晶振晶振0fkfg 2fg3fg 4fgnfg頻域測量課件20設標準信號頻率為設標準信號頻率為fg，則諧波，則諧波信號源輸出信號頻率為基波信號源輸出信號頻率為基波fg及各次諧波及各次諧波2fg、3fg、4fg、。掃頻信號與諧波信。掃頻信號與諧波信號源輸出信號經混頻器混頻后，號源輸出信號經混頻器混頻后，再經低通濾波輸出差頻信號，再

15、經低通濾波輸出差頻信號，由此得到一系列零差點。例如由此得到一系列零差點。例如在在f=fg處差頻為零，于是在處差頻為零，于是在f=fg處形成處形成“菱形頻標菱形頻標”。同。同理，在理，在f=2fg、f=3fg處也處也形成菱形頻標。形成菱形頻標。圖圖6.3.5 多個菱形頻標波形圖多個菱形頻標波形圖頻域測量課件21對對Y Y通道單元的具體要求：通道單元的具體要求： (1)(1)有較高的輸入阻抗。有較高的輸入阻抗。 (2)(2)有較好的頻率特性。有較好的頻率特性。 為了使被測信號在屏幕上穩定顯示，要求掃描的正程和逆程加起來不為了使被測信號在屏幕上穩定顯示，要求掃描的正程和逆程加起來不得超過得超過20m

16、s20ms。被測信號加入的時間（工作期）就是一個前沿陡峭的脈沖。被測信號加入的時間（工作期）就是一個前沿陡峭的脈沖波，因而要求頻率特性要好。波，因而要求頻率特性要好。 (3)(3)要求有較小的漂移。要求有較小的漂移。 漂移會使圖像上下移動，最好辦法是采用差動放大器。漂移會使圖像上下移動，最好辦法是采用差動放大器。圖圖6.4.1 Y通道單元原理框圖通道單元原理框圖圖圖6.4.2 掃頻儀中的時序圖掃頻儀中的時序圖衰減器衰減器頻率標記輸入頻率標記輸入Y前置放大前置放大Y末級放大末級放大去去Y偏偏轉板轉板被測信號被測信號10ms10ms工作期工作期休止期休止期頻域測量課件22電路幅頻特性的測量電路幅頻

17、特性的測量當被測設備輸入阻抗和掃當被測設備輸入阻抗和掃頻儀的輸出阻抗相等時，頻儀的輸出阻抗相等時，采用空載電纜線連接被測采用空載電纜線連接被測設備；當不等時，應在掃設備；當不等時，應在掃頻儀和被測設備之間加一頻儀和被測設備之間加一個阻抗匹配網絡。個阻抗匹配網絡。 頻域測量課件236.5.1 時域和頻域的關系時域和頻域的關系6.5.2 頻譜分析儀的分類頻譜分析儀的分類6.5.3 技術性能指標技術性能指標6.5.4 操作使用要點操作使用要點頻域測量課件24電信號隨時間的變化特性，稱為時域分析，電信號隨時間的變化特性，稱為時域分析，一般采用電子示波器來測試波形。一般采用電子示波器來測試波形。電信號用

18、它所包含的各種頻率分量（頻譜分電信號用它所包含的各種頻率分量（頻譜分布）來表示，稱為頻域分析，用頻譜分析儀布）來表示，稱為頻域分析，用頻譜分析儀來測量。來測量。頻域測量課件256.6.16.6.1時域和頻域的關系時域和頻域的關系頻域測量課件26任何周期信號都可以展開成傅立葉級數。任何周期信號都可以展開成傅立葉級數。級數的每一項在頻級數的每一項在頻譜上都可以畫成一條直線，代表信號的一種成分。譜上都可以畫成一條直線，代表信號的一種成分。 如：如：t) 1k2sin(1k214) t ( f0k頻域測量課件27頻譜分析儀按其頻譜分析儀按其工作原理工作原理分為實時頻譜分析儀和非實時頻分為實時頻譜分析儀

19、和非實時頻譜分析儀。譜分析儀。實時頻譜分析儀實時頻譜分析儀能能同時觀測同時觀測顯示其規定頻率范圍內的顯示其規定頻率范圍內的所有所有頻率分量頻率分量，而且保持了兩個信號間的相位關系，不僅能分，而且保持了兩個信號間的相位關系，不僅能分析周期信號、隨機信號，還能分析瞬時信號。分為多通道析周期信號、隨機信號，還能分析瞬時信號。分為多通道濾波式頻譜儀和濾波式頻譜儀和FFTFFT式頻譜儀式頻譜儀。非實時頻譜分析儀非實時頻譜分析儀常采用掃描調諧式。掃描調諧式頻譜分常采用掃描調諧式。掃描調諧式頻譜分析儀對輸入信號析儀對輸入信號按時間順序按時間順序進行掃描調諧，在進行掃描調諧，在某一瞬間只某一瞬間只能測量顯示一

20、個頻率能測量顯示一個頻率，逐次測量顯示被測信號的全部頻率，逐次測量顯示被測信號的全部頻率范圍。只能分析在規定時間內頻譜幾乎不變的周期性重復范圍。只能分析在規定時間內頻譜幾乎不變的周期性重復信號。包括掃描射頻調諧型頻譜儀和信號。包括掃描射頻調諧型頻譜儀和掃頻超外差式頻譜儀掃頻超外差式頻譜儀。頻域測量課件28FFTFFT型實時頻譜儀型實時頻譜儀圖圖6.7.4 FFT頻譜儀的簡化框圖頻譜儀的簡化框圖ADCFFTfS輸入顯示器顯示器處理器處理器 數字數字濾波器濾波器 模數模數轉換器轉換器取樣器取樣器衰減器衰減器 模擬模擬濾波器濾波器頻域測量課件29FFTFFT采用有限長度時間來計算，因而會產生頻譜泄漏

21、。解決這一采用有限長度時間來計算，因而會產生頻譜泄漏。解決這一問題的辦法是利用窗口函數。問題的辦法是利用窗口函數。衰減器：擴大了信號的測量范圍。衰減器：擴大了信號的測量范圍。模擬低通濾波器：濾除了頻帶外多余的頻率分量。模擬低通濾波器：濾除了頻帶外多余的頻率分量。取樣器和取樣器和A/DA/D轉換器：完成信號的取樣和量化，模擬量轉換為數轉換器：完成信號的取樣和量化，模擬量轉換為數字量。字量。數字濾波器：采用頻率取樣式，減小信號帶寬和降低取樣頻率，數字濾波器：采用頻率取樣式，減小信號帶寬和降低取樣頻率，保證了頻率分辨力又避免頻譜混疊。保證了頻率分辨力又避免頻譜混疊。處理器：完成處理器：完成FFTFF

22、T計算。計算。顯示器：顯示測量結果。顯示器：顯示測量結果。頻域測量課件30掃頻超外差式頻譜儀掃頻超外差式頻譜儀 基于這樣的思想：基于這樣的思想：若在頻率軸上有一個特定的窗口，只有進若在頻率軸上有一個特定的窗口，只有進入窗口的信號才能被檢測到。當窗口從一個頻率點掃描到另一個入窗口的信號才能被檢測到。當窗口從一個頻率點掃描到另一個頻率點時，就可以得到被測信號在不同頻率點上的頻譜分布。頻率點時，就可以得到被測信號在不同頻率點上的頻譜分布。 采用中頻窄帶濾波器代替窗口，并固定在一個頻率點上，利用采用中頻窄帶濾波器代替窗口，并固定在一個頻率點上，利用掃描振蕩器，使混頻得到的中頻信號逐個通過這個窗口實現頻

23、率掃描振蕩器，使混頻得到的中頻信號逐個通過這個窗口實現頻率掃描。掃描。圖圖6.7.5 信號頻譜分布圖信號頻譜分布圖窗口V2V3V1f2f1fs3fs2fs1頻域測量課件31掃頻超外差式頻譜儀（續）掃頻超外差式頻譜儀（續）工作原理：工作原理：掃頻振蕩器是儀器內部振蕩源，它受鋸齒波掃描電掃頻振蕩器是儀器內部振蕩源，它受鋸齒波掃描電壓調制，當掃頻振蕩器的頻率在一定范圍內自動掃動時，輸入壓調制，當掃頻振蕩器的頻率在一定范圍內自動掃動時，輸入信號中的各個頻率分量在混頻器中產生差頻信號信號中的各個頻率分量在混頻器中產生差頻信號 ，依，依次落入中頻放大器的通帶內次落入中頻放大器的通帶內(這個通帶是固定的這個

24、通帶是固定的)，獲得中頻增益，獲得中頻增益，經檢波后加到經檢波后加到y放大器，使亮點在屏幕上的垂直偏移正比于該頻放大器，使亮點在屏幕上的垂直偏移正比于該頻率分量的幅值。率分量的幅值。由于掃描電壓在調制掃頻振蕩器的同時，又驅動由于掃描電壓在調制掃頻振蕩器的同時，又驅動x放大器，從而放大器，從而可以在屏幕上顯示出被測信號的線狀頻譜圖。圖中的中頻放大可以在屏幕上顯示出被測信號的線狀頻譜圖。圖中的中頻放大器相當于固定通帶濾波器。器相當于固定通帶濾波器。 wx0fff頻域測量課件32（1 1）頻率范圍：）頻率范圍：頻率范圍是指能達到頻譜分析儀規頻率范圍是指能達到頻譜分析儀規定性能的工作頻率區間，如安捷倫公司的定性能的工作頻