第 7章 频域测量技术
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第 7章 频域测量技术第 7章 频域测量技术
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教学目的和要求了解：
1,时域测量和频域测量的关系；
2,频率特性尤其是线性系统频率特性的测量方法；
3,失真度测量仪的工作原理和基本操作方法；
4,频谱分析仪的分类,工作原理及主要技术指标 。
掌握：
1,频率特性测试仪的使用方法
2,频谱分析仪工作原理,使用方法；
3,会使用频谱分析仪对信号进行测量和频谱分析 。
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第 7章 频域测量技术在电子测量中,往往需要分析复杂信号所包含的各个频率分量的构成情况,或考察特定网络在不同频率正弦激励信号作用下所产生的相应频率,这就涉及到了频域测量 。
频域测量主要内容包括频率特性,频谱分析和谐波失真等 。
频率测量仪器常用的有扫频仪,频谱分析仪 。 本章首先介绍了频域测量的基本方法,然后对常用的测量仪器的电路构成和工作原理进行了分析,并介绍了其主要应用和测量方法 。
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7.1 频域测量的原理与分类测量和观察一个电信号的最常用的仪器是大家熟悉的示波器,它是以时间 t为水平轴对信号波形进行测量和显示,这种分析方法是在时间域内观察和分析信号,所以称为信号的时域测量和分析 。 我们也可以以电信号的频率 f
作为水平轴来测量分析信号的变化,这就是在频率域内对信号进行观察和测量,简称为信号的频域测量和频谱分析 。
广义上讲,信号频谱是指组成信号的全部频率分量的总集；
狭义上,一般的频谱测量中常将随频率变化的幅度谱称为频谱 。 信号的频域测量和频谱分析是很有用的,它往往能提供在时域观测中所不能得到的独特信息 。
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7.1.1 频域测量的原理
对于一个过程或信号,它具有时间 -频率 -幅度的三维特性,
如图 7.1所示 。 它既可表示为时间 t的函数,又可以表示为频率或角频率的函数；既可以在时域对它进行分析,也可以在频域进行分析,以获得其不同的变化特性 。
图 7.1 信号的三维特性频 率频 域电 压时 域时 间第 7章 频域测量技术
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7.1.1 频域测量的原理时域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,电路的增益是否符合要求,时间响应特性等 。 例如,实际工作中常用的示波器就是典型的时域分析仪器,我们常用它来观测信号电压随时间的变化,但用它却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是否产生了非线性失真,失真大小等信息,这些都必须借助于频域分析完成 。
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7.1.1 频域测量的原理频域分析则是研究信号中各频率分量的幅值 A与频率 f的关系,包括线性系统频率特性的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,以频率分量的信号值为因变量进行分析的,
通常由频率特性测试仪 （ 扫频仪 ） 来完成 。 其中,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电路的频率响应特性；频谱分析仪则是对信号本身进行分析和对线性系统非线性失真系数进行测量,从而可以确定信号所含的频率成份,了解信号的频谱占用情况,
以及线性系统的非线性失真特性 。
时域和频域两种分析方法都能表示同一信号的特性,它们之间必然是可以互相转换的 。 时域与频域间的关系可以用傅立叶级数和傅立叶变换来表征,因而在测得了一个信号的时域表征后,通过傅立叶变换,
可以求得其相应的频域表征；反之亦然 。
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7.1.1 频域测量的原理时域分析与频域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是不同的,各有适用场合 。 某些测量,
如测量脉冲的上升和下降时间,测量过冲和振铃等,都需要用时域测量技术,而且只能在时域里进行测量 。 频域分析法则多用于测量各种信号的电平,频率响应,频谱纯度及谐波失真等 。 针对不同的实际情况,时域分析和频域分析各有其具体适用的场合,两者是相辅相成,互为补充的 。
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7.1.2 频域测量的分类根据实际应用的需求,频域分析和测量的对象和目的也各不相同,
通常有以下几种：
（ 1） 频率特性测量：主要对网络的频率特性进行测量,包括幅频特性,
相频特性,带宽及回路 Q值等 。
（ 2） 选频测量：利用选频电压表,通过调谐滤波的方法,选出并测量信号中某些频率分量的大小 。
（ 3） 频谱分析：用频谱分析仪分析信号中所含的各个频率分量的幅值,
功率,能量和相位关系,以及振荡信号源的相位噪声特性,空间电磁干扰等 。
（ 4） 调制度分析测量：对各种频带的射频信号进行解调,恢复调制信号,测量其调制度,如调幅波的调幅系数,调频波的频偏,调频指数以及它们的寄生调制参量 。
（ 5） 谐波失真度测量：信号通过非线性器件都会产生新的频率分量,
俗称非线性失真 。 这些新的频率分量包括谐波和互调 。
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7.2 线性系统频率特性测量在电路的设计,生产和调试中,经常需要了解,当某个电路网络的输入电压恒定时,其输出电压随频率变化的关系特性,这就是我们在测量中经常提到的网络的频率特性 （ 通常指幅频特性 ） 。
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7.2.1 基本测量方法
1,点频测量法
点频测量法属于静态测量法 。 它是在保证输至被测网络输入端的正弦信号幅值不变的情况下,逐点改变输入信号的频率,测量被测网络输出端的输出电压值,计算不同频率点对应的放大倍数,再绘制出被测网络的幅频特性曲线 。
信号发生器与被测电路之间应注意阻抗匹配 。 当被测电路的输入阻抗很高时,应外接适当电阻,使之与该输入阻抗并联后,总阻抗等于信号发生器的输出阻抗 。
点频测量法方法简单,但由于测试频率点是不连续的,测试过程中有可能漏掉特性曲线中的个别突变点 。 且实际信号包含的频率分量很多,
有的信号频谱甚至是连续变化的,而静态法不能反映信号的这种变化,
因而其准确度就有偏差,其测量速度也较慢 。 动态测量法则能较好地反映被测网络的特性,图 7.2中的曲线 2就是使用动态测量法所获得的曲线 。 这时,曲线略有右移,但最大值也略有降低 。
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7.2.1 基本测量方法
点频法的优点在于测量时不需要特殊仪器,测量准确度比较高,能反映出被测网络的静态特性,是工程技术人员在没有频率特性测试仪的条件下,进行现场测量研究和分析的基本方法之一 。 这种方法的缺点是操作繁琐,工作量大,
容易漏测某些细节,不能反映出被测网络的动态特性 。
图 7.2 静、动态测量曲线
U
o u t
1
1 - 静 态
2 - 动 态
f
O
2
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7.2.1 基本测量方法
2,扫频测量法
扫频测量法是在点频测量法的基础上发展起来的 。
扫频测量法的测量过程简单,速度快,也不会产生漏测现象,还能边测量边调试,大大提高了调试工作效率 。 扫频法反映的是被测网络的动态特性,测量结果与被测网络实际工作情况基本吻合,这一点对于某些网络的测量尤为重要,如滤波器的动态滤波特性的测量等 。 扫频法的不足之外是测量的准确度比点频法低 。
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7.2.2 相频特性测量线性系统的频率特性还包括相频特性 。 在一些实际的应用系统中,相频特性对系统的性能有很大的影响 。 如视频信号和数字信号的传输中,相位失真将直接影响系统的传输质量,因而,此时保证系统良好的相频特性也就非常重要 。
在测量线性系统的相频特性时,以被测电路输入端信号作为参考信号,输出端信号作为被测信号,用相位计测量输出端信号与输入端信号之间的相位差 。 调节正弦波发生器输出信号的频率,用描点的方法可得到相位差随频率的变化规律,即线性系统的相频特性,如图 7.3所示 。
图 7.3 线性系统的相频特性测量正 弦 波发 生 器被 测 电 路 相 位 计参 考 信 号第 7章 频域测量技术
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
BT-3型频率特性测试仪采用晶体管和集成电路,功耗低,体积小,
重量轻,输出电压高,寄生调幅小,扫频非线性系数小,衰减器精度高,频谱纯度好,显示灵敏度高,主要用来测定无线电电路的频率特性 。
1,仪器面板图如图 7.4所示,面板上各个控制装置及旋钮的名称和作用介绍如下：
（ 1） 电源,灰度旋钮：该控制装置是一只带开关电位器,同时具有电源开关和灰度旋钮两种用途 。 顺时针旋动此旋钮,即可接通电源,
继续顺时针旋动,荧光屏上显示的光点或图形亮度增加,使用时亮度不宜过强,光线适中即可 。
（ 2） 聚焦旋钮：调节它可使屏幕上光点细小圆亮或使亮线清晰明亮,
以保证显示波形的清晰度 。
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪图 7.4 BT-3型频率特性测试仪电源辉度聚焦亮度坐标位置衰减增益
Y
Y
Y
+ -
鉴 频
Y 输 入
1
1 0
外接频 标 选 择频 标 幅 度外 接 频 标输 入扫 描 电 压 输 出
8
1 0
6
4
3
2
0
6 0
4 0
3 0
2 0
1 0
0
5 0
输 出 衰 减 （ d B ）
（ 中 心 频 率 ）
波 段
1
2
3
频 率偏 移第 7章 频域测量技术
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
（ 3） 坐标亮度旋钮：在屏幕的四个角上装有四个带颜色的指示灯泡,
照亮屏幕的坐标尺度线 。 旋钮从中间位置向顺时针方向旋动时,荧光屏上两个对角位置的黄灯亮,屏幕上出现黄色坐标线；从中间位置逆时针方向旋动时,另两个位置的红灯亮,显示出红色坐标线 。 黄色坐标线便于观察,红色坐标线利于摄影 。
（ 4） Y 轴位置旋钮：调节荧光屏上光点或图形在垂直方向的位置 。
（ 5） Y轴衰减旋钮：有三个衰减档位,根据输入电压的大小选择适当的衰减档位 。
（ 6） Y轴增益旋钮：调节显示在荧光屏上光点或图形在垂直方向的大小 。
（ 7） 影像极向开关：用来改变屏幕上所显示的波形需要正负极性 。 当开关在,+”位置时,波形曲线向下方向变化 （ 负极性波形 ） 。 但曲线波形需要正负方向同时显示时,只能将开关在,+”和,-”位置往复变动,才能观察曲线波形的全貌 。
（ 8） Y输入插座：由被测电路的输出端用电缆探头引接插座,其输入信号经垂直放大器,便可显示出该信号的曲线波形 。
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
（ 9） 波段开关：输出的扫频信号接中心频率划分为三个波段 （ 第 1波段,1～ 75MHz,第二波段,75～ 150MHz； 3波段,150～ 300MHz。 ）,
可以根据测试需要来选择波段 。
（ 10） 中心频率度盘：能连续改变中心频率,度盘上所标定的中心频率不是十分准确,一般是采用边调节度盘,边看频标移动的数值来确定中心频率位置 。
（ 11） 输出衰减旋钮：根据测试的需要,选择扫频信号的输出幅度大小 。 按开关的衰减量来划分,可分粗,细调两种 。 粗衰减,0,10、
20,30,40,50,60（ dB）,细衰减,0,2,3,4,6,8,10（ dB）,
粗调和细调衰减的总衰减量为 70dB。
（ 12） 扫频电压输出插座：扫频信号由此插座输出,可用 75?匹配电缆探头或开路电缆来连接,引送到被测电路的输出端,以便进行测试 。
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
（ 13） 频标选择开关：有 1（ MHz）,10（ MHz） 和外接三种 。 当开关置于 1时,扫描线上显示 1MHz的菱形频标；置于 10时,扫描线上显示
10MHz的菱形频标；显示外接信号频率的频标 。
（ 14） 频标幅度旋钮：调节频标幅度大小 。 一般幅度不宜太大,以观察清楚为准 。
（ 15） 频率偏移旋钮：调节扫频信号的频率偏移宽度,以适应被测电路的通频带宽度所需的,频偏,,顺时针方向旋动时,频偏增宽,最大可达?7.5MHz以上,反之,则频偏变窄,最小在?0.5MHz以下 。
（ 16） 外接频标输入接线柱：当频标选择开关置于外接频档时,外来的标准信号发生器的信号由此接线柱引入,此时,在扫描线上显示外接频标信号的标记 。
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
2,主要技术指标
（ 1） 中心频率：在 1～ 300MHz内可任意调节,分三个波段第 I波段,1～ 75MHz；
第 II波段,75～ 150MHz；
第 III波段,150～ 300MHz；
（ 2） 扫频频偏：
最小扫频频偏 ≤ ± 0.5MHz;
最大扫频频偏 >± 7.5MHz。
（ 3） 寄生调幅系数：扫频频偏在 ± 7.5MHz时 ≤ ± 7.5%。
（ 4） 调频非线性系数：扫频频偏在 ± 7.5MHz时 ≤ 20%。
（ 5） 频标：菱形,分为 1MHz,10 MHz和外接三种 。
（ 6） 输出扫频信号电压,>0.1V。
（ 7） 输出阻抗,75Ω 。
（ 8） 扫频信号输出步进衰减：
粗衰减,0,10,20,30,40,50,60dB；
细衰减,0,2,3,4,6,8,10 dB。
（ 9） 检波探头：输入电容 ≤ 5pF,最大允许输入直流电压为 300V。
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
3,基本测量方法
（ 1） 频标的读法测读频标必须先把频标选择开关置于 10 MHz处进行粗测,然后转换频标选择至 1 MHz进行精测 。 当波段开关置 I,频标选择至 10 MHz，
中心频率度盘在起始位置,0”附近,屏幕中心线上应出现零频频标
（ 该频标与其它频标相比,频标幅度和宽度明显偏大 ）,在它右边的第一个大频标是 10MHz频标,第二个大频标是 20 MHz频标,依次类推 。
在相邻两个大频标的中心,幅度稍低的频标是 5 MHz频标 。 当波段开关至 II时,中心频率度盘从起始位置逆时针旋转时,第一个经过屏幕中心的大频标是 70 MHz频标,第二个大频标是 80 MHz,依次类推 。 当波段开关至 III时,中心频率度盘从起始位置逆时针旋转时,第一个经过屏幕中心的大频标是 140 MHz频标,第二个经过屏幕中心的大频标是 150 MHz频标,依次类推 。
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
（ 2） 测量步骤将扫频仪的扫频输出与波测网络的输入用电缆连接,
用检波探头将被测幅度和频率都以绝对值定标的频谱仪,
可对电信号和电路的频率,电平,调制度,调制失真,频偏,互调失真,带宽,窄带噪声,增益,衰减等多种参数进行测量,配接天线可测量场强,干扰 。 由于频谱仪的测量功能较多,因此被广泛应用于广播,电视,通信,雷达,
导航,电子对抗及各种电路的设计,制造和电子设备的维护,修理等方面 。
第 7章 频域测量技术
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7.2.4 频率特性测试仪的应用频率特性测试仪的应用研究范围十分广泛,在无线电通信,广播电视,雷达导航,卫星地球站等领域内,为有关电路的频率特性测量或鉴频器特性的测量,以及研究,
分析或改善电路性能等提供了方便的条件 。 除此之外,扫频仪还能用于传输线特性阻抗的测量 。
1,电路幅频特性的测量测量电路如图 7.5所示 。 测量时应保证输入 /输出阻抗的匹配 。 BT-3型频率特性测试仪的输出阻抗为 75Ω,则用空载电缆线连接被测设备 。 如果被测设备为 50Ω,则应在
BT-3和被测设备之间加一个阻抗匹配网络 。
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7.2.4 频率特性测试仪的应用图 7.5 幅频特性的测量检 波探 头被 测 电 路扫 频 仪输出输入第 7章 频域测量技术
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7.2.4 频率特性测试仪的应用被测电路的幅频特性显示后,频标可为测量者随时读出任一点的频率提供依据 。 显示幅度可由垂直刻度线读出 。 新一代应用数字技术的扫频仪更可以将测量曲经打印或存储输出 。 如果显示的图像不符合设计要求,可在测量过程中进一步调整被测设备 。 这是动态测量的最大优点 。
这种幅频特性的测量为各种电路的调整带来了极大的方便,如滤波器,宽带放大器,调频接收机的中放和高放,雷达接收机,单边带接收机,电视接收机的视频放大,高放和中放通道,以及其他有源和无源四端口网络等,其频率特性都可以用扫频仪进行测量 。 图 7.6给出了典型滤波器的频率特性测量曲线 。
图 7.6 典型滤波器的频率特性测量曲线频 标低 通 滤 波 器频 标高 通 滤 波 器频 标带 通 滤 波 器频 标带 阻 滤 波 器第 7章 频域测量技术
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7.2.4 频率特性测试仪的应用
2,电路参数的测量从上面所测得的幅频特性上可以求得各种电路参数 。
（ 1） 增益的测量在调好幅频特性的基础上,用粗,细调衰减旋钮控制扫频信号的电压幅度,使它符合被测电路设计时要求的输入信号幅度 。 衰减器的总衰减量应不小于放大器设计的总增益 。
记下此时屏幕上显示的幅频高度 A,输出总衰减 B1（ dB） ；
再将检波探头直接和扫频输出端短接,改变,输出衰减,,
使幅频特性的高度仍为 A,此时输出衰减的读数若为 B2
（ dB）,则该放大器的增益为
dB)( 21 BBA V
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7.2.4 频率特性测试仪的应用
（ 2） 带宽的测量被测电路的连接方法同测频特性曲线一样 。 对于宽带电路,
可以直接使用频率特性测试仪上的频标,方便地显示和读出频率特性曲线的带宽 。 有时为了更精确地测量,可以使用外接频标 。 对于窄带调谐回路,其谐振频率 f0可以直观地读出,即曲线峰顶对应的频率 。
测量带宽时,先调节扫频仪输出衰减和 Y增益,使频率特性曲线的顶部与屏幕上某一水平刻度线相切 （ 如图 7.7中与
AB线相切 ） ；然后保持 Y增益不变,将扫频仪输出衰减减小 3dB,则此时屏幕上的曲线将上移而与 AB线相交,两交点处的频率就分别为下截止准确率 fL和上截止频率 fH。 因而被测电路的带宽为
LH ffBW
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7.2.4 频率特性测试仪的应用
（ 3） 回路 Q值的测量
测量时电路连接和测量方法与测回路带宽相同,在用外接频标测出回路的谐振频率 f0以及上,下截止频率 fH和 fL后,
按下面的公式即可计算出回路的 Q值 。
LH ff
f
BW
fQ
00
图 7.7 扫频仪测量带宽
A B A B
f
L
f
H
( a ) ( b )
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7.3 频谱分析测量用示波器测量可得到信号时间的相位及信号与时间的关系,但无法获知信号的失真数据,也就是说无法获知信号谐波分量的分布情况,同时测量高频信号时,基于设备电子元件功能的限制,输入端离散电容等因素,测量的结果无可避免地将产生信号失真及衰减,为了解决测量高频信号的上述问题,频谱分析仪是一适当而必备的测量仪器 。
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7.3.1 频谱分析仪的分类频谱分析仪的主要功能是测量信号的频率响应,横轴代表频率,
纵轴代表信号功率或电压的数值,可用线形或对数刻度显示测量的结果 。 另外它的信号追踪发生器可直接测量待测件的频率响应特性,但它只能测量振幅无法测量相位 。 就高频信号领域来看,频谱分析仪是电子工程技术人员不可或缺的设备,对频谱分析仪工作原理的了解将有助于信号测量系统的建立及充分扩展其应用范畴 。 频谱分析仪的应用领域相当广泛,诸如卫星接收系统,无线电通信系统,移动电话系统,基站辐射场强的测量,电磁干扰等高频信号的侦测与分析,同时也是研究信号成分,信号失真度,信号衰减量,电子组件增益等特性的主要仪器 。 它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 。 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 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.1 频谱分析仪的分类
频谱分析仪按不同的特性,有不同的分类方法 。
（ 1） 按分析处理方法分类：模拟式频谱仪,数字式频谱仪,模拟 /数字混合式频谱仪 。 模拟式频谱仪是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 。 数字式频谱仪是非扫描式的,以数字滤波器或 FFT变换为基础构成,它的精度高,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 。
（ 2） 按处理的实时性分类：实时频谱仪,非实时频谱仪 。 实时分析应达到的速度与被分析信号的带宽及所要求的频率分辨率有关 。 一般认为,实时分析是指在长度为 T的时段内,完成频率分辨率达到 1/T的频谱分析；或者待分析信号的带宽小于仪器能够同时分析的最大带宽 。
在一定频率范围数据分析速度与数据采集速度相匹配,不发生积压现象,这样的分析就是实时的；如果待分析的信号带宽超过这个频率范围,则是非实时分析 。
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7.3.1 频谱分析仪的分类
（ 3） 按频率轴刻度分类：恒带宽分析式频谱仪,恒百分比带宽分析式频谱仪 。 恒带宽分析式频谱仪是以频率轴为线性刻度,信号的基频分量和各次谐波分量在横轴上等间距排列,适用于周期信号和波形失真的分析 。 恒百分比带宽分析式频谱仪：频率轴采用对数刻度,频率范围覆盖较宽,能兼顾高,低频段的频率分辨率,适用于噪声类广谱随机信号的分析 。 目前许多数字式频谱仪可以方便地实现不同带宽的
FFT分析以及两种频率刻度的显示,故这种分类方法并不适用于数字式频谱仪 。
还有其他分类方式,如按输入通道数目分类有：单通道,多通道频谱仪；按工作频带分类有：高频,低频,射频,微波等频谱仪；按频带宽度分有：宽带频谱仪和窄带频谱仪；按基本工作原理分类有：
扫描式频谱仪,非扫描式频谱仪 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.2 频谱分析仪的基本工作原理
1,实时频谱仪实时频谱仪因为能同时显示规定的频率范围内的所有频率分量,
而且保持了两个信号间的时间关系 （ 相位信息 ）,使它不仅能分析周期信号,随机信号,而且能分析瞬时信号 。 其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检波器,再经由同步的多工扫描器将信号传送到 CRT荧屏上,优点是能显示周期性散波的瞬间反应,其缺点是价格昂贵且性能受限于频宽范围,滤波器的数目与最大的多工交换时间 。 实时频谱仪主要分为多通道频谱仪和快速傅立叶频谱仪两类 。
多通道频谱仪的原理见图 7.8,输入信号是同时送到每个带通滤波器的 。 带通滤波器的输出表示输入信号中被该滤波器通带内所允许通过的那一部分能量,因此显示器上显示的是各带通滤波器通带内的信号的合成信号 。 由于受滤波器数量及带宽的限制,这类频谱仪主要工作在音频范围 。
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7.3.2 频谱分析仪的基本工作原理图 7.8 多通道频谱仪简化方框图
f
0 1
f
0 2
f
0 n
放 大
u
i
带 通 滤 波 器阶 梯 波发 生 器
Y 放 大 器
X 放 大 器检 波
S
1
S
2
S
n
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7.3.2 频谱分析仪的基本工作原理快速傅立叶频谱仪的工作原理见图 7.9,其核心是以函数进行傅立叶变换的数学计算为基础的计算机分析,因此需要使用高速计算机进行数字功率谱的计算 。 根据采样定理：最底采样速率应该大于或等于被采样信号的最高频率分量的两倍 。 傅立叶频谱仪的工作频段一般在低频范围内 。
如 HP3562A的分析频带为 64 μHz~100kHz,RE-201的频率范围为 20Hz~25kHz。
图 7.9 快速傅立叶频谱仪简化方框图
A / D
转 换 器存 储 器快 速 傅 立 叶变 换
D / A
转 换 器显 示 器第 7章 频域测量技术
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7.3.2 频谱分析仪的基本工作原理
2,扫描调谐频谱仪扫描调谐谱仪对输入信号按时间顺序进行扫描调谐,因此只能分析在规定时间内频谱几乎不变化的周期重复信号 。 这种频谱仪有很宽的工作频率范围,DC至几十兆赫兹 。 常用的扫描调谐频谱仪又分为扫描射频调谐频谱仪和超外差频谱仪两类 。
扫描射频调谐频谱仪的原理见 7.10,利用中心频率可调的带通滤波器来调谐和分辨输入信号 。 但这种类型的频谱仪分辨率,灵敏度等指标比较差,所以已开发的产品不多 。
图 7.10 扫描射频频调谐频谱仪简化方框图电 源 谐带 通 滤 波 器检 波 器扫 描 发 生 器输 入 信 号第 7章 频域测量技术
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7.3.2 频谱分析仪的基本工作原理目前应用最广泛的是超外差频谱仪,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 。
这是频谱仪最常采用的方法 。 其原理框图见图 7.11。
外差频谱仪实质上是一种具有扫频和窄带宽滤波功能的超外差接收机,与其他超处差接收机原理相似,只是用扫频振荡器作为本机振荡器,中频电路有频带很窄的滤波器,按外差方式选择所需频率分量 。
这样,当扫频振荡器的频率在一定范围扫动时,与输入信号中的各个频率分量在混频器中产生差频 （ 中频 ）,使输入信号的各个频率分量依次落入窄带滤波器的通带内,被滤波器选出并经检波器加到示波器的垂直偏转系统,即光点的垂直偏转正比于该频率分量的幅值 。 由于示波器的水平扫描电压就是调制扫频振荡器的调制电压 （ 由扫描发生器产生 ）,所以水平轴已变成频率轴,这时屏幕上将显示出输入信号的频谱图 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.2 频谱分析仪的基本工作原理超处差频谱仪具有几 Hz～几百 GHz的极宽的分析频率范围,
从几 Hz～几 MHz的分辨力带宽,80dB以上的动态范围等高技术指标,如 HP8566B,国产的 BP-1,QF4031等 。
目前频谱仪目前正朝着多功能,智能化,自动化,虚拟化的方向发展 。
图 7.11 超外差频谱仪简化方框图
Y 放 大 器检 波 器中 频放 大 器混 频 器
X 放 大 器锯 齿 波扫 描 器扫 频振 荡 器
u
i
f
0
f
w
第 7章 频域测量技术
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7.3.3 频谱分析仪的主要技术指标
（ 1） 输入频率范围指频谱仪能够正常工作的最大频率区间,以 Hz表示该范围的上限和下限,由扫描本振的频率范围决定 。 现代频谱仪的频率范围通常可从低频段至射频段,甚至微波段,如 1KHz～ 4GHz。 这里的频率是指中心频率,即位于显示频谱宽度中心的频率 。
（ 2） 分辨力带宽指分辨频谱中两个相邻分量之间的最小谱线间隔,单位是 Hz。 它表示频谱仪能够把两个彼此靠得很近的等幅信号在规定低点处分辨开来的能力 。 在频谱仪屏幕上看到的被测信号的谱线实际是一个窄带滤波器的动态幅频特性图形 （ 类似钟形曲线 ）,因此,分辨力取决于这个幅频生的带宽 。 定义这个窄带滤波器幅频特性的 3dB带宽为频谱仪的分辨力带宽 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.3 频谱分析仪的主要技术指标
（ 3） 灵敏度指在给定分辨力带宽,显示方式和其他影响因素下,频谱仪显示最小信号电平的能力,以 dBm,dBu,dBv,V等单位表示 。 超外差频谱仪的灵敏度取决于仪器的内噪声 。 当测量小信号时,信号谱线是显示在噪声频谱之上的 。 为了易于从噪声频谱中看清楚信号谱线,一般信号电平应比内部噪声电平高 10dB。 另处,灵敏度还与扫频速度有关,
扫频速度越快,动态幅频特性峰值越低,导致灵敏度越低,并产生幅值差 。
（ 4） 动态范围指能以规定的准确度测量同时出现在输入端的两个信号之间的最大差值 。 动态范围的上限受到非线性失真的制约 。 频谱仪的幅值显示方式有两种：线性和对数 。 对数显示的优点是在有限的屏幕有效的高度范围内,可获得较大的动态范围 。 频谱仪的动态范围一般在 60dB以上,有时甚至达到 100dB以上 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.3 频谱分析仪的主要技术指标
（ 5） 频率扫描宽度指频谱仪显示屏幕最左和最右垂直刻度线内所能显示的响应信号的频率范围 （ 频谱宽度 ） 。 根据测试需要自动调节,或人为设置 。 扫描宽度表示频谱仪在一次测量 （ 即一次频率扫描 ） 过程中所显示的频率范围,可以小于或等于输入频率范围 。
频谱宽度通常又分为三种模式 。
① 全扫频：频谱仪一次扫描它的有效频率范围 。
② 每格扫频：频谱仪一次只扫描一个规定的频率范围 。 用每格表示的频谱宽度可以改变 。
③ 零扫频：频率宽度为零,频谱仪不扫频,变成调谐接收机 。
（ 6） 扫描时间即进行一次全频率范围的扫描,并完成测量所需的时间,也叫分析时间 。
通常扫描时间越短越好,但为保证测量精度,扫描时间必须适当 。 与扫描时间相关的因素主要有频率扫描范围,分辨力带宽,视频滤波 。 现代频谱仪通常有多档扫描时间可选择,最小扫描时间由测量通道的电路响应时间决定 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.3 频谱分析仪的主要技术指标
（ 7） 幅度测量精度有绝对幅度精度和相对幅度精度之分,均由多方面因素决定 。
绝对幅度精度是针对满刻度信号的指标,受输入衰减,中频增益,分辨力带宽,刻度逼真度,频响及校准信号本身的精度等的综合影响；相对幅度精度与测量方式有关,在理想情况下仅有频响和校准信号精度两项误差来源,
测量精度可以达到非常高 。 仪器在出厂前要经过校准,各种误差已被分别记录下来并用于对实测数据进行修正,显示出来的幅度精度已有所提高 。
（ 8） 1dB压缩点和最大输入电平
① 1dB压缩点：在动态范围内,因输入电平过高而引起的信号增益下降 1dB时的点 。 1dB压缩点表明了频谱仪过载能力 。 通常出现在输入衰减 0dB的情况下,
由第一混频决定 。 输入衰减增大,1dB压缩点的位置将同步增高 。 为避免非线性失真,所显示的最大输入电平 （ 参考电平 ） 必须位于 1dB压缩点之下 。
② 最大输入电平：反映了频谱仪可正常工作的最大限度,它的值一般由通道中第一个关键器件决定,0dB衰减时,第一混频是最大输入电平的决定性因素；
衰减量大于 0dB时,最大输入电平的值反映了衰减器的负载能力 。
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7.3.4 频谱分析仪使用案例这里以有线电视信号的频谱测量为例做介绍 。
有线电视信号包含许多图像和声音信号,其频谱分布非常复杂 。
在卫星监测上,能收到多个信道,每个信道都占有一定的频谱成份,
每个频率点上都占有一定的带宽 。 这些信号都要从频谱分析的角度来得到所需要的参数 。 在实际工作中,无线信号卫星信号的监督,由于其频率很高,都是采用扫描调谐的方式 。
有线电视输出信号范围很广,比如有 50个频道播放,这 50个信号是同时进入接收机的,其总功率是迭加的 。 而所看的电视节目只能是其中之一 。 同理,送入频谱仪的输入端口信号是所采集信号的总和,
其中包括所要分析的特定信号,所输入到频谱仪的功率是总功率 。 由此要引入一个参数 —— 最大烧毁功率 。 这一值是 1瓦或是 +30dBm。 也就是说输入到频谱仪的信号功率总和不能超过 1瓦,否则将会烧毁仪器的衰减器和混频器 。
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7.3.4 频谱分析仪使用案例
例如,我们要监测一个卫星信号,假设其频率为 12GHz,其功率可能只有 -80dBm左右,这是很小的 。 但要知道输入信号是由很多信号迭加组成的,若是在其它某一频率上包括一个很强的信号,即使你没有看到这个大功率信号,若输入信号功率的总和大于 1瓦,也是要烧毁频谱仪的,而其中的大功率信号并不是你所要分析的信号 。 为了保证仪器安全,频谱仪在输入信号时并没有直接将其接入混频器,而是首先接入一个衰减器 。 这不会影响最终的测量结果,完全是为了仪表内部的协调,如匹配,最佳工作点等等 。 它的衰减值是步进的,为 0dB、
5dB,10dB,最大为 60dB。 这是我们在日常工作中需多加小心的 。 还有的频谱仪是不能输入直流的,否则也会损坏器件 。 另外,还应注意不能有静电,因为静电的瞬时电压很高,容易把有源器件击穿 。 日常工作中把仪表接地就会有很好的效果,当然要有保护接地会更好 。
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7.3.4 频谱分析仪使用案例在中频,所有信号的功率幅度值与输入信号的功率是线性关系 。
输入信号功率增大,它也增大,反之相同 。 所以我们检测中频信号是可行的 。 另外,为了有效检测,要有一个内部中频信号放大 。 频谱仪中的混频器本身有差落衰减,本频和射频混频之后它并不是只有一个单一中频出来,它的中频信号非常丰富,所有这些信号都会从混频器中输出 。 在众多的谐波分量中,只对一个中频感兴趣 。 这就是经常所说的 21.4MHz。 这是在仪器器件中已做好的,用一个带通滤波器把中心频率设在 21.4MHz,滤除其它信号,提取 21.4MHz的中频信号 。 通过中频滤波器输出的信号,才是我们所要检测的信号 。
滤波器在工作中有几个因素：中心频率是 21.4MHz,固定不变,其
30dB带宽可以改变 。 比如对广播信号来说,其带宽一般是几十 kHz，
若信号带宽是 25kHz,中频的带宽一定要大于 25kHz。 这样,才能使所有的信号全部进来 。 如果太宽,就会混入其它信号；如果太窄,信号才进来一部分,或是低频成份,或是高频成份 。 这样信号是解调不出来的 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.4 频谱分析仪使用案例中频带宽设置根据实际工作的需要来决定的 。 当然它会影响其它很多因素,如底噪声,信号解调的失真度等 。
经过中频滤波器的中频信号功率就是反应了输入信号的功率 。 检测的方法就是用一个检波器,将它变为电压输出,
体现在纵轴的幅度 。 当然还要经过 D/A转换和一些数据处理,加一些修正和一些对数,线性变换 。 这足以给我们带来信号分析上的许多方便 。
频谱分析是要分析频域的 。 一个信号要分析两个参数,
一是幅度,二是频率 。 幅度已经得出,而频率和幅度要对应起来,在某一频率是什么幅度 。 下面介绍一下频率是如何测量的,如何与幅度对应起来 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.4 频谱分析仪使用案例其实很简单它是通过本振与扫描电压对应起来的 。 本振是一个压流振荡器 。 本振信号是个扫描信号 。 扫描控制是由扫描控制器来完成的 。 它同时控制显示器的横坐标 。
从左到右当扫描电压在 0V时,在显示器上是 0点,对本振信号来说是 F1点,即起始频率点 。 当扫描电压到 10V时,
在显示器上是终止频率点,本振电压就是在终止频率点,
中间是线性的 。 通过这样的方法,使得显示器坐标的每一点与本振 F1,F2的每一点对应起来 （ 射频信号是本振信号减去中频信号 21.4MHz。 当我们操作频谱仪进行分析时,
实际是在改变本振信号的频率 ） 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.5 QF-4031型频谱分析仪简介
QF-4031频谱分析仪具有频谱宽,分辨力高,动态范围大,频响好等特点 。 可用于无线电信号的分析和测量 。
1,主要技术指标频率范围,50Hz～ 1700MHz,分为两个频段,用 4位 LED显示 。
扫频宽度：有零扫和每格扫 （ 20Hz/div～ 1700MHz/div,按 1,2,5
分档 ） 。
中频宽度,30Hz～ 300KHz（ 按 1,3分档 ） 。
幅度测量范围：在频段 I（ 50Hz～ 1700KHz） 为 -130～ +20dBm；在频段 II（ 1700KHz～ 1700MHz） 为 -122～ +20dBm。
对 数 显 示 精 度 分 别 有,± 1.5dB/72dB,± 0.3dB/8dB,
± 0.15dB/1dB。
扫描时间,0.1ms/div～ 10s/div（ 按 1,2,5分档 ） 或手动 。
扫描触发源选择：包括自动,电源,视频,外接和单次 5种 。
内部校准信号两种,50Hz± 0.01%,-20dBm± 0.5dBm ；
50MHz± 0.01%,-20dBm± 0.5dBm。
第 7章 频域测量技术
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7.3.5 QF-4031型频谱分析仪简介
2,工作原理当它工作在第一频段时,采用两次变频方案,第一本振可工作于扫频状态,一中频为 4.8MHz,二中频为 1.5MHz。 在第二频段工作时采用三次变频方案,第一本振和第二本振都可工作于扫频状态,一中频为 2.3 GHz,二中频为 70MHz,三中频为 1.5MHz。 可见所有被测量信号经变频后最后的频率都为 1.5MHz。
在 1.5MHz中频放大部分有一级增益连续可调放大器,用于电平校准 。 三级增益步进可调的放大器,可按 0dB,10dB,20dB改变放大器的增益 。 一级是按 1dB步进调整的衰减器,最大衰减量是 10dB,用于增益细调 。 中放带宽可调,其中 300KHz,100KHz,30KHz,10KHz带宽调整是由两只 LC滤波器完成的,3KHz,1KHz,300Hz,100Hz,30Hz带宽调整由晶体管滤波器完成 。 使用时可以根据分辨率的需要进行选择,
从而显示较窄的谱线间隔 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.5 QF-4031型频谱分析仪简介锯齿波信号发生器的输出一方面加至 X偏转作为扫描电压,另一方面加至本机振荡器,用以产生扫频测试信号 。
在频段 I可产生 20Hz/div～ 100KHz/div的扫频信号；在 II
频段,第一本振用于宽带扫频,扫频宽度为 （ 1～ 100 KHz）
/div。
当仪器工作于零扫描状态时,相当于一部人工调谐校准收音机,由于其频率和幅度经过校准,可作为选频电压表使用 。
第 7章 频域测量技术
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本章小结
频率特性测试仪在频域内对元器件,电路或系统的特性进行动态测量,
显示频率特性曲线；频谱分析仪可对信号的频谱进行分析,显示信号的频谱分布图 。
时域测量和频域测量是从不同的角度去观测同一网络,两者各有特点,
互为补充,具体工作中要根据具体的测量内容来选择 。
利用扫频信号的测量是动态测量,具有直观,方便,快速,在测量的同时可以高度等优点 。
频率特性测试仪常用于测量各种电路或系统的幅频特性,实际是示波器的一种扩展应用 。 扫频振荡器是测量的激励源,是仪器的核心部件 。
产生扫频信号的方法主要是变容二极管扫频 （ 如 BT-4） 和磁调制扫频
（ 如 BT3型 ）,本节以 BT-3型为例进行学习 。
BT3型频率特性测试仪屏幕上横坐标频率的读数,是根据叠加在显示的被测曲线上的频标来确定 。
频谱仪主要用于分析电信号的频谱,其测量功能较多,应用广泛 。 目前使用最多的是超外差频谱仪 。
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第 7章 频域测量技术第 7章 频域测量技术
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教学目的和要求了解：
1,时域测量和频域测量的关系；
2,频率特性尤其是线性系统频率特性的测量方法；
3,失真度测量仪的工作原理和基本操作方法；
4,频谱分析仪的分类,工作原理及主要技术指标 。
掌握：
1,频率特性测试仪的使用方法
2,频谱分析仪工作原理,使用方法；
3,会使用频谱分析仪对信号进行测量和频谱分析 。
第 7章 频域测量技术
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第 7章 频域测量技术在电子测量中,往往需要分析复杂信号所包含的各个频率分量的构成情况,或考察特定网络在不同频率正弦激励信号作用下所产生的相应频率,这就涉及到了频域测量 。
频域测量主要内容包括频率特性,频谱分析和谐波失真等 。
频率测量仪器常用的有扫频仪,频谱分析仪 。 本章首先介绍了频域测量的基本方法,然后对常用的测量仪器的电路构成和工作原理进行了分析,并介绍了其主要应用和测量方法 。
第 7章 频域测量技术
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7.1 频域测量的原理与分类测量和观察一个电信号的最常用的仪器是大家熟悉的示波器,它是以时间 t为水平轴对信号波形进行测量和显示,这种分析方法是在时间域内观察和分析信号,所以称为信号的时域测量和分析 。 我们也可以以电信号的频率 f
作为水平轴来测量分析信号的变化,这就是在频率域内对信号进行观察和测量,简称为信号的频域测量和频谱分析 。
广义上讲,信号频谱是指组成信号的全部频率分量的总集；
狭义上,一般的频谱测量中常将随频率变化的幅度谱称为频谱 。 信号的频域测量和频谱分析是很有用的,它往往能提供在时域观测中所不能得到的独特信息 。
第 7章 频域测量技术
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7.1.1 频域测量的原理
对于一个过程或信号,它具有时间 -频率 -幅度的三维特性,
如图 7.1所示 。 它既可表示为时间 t的函数,又可以表示为频率或角频率的函数；既可以在时域对它进行分析,也可以在频域进行分析,以获得其不同的变化特性 。
图 7.1 信号的三维特性频 率频 域电 压时 域时 间第 7章 频域测量技术
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7.1.1 频域测量的原理时域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,电路的增益是否符合要求,时间响应特性等 。 例如,实际工作中常用的示波器就是典型的时域分析仪器,我们常用它来观测信号电压随时间的变化,但用它却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是否产生了非线性失真,失真大小等信息,这些都必须借助于频域分析完成 。
第 7章 频域测量技术
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7.1.1 频域测量的原理频域分析则是研究信号中各频率分量的幅值 A与频率 f的关系,包括线性系统频率特性的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,以频率分量的信号值为因变量进行分析的,
通常由频率特性测试仪 （ 扫频仪 ） 来完成 。 其中,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电路的频率响应特性；频谱分析仪则是对信号本身进行分析和对线性系统非线性失真系数进行测量,从而可以确定信号所含的频率成份,了解信号的频谱占用情况,
以及线性系统的非线性失真特性 。
时域和频域两种分析方法都能表示同一信号的特性,它们之间必然是可以互相转换的 。 时域与频域间的关系可以用傅立叶级数和傅立叶变换来表征,因而在测得了一个信号的时域表征后,通过傅立叶变换,
可以求得其相应的频域表征；反之亦然 。
第 7章 频域测量技术
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7.1.1 频域测量的原理时域分析与频域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是不同的,各有适用场合 。 某些测量,
如测量脉冲的上升和下降时间,测量过冲和振铃等,都需要用时域测量技术,而且只能在时域里进行测量 。 频域分析法则多用于测量各种信号的电平,频率响应,频谱纯度及谐波失真等 。 针对不同的实际情况,时域分析和频域分析各有其具体适用的场合,两者是相辅相成,互为补充的 。
第 7章 频域测量技术
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7.1.2 频域测量的分类根据实际应用的需求,频域分析和测量的对象和目的也各不相同,
通常有以下几种：
（ 1） 频率特性测量：主要对网络的频率特性进行测量,包括幅频特性,
相频特性,带宽及回路 Q值等 。
（ 2） 选频测量：利用选频电压表,通过调谐滤波的方法,选出并测量信号中某些频率分量的大小 。
（ 3） 频谱分析：用频谱分析仪分析信号中所含的各个频率分量的幅值,
功率,能量和相位关系,以及振荡信号源的相位噪声特性,空间电磁干扰等 。
（ 4） 调制度分析测量：对各种频带的射频信号进行解调,恢复调制信号,测量其调制度,如调幅波的调幅系数,调频波的频偏,调频指数以及它们的寄生调制参量 。
（ 5） 谐波失真度测量：信号通过非线性器件都会产生新的频率分量,
俗称非线性失真 。 这些新的频率分量包括谐波和互调 。
第 7章 频域测量技术
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7.2 线性系统频率特性测量在电路的设计,生产和调试中,经常需要了解,当某个电路网络的输入电压恒定时,其输出电压随频率变化的关系特性,这就是我们在测量中经常提到的网络的频率特性 （ 通常指幅频特性 ） 。
第 7章 频域测量技术
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7.2.1 基本测量方法
1,点频测量法
点频测量法属于静态测量法 。 它是在保证输至被测网络输入端的正弦信号幅值不变的情况下,逐点改变输入信号的频率,测量被测网络输出端的输出电压值,计算不同频率点对应的放大倍数,再绘制出被测网络的幅频特性曲线 。
信号发生器与被测电路之间应注意阻抗匹配 。 当被测电路的输入阻抗很高时,应外接适当电阻,使之与该输入阻抗并联后,总阻抗等于信号发生器的输出阻抗 。
点频测量法方法简单,但由于测试频率点是不连续的,测试过程中有可能漏掉特性曲线中的个别突变点 。 且实际信号包含的频率分量很多,
有的信号频谱甚至是连续变化的,而静态法不能反映信号的这种变化,
因而其准确度就有偏差,其测量速度也较慢 。 动态测量法则能较好地反映被测网络的特性,图 7.2中的曲线 2就是使用动态测量法所获得的曲线 。 这时,曲线略有右移,但最大值也略有降低 。
第 7章 频域测量技术
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7.2.1 基本测量方法
点频法的优点在于测量时不需要特殊仪器,测量准确度比较高,能反映出被测网络的静态特性,是工程技术人员在没有频率特性测试仪的条件下,进行现场测量研究和分析的基本方法之一 。 这种方法的缺点是操作繁琐,工作量大,
容易漏测某些细节,不能反映出被测网络的动态特性 。
图 7.2 静、动态测量曲线
U
o u t
1
1 - 静 态
2 - 动 态
f
O
2
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7.2.1 基本测量方法
2,扫频测量法
扫频测量法是在点频测量法的基础上发展起来的 。
扫频测量法的测量过程简单,速度快,也不会产生漏测现象,还能边测量边调试,大大提高了调试工作效率 。 扫频法反映的是被测网络的动态特性,测量结果与被测网络实际工作情况基本吻合,这一点对于某些网络的测量尤为重要,如滤波器的动态滤波特性的测量等 。 扫频法的不足之外是测量的准确度比点频法低 。
第 7章 频域测量技术
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7.2.2 相频特性测量线性系统的频率特性还包括相频特性 。 在一些实际的应用系统中,相频特性对系统的性能有很大的影响 。 如视频信号和数字信号的传输中,相位失真将直接影响系统的传输质量,因而,此时保证系统良好的相频特性也就非常重要 。
在测量线性系统的相频特性时,以被测电路输入端信号作为参考信号,输出端信号作为被测信号,用相位计测量输出端信号与输入端信号之间的相位差 。 调节正弦波发生器输出信号的频率,用描点的方法可得到相位差随频率的变化规律,即线性系统的相频特性,如图 7.3所示 。
图 7.3 线性系统的相频特性测量正 弦 波发 生 器被 测 电 路 相 位 计参 考 信 号第 7章 频域测量技术
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
BT-3型频率特性测试仪采用晶体管和集成电路,功耗低,体积小,
重量轻,输出电压高,寄生调幅小,扫频非线性系数小,衰减器精度高,频谱纯度好,显示灵敏度高,主要用来测定无线电电路的频率特性 。
1,仪器面板图如图 7.4所示,面板上各个控制装置及旋钮的名称和作用介绍如下：
（ 1） 电源,灰度旋钮：该控制装置是一只带开关电位器,同时具有电源开关和灰度旋钮两种用途 。 顺时针旋动此旋钮,即可接通电源,
继续顺时针旋动,荧光屏上显示的光点或图形亮度增加,使用时亮度不宜过强,光线适中即可 。
（ 2） 聚焦旋钮：调节它可使屏幕上光点细小圆亮或使亮线清晰明亮,
以保证显示波形的清晰度 。
第 7章 频域测量技术
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪图 7.4 BT-3型频率特性测试仪电源辉度聚焦亮度坐标位置衰减增益
Y
Y
Y
+ -
鉴 频
Y 输 入
1
1 0
外接频 标 选 择频 标 幅 度外 接 频 标输 入扫 描 电 压 输 出
8
1 0
6
4
3
2
0
6 0
4 0
3 0
2 0
1 0
0
5 0
输 出 衰 减 （ d B ）
（ 中 心 频 率 ）
波 段
1
2
3
频 率偏 移第 7章 频域测量技术
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
（ 3） 坐标亮度旋钮：在屏幕的四个角上装有四个带颜色的指示灯泡,
照亮屏幕的坐标尺度线 。 旋钮从中间位置向顺时针方向旋动时,荧光屏上两个对角位置的黄灯亮,屏幕上出现黄色坐标线；从中间位置逆时针方向旋动时,另两个位置的红灯亮,显示出红色坐标线 。 黄色坐标线便于观察,红色坐标线利于摄影 。
（ 4） Y 轴位置旋钮：调节荧光屏上光点或图形在垂直方向的位置 。
（ 5） Y轴衰减旋钮：有三个衰减档位,根据输入电压的大小选择适当的衰减档位 。
（ 6） Y轴增益旋钮：调节显示在荧光屏上光点或图形在垂直方向的大小 。
（ 7） 影像极向开关：用来改变屏幕上所显示的波形需要正负极性 。 当开关在,+”位置时,波形曲线向下方向变化 （ 负极性波形 ） 。 但曲线波形需要正负方向同时显示时,只能将开关在,+”和,-”位置往复变动,才能观察曲线波形的全貌 。
（ 8） Y输入插座：由被测电路的输出端用电缆探头引接插座,其输入信号经垂直放大器,便可显示出该信号的曲线波形 。
第 7章 频域测量技术
2009-7-28 18
7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
（ 9） 波段开关：输出的扫频信号接中心频率划分为三个波段 （ 第 1波段,1～ 75MHz,第二波段,75～ 150MHz； 3波段,150～ 300MHz。 ）,
可以根据测试需要来选择波段 。
（ 10） 中心频率度盘：能连续改变中心频率,度盘上所标定的中心频率不是十分准确,一般是采用边调节度盘,边看频标移动的数值来确定中心频率位置 。
（ 11） 输出衰减旋钮：根据测试的需要,选择扫频信号的输出幅度大小 。 按开关的衰减量来划分,可分粗,细调两种 。 粗衰减,0,10、
20,30,40,50,60（ dB）,细衰减,0,2,3,4,6,8,10（ dB）,
粗调和细调衰减的总衰减量为 70dB。
（ 12） 扫频电压输出插座：扫频信号由此插座输出,可用 75?匹配电缆探头或开路电缆来连接,引送到被测电路的输出端,以便进行测试 。
第 7章 频域测量技术
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
（ 13） 频标选择开关：有 1（ MHz）,10（ MHz） 和外接三种 。 当开关置于 1时,扫描线上显示 1MHz的菱形频标；置于 10时,扫描线上显示
10MHz的菱形频标；显示外接信号频率的频标 。
（ 14） 频标幅度旋钮：调节频标幅度大小 。 一般幅度不宜太大,以观察清楚为准 。
（ 15） 频率偏移旋钮：调节扫频信号的频率偏移宽度,以适应被测电路的通频带宽度所需的,频偏,,顺时针方向旋动时,频偏增宽,最大可达?7.5MHz以上,反之,则频偏变窄,最小在?0.5MHz以下 。
（ 16） 外接频标输入接线柱：当频标选择开关置于外接频档时,外来的标准信号发生器的信号由此接线柱引入,此时,在扫描线上显示外接频标信号的标记 。
第 7章 频域测量技术
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
2,主要技术指标
（ 1） 中心频率：在 1～ 300MHz内可任意调节,分三个波段第 I波段,1～ 75MHz；
第 II波段,75～ 150MHz；
第 III波段,150～ 300MHz；
（ 2） 扫频频偏：
最小扫频频偏 ≤ ± 0.5MHz;
最大扫频频偏 >± 7.5MHz。
（ 3） 寄生调幅系数：扫频频偏在 ± 7.5MHz时 ≤ ± 7.5%。
（ 4） 调频非线性系数：扫频频偏在 ± 7.5MHz时 ≤ 20%。
（ 5） 频标：菱形,分为 1MHz,10 MHz和外接三种 。
（ 6） 输出扫频信号电压,>0.1V。
（ 7） 输出阻抗,75Ω 。
（ 8） 扫频信号输出步进衰减：
粗衰减,0,10,20,30,40,50,60dB；
细衰减,0,2,3,4,6,8,10 dB。
（ 9） 检波探头：输入电容 ≤ 5pF,最大允许输入直流电压为 300V。
第 7章 频域测量技术
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
3,基本测量方法
（ 1） 频标的读法测读频标必须先把频标选择开关置于 10 MHz处进行粗测,然后转换频标选择至 1 MHz进行精测 。 当波段开关置 I,频标选择至 10 MHz，
中心频率度盘在起始位置,0”附近,屏幕中心线上应出现零频频标
（ 该频标与其它频标相比,频标幅度和宽度明显偏大 ）,在它右边的第一个大频标是 10MHz频标,第二个大频标是 20 MHz频标,依次类推 。
在相邻两个大频标的中心,幅度稍低的频标是 5 MHz频标 。 当波段开关至 II时,中心频率度盘从起始位置逆时针旋转时,第一个经过屏幕中心的大频标是 70 MHz频标,第二个大频标是 80 MHz,依次类推 。 当波段开关至 III时,中心频率度盘从起始位置逆时针旋转时,第一个经过屏幕中心的大频标是 140 MHz频标,第二个经过屏幕中心的大频标是 150 MHz频标,依次类推 。
第 7章 频域测量技术
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7.2.3 BT-3型频率特性测试仪
（ 2） 测量步骤将扫频仪的扫频输出与波测网络的输入用电缆连接,
用检波探头将被测幅度和频率都以绝对值定标的频谱仪,
可对电信号和电路的频率,电平,调制度,调制失真,频偏,互调失真,带宽,窄带噪声,增益,衰减等多种参数进行测量,配接天线可测量场强,干扰 。 由于频谱仪的测量功能较多,因此被广泛应用于广播,电视,通信,雷达,
导航,电子对抗及各种电路的设计,制造和电子设备的维护,修理等方面 。
第 7章 频域测量技术
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7.2.4 频率特性测试仪的应用频率特性测试仪的应用研究范围十分广泛,在无线电通信,广播电视,雷达导航,卫星地球站等领域内,为有关电路的频率特性测量或鉴频器特性的测量,以及研究,
分析或改善电路性能等提供了方便的条件 。 除此之外,扫频仪还能用于传输线特性阻抗的测量 。
1,电路幅频特性的测量测量电路如图 7.5所示 。 测量时应保证输入 /输出阻抗的匹配 。 BT-3型频率特性测试仪的输出阻抗为 75Ω,则用空载电缆线连接被测设备 。 如果被测设备为 50Ω,则应在
BT-3和被测设备之间加一个阻抗匹配网络 。
第 7章 频域测量技术
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7.2.4 频率特性测试仪的应用图 7.5 幅频特性的测量检 波探 头被 测 电 路扫 频 仪输出输入第 7章 频域测量技术
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7.2.4 频率特性测试仪的应用被测电路的幅频特性显示后,频标可为测量者随时读出任一点的频率提供依据 。 显示幅度可由垂直刻度线读出 。 新一代应用数字技术的扫频仪更可以将测量曲经打印或存储输出 。 如果显示的图像不符合设计要求,可在测量过程中进一步调整被测设备 。 这是动态测量的最大优点 。
这种幅频特性的测量为各种电路的调整带来了极大的方便,如滤波器,宽带放大器,调频接收机的中放和高放,雷达接收机,单边带接收机,电视接收机的视频放大,高放和中放通道,以及其他有源和无源四端口网络等,其频率特性都可以用扫频仪进行测量 。 图 7.6给出了典型滤波器的频率特性测量曲线 。
图 7.6 典型滤波器的频率特性测量曲线频 标低 通 滤 波 器频 标高 通 滤 波 器频 标带 通 滤 波 器频 标带 阻 滤 波 器第 7章 频域测量技术
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7.2.4 频率特性测试仪的应用
2,电路参数的测量从上面所测得的幅频特性上可以求得各种电路参数 。
（ 1） 增益的测量在调好幅频特性的基础上,用粗,细调衰减旋钮控制扫频信号的电压幅度,使它符合被测电路设计时要求的输入信号幅度 。 衰减器的总衰减量应不小于放大器设计的总增益 。
记下此时屏幕上显示的幅频高度 A,输出总衰减 B1（ dB） ；
再将检波探头直接和扫频输出端短接,改变,输出衰减,,
使幅频特性的高度仍为 A,此时输出衰减的读数若为 B2
（ dB）,则该放大器的增益为
dB)( 21 BBA V
第 7章 频域测量技术
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7.2.4 频率特性测试仪的应用
（ 2） 带宽的测量被测电路的连接方法同测频特性曲线一样 。 对于宽带电路,
可以直接使用频率特性测试仪上的频标,方便地显示和读出频率特性曲线的带宽 。 有时为了更精确地测量,可以使用外接频标 。 对于窄带调谐回路,其谐振频率 f0可以直观地读出,即曲线峰顶对应的频率 。
测量带宽时,先调节扫频仪输出衰减和 Y增益,使频率特性曲线的顶部与屏幕上某一水平刻度线相切 （ 如图 7.7中与
AB线相切 ） ；然后保持 Y增益不变,将扫频仪输出衰减减小 3dB,则此时屏幕上的曲线将上移而与 AB线相交,两交点处的频率就分别为下截止准确率 fL和上截止频率 fH。 因而被测电路的带宽为
LH ffBW
第 7章 频域测量技术
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7.2.4 频率特性测试仪的应用
（ 3） 回路 Q值的测量
测量时电路连接和测量方法与测回路带宽相同,在用外接频标测出回路的谐振频率 f0以及上,下截止频率 fH和 fL后,
按下面的公式即可计算出回路的 Q值 。
LH ff
f
BW
fQ
00
图 7.7 扫频仪测量带宽
A B A B
f
L
f
H
( a ) ( b )
第 7章 频域测量技术
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7.3 频谱分析测量用示波器测量可得到信号时间的相位及信号与时间的关系,但无法获知信号的失真数据,也就是说无法获知信号谐波分量的分布情况,同时测量高频信号时,基于设备电子元件功能的限制,输入端离散电容等因素,测量的结果无可避免地将产生信号失真及衰减,为了解决测量高频信号的上述问题,频谱分析仪是一适当而必备的测量仪器 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.1 频谱分析仪的分类频谱分析仪的主要功能是测量信号的频率响应,横轴代表频率,
纵轴代表信号功率或电压的数值,可用线形或对数刻度显示测量的结果 。 另外它的信号追踪发生器可直接测量待测件的频率响应特性,但它只能测量振幅无法测量相位 。 就高频信号领域来看,频谱分析仪是电子工程技术人员不可或缺的设备,对频谱分析仪工作原理的了解将有助于信号测量系统的建立及充分扩展其应用范畴 。 频谱分析仪的应用领域相当广泛,诸如卫星接收系统,无线电通信系统,移动电话系统,基站辐射场强的测量,电磁干扰等高频信号的侦测与分析,同时也是研究信号成分,信号失真度,信号衰减量,电子组件增益等特性的主要仪器 。 它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 。 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 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.1 频谱分析仪的分类
频谱分析仪按不同的特性,有不同的分类方法 。
（ 1） 按分析处理方法分类：模拟式频谱仪,数字式频谱仪,模拟 /数字混合式频谱仪 。 模拟式频谱仪是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 。 数字式频谱仪是非扫描式的,以数字滤波器或 FFT变换为基础构成,它的精度高,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 。
（ 2） 按处理的实时性分类：实时频谱仪,非实时频谱仪 。 实时分析应达到的速度与被分析信号的带宽及所要求的频率分辨率有关 。 一般认为,实时分析是指在长度为 T的时段内,完成频率分辨率达到 1/T的频谱分析；或者待分析信号的带宽小于仪器能够同时分析的最大带宽 。
在一定频率范围数据分析速度与数据采集速度相匹配,不发生积压现象,这样的分析就是实时的；如果待分析的信号带宽超过这个频率范围,则是非实时分析 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.1 频谱分析仪的分类
（ 3） 按频率轴刻度分类：恒带宽分析式频谱仪,恒百分比带宽分析式频谱仪 。 恒带宽分析式频谱仪是以频率轴为线性刻度,信号的基频分量和各次谐波分量在横轴上等间距排列,适用于周期信号和波形失真的分析 。 恒百分比带宽分析式频谱仪：频率轴采用对数刻度,频率范围覆盖较宽,能兼顾高,低频段的频率分辨率,适用于噪声类广谱随机信号的分析 。 目前许多数字式频谱仪可以方便地实现不同带宽的
FFT分析以及两种频率刻度的显示,故这种分类方法并不适用于数字式频谱仪 。
还有其他分类方式,如按输入通道数目分类有：单通道,多通道频谱仪；按工作频带分类有：高频,低频,射频,微波等频谱仪；按频带宽度分有：宽带频谱仪和窄带频谱仪；按基本工作原理分类有：
扫描式频谱仪,非扫描式频谱仪 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.2 频谱分析仪的基本工作原理
1,实时频谱仪实时频谱仪因为能同时显示规定的频率范围内的所有频率分量,
而且保持了两个信号间的时间关系 （ 相位信息 ）,使它不仅能分析周期信号,随机信号,而且能分析瞬时信号 。 其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检波器,再经由同步的多工扫描器将信号传送到 CRT荧屏上,优点是能显示周期性散波的瞬间反应,其缺点是价格昂贵且性能受限于频宽范围,滤波器的数目与最大的多工交换时间 。 实时频谱仪主要分为多通道频谱仪和快速傅立叶频谱仪两类 。
多通道频谱仪的原理见图 7.8,输入信号是同时送到每个带通滤波器的 。 带通滤波器的输出表示输入信号中被该滤波器通带内所允许通过的那一部分能量,因此显示器上显示的是各带通滤波器通带内的信号的合成信号 。 由于受滤波器数量及带宽的限制,这类频谱仪主要工作在音频范围 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.2 频谱分析仪的基本工作原理图 7.8 多通道频谱仪简化方框图
f
0 1
f
0 2
f
0 n
放 大
u
i
带 通 滤 波 器阶 梯 波发 生 器
Y 放 大 器
X 放 大 器检 波
S
1
S
2
S
n
第 7章 频域测量技术
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7.3.2 频谱分析仪的基本工作原理快速傅立叶频谱仪的工作原理见图 7.9,其核心是以函数进行傅立叶变换的数学计算为基础的计算机分析,因此需要使用高速计算机进行数字功率谱的计算 。 根据采样定理：最底采样速率应该大于或等于被采样信号的最高频率分量的两倍 。 傅立叶频谱仪的工作频段一般在低频范围内 。
如 HP3562A的分析频带为 64 μHz~100kHz,RE-201的频率范围为 20Hz~25kHz。
图 7.9 快速傅立叶频谱仪简化方框图
A / D
转 换 器存 储 器快 速 傅 立 叶变 换
D / A
转 换 器显 示 器第 7章 频域测量技术
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7.3.2 频谱分析仪的基本工作原理
2,扫描调谐频谱仪扫描调谐谱仪对输入信号按时间顺序进行扫描调谐,因此只能分析在规定时间内频谱几乎不变化的周期重复信号 。 这种频谱仪有很宽的工作频率范围,DC至几十兆赫兹 。 常用的扫描调谐频谱仪又分为扫描射频调谐频谱仪和超外差频谱仪两类 。
扫描射频调谐频谱仪的原理见 7.10,利用中心频率可调的带通滤波器来调谐和分辨输入信号 。 但这种类型的频谱仪分辨率,灵敏度等指标比较差,所以已开发的产品不多 。
图 7.10 扫描射频频调谐频谱仪简化方框图电 源 谐带 通 滤 波 器检 波 器扫 描 发 生 器输 入 信 号第 7章 频域测量技术
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7.3.2 频谱分析仪的基本工作原理目前应用最广泛的是超外差频谱仪,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 。
这是频谱仪最常采用的方法 。 其原理框图见图 7.11。
外差频谱仪实质上是一种具有扫频和窄带宽滤波功能的超外差接收机,与其他超处差接收机原理相似,只是用扫频振荡器作为本机振荡器,中频电路有频带很窄的滤波器,按外差方式选择所需频率分量 。
这样,当扫频振荡器的频率在一定范围扫动时,与输入信号中的各个频率分量在混频器中产生差频 （ 中频 ）,使输入信号的各个频率分量依次落入窄带滤波器的通带内,被滤波器选出并经检波器加到示波器的垂直偏转系统,即光点的垂直偏转正比于该频率分量的幅值 。 由于示波器的水平扫描电压就是调制扫频振荡器的调制电压 （ 由扫描发生器产生 ）,所以水平轴已变成频率轴,这时屏幕上将显示出输入信号的频谱图 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.2 频谱分析仪的基本工作原理超处差频谱仪具有几 Hz～几百 GHz的极宽的分析频率范围,
从几 Hz～几 MHz的分辨力带宽,80dB以上的动态范围等高技术指标,如 HP8566B,国产的 BP-1,QF4031等 。
目前频谱仪目前正朝着多功能,智能化,自动化,虚拟化的方向发展 。
图 7.11 超外差频谱仪简化方框图
Y 放 大 器检 波 器中 频放 大 器混 频 器
X 放 大 器锯 齿 波扫 描 器扫 频振 荡 器
u
i
f
0
f
w
第 7章 频域测量技术
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7.3.3 频谱分析仪的主要技术指标
（ 1） 输入频率范围指频谱仪能够正常工作的最大频率区间,以 Hz表示该范围的上限和下限,由扫描本振的频率范围决定 。 现代频谱仪的频率范围通常可从低频段至射频段,甚至微波段,如 1KHz～ 4GHz。 这里的频率是指中心频率,即位于显示频谱宽度中心的频率 。
（ 2） 分辨力带宽指分辨频谱中两个相邻分量之间的最小谱线间隔,单位是 Hz。 它表示频谱仪能够把两个彼此靠得很近的等幅信号在规定低点处分辨开来的能力 。 在频谱仪屏幕上看到的被测信号的谱线实际是一个窄带滤波器的动态幅频特性图形 （ 类似钟形曲线 ）,因此,分辨力取决于这个幅频生的带宽 。 定义这个窄带滤波器幅频特性的 3dB带宽为频谱仪的分辨力带宽 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.3 频谱分析仪的主要技术指标
（ 3） 灵敏度指在给定分辨力带宽,显示方式和其他影响因素下,频谱仪显示最小信号电平的能力,以 dBm,dBu,dBv,V等单位表示 。 超外差频谱仪的灵敏度取决于仪器的内噪声 。 当测量小信号时,信号谱线是显示在噪声频谱之上的 。 为了易于从噪声频谱中看清楚信号谱线,一般信号电平应比内部噪声电平高 10dB。 另处,灵敏度还与扫频速度有关,
扫频速度越快,动态幅频特性峰值越低,导致灵敏度越低,并产生幅值差 。
（ 4） 动态范围指能以规定的准确度测量同时出现在输入端的两个信号之间的最大差值 。 动态范围的上限受到非线性失真的制约 。 频谱仪的幅值显示方式有两种：线性和对数 。 对数显示的优点是在有限的屏幕有效的高度范围内,可获得较大的动态范围 。 频谱仪的动态范围一般在 60dB以上,有时甚至达到 100dB以上 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.3 频谱分析仪的主要技术指标
（ 5） 频率扫描宽度指频谱仪显示屏幕最左和最右垂直刻度线内所能显示的响应信号的频率范围 （ 频谱宽度 ） 。 根据测试需要自动调节,或人为设置 。 扫描宽度表示频谱仪在一次测量 （ 即一次频率扫描 ） 过程中所显示的频率范围,可以小于或等于输入频率范围 。
频谱宽度通常又分为三种模式 。
① 全扫频：频谱仪一次扫描它的有效频率范围 。
② 每格扫频：频谱仪一次只扫描一个规定的频率范围 。 用每格表示的频谱宽度可以改变 。
③ 零扫频：频率宽度为零,频谱仪不扫频,变成调谐接收机 。
（ 6） 扫描时间即进行一次全频率范围的扫描,并完成测量所需的时间,也叫分析时间 。
通常扫描时间越短越好,但为保证测量精度,扫描时间必须适当 。 与扫描时间相关的因素主要有频率扫描范围,分辨力带宽,视频滤波 。 现代频谱仪通常有多档扫描时间可选择,最小扫描时间由测量通道的电路响应时间决定 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.3 频谱分析仪的主要技术指标
（ 7） 幅度测量精度有绝对幅度精度和相对幅度精度之分,均由多方面因素决定 。
绝对幅度精度是针对满刻度信号的指标,受输入衰减,中频增益,分辨力带宽,刻度逼真度,频响及校准信号本身的精度等的综合影响；相对幅度精度与测量方式有关,在理想情况下仅有频响和校准信号精度两项误差来源,
测量精度可以达到非常高 。 仪器在出厂前要经过校准,各种误差已被分别记录下来并用于对实测数据进行修正,显示出来的幅度精度已有所提高 。
（ 8） 1dB压缩点和最大输入电平
① 1dB压缩点：在动态范围内,因输入电平过高而引起的信号增益下降 1dB时的点 。 1dB压缩点表明了频谱仪过载能力 。 通常出现在输入衰减 0dB的情况下,
由第一混频决定 。 输入衰减增大,1dB压缩点的位置将同步增高 。 为避免非线性失真,所显示的最大输入电平 （ 参考电平 ） 必须位于 1dB压缩点之下 。
② 最大输入电平：反映了频谱仪可正常工作的最大限度,它的值一般由通道中第一个关键器件决定,0dB衰减时,第一混频是最大输入电平的决定性因素；
衰减量大于 0dB时,最大输入电平的值反映了衰减器的负载能力 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.4 频谱分析仪使用案例这里以有线电视信号的频谱测量为例做介绍 。
有线电视信号包含许多图像和声音信号,其频谱分布非常复杂 。
在卫星监测上,能收到多个信道,每个信道都占有一定的频谱成份,
每个频率点上都占有一定的带宽 。 这些信号都要从频谱分析的角度来得到所需要的参数 。 在实际工作中,无线信号卫星信号的监督,由于其频率很高,都是采用扫描调谐的方式 。
有线电视输出信号范围很广,比如有 50个频道播放,这 50个信号是同时进入接收机的,其总功率是迭加的 。 而所看的电视节目只能是其中之一 。 同理,送入频谱仪的输入端口信号是所采集信号的总和,
其中包括所要分析的特定信号,所输入到频谱仪的功率是总功率 。 由此要引入一个参数 —— 最大烧毁功率 。 这一值是 1瓦或是 +30dBm。 也就是说输入到频谱仪的信号功率总和不能超过 1瓦,否则将会烧毁仪器的衰减器和混频器 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.4 频谱分析仪使用案例
例如,我们要监测一个卫星信号,假设其频率为 12GHz,其功率可能只有 -80dBm左右,这是很小的 。 但要知道输入信号是由很多信号迭加组成的,若是在其它某一频率上包括一个很强的信号,即使你没有看到这个大功率信号,若输入信号功率的总和大于 1瓦,也是要烧毁频谱仪的,而其中的大功率信号并不是你所要分析的信号 。 为了保证仪器安全,频谱仪在输入信号时并没有直接将其接入混频器,而是首先接入一个衰减器 。 这不会影响最终的测量结果,完全是为了仪表内部的协调,如匹配,最佳工作点等等 。 它的衰减值是步进的,为 0dB、
5dB,10dB,最大为 60dB。 这是我们在日常工作中需多加小心的 。 还有的频谱仪是不能输入直流的,否则也会损坏器件 。 另外,还应注意不能有静电,因为静电的瞬时电压很高,容易把有源器件击穿 。 日常工作中把仪表接地就会有很好的效果,当然要有保护接地会更好 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.4 频谱分析仪使用案例在中频,所有信号的功率幅度值与输入信号的功率是线性关系 。
输入信号功率增大,它也增大,反之相同 。 所以我们检测中频信号是可行的 。 另外,为了有效检测,要有一个内部中频信号放大 。 频谱仪中的混频器本身有差落衰减,本频和射频混频之后它并不是只有一个单一中频出来,它的中频信号非常丰富,所有这些信号都会从混频器中输出 。 在众多的谐波分量中,只对一个中频感兴趣 。 这就是经常所说的 21.4MHz。 这是在仪器器件中已做好的,用一个带通滤波器把中心频率设在 21.4MHz,滤除其它信号,提取 21.4MHz的中频信号 。 通过中频滤波器输出的信号,才是我们所要检测的信号 。
滤波器在工作中有几个因素：中心频率是 21.4MHz,固定不变,其
30dB带宽可以改变 。 比如对广播信号来说,其带宽一般是几十 kHz，
若信号带宽是 25kHz,中频的带宽一定要大于 25kHz。 这样,才能使所有的信号全部进来 。 如果太宽,就会混入其它信号；如果太窄,信号才进来一部分,或是低频成份,或是高频成份 。 这样信号是解调不出来的 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.4 频谱分析仪使用案例中频带宽设置根据实际工作的需要来决定的 。 当然它会影响其它很多因素,如底噪声,信号解调的失真度等 。
经过中频滤波器的中频信号功率就是反应了输入信号的功率 。 检测的方法就是用一个检波器,将它变为电压输出,
体现在纵轴的幅度 。 当然还要经过 D/A转换和一些数据处理,加一些修正和一些对数,线性变换 。 这足以给我们带来信号分析上的许多方便 。
频谱分析是要分析频域的 。 一个信号要分析两个参数,
一是幅度,二是频率 。 幅度已经得出,而频率和幅度要对应起来,在某一频率是什么幅度 。 下面介绍一下频率是如何测量的,如何与幅度对应起来 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.4 频谱分析仪使用案例其实很简单它是通过本振与扫描电压对应起来的 。 本振是一个压流振荡器 。 本振信号是个扫描信号 。 扫描控制是由扫描控制器来完成的 。 它同时控制显示器的横坐标 。
从左到右当扫描电压在 0V时,在显示器上是 0点,对本振信号来说是 F1点,即起始频率点 。 当扫描电压到 10V时,
在显示器上是终止频率点,本振电压就是在终止频率点,
中间是线性的 。 通过这样的方法,使得显示器坐标的每一点与本振 F1,F2的每一点对应起来 （ 射频信号是本振信号减去中频信号 21.4MHz。 当我们操作频谱仪进行分析时,
实际是在改变本振信号的频率 ） 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.5 QF-4031型频谱分析仪简介
QF-4031频谱分析仪具有频谱宽,分辨力高,动态范围大,频响好等特点 。 可用于无线电信号的分析和测量 。
1,主要技术指标频率范围,50Hz～ 1700MHz,分为两个频段,用 4位 LED显示 。
扫频宽度：有零扫和每格扫 （ 20Hz/div～ 1700MHz/div,按 1,2,5
分档 ） 。
中频宽度,30Hz～ 300KHz（ 按 1,3分档 ） 。
幅度测量范围：在频段 I（ 50Hz～ 1700KHz） 为 -130～ +20dBm；在频段 II（ 1700KHz～ 1700MHz） 为 -122～ +20dBm。
对 数 显 示 精 度 分 别 有,± 1.5dB/72dB,± 0.3dB/8dB,
± 0.15dB/1dB。
扫描时间,0.1ms/div～ 10s/div（ 按 1,2,5分档 ） 或手动 。
扫描触发源选择：包括自动,电源,视频,外接和单次 5种 。
内部校准信号两种,50Hz± 0.01%,-20dBm± 0.5dBm ；
50MHz± 0.01%,-20dBm± 0.5dBm。
第 7章 频域测量技术
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7.3.5 QF-4031型频谱分析仪简介
2,工作原理当它工作在第一频段时,采用两次变频方案,第一本振可工作于扫频状态,一中频为 4.8MHz,二中频为 1.5MHz。 在第二频段工作时采用三次变频方案,第一本振和第二本振都可工作于扫频状态,一中频为 2.3 GHz,二中频为 70MHz,三中频为 1.5MHz。 可见所有被测量信号经变频后最后的频率都为 1.5MHz。
在 1.5MHz中频放大部分有一级增益连续可调放大器,用于电平校准 。 三级增益步进可调的放大器,可按 0dB,10dB,20dB改变放大器的增益 。 一级是按 1dB步进调整的衰减器,最大衰减量是 10dB,用于增益细调 。 中放带宽可调,其中 300KHz,100KHz,30KHz,10KHz带宽调整是由两只 LC滤波器完成的,3KHz,1KHz,300Hz,100Hz,30Hz带宽调整由晶体管滤波器完成 。 使用时可以根据分辨率的需要进行选择,
从而显示较窄的谱线间隔 。
第 7章 频域测量技术
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7.3.5 QF-4031型频谱分析仪简介锯齿波信号发生器的输出一方面加至 X偏转作为扫描电压,另一方面加至本机振荡器,用以产生扫频测试信号 。
在频段 I可产生 20Hz/div～ 100KHz/div的扫频信号；在 II
频段,第一本振用于宽带扫频,扫频宽度为 （ 1～ 100 KHz）
/div。
当仪器工作于零扫描状态时,相当于一部人工调谐校准收音机,由于其频率和幅度经过校准,可作为选频电压表使用 。
第 7章 频域测量技术
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本章小结
频率特性测试仪在频域内对元器件,电路或系统的特性进行动态测量,
显示频率特性曲线；频谱分析仪可对信号的频谱进行分析,显示信号的频谱分布图 。
时域测量和频域测量是从不同的角度去观测同一网络,两者各有特点,
互为补充,具体工作中要根据具体的测量内容来选择 。
利用扫频信号的测量是动态测量,具有直观,方便,快速,在测量的同时可以高度等优点 。
频率特性测试仪常用于测量各种电路或系统的幅频特性,实际是示波器的一种扩展应用 。 扫频振荡器是测量的激励源,是仪器的核心部件 。
产生扫频信号的方法主要是变容二极管扫频 （ 如 BT-4） 和磁调制扫频
（ 如 BT3型 ）,本节以 BT-3型为例进行学习 。
BT3型频率特性测试仪屏幕上横坐标频率的读数,是根据叠加在显示的被测曲线上的频标来确定 。
频谱仪主要用于分析电信号的频谱,其测量功能较多,应用广泛 。 目前使用最多的是超外差频谱仪 。
