1、第7章 頻域測量7.1 掃頻儀（簡介）7.2 掃頻儀工作原理 7.3 頻標單元 7.4 Y通道單元7.5 操作使用 7.6 測試實例7.9 頻譜分析儀工作原理7.1 掃頻儀（簡介） 掃頻儀又稱頻率特性測試儀。可用來測定調頻放大器、寬頻放大器、各種濾波器，以及其他有源或無源網絡的頻率特性。在示波管顯示圖形的水平方向為被測信號的頻率，垂直方向為被測信號的幅度，其頻率特性是連續變化的。掃頻儀在電子測量中很重要。7.1.1 (術語)頻率特性測量1、點頻測量法（手動）（2）列表fi(MHz)2.324.326.327.328.329.3210.3212.3214.32VO(V)0.570.821.422

2、.102.512.101.420.820.57VO(V)0.51.01.52.00fi(MHz)8.32 fo（4）特點測量次數多測量時間長能反映相鄰點頻率突變的情況若改變一個元器件參數，又要重測一次。所以點頻測量法只適合要求不高的場合。（1）調信號發生器的頻率，用電壓表或示波器測被測電路輸出端的電壓。信號發生器Y1Y2示波器 被測電路（3）作圖7.1 掃頻儀簡介2、掃頻測量法（自動）7.1.1 頻率特性測量被測電路VCO鋸齒波發生器Y1Y2示波器 fV框圖中三部分是掃頻儀重要部件（4）特點：實現半自動快速測量可邊測邊調以達規定指標可迅速判斷元器件對頻率特性的影響反映的頻率特性全面無間隙配合其

3、他設備可對產品進行監控。（3）操作示波器面板可看到被測電路的頻率特性曲線。X (Y1)方向（鋸齒波電壓V與頻率F成正比）為頻率軸。（2）將示波器置于XY模式，其中（1）用鋸齒波電壓控制VCO（壓控振蕩器）實現V/F變換，將點頻法的手工調節頻率改為自動調節。 掃頻信號發生器是掃頻儀的重要部件，實質是V/F（電壓/頻率）轉換器，將線性鋸齒波電壓轉換成頻率（如圖所示），并將其作為被測電路的輸入信號源。7.1.2 掃頻儀的關鍵部件VCOVt0ftf0VmaxVminfmaxfmin掃頻波產生方法1、PN結電容7.1掃頻儀簡介tf0掃頻波fminfmaxfmax特點：反壓越大PN結越寬電容越小，反而亦之

4、。（7.1.1）-常數內電場外電場常數頻率范圍二極管電容特性圖7.1.6cCmaxCmin+U7.1.2 掃頻儀的關鍵部件等效v為掃描信號，當僅有VQ時的電容為CjQ ，其中心頻率大當變容二極管置于LC振蕩器調諧回路中（圖7.1.7）時，產生掃頻信號。2、電調諧變容二極管（掃頻） 在二極管兩端加變化的反向電壓，PN結的電容也會改變，進而改變振蕩頻率，產生掃頻信號。圖7.1.6(c)f0fminfmax圖7.1.7二極管電容特性+U7.2 掃頻儀工作原理7.2.1 基本組成主要部分組成：1、顯示系統：由掃描電壓發生器；X、Y軸放大器；示波管等組成（同示波器不贅述)。2、掃頻信號源：由掃頻信號發生

5、器(受鋸齒波控制的VCO)產生約200mV掃頻信號，頻標發生器(產生菱形的標志用于讀取頻率值)和衰減器(dB讀數)等組成。第7章 頻域測量頻標單元掃頻輸出Y輸入 圖7.2.1 掃頻儀的原理框圖及測試波形圖7.2.2 掃頻單元工作原理框圖固定變容管組成的掃頻發生器的頻率為500800MHz由三點式振蕩器產生固定頻率500MHz掃頻信號、固定信號經混頻器、低通濾波器取其差頻，產生0 300MHz、200mV的掃頻信號(經放大器)。經7檔0 70dB衰減后輸出頻偏為f=150MHz、幅度為20020010-3.5mV的掃頻信號。 1、掃頻單元 產生一個等幅的、失真小、頻率隨時間線性變化的電壓。 7.

6、2.2 單元電路工作原理7.2 掃頻儀工作原理2、固定振蕩器固定圖7.2.3（b）等效電路三點式振蕩條件：發射極具有兩個同性電抗，基極和集電極具有兩個異性電抗（簡稱射同它異）。振蕩圓頻率：振蕩頻率隨變容二極管反向電壓的大小而變。作用：產生掃頻信號的中心頻率，其頻率約500MHz。圖7.2.2 掃頻單元工作原理框圖3、掃頻振蕩器固定 圖7.2.4（a）是利用結電容組成的電容三點式掃頻振蕩器。振蕩頻率受鋸齒波電壓的控制，可以產生f 150MHz的頻偏。圖7.2.4（a）的等效電路鋸齒波電壓 自動電平控制電路用于引入負反饋，實現自動增益調整，使掃頻信號幅度穩定。 鋸齒波電壓發生器保證在調節掃頻寬度時

7、不引起中心頻率變化。這樣屏幕上的曲線只有寬度變化而中心位置基本不變。圖7.2.2 掃頻單元工作原理框圖作用：產生掃頻信號，其頻率范圍為500800MHz 。4、混頻器和低通濾波器固定(LCR)大小將500MHz的固定頻率和掃頻(500800MHz)信號經過混頻器、濾波器后取出它們的差頻0 300MHz作為掃頻信號。圖7.2.5（a）為二極管雙平衡混頻器。其二極管通斷受固定頻率控制。混頻輸出：式中RL為低通濾器的負載，RD為二極管導通電阻，I為兩個頻率之差。6.2.2 單元電路工作原理 圖7.2.5混頻器和濾波器(LCR)大小二極管雙平衡混頻器優點：組合頻率少、動態范圍大、兩個信號間的串擾小（隔

8、離度可達-40dB）等。缺點：混頻增益小于1，理論上混頻損耗為7dB，這可由后續放大器進行補償，達到符合要求的掃頻輸出。固定5、衰減器掃頻信號的最大輸出電壓（衰減0dB）約為200mV。為了便于測量網絡的增益，用dB開關。 經7檔0 70dB衰減后輸出頻偏為f=150MHz、幅度為20020010-3.5mV的掃頻信號。圖7.3.2c7.3 頻標（頻率標記）單元f010M鏡像反射1、單一頻標產生的原理掃頻fs和固頻fg經混頻低通后取其差值。當fs中的fgh=fg時vo=0，當fgh漸近、漸遠fg時vo有所下降（如圖c）。c圖信號經低通濾波和反相放大后產生接近菱形的頻標。fghfsafgbfs掃

9、頻信號固頻信號混頻器低通-放大fgvo第7章 頻域測量圖7.3.3 頻標波形圖d2、產生多個頻標的原理fgfs2fg3fg4fg1fg2fg3fg4fgtf4fg3fg 2fg 1fg掃頻特性tv圖7.3.4(b)1fg2fg3fgNfgvofsfgNfg掃頻信號10M晶振諧波發生器混頻器低通頻標放大器Y軸（N=1、2、）10M20M30M40M10M頻標輸出7.3 頻標單元圖7.3.4（a）10M頻標原理圖7.3.5 多頻標10分頻器諧波發生器混頻器低通掃頻信號10M晶振諧波發生器混頻器低通頻標放大器Y軸f050鏡像反射100150200250300MHz當選擇50MHz頻標時，全屏顯示的頻

10、標圖形(圖7.5.2b)當選擇10/1MHz頻標時，全屏顯示的頻標圖形(圖7.5.2a)f102030MHz0鏡像反射頻標選擇50M晶振諧波發生器混頻器低通7.3頻標單元圖7.3.1 頻標單元方框圖7.4 Y軸通道單元掃頻信號被測網絡檢波前置放大Y偏轉板末級放大頻標發生器衰減器dB讀數掃頻儀是示波器功能的擴展，X、Y通道與示波器相似。Y軸特殊部分是：v(dB)f(MHz)00dB3dB300 有較高的輸入阻抗：Y軸輸入來自阻抗大于200K 峰值檢波器探頭。有較小的漂移：特別是電壓漂移、溫度漂移一定要小，否則影響掃頻儀的穩定性能。有較好的頻率特性：掃頻發生器輸出信號在0300MHz 范圍內其伏頻

11、特性應該平坦。有低噪聲Y軸放大器：Y軸輸入信號可能較低，所以Y軸放大器應是低噪聲，否則掃描線變粗，影響讀數。第7章 頻域測量圖7.4.1 Y通道框圖7.5 操作使用 1、指標： (1) 掃頻范圍:0 300MHz; (2) 掃頻寬度:大于100MHz; (3) 掃頻輸出電壓:0.5V; (4) 掃頻輸出衰減:7檔170dB; (5) 掃頻輸出阻抗:75; (6) Y軸減:1/10/100; (7) 垂直靈敏度:20mV/div; (8) 頻標:50/1/10/外接三檔。第7章 頻域測量2、掃頻儀內外結構BT3G頻率特性測試儀Y增益Y位移亮度聚焦線性開關+/AC/DC1 10100 外1/105

12、0頻標幅度中心頻率 30dB20104321掃頻寬度掃頻輸出Y輸入外接頻標Y衰減掃頻衰減檢波探頭 被 測 電 路2、掃頻儀內外結構ft0dB1dB2dB3dB4dB10dB20dB30dB掃頻發生器Y軸主放大器“掃頻輸出”“Y輸入”110100X軸主放大器“Y衰減”頻標發生器“掃頻衰減”探頭被測電路圖7.5.1BT3G頻率特性測試儀Y增益Y位移亮度聚焦線性開關+/AC/DC1 10100 外1/1050頻標幅度中心頻率 30dB20104321掃頻寬度掃頻輸出Y輸入外接頻標Y衰減掃頻衰減1、測量前準備（8步）開機（“短鍵”）；調“Y位移”使掃描基線在“第1線”位；調“亮度”適當，調“聚焦”良好

13、，調“線性”水平（右旋右低、左旋左低）；探頭電纜短接“掃頻輸出”和“Y輸入” ，“Y衰減”在1，出現雙線；調“Y增益”使上線在“第6線”位，此時2線間有5大格（定標%）;探頭*7.6 測試實例（10步）第7章 頻域測量圖7.5.1BT3G頻率特性測試儀Y增益Y位移亮度聚焦線性開關+/AC/DC1 10100 外1/1050頻標幅度中心頻率 30dB20104321掃頻寬度掃頻輸出Y輸入外接頻標Y衰減掃頻衰減探頭按內頻標“1/10”鍵，上線疊有菱形頻標，調“頻標幅度”可改變頻標大（順時針）小（逆時針）；調“中心頻率”，頻標可右（順時針）左（逆時針）移動，找到頻標的缺口（有特殊標記），該標記為頻率

14、起點；調“掃頻寬度”可改變頻標的疏（順時針）密（逆時針）程度，使其適中（能看到10個左右頻標）。1、測量前準備（8步）0 1 2 3 4 5 67 8 9 10MHz圖7.5.12、 測試實例（2步） 1、單峰：前8步就緒后接入“被測電路”（若通頻帶不超過10MHz）即可顯示附有頻標的幅頻特性（通常超過定標的5格，這是由于電路放大作用）；按“掃頻衰減”鍵，使幅頻特性降至定標時的5格，則被測電路的增益為“掃頻衰減”量的代數和（圖示增益AdB=20+10+4+3+2=39dB）。中心頻率f0為峰點頻率。7.6 測試實例BT3G頻率特性測試儀Y增益Y位移亮度聚焦線性開關+/AC/DC1 10100

15、外1/1050頻標幅度中心頻率 30dB20104321掃頻寬度掃頻輸出Y輸入外接頻標Y衰減掃頻衰減0 1 2 3 4 5 67 8 9 10MHz探頭被測電路f0.5f0.5=9.5 6.7=2.8MHzAdB=39dBf0=8.2M圖7.6.2 2、測量雙（峰）特性時注意兩點BT3G頻率特性測試儀Y增益Y位移亮度聚焦線性開關+/AC/DC1 10100 外1/1050頻標幅度中心頻率 30dB20104321掃頻寬度掃頻輸出Y輸入外接頻標Y衰減掃頻衰減探頭被測電路11f010910.510.3510.7f0.5f0.70.25f0.7=0.6Mf0.5=10.85-10.15=0.7MHz

16、AdB=44dBf0=10.5M5格高度的認定：5格高度線上下的面積目測應基本相等，操作“掃頻衰減”時要仔細些。中心頻率的認定：在特性曲線中設一垂線使垂線左右兩邊的面積目測相等，則垂線對應的頻率為中心頻率f0。若曲線基本對稱，中心頻率為凹點頻率（該例）。二、 測試實例圖7.6.2圖7.6.33、回路品質因數Q值的測量BT3G頻率特性測試儀Y增益Y位移亮度聚焦線性開關+/AC/DC1 10100 外1/1050頻標幅度中心頻率 30dB20104321掃頻寬度掃頻輸出Y輸入外接頻標Y衰減掃頻衰減探頭被測電路f0.7 測量70.7%高度的帶寬f0.7和中心頻率f0后，經計算可以得到： 。 f0.7

17、=9.27.2=2MHzf0=8.2MMHz根據前例單峰特性曲線，被測電路的品質因數Q=4.1二、 測試實例圖7.5.14、 測量高頻阻抗（不定標）（1）測量輸入阻抗（ri）Y增益Y位移亮度聚焦線性開關+/AC/DC1 10100 外1/1050頻標幅度中心頻率 30dB20104321掃頻寬度掃頻輸出Y輸入外接頻標Y衰減掃頻衰減ARP1當RP1調到使指示高度為A/2時可見：輸入阻抗ri是電位器RP1的當前值當電路含選頻回路時經步后得到的ri值為f0下的輸入阻抗。1011ri為f0=10.6M下RP1當前值v1探頭被測電路i二、 測試實例圖7.5.1RP2（2）測量輸出阻抗（ro）Y增益Y位移

18、亮度聚焦線性開關+/AC/DC1 10100 外1/1050頻標幅度中心頻率 30dB20104321掃頻寬度掃頻輸出Y輸入外接頻標Y衰減掃頻衰減A1011ro為f0=10.6M下RP2當前值探頭v1被測電路i第步后被測電路輸出電壓為iro，顯示高度為A。第步調RP2使指示高度為A/2，被測電路輸出電壓為輸出阻抗ro是RP2的當前值可見當電路含選頻回路時，經步后得到的ro值為f0下的輸出阻抗。二、 測試實例7.9 頻譜分析儀工作原理fu圖7.9.1周期信號頻譜 fo2fo3foNfo7.9.1時域和頻域的關系 按信號在時域上變化的特點可分為周期信號與非周期信號 ；任何周期性信號都可以用付里葉級

19、數展開為頻域上的離散頻譜。tu3fo2fofof圖7.9.2 時域與頻域的三維關系圖從時域看從頻域看以鋸齒波為例：第7章 頻域測量K2(t)tT02T0T0/2-T1T11fu fo3fo5fo雙開關K2(t)的波形、頻譜和展開式。表7.9.1為常見信號的波形和頻譜 頻譜分析的意義之一：發現干擾，進而消除干擾。 若用頻譜儀發現K2(t)頻譜中混有不相關的干擾信號fr，則可由相應的濾波器濾除干擾信號。fufr陷波特性7.9.1時域和頻域fu fo3fo5fofr有干擾的信號特性圖7.9.3（7.9.2）7.9.2 頻譜分析儀（頻譜儀）的分類按分析處理方法分類：模擬式頻譜儀、數字式頻譜儀、模擬/數

20、字混合式頻譜儀；按基本工作原理分類：掃描式頻譜儀、非掃描式頻 譜儀；按處理的實時性分類：實時頻譜儀、非實時頻譜儀；按輸入通道數目分類：單通道頻譜儀、多通道頻譜儀；按工作頻帶分類：高頻、射頻、低頻等頻譜儀。重點討論模擬式頻譜儀，簡介數字式頻譜儀。7.9 頻譜儀1、FFT（快速傅立葉變換）實時頻譜儀 輸入信號首先經過可變衰減器以提供不同的幅度測量范圍，然后經低通濾波器除去儀器頻率范圍之外的高頻分量。接下來對信號進行時域波形的采樣和量化，轉變為數字信息。經數字濾波后由微處理器利用FFT計算波形的頻譜，并將結果顯示出來。s模擬濾波FFT數字信號處理器數字濾波顯示器取樣電路ADCf衰減器ui圖7.9.4

21、 FFT頻譜儀7.9 頻譜儀分類 2、模擬式頻譜儀模擬式基本形式： 模擬式頻譜儀以掃描式為基礎構成，采用濾波器和混頻器將被分析信號中各頻率分量逐一分離。所有早期的頻譜儀幾乎都屬于模擬濾波式或超外差結構，并被沿用至今。fi輸入濾波檢波顯示f1fnuiuo濾波器中心頻率f0可調uituo fo2fo3f0Nfof7.9 頻譜儀（1）掃頻法頻譜儀 掃頻濾波式頻譜儀與順序濾波法類似，是一種非實時頻譜測量。結構簡單，價格低廉。缺點是電調諧濾波器損耗大、調諧范圍窄、頻率特性不均勻、分辨率差，目前這種方法只適用于窄帶頻譜分析。 電調諧器中的變容二極管受鋸齒波電壓控制，形成中心頻率在整個寬帶頻率范圍內可調諧的

22、窄帶濾波器。當它的諧振頻率改變時，濾波器就分離出特定的頻率分量。 2、模擬式頻譜儀（2）外差式頻譜儀組成 主要包括輸入通道、混頻電路、中頻處理電路、檢波和視頻濾波等部分組成。 基本原理 外差式頻譜儀的原理類似現行超外差式收音機、電視機普遍使用的自動調諧方式，通過改變掃頻本振的頻率fL來捕獲待測信號fx中的不同頻率分量。該方案是實施頻譜分析的傳統途徑，在高頻段占據優勢。為了提高精度和測量范圍，通常要混頻3、4次。 視頻濾波X放大Y放大fx檢波掃描信號發生器振蕩器fLIF濾波中頻信號處理輸入電路fI =fL- fX混頻器圖7.9.6 2、模擬式頻譜儀高中頻很難實現窄帶濾波和性能良好的檢波，需要進行

23、多級混頻、變頻(振混合一)處理。第一混頻實現高中頻頻率變換，再由第二、三級甚至第四級混頻將固定的中頻逐漸降低。每級混頻之后有相應的帶通濾波器抑制高次諧波交調分量，選擇差頻分量。輸入通道視頻濾波X放大Y放大fx檢波掃描信號發生器振蕩器fLIF濾波中頻信號處理輸入電路fI =fL- fX混頻器帶通濾波帶通濾波帶通濾波射頻輸入100KHz3GHz第一本振4GHz6.9GHz3.9GHz第二本振第三本振3.56GHz340MHz329.3MHz10.7MHz（2）外差式頻譜儀圖7.9.6外差式頻譜儀特點頻率范圍寬、靈敏度高、頻率分辨率可變，是目前頻譜儀中數量最大的一種。由于被分析的頻譜依次被順序采樣，

24、因而是非實時分析。只能提供幅度譜，不能提供相位譜（舉例）。視頻濾波X放大Y放大fx檢波掃描信號發生器振蕩器fLIF濾波中頻信號處理輸入電路fI =fL- fX混頻器K2(t)tT02T0T0/2-T1T11fu fo3fo5fo相位譜fu fo3fo5fo幅度譜（4）外差式頻譜儀圖7.9.6中頻信號預處理中頻信號預處理主要是在被檢測之前完成對固定中頻信號的自動增益放大、中頻濾波等處理。中頻濾波器的帶寬通常可程控，以提供不同的頻率分辨率。視頻濾波X放大Y放大fx檢波掃描信號發生器振蕩器fLIF濾波中頻信號處理輸入電路fI =fL- fX混頻器中頻信號幅度調節 ：由自動增益控制(AGC)電路完成。

25、末級混頻的增益必須能以小步進精密調節，以保持后續電路中的最大信號電平固定而不受前端的影響。 中頻濾波器 ：用于減小噪聲帶寬、分辨各頻率分量。頻譜儀的分辨率帶寬由最后一個中頻濾波器的帶寬決定。數字濾波器選擇性較好、沒有漂移，能夠實現極穩定的窄分辨率帶寬。 （4）外差式頻譜儀圖7.9.6包絡檢波器由二極管和并聯RC電路串接而成。視頻濾波X放大Y放大fx檢波掃描信號發生器振蕩器fLIF濾波中頻信號處理輸入電路fI =fL- fX混頻器RD時包絡檢波器不會出現惰性失真當滿足當滿足RLRD時檢波效率d可以達到90%以上式中調幅度輸出調幅波的包絡輸入調幅波fI圖7.9.6FFT頻譜分析儀與外差式頻譜分析儀

26、比較FFT分析儀比外差式頻譜儀測量速度快。外差式頻譜儀的測量速度受限于分辨率帶寬，在較低頻段區分緊鄰的譜線需要很窄的濾波器，導致掃描時間很長才能把譜線“拉開”。而FFT分析儀的速度僅取決于量化和FFT計算所需的時間。所以在相等的頻率分辨率下，FFT分析儀較外差式頻譜儀快得多。由于FFT分析儀需使用高速ADC進行過采樣，可分析的頻率范圍受限于A/D器件的速度，因而在頻率覆蓋范圍上FFT分析儀不及外差式頻譜儀。 現代頻譜儀將外差式掃描頻譜分析技術與FFT數字信號處理技術相結合，兼有兩種技術的優點： 前端仍采用傳統的外差式結構，而在中頻處理部分采用數字結構，中頻信號由ADC量化，FFT則由通用微處理

27、器或專用數字邏輯實現。這種方案充分利用了外差式頻譜儀的頻率范圍和FFT優秀的頻率分辨率，使得在很高的頻率上進行極窄帶寬的頻譜分析成為可能，整機性能大大提高。1個載頻2個邊頻7.9.3 信號頻譜測量1、調幅信號分析測得邊頻c信號比載頻c信號低26dB，則：調幅度Ma按(7.9.4式)：調幅波vAM的時域表達式：調幅波波形fccc+c圖7.9.7 調幅波頻譜上邊頻下邊頻7.9 頻譜儀2、調頻信號分析（掃頻頻域法）調頻波vFM的時域表達式：調頻波波形(fm 為頻偏)雙邊帶寬：BW=2(+1)F調頻指數：fcfc+fmfcfm可見：當1時BW2F，為窄帶調頻（只有1個載頻2個邊頻，如圖7.9.10）。此fcfc+FfcF圖7.9.10 窄帶調頻譜時：當顯示的頻譜dB=40dB，F=1KHz時。則調頻波的最大頻偏為：7.9.3 信號頻譜測量還有貝塞爾法、哈布雷法、斜率檢波法。3、脈沖調制信號分析K1(t)tT-T-2T2TT/2-單開關K1(t)的時域表達式:cn0n圖7.9.13 當 =T/8時頻譜-0cn-當 =T/4時頻譜n特點：當T不變時，譜線間隔是固定的；當脈寬 減小時，譜線從縱軸附近逐漸向兩邊“拉開”，即頻帶寬度逐漸增大，而且幅度逐漸變低。實際顯示的頻譜為幅度譜而不是相位譜，即所有頻譜