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1、 1、线性电路幅频特性的测量 在测量技术分类中，频域测量占有重要地位，其中主要原因是线性电路对正弦激励的响应仍是正弦信号，只是与输入相比，其振幅和相位发生了变化，一般情况下都是频率的函数。我们已经知道，正弦稳态下的系统函数或传输函数N()就反映了该系统激励与响应间的关系式中 (或写成 )与 (或写成 )分别称为电路(系统)的幅频特性和相频特性.第1页/共90页（1）点频法测量幅频特性 所谓点频法，简单说就是“逐点”测量幅频特性或相频特性的方法，如图6.11(a)所示。图中ui(t)为正弦信号源，接于被测电路输入端，由低到高不断改变信号源频率，信号电压不应超过被测电路的线性工作范围，用测量仪器在
2、各个频率点上测出输出信号与输入信号的振幅比(幅频特性)和相位差(相频特性)。以f为横座标，以振幅比(或相位差)为纵座标，就可以逐点描绘出如图6.1l(b)所示的频率特性曲线。第2页/共90页图6.11 点频法测量系统的幅频特性第3页/共90页图6.11 点频法测量系统的幅频特性第4页/共90页 点频法原理简单，需要的设备也不复杂。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，非常容易遗漏掉某些特性突变点，而这常常是我们在测试和分析电路性能时非常关注的问题。另外当我们试图改变电路的结构或元件参数时，任何改变都必然导致重新逐点测量。如果能够在测试过程中，使信号源输出信号的频率按特定规律
3、自动连续并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就得到了被测电路的幅频特性曲线。这种快速直观的测量方法就是扫频法测量的基本思想，提供频率可自动连续变化的正弦波信号源，称为扫频信号源或扫频振荡器。第5页/共90页（2）扫频法测量频率特性 扫频法测量电路幅频特性的原理图示于图6.12中，在图(a)的原理框图中，除被测网络外，其余部分通常都安装于称为频率特性测试仪(也称扫频仪)的同一仪器中，扫频信号发生器实际上是频率可控的正弦振荡器，比如压控振荡器(VCO)，它的振荡 频率受扫描电压us控制。第6页/共90页图6.12 扫频法测量网络频率特性原理第7页/共90页图6.12 扫频法测
4、量网络频率特性原理第8页/共90页图6.12 扫频法测量网络频率特性原理第9页/共90页 若扫描电压为三角波(图(b)，则扫频信号发生器瞬时频率在扫描正程将随扫描电压的线性增加，由fmin线性地变到fmax，在回扫期间，又由fmax线性地变到fmin ，如此周期性反复，而扫描信号的幅度则始终保持不变。常用的扫描信号还有锯齿波和对数型波等。第10页/共90页 振幅不变而频率在一定范围内连续变化的正弦信号加到被测电路(例如调谐放大器)的输入端，由于调谐放大器的增益随频率而变，故其输出信号uo的振幅也将随频率而改变，uo的包络就反映了该放大器的幅频特性(图(d)，经峰值检波器检出输出信号的包络(图(
5、e)，将它送至示波管的垂直偏转系统，同时扫描信号us 加到示波管的水平系统作为扫描时基信号，由于扫频信号ui 的瞬时频率和水平扫描电压us的瞬时值一一对应，使得示波管的水平轴成为线性的频率坐标轴。这样在us和 的共同作用下，示波管荧光屏上就直接显示出该调谐放大器的幅频特性。第11页/共90页 和点频法相比，扫频法具有以下优点：可实现网络的频率特性的自动或半自动测量，特别是在进行电路调试时，人们可以一边调节电路中有关元件，一边观察荧光屏上频率特性曲线的变化，从而迅速地将电路性能调整到预定的要求.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的频
6、率点离散而遗漏掉细节的问题。点频法中是人工逐点改变输入信号的频率，速度慢，得到的是被测电路稳态情况下的频率特性曲线。扫频测量法是在一定扫描速度下获得被测电路的动态频率特性，而后者更符合被测电路的应用实际。第12页/共90页 2、扫频仪的基本构成 1扫频仪的基本方框图 图6.13中(a)是扫频仪原理框图，(b)是BT4型低频(200H22MH2)扫频仪框图。图(a)中几个主要部分的功能如下。时基系统产生一个扫描信号，由该信号控制一个可调谐的连续振荡源以产生频率随时间变化的正弦信号，频率变化的规律就取决于扫描信号，若扫描信号是锯齿波或三角波(这是最常用的情况)，则扫频规律就呈线性，或者说扫频振荡器
7、输出正弦信号的瞬时频率随时间线性增加或降低。有些场合也使用对数型扫描信号，则扫频规律就呈现对数性。第13页/共90页 扫频振荡器是扫频仪的主要部分，实际上它是一个调频振荡器，在时基系统产生的扫描信号(即调频的调制信号)作用下，产生频率随时间按一定规律变化的扫频振荡，并利用电平限制电路及自动幅度控制电路以确保输出振幅平稳的扫频信号，通过输出控制系统输出。时标系统用来产生频率标记(简称频标)信号，以便在示波管荧光屏上确定扫频信号发生器的瞬时频率和扫频宽度。扫频信号施加于被测网络输入端，输出响应经峰值检波，包络上 加上频标信号，就可在示波管荧光屏上的频率特性曲线上找到对应的频率。第14页/共90页图
8、6.13 扫频仪原理框图第15页/共90页图6.13 扫频仪原理框图第16页/共90页 2扫频振荡器的工作原理 实现扫频振荡的方法很多，常用的有磁调电感法、变容二极管法以及微波波段使用的返波管法、YIG（亿铁拓榴石）谐振法等。下面简单介绍前两种方法。(1)磁调电感法 磁调电感法原理图如图6.14，图(a)中L2、C谐振回路的谐振频率f0为：(1)第17页/共90页图6.14 磁调电感式扫频法原理第18页/共90页图6.14 磁调电感式扫频法原理第19页/共90页 式中L2为绕在高频磁芯MH上线圈的电感量，若能用时基系统产生的扫描信号改变L2，也就改变了谐振频率。由电磁学理论可知，带磁芯线圈的电
9、感量与磁芯的导磁系数 成正比。(2)式中L为空芯线圈的电感量。由于高频磁芯MH接在低频磁芯ML的磁路中，而绕在ML上的线圈中的电流是交流和直流两部分的扫描电流，如图(b)所示。当扫描电流随时间变化时，使得磁芯的有效导磁系数 也随着改变，再由式(1)、(2)可知，扫描电流的变化就导致了L2及谐振频率f0的变化，实现了“扫频”。第20页/共90页 (2)变容二极管法 由式(1)可知，如果能用扫描信号改变谐振电路中电容量C的大小，也能使谐振频率随之改变，变容二极管法扫频振荡器就是基于这一原理。图6.15是变容二极管特性曲线，这种二极管的特性可表示为：式中Cj0为变容二极管反向电压为零时的结电容，r为
10、电容变化系数，UD为PN结势垒电压，U为加到变容二极管两端的反向电压。(1)第21页/共90页 图6.15 变容二极管特性 因此，用扫描信号作为U，当U随时间变化时，电容C也随之改变，从而也就改变了谐振频率，获得了扫频信号。例如，若使用突变结的变容二极管，则r12，此时电容为：第22页/共90页*3、变容二极管第23页/共90页第24页/共90页变容二极管等效电路图表变容特性曲线第25页/共90页*4、电协调变容二极管 变容二极管有三种类型：参数变容二极管、功率变容二极管、电调谐变容二极管。在扫频仪中使用的是电调谐变容二极管。第26页/共90页 前面所叙述的仅是磁调电感法和变容二极管法产生扫频
11、振荡的最基本原理，实际扫频振荡器中还有许多其他电路，用以增大扫频振荡的频率复盖系数，改善扫频线性等。许多扫频仪中，还将扫频振荡器分成几个波段，用以扩大扫频范围，而在不同扫频波段，可能采用不同的扫频振荡方式，用手工切换或自动切换各个频段。第27页/共90页6.2 扫频仪工作原理 整机电路原理框图 它主要由扫频信号源和显示系统两大部分构成。第28页/共90页1、扫频信号源的构成及功能 扫频信号源由扫频单元、频标单元和衰减器三部分组成，在控制信号的作用下要求扫频信号源具有以下功能:能产生频率做线性变化的扫频信号；这个扫频信号的输出是等幅的，且具有一定的功率；扫频信号的频偏应尽可能大且中心频率可调；要
12、求扫频信号的线性度良好；能产生和扫频信号同步的频率标记；输出阻抗要恒定。第29页/共90页2、显示系统的构成及功能 对于显示系统而言，主要的要求有两点:(1)轨迹明亮而清晰;(2)在不失真的前提下要有足够高的增益。显示系统主要由斜波电压发生器，x，y 轴通道放大器及示波管等电路构成。第30页/共90页单元电路工作原理1.扫频单元第31页/共90页2、固定振荡器第32页/共90页3、扫频振荡器第33页/共90页4、混频器和低通滤波器第34页/共90页6.3 频标单元第35页/共90页1、单一频标产生的工作原理第36页/共90页2、产生多个频标的工作原理 以10MHz通用频标为例来说明获得多个频标
13、的工作原理：第37页/共90页10MHz频标第38页/共90页第39页/共90页3、频标单元电路分析 本电路包括四个部分：10MHz晶振、隔离放大器、波发生器及混频滤波电路。第40页/共90页6.4 Y通道单元第41页/共90页Y通道单元的具体要求为：有较高的输入阻抗;有较好的频率特性;要求有较小的漂移;第42页/共90页*6.5 操作使用 以BT-3GIII型频率特性测试仪为例来详细介绍扫频仪的使用方法。1、BT-3GIII型频率特性测试仪的面板布置第43页/共90页2、旋钮的名称与作用（1）显示器的旋钮与作用亮度：用来调节扫描线的亮度，顺时针调整，亮度最大，反之则扫描线最暗。聚焦：调整该旋
14、钮可使扫描线光滑清晰。水平校准：当扫描线不能和水平刻度线重合时，可加以调整。Y输入：通常接检波探头的输出端。对于含有内检波的四端网络，该网络的输出可直接加到Y输入。Y增益：用于调节输入信号的大小，以使得被测信号能直观地显示在屏幕上。第44页/共90页位移：通过旋钮的来回调节，可使整个扫描曲线上下移动。Y位移：通过旋钮的来回调节，可使整个扫描曲线上下移动。Y轴衰减选择挡：共分为*1、*10、*100三挡，应和Y 增益配合使用，通过不同挡的选择，可改变整个Y轴的增益与扫描曲线的高度。第45页/共90页（2）扫频信号源的旋钮与作用中心频率：调节该旋钮，可使需要的中心频率置于屏幕的中心位置。扫频宽度：
15、调节该旋钮，可得到合适的扫频带宽。输出衰减：输出衰减共分七挡，通过不同的组合，可得到不同的衰减量，它的设置可以改变扫频信号的输出幅度。扫频输出：扫频信号的输出端，通常接到被测四端网络的输入端。第46页/共90页（3）频标信号发生器的旋钮与作用频标选择频标幅度外接频标第47页/共90页3.使用方法（1）使用前的准备工作将检波探头推入自校准插座，并将自校准插头 接扫频输出插座，检波输出插头接Y输入。如图所示:第48页/共90页（2）频标识别将频标选择旋钮置于10/1位置，中心频率置于起始处，此时屏幕中出现不同于菱形频标的特殊标识，称作零拍。顺时针转动中心频率旋钮，会发现零拍及右边的大小频标逐渐左移
16、。其中幅度大的为10MHz频标，幅度小的为1MHz频标，如图（a）所示。第49页/共90页将频标选择旋钮置于50位置，扫频特性曲线如图（b）所示，在零拍右面的第一个频标为50MHz，第二个频标为100MHz，其余依次类推。（3）扫频宽度 不同的四端网络有着不同的频带，预置扫频宽度太窄，被测曲线在水平方向会很小；预置扫频宽度太宽，被测曲线在水平方向会很大。因此调节扫频宽度旋钮会得到合适的扫频宽度。第50页/共90页（4）中心频率读取 不同的四端网络除了有不同的频带之外，还有不同的中心频率，预置中心频率过高，被测曲线会在右面，预置中心频率过低，被测曲线会在左面。调节中心频率旋钮，使得中心频率在屏幕
17、中央，就可以对称地观察被测曲线。图示出了中心频率为20MHz扫频宽度为24MHz的校准曲线。需要说明的是，中心频率20MHz是在0拍右面的第2个大频标。第51页/共90页 *4、BT3型扫频仪 l.扫频仪的主要性能要求 扫频振荡器除应具有一般正弦振荡器所具有的工作特性外，还有下面几个主要的性能要求.(1)中心频率范围大且可连续调节。中心频率是指扫频信号从低频到高频之间中心位置的频率。不同测试对象对中心频率要求也不同。(2)扫频宽度(频宽)要宽且可任意调节。频偏是指扫频信号的瞬时频率与中心频率的差值。显然，频偏应能覆盖被测电路的通频带，以便测绘该电路完整的频率特性曲线。例如测试电视接收机中的图像
18、中频通道，要求频偏达5MHz，测试伴音中频频道时，频偏只需0.5MHz。第52页/共90页 (3)寄生调幅要小。理想的调频波应是等幅波，因为只有在扫频信号幅度保持恒定不变的情况下，被测电路输出信号的包络才能表征该电路的幅频特性曲线.(4)扫描线性度好。当扫频信号的频率和调制信号间成线性关系时，示波管的水平轴则变换成线性的频率轴，这时幅频特性曲线上的频率标尺将均匀分布，便于观察。在测试宽带放大器时若使用对数幅频特性，则要求扫频规律和扫频电压之间是对数关系。第53页/共90页 *5.BT3型频率特性测试仪(扫频仪)BT3型扫频仪主要用来测试宽带放大器、雷达接收机的高频放大器、电视接收机各通道频率特
19、性，也可用于鉴频器测试，是一种较为典型的频率特性测试仪，其框图如图6.56所示，主要由扫频信号发生器、频标发生器、显示器及电源等四部分组成。面板图示于图6.57。第54页/共90页*图6.56 BT3扫频仪原理框图第55页/共90页*图6.57 BT3面板图第56页/共90页 BT3型扫频仪的主要技术性能：中心频率：在1300MHz内可任意调节，分1 75MHz，75上50MHz，1 50300MHz三个波段；扫频频偏：最大频偏7.5MHz；扫频信号输出：输出电压0.1V(有效值)，输出阻抗75；寄生调幅系数：最大频偏时7.5；调频非线性系数：最大频偏时5MHz；将低阻检波器和自校准插座分别接
20、Y输入和扫频输出插座，调整Y增益使得扫描曲线为5大格，并记下此值。第59页/共90页（3）扫频仪与单调谐回路的连接方法：注意：检波器为高阻检波器，扫频输出为带鳄鱼夹的高频电缆。第60页/共90页（4）调节输出衰减为47dB，单调谐回路的幅频特性曲线:该单调谐回路的增益为47dB，即放大量为100余倍。第61页/共90页2、双谐调回路的扫频测量步骤如下：双谐调回路原理图：第62页/共90页扫频仪各旋钮预置如实例1；扫频仪与双谐调回路的连接方法与实例1相同；调整输出衰减为50dB，被测双谐调回路的幅频特性曲线如图：第63页/共90页3、相位鉴频器的扫频测量第64页/共90页相位鉴频器的特性曲线第6
21、5页/共90页4、利用扫频仪测量振荡器的振荡频率5、用扫频仪测量无源的高通滤波器高通滤波器电路原理图第66页/共90页1频道高通滤波器特性曲线第67页/共90页6、主要技术指标扫频范围：1300MHz；扫频宽度：100MHz;扫频非线性：+-5%；输出电压：0.5V(3.33mW)+-10%;输出平坦度：+-0.25dB;输出衰减：070dB,1dB步进；输出阻抗：75欧；频率标记：50MHz、10MHz/1MHz复合及外接三种，外接频标灵敏度优于300mV；显示部分垂直灵敏度：优于20mV(峰-峰）/cm;显示屏幕有效尺寸：100mm*80mm。第68页/共90页*6.7 频谱分析仪工作原理
22、时域和频域的关系第69页/共90页常见电信号波形图与频谱图的对应关系第70页/共90页 表中纯正弦波，只显示一条谱线，f0=1/T，线高等于正弦波的幅值；方波含有1,3,5.奇次谐波；三角波与梯形波也含有1,3,5.奇次谐波，但各分量的幅值与方波不同；而锯齿波含有1,2,3.各次谐波，按自然数排列。这些均可通过傅里叶级数求出。第71页/共90页频谱分析仪的分类 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谱分析仪两大类。实时频谱分析仪按工作原理又可分为多通道（信道）滤波式、时基压缩式、扫频超外差式、相关存储滤波式、快速傅里叶变换（FFT）式等。第72页/共90页1、FFT型实时频谱仪第7
23、3页/共90页2、扫频超外差式频谱仪第74页/共90页信号频谱测量1、调幅信号分析（1）扫频法第75页/共90页（2）时域法第76页/共90页（3）FFT频域法第77页/共90页（4）调幅（AM）信号测量方法的选择第78页/共90页2、调频信号分析 调频信号的频谱是由无限边带组成的，然而在窄带调频情况下，只有两个主要的边带，它们的幅度相对于载波幅度为:第79页/共90页(1)扫频频域法 (2)贝塞尔(Bessel)零点法第80页/共90页(3)哈伯雷(Haberly)法第81页/共90页(4)斜率检波解调法 斜率检波解调法是将频谱仪设置在零扫宽的位置上(SPAN=0Hz)，利用中频滤波器的斜率
24、来解调信号的。如果信号正好处于频谱仪中心频率处，即中频信号位于中频滤波器中心处，显示信号就变成一根直线，幅度上没有变化。如果调节频谱仪中心频率，使得信号位于中频滤波器的斜边上，任何频率变化就变为幅度变化，因此得到解调波形。这种方法对测量非正弦调制(如噪声、音频、数字调制)的峰值频偏是非常重要的。第82页/共90页(5)调频(FM)信号测量方法的选择第83页/共90页3、脉冲调制信号分析(1)窄带测量第84页/共90页(2)宽带测量第85页/共90页4、复合信号频谱分析第86页/共90页技术性能指标(1)频率分辨率(2)显示平均噪声电平(3)视频滤波器和视频平均(4)动态范围(5)检波器与检波方式(6)噪声边带(7)假响应(8)剩余响应(9)多重响应(10)交调失真(11)增益压缩(12)冲击带宽(13)预选器第87页/共90页操作使用要点1、选型依据2、使用要点(1)电源要求(2)静电防护(3)对输入信号的要求(4)更换电池(5)地址设置(6)其他说明第88页/共90页第89页/共90页感谢您的观看！第90页/共90页