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1、第8章 频域测量技术,8.1 频域测量的原理与分类8.2 线性系统频率特性测量8.3 频谱分析测量8.4 谐波失真度测量思考题8,8.1 频域测量的原理与分类,8.1.1 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8.1所示。,图8.1 信号的三维特性,8.1.2 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
2、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。,8.2 线性系统频率特性测量,8.2.1 基本测量方法1.点频测量法 图8.2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。,图8.2 静、动态测量曲线,2.扫频测量法扫频测量法具有以下优点：（1）可实现网络
3、频率特性的自动或半自动测量，特别是在进行电路测试时，人们可以一面调节电路中的有关元件，一面观察荧光屏上频率特性曲线的变化，随时判明元件变化对幅频特性产生的影响，迅速调整，查找电路的故障。（2）由于扫频信号的频率是连续变化的，因此，所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的，不会出现由于点频法中频率点离散而遗漏细节的问题，且能够观察到电路存在的各种冲激变化，如脉冲干扰等，更符合被测电路的应用实际。（3）扫频测量法测量简单、速度快，可实现频率特性测量的自动化，已成为一种广泛使用的方法。,3.多频测量法多频测量是利用多频信号作为激励信号的一种频域测量技术。所谓“多频信号”，是指由若干频率离散的正弦波组
4、成的集合。多频测量将这个“多频信号”作为激励，同时加到被测系统的输入端，并检测被测网络输出信号在这些频率点的频谱，在与输入进行比较之后就可以得到被测网络的频率特性。4.广谱快速测量法当系统对非线性失真的要求较高时，可采用白噪声作为测量的激励信号。,8.2.2 相频特性测量 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8.3所示。,图8.3 线性系统的相频特性测量,8.2.3 扫频仪1.基本工作原理 对扫频信
5、号发生器的基本要求是：（1）中心频率范围大且可以连续调节。（2）扫频宽度要宽且可任意调节，常用频偏进行描述。（3）寄生调幅要小。（4）扫描线性度好。,图8.4中，扫频信号发生电路的振荡频率受扫描电压u2所调制。,图8.4 扫频仪的简要原理框图,为保证扫频仪有很宽的工作频率范围，往往将整个工作频段划分成几个分波段，还可以通过混频的方法获得更高的工作频率，如图8.5所示。,图8.5 混频法拓展扫频仪至更高的工作频率,2.主要技术指标 扫频仪的主要技术指标有：有效扫频带宽、扫频线性、幅度不平坦性等。1）有效扫频宽度和中心频率有效扫频宽度也称扫频频偏，是指在扫频线性和幅度不平坦性符合要求的前提下，一次
6、扫频能达到的最大频率范围，即 f=fmax-fmin 式中,f为有效扫频宽度；fmax、fmin为一次扫频时能达到的最高和最低瞬时频率。,中心频率定义为而把f/f0称为相对扫频宽度，即 通常把f远小于信号瞬时频率值的扫频信号称为窄带扫频，把f可以和信号瞬时频率相比拟的扫频信号称为宽带扫频。,2）扫频线性扫频线性表示扫频信号频率与扫描电压之间线性相关的程度，常用扫频线性系数来表示，定义为3）幅度不平坦性在幅频特性测量中，必须保证扫频信号的幅度保持不变。扫频信号的幅度不平坦性常用它的寄生调幅来表示，定义为式中，A、B表示扫频信号的最大和最小幅度。,3.扫频仪的分类1）按用途划分按用途划分，扫频仪可
7、分为通用扫频仪、专用扫频仪、宽带扫频仪、阻抗图示仪、微波综合测量仪 2）按频率划分按频率划分，扫频仪可分为低频扫频仪、高频扫频仪、电视扫频仪等。,4.扫频仪的应用1）电路幅频特性的测量 测量电路如图8.6所示。,图8.6 幅频特性的测量,图8.7给出了典型滤波器的频率特性测量曲线。,图8.7 典型滤波器的频率特性测量曲线,2）电路参数的测量(1)增益的测量。在调好幅频特性的基础上，用粗、细调衰减器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。(2)带宽的测量。测量带宽时，先调节扫频仪输出衰减和调整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8.8中与AB线相
8、切）；,图8.8 扫频仪测量带宽,(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。,8.3 频谱分析测量,8.3.1 选频测量图8.9所示为外差式谐波分析仪的原理框图。,图8.9 外差式谐波分析仪的原理框图,8.3.2 频谱分析仪1.频谱分析仪的原理1)滤波式频谱分析图8.10示出了滤波式频谱仪的基本结构。输入信号经过一组中心频率不同的滤波器或经过一个扫描调谐式滤波器，选出各个频率分量，经检波后进行显示或记录。在这种频谱仪中，随着滤波器频率的改变，完成频谱分析，因此，滤波器和检波
9、器是两个重要的单元电路，它们的构成形式和性能好坏对频谱分析仪起着重要的作用。其原理简图如图8.11所示。,图8.10 滤波式频谱分析法的简要原理框图,图8.11 外差扫频方式频谱分析方法的原理简图,2)计算法频谱分析计算法在快速傅里叶变换（FFT）算法问世后，才被广泛应用于频谱分析。通过直接计算有限离散傅里叶变换（DFT），即可获得信号序列的离散频谱。有限离散序列xn和它的频谱Xm之间的DFT可表示为计算法频谱分析仪的构成如图8.12所示。,图8.12 计算法频谱分析仪框图,2.频谱分析仪的分类1）并行滤波实时频谱仪并行滤波实时频谱仪又称为多通道滤波式频谱分析仪，其原理如图8.13所示。,图8
10、.13 并行滤波实时频谱仪的原理框图,2）扫频滤波式频谱仪扫频滤波式频谱仪利用一个中心频率受扫频电压调节的带通滤波器来实现工作频带内的频谱分析，其原理框图如图8.14所示。,图8.14 扫频滤波式频谱分析仪的原理框图,3）扫频外差式频谱仪 借助于外差式收音机和扫频的原理，将输入信号与仪器内部的本地振荡信号进行混频，通过线性地调整本地振荡源的频率，使其与被测信号中各频率成分形成固定的差频，用相对频移的方法取代图8.14中的电调谐带通滤波器，这就构成了扫频外差式频谱分析仪，如图8.15所示。,图8.15 扫频外差式频谱分析仪的原理框图,4）时基压缩式实时频谱仪时基压缩式实时分析仪又称为模拟数字混合
11、式频谱分析仪，其原理框图如图8.16所示。5）数字式频谱仪随着数字信号处理技术的成熟与应用，频谱分析仪也走向了数字化。用数字滤波器代替上述模拟频谱分析仪中的模拟滤波器、用数字平方检波和均方算法代替二极管检波，这就构成了数字滤波式频谱分析仪。,图8.16 时基压缩式频谱仪的原理框图,6）采用数字中频的外差式频谱分析仪数字式频谱分析仪目前由于受到A/D采样速率和数字信号处理器处理速度的限制，无法实现对射频及微波信号的频谱实时分析，为解决这一问题，采用数字中频的外差式频谱分析仪诞生了。这种分析仪融合了外差扫描与数字信号处理及实时分析技术，在传统模拟外差式频谱分析仪的基础上，在中频及以后部分采用了全数
12、字技术，通过数字滤波和FFT的方法，使分辨力和分析速度都大为提高，频谱分析仪的性能得到很大改善。,3.频谱分析仪的主要技术参数 频谱分析仪的参数较多，并且不同种类的频谱仪参数也不完全相同，但以下技术参数是最基本的。1）频率范围频率范围是指能达到频谱分析仪规定性能的工作频率区间，如安捷伦公司的ESA-E系列频谱分析仪频率范围可达325 GHz。2）扫频宽度与分析时间、扫频速度 扫频宽度也称分析宽度，是指频谱分析仪在一次扫描分析过程中所显示的频率范围，也就是本机振荡器的扫频宽度。,3）频率分辨率频率分辨率是指频谱分析仪能把靠得很近的两个频谱分量分辨出来的能力。由于屏幕显示的谱线实际上是窄带滤波器的
13、动态幅频特性，因而频谱分析仪的分辨率主要取决于窄带滤波器的通频带宽度，因此定义窄带滤波器幅频特性的3 dB带宽为频谱仪的分辨率。4）动态范围与测量范围频谱分析仪的动态范围定义为：频谱分析仪能以给定精度测量、分析输入端同时出现的两个信号的最大功率比（用dB表示）。它实际上表示频谱分析仪显示大信号和小信号的频谱的能力。其上限受到非线性失真的制约，一般可达60 dB以上，有的甚至达90 dB。,5）灵敏度灵敏度是指频谱分析仪测量微弱信号的能力，定义为显示幅度为满刻度时，输入信号的最小电平值。灵敏度受分析仪中存在的噪声、杂波、失真以及杂散响应的限制，并且与扫速有关，扫速越快，动态幅频特性峰值就越低，灵
14、敏度也越低。许多频谱分析仪的灵敏度可达-135-115 dBm。,4.频谱分析仪的应用1）对信号参数进行测量 由上述频谱仪的工作原理可知，用频谱仪可以测量信号本身（即基波）及各次谐波的频率、幅度、功率谱，以及各频率分量之间的间隔，具体包括：(1)直接测量各次谐波的频率、幅值，用以判断失真的性质及大小。(2)可以用做选频电压表，如测量工频干扰的大小。(3)根据谱线的抖动情况，可以测量信号频率的稳定度。(4)测试调幅、调频、脉冲调制等调制信号的功率谱及边带辐射。(5)测量脉冲噪声，测试瞬变信号。,2）信号仿真测量 对于声音信号来说，通常说的“音色”是对频谱而言的，音色如何是由其谐波成分决定的。各种
15、乐器或歌唱家的音色可用频谱来鉴别。通过频谱仪可对各种乐器的频谱进行精确的分析测量，由电子电路制作的电子琴是典型的仿真乐器，在电子琴的制作和调试过程中，通过与被仿乐器的频谱做精确的比对，可提高电子琴的仿真效果。同理，可通过频谱分析仪的协助来实现语言的仿真。,3）电子设备生产调测频谱分析仪可显示信号的各种频率成分及幅度，在生产、检测中常用于调测分频器、倍频器、混频器、频率合成器、放大器及各种电子设备整机等，测量其增益、谐波失真、相位噪声、杂波辐射等，如频谱分析仪是无线电通信设备整机检测的重要仪器。图8.17给出了发射机杂散辐射测量的示意图。,4）电磁干扰（EMI）的测量频谱分析仪是电磁干扰的测试、
16、诊断和故障检修中用途最广的一种工具。频谱分析仪对于一个电磁兼容（EMC）工程师来说就像一位数字电路设计工程师手中的逻辑分析仪一样重要。如在诊断电磁干扰源并指出辐射发射区域时，采用便携式频谱分析仪是很方便的。5）相位噪声的测量频谱分析仪还广泛用于信号源、振荡器、频率合成器输出信号相位噪声的测量。,图8.17 发射机杂波辐射的测量,8.4 谐波失真度测量,8.4.1 谐波失真度的定义对于纯电阻负载，则定义为全部谐波电压（或电流）有效值与基波电压（或电流）有效值之比，即式中,U1为基波电压有效值；U2，U3，,Un为各次谐波电压有效值；D0可简称为失真系数或失真度。,8.4.2 谐波失真度的测量方法
17、通常实际测量谐波电压的总有效值与被测信号总有效值之比D。D一般称为失真度测量值，而D0称为定义值。D0与D之间的关系为,基波抑制法失真度测量的原理如图8.18所示。,图8.18 基波抑制法失真度测量,思考题8,1.什么是频域测量？常包括哪些应用种类？2.频率特性的测试方法有哪几种？3.扫频仪主要由哪几部分电路组成？说明各部分电路的作用，并举例说明扫频仪的应用。4.频谱分析仪主要有哪几种？简述其工作原理？5.数字式频谱分析仪有何特点？采用数字中频的外差式频谱分析仪有什么特点？,6.举例说明频谱分析仪的应用。7.谐波失真的测量方法主要有哪几种？8.某放大器对一纯正弦波信号进行放大，对其输出信号进行频谱分析，观察到的频谱如图8.19所示，已知谱线间间隔恰好为基波频率，求该信号的失真度。,图8.19 题8图,
