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1、中职 电子测量仪器（第4版）项目十五电子课件 （高教版）项目十五 频谱分析仪知识链接一 信号频谱分析的基本概念知识链接二 外差式频谱分析仪的组成和基本工作原理知识链接三 频谱分析仪的应用知识目标知识目标理解信号频谱分析的基本概念；掌握扫频外差频谱仪的工作原理。掌握扫频外差频谱仪的使用方法；了解扫频外差频谱仪的应用。能力目标能力目标信号的频谱分析包括对信号本身的频率特性分析，如对幅度谱、相位谱、能量谱、功率谱等进行测量，从而获得信号在不同频率上的幅度、相位、功率等信息；还包括对线性系统非线性失真的测量，如测量噪声、失真度、调制度等。频谱分析仪就是使用不同方法在频域内对信号的电压、功率、频率等参数
2、进行测量并显示的仪器。频谱分析一般有:FFT分析（实时分析）法有扫频式、差频式（或外差式）两种。外差式分析是频谱仪最常用方法。非实时分析法知识链接一知识链接一 信号频谱分析的基本概信号频谱分析的基本概念念广义上，信号频谱是指组成信号的全部频率分量的总集，频谱测量就是在频域内测量信号的各频率分量，以获得信号的多种参数。狭义上，在一般的频谱测量中常将随频率变化的幅度谱称为频谱。任意一个时域信号都可以被分解为一系列不同频率、不同相位、不同幅度的正弦波的组合。在已知信号幅度谱的条件下，可以通过计算获得频域内的其它参量。对信号进行频域分析就是通过研究频谱来研究信号本身的特性。任何一个周期函数fT（t）可
3、展开为傅立叶级数的形式：周期信号被分解为直流分量、基波分量及各次谐波分量，各频率分量的振幅大小、相位变化取决于信号波形。信号的功率量密度谱简称功率谱，表示单位频带内的功率。一个复杂的周期信号f T(t)的组成及频谱。图15-1 一个复杂的周期信号的组成及频谱频谱分析是解决以下测试问题不可缺少的方法：定量分析放大器的失真；测量A/D变换器的信噪比；定性分析和比较滤波器的特性；分析天线辐射方向图；找出淹没在噪声中的微弱信号；例如在放大器测试中，将几个纯正的正弦波加于放大器，测出放大器的输出信号，并对其进行频谱分析，就可以知道在一定的频率范围内，放大器对信号的“失真程度”。思考与练习思考与练习1什么
4、是频谱分析？知识链接二知识链接二 外差式频谱分析仪的组外差式频谱分析仪的组成和基本工作原理成和基本工作原理一、工作原理一、工作原理现以一个具体的例子来说明扫频外差频谱仪的工作原理。设被测信号是载频为700kHz的标准调幅波，按理论分析它应有3根谱线(699kHz，700kHz，701kHz），如图15-2所示。图15-2调幅波及其频谱图 图15-3 扫频外差式频谱仪的基本原理框图外差式频谱仪的原理：扫频本振与被测信号混频后，使信号的各频谱分量依次移入窄带滤波器，检波放大后与扫描时基线同时加至示波管的Y、X偏转板，信号的频谱图显示在屏幕上。其要点是移频滤波。二、二、BP-1型频谱仪型频谱仪图15
5、-4 BP-1型频谱仪原理框图（1）多级变频选择性的通频带 谐振回路的Q值提高较困难，故欲使f减小，主要措施是降低信号频率f，因此要通过多次变频将被测信号的频谱搬移到较低的中频上，这样窄带滤彼器才容易实现。图15-5 BP-1各点波形图（2）多级放大 在多级变频的同时，实际上信号也是经各级中频放大的，其主要目的是要提高频谱仪的灵敏度，以便能测量微弱信号的频谱。BP-1的灵敏度为120mV。（3）对数放大 检波后的视频放大器通常串入对数放大器，其目的是防止被测信号较强时使放大器饱和，提高抗过载能力，使频谱仪输入信号具有较大的动态范围，可以同时显示大小信号的频谱。（4）磁偏转光栅显示 BP-1型频
6、谱仪没有采用静电偏转式示波管，而是采用黑白电视机中的磁偏转光栅显示9寸显像管，以获得较大显示屏幕。思考与练习思考与练习2简述扫频外差式频谱仪的工作原理。知识链接三知识链接三 频谱分析仪的应用频谱分析仪的应用频谱分析仪是一种综合性的、多功能的信号特性测试仪器。它不但广泛地用于电子科学技术的各个领域，同时在声学、光学、振动等科学技术中也是必不可少的测试设备。如果配上跟踪发生器，频谱分析仪不但能进行信号分析，还能测试各种线性和非线性电路。频谱仪主要应用:正弦信号的频谱纯度调制信号的频谱非正弦波的频谱激励源响应的测量放大器的性能测试噪声频谱的分析。电磁干扰的测量一、正弦信号的测量一、正弦信号的测量一般
7、的频谱仪不能测量正弦信号的相位，但能测定它的幅度和频率。(1)(1)测量幅度测量幅度 用频谱仪测量正弦信号的相对电平一般有如下3种方法。1）直接法2）射频替代法3）中频替代法(2)(2)直接法测量频率直接法测量频率(3)(3)频谱纯度（寄生频率分量和噪声）的测定频谱纯度（寄生频率分量和噪声）的测定 寄生调幅系数ma、寄生调频系数mf分别为:式中，Us为有用信号幅度，U为寄生信号幅度。当要测试某正弦信号的频谱纯度时，可按照频谱纯度定义进行测量与计算：式中，Us为信号幅度，Un为高次谐波及干扰噪声的幅度。二、调幅信号的测量二、调幅信号的测量已调幅信号的幅度随着调制信号瞬时值的变化而变化，单音调制的
8、已调幅信号为：单音调制的已调幅信号包含有3个频率分量:一个是载波，另外两个对称分布在载波两侧，称为边带分量。边带分量的幅度正好是调制信号幅度的一半UM，边带分量与载波分量的频率差正好是调制频率。图15-7 已调幅信号的频谱图例如fm=1kHz，dB=26dB，则调制频率为1kHz，调幅系数ma=10%。三、调频信号的测量三、调频信号的测量（1）扫频频域法调频信号的频谱是由无限边带组成，在窄带调频情况下，只有两个主要边带，它们的幅度相对于载波幅度为：式中：dBc边带第一根谱线与载波幅度差；mf 调制指数；fpeak最大调频频偏；fm 调制频率例如，窄带调频信号频谱图如图15-8所示，图中得到：f
9、m=1kHz，dBc=-40dB，则：图15-8 窄带调频信号频谱图（2）Haberly方法图15-9 Haberly法测量宽带调频 可按下列步骤计算宽带调频参数：寻找三个邻近边带，其幅度随距载波愈远而依次减小。频谱仪设置对数方式，用电压单位。从离开载波算起确定N值。图15-9（b）测得的结果为:思考与练习思考与练习21、单音调制时调幅信号在频谱仪上看到的频谱如图15-10所示。设谱线间隔恰为单音信号频率，求调制度m=？图 15-10 2、图15-11所示为一调频波的频谱，谱线间隔恰为调制频率。已知当忽略小于载频幅度10%的边频分量时，通频带宽度为B=2(1+mf)F，mf为调频指数，F为调制信号频率。求该调频波的调频指数及频偏f。图15-11