第4章 线性系统频率特性测量和网络分析

第4章线性系统频率特性测量和网络分析1引言：频域中的两个基本测量问题：信号的频谱分析，线性系统的频率特性分析。信号的频谱分析由频谱分析仪完成；线性系统频率特性的测量由网络分析仪完成线性网络正弦信号稳态响应H(jω)：频率响应或频率特性幅度|H(jω)|：幅频特性相位φ(ω)：相频特性第4章线性系统频率特性测量和网络分析2图8.1信号的三维特性频率频域电压时域时间第4章线性系统频率特性测量和网络分析34.2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。第4章线性系统频率特性测量和网络分析4（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4章线性系统频率特性测量和网络分析54.2.1线性系统频率特性测量1.幅频特性测量1)点频测量法——线性系统频率特性的经典测量法每次只能将加到被测线性系统的信号源的频率调节到某一个频点。依次设置调谐到各指定频点上，分别测出各点处的参数，再将各点数据连成完整的曲线，从而得到频率特性测量结果。所得频率特性是静态的，无法反映信号的连续变化；测量频点的选择对测量结果有很大影响，特别对某些特性曲线的锐变部分以及失常点，可能会因频点选择不当或不足而漏掉这些测量结果。第4章线性系统频率特性测量和网络分析64.2.1线性系统频率特性测量1.幅频特性测量2)幅频特性扫频测量法频率源的输出能够在测量所需的范围内连续扫描，因此可以连续测出各频率点上的频率特性结果并立即显示特性曲线。优点：扫频信号的频率连续变化，扫频测量所得的频率特性是动态频率特性，也不会漏掉细节。不足：如果输入的扫频信号频率变化速度快于系统输出响应时间，则频率的响应幅度会出现不足，扫频测量所得幅度小于点频测量的幅度；电路中LC元件的惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会产生频率偏离。第4章线性系统频率特性测量和网络分析7静、动态测量曲线Uout11—静态2—动态fO2小结：测量系统动态特性，必须用扫频法；为了得到静态特性，必须选择极慢的扫频速度以得到近似的静态特性曲线，或采用点频法。第4章线性系统频率特性测量和网络分析81.幅频特性测量3)两种幅频特性测量法的比较扫频测量所得的动态特性曲线峰值低于点频测量所得的静态特性曲线。扫频速度越快，下降越多；动态特性曲线峰值出现的水平位置（频率）相对于静态特性曲线有所偏离，并向频率变化的方向移动。扫频速度越快，偏离越大；当静态特性曲线对称时，随着扫频速度加快，动态特性曲线明显出现不对称，并向频率变化的方向一侧倾斜；动态特性曲线较平缓，其3dB带宽大于静态特性曲线的3dB带宽；小结：测量系统动态特性，必须用扫频法；为了得到静态特性，必须选择极慢的扫频速度以得到近似的静态特性曲线，或采用点频法。第4章线性系统频率特性测量和网络分析93)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)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。第4章线性系统频率特性测量和网络分析102.扫频测量与扫频源1)扫频源的基本工作原理能产生扫频输出信号的频率源称为扫频信号发生器或扫频信号源，简称扫频源。它既可作为独立的测量用信号发生器，又可作为频率特性测量类仪器的前端。典型的扫频源应具备下列三方面功能：（1）产生扫频信号（通常是等幅正弦波）；（2）产生同步输出的扫描信号，可以是三角波、正弦波或锯齿波等；（3）产生同步输出的频率标志，可以是等频率间隔的通用频标、专用于某项测试的专用频标及活动频标。扫描信号发生器放大器稳幅ALC低通滤波器宽带放大器输出衰减器频标产生电路混频器本振f0频标输出扫描输出X轴扫频输出取样检波器扫频振荡器f1~f2第4章线性系统频率特性测量和网络分析114.2.31.基本工作原理对扫频信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。第4章线性系统频率特性测量和网络分析12扫频仪的简要原理框图扫频信号发生器被测电路峰值检波器Y轴放大器X轴放大器扫描电压发生器u3u4u5u1u2tttt扫频信号发生电路的振荡频率受扫描电压u2所调制。第4章线性系统频率特性测量和网络分析13混频法拓展扫频仪至更高的工作频率扫描信号发生器调频信号发生器混频器低通滤波器扫频信号输出高频信号发生器f2f1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第4章线性系统频率特性测量和网络分析142.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，一次扫频能达到的最大频率范围，Δf=fmax-fmin式中,Δf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。第4章线性系统频率特性测量和网络分析15而把Δf/f0称为相对扫频宽度，通常把Δf远小于信号瞬时频率值的扫频信号称为窄带扫频，把Δf可以和信号瞬时频率相比拟的扫频信号称为宽带扫频。2minmax0fffminmaxminmax02ffffff第4章线性系统频率特性测量和网络分析162）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，3）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，式中，A、B表示扫频信号的最大和最小幅度。minmax)/()/(dudfdudfk%100BABAm第4章线性系统频率特性测量和网络分析173.1）按用途划分，扫频仪可分为通用扫频仪、专用扫频仪、宽带扫频仪、阻抗图示仪、2）按频率划分，扫频仪可分为低频扫频仪、高频扫第4章线性系统频率特性测量和网络分析18幅频特性的测量检波探头被测电路扫频仪输出输入4.扫频仪的应用1）电路幅频特性的测量第4章线性系统频率特性测量和网络分析19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4章线性系统频率特性测量和网络分析202）(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；第4章线性系统频率特性测量和网络分析21扫频仪测量带宽ABABfLfH(a)(b)第4章线性系统频率特性测量和网络分析22(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。LHfffBWfQ00第4章线性系统频率特性测量和网络分析232.扫频测量与扫频源3)获得扫频信号的方法变容二极管电调扫频：常见于射频至微波段。实现简单、输出功率适中、扫频速度较快；扫频宽度小，在宽带扫频时线性差，需额外进行扫频线性补偿。CD=C0/[1+(v/Ψ)]nCD为加上反偏电压后的结电容，C0零偏电容，v反偏电压，Ψ势垒电压（硅管0.7V左右),n为0.3到0.5,结电容几十皮法数量级。YIG（钇铁石榴石）电调扫频：常用于产生GHz以上频段的信号，利用下变频可实现宽带扫频。可覆盖高达10倍频程的频率范围，扫频线性好、损耗低、稳定性好。晶体谐振频率（MHz）：f=0.0112H0,H0为晶体外置磁场强度。合成扫频源：实际上是一种自动跳频的连续波工作方式，频率不完全连续变化，输出频率准确。如：DDS、PLL第4章线性系统频率特性测量和网络分析243.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。正弦波发生器被测电路相位计参考信号第4章线性系统频率特性测量和网络分析253.相频特性测量相位测量同样可采用点频或扫频法以获得相频特性曲线1)双稳型鉴相器也称双稳型鉴相器，是模拟式相位计。采用“过零时间法”实现相位差测量，即测量两个同频信号波形的同向过零点之间的时间间隔并与被测信号周期相比，从而得到相位差值。ΔΨ=(ΔT/T)*3600=(I/Im)*3600方波形成方波形成QQSRA微分微分限幅限幅双稳态触发器_Iu1u2aa'bb'cc'QC2C1第4章线性系统频率特性测量和网络分析263.相频特性测量2)数字式相位计相位-时间变换型：将两个信号的相位差转换成时间差，再用计数器测量该时间间隔；瞬时值型数字相位计属于相位-时间变换型。若计数门的计数值为N，则相位差的计算式为:相位-电压变换型：将相位差转换成相应的电压值，用数字电压表完成测量。通道1通道2门控电路主计数门标准脉冲发生器十进制计数器显示器ΔTu1u2fSoSxoxNffTT360360若计数门的计数值为N，则相位差的计算式为:第4章线性系统频率特性测量和网络分析273.相频特性测量3)矢量电压表矢量电压表是一种能同时测量信号幅度和相位的测量仪器，本质上属于矢量网络分析仪。其相位差测量范围为-180o~+180o。图中预先经过60o、-120o的相移是为了在零点平时Q与/Q对称，输出为0带通滤波器+60o移相器自动相位控制VCO参考本振电压表方波发生电路触发脉冲形成相位显示双稳态触发型相位计触发脉冲形成方波发生电路带通滤波器中频输出2中频输出1取样头1u1取样头2u2相位调零取样脉冲发生器-120o移相器Q2Q1C2C1第4章线性系统频率特性测量和网络分析284.2.2网络分析的基本概念网络——对实际物理电路和元件进行的数学抽象，主要研究外部特性。网络分析——在感兴趣的频率范围内，通过线性激励-响应测试确定元件的幅频特性和相频特性的过程。网络分析仪——通过正弦扫频测量获得线性网络的传递函数以及阻抗函数的仪器。频谱测量表征电路单元的信号特性，而网络测量表征电路单元组成的系统特性。第4章线性系统频率特性测量和网络分析29作业P.1485,8