电子测量技术-频域测量

第7章频域测量7.1扫频仪（简介）7.2扫频仪工作原理7.3频标单元7.4Y通道单元7.5操作使用7.6测试实例7.9频谱分析仪工作原理7.1扫频仪（简介）扫频仪又称频率特性测试仪。可用来测定调频放大器、宽频放大器、各种滤波器，以及其他有源或无源网络的频率特性。在示波管显示图形的水平方向为被测信号的频率，垂直方向为被测信号的幅度，其频率特性是连续变化的。扫频仪在电子测量中很重要。7.1.1(术语)频率特性测量1、点频测量法（手动）（2）列表fi(MHz)2.324.326.327.328.329.3210.3212.3214.32VO(V)0.570.821.422.102.512.101.420.820.57VO(V)0.51.01.52.00fi(MHz)8.32fo（4）特点①测量次数多②测量时间长③能反映相邻点频率突变的情况④若改变一个元器件参数，又要重测一次。所以点频测量法只适合要求不高的场合。（1）调信号发生器的频率，用电压表或示波器测被测电路输出端的电压。信号发生器Y1Y2示波器被测电路（3）作图7.1扫频仪简介2、扫频测量法（自动）7.1.1频率特性测量被测电路VCO锯齿波发生器Y1Y2示波器fV框图中三部分是扫频仪重要部件（4）特点：①实现半自动快速测量②可边测边调以达规定指标③可迅速判断元器件对频率特性的影响④反映的频率特性全面无间隙⑤配合其他设备可对产品进行监控。（3）操作示波器面板可看到被测电路的频率特性曲线。X(Y1)方向（锯齿波电压V与频率F成正比）为频率轴。（2）将示波器置于X–Y模式，其中（1）用锯齿波电压控制VCO（压控振荡器）实现V/F变换，将点频法的手工调节频率改为自动调节。扫频信号发生器是扫频仪的重要部件，实质是V/F（电压/频率）转换器，将线性锯齿波电压转换成频率（如图所示），并将其作为被测电路的输入信号源。7.1.2扫频仪的关键部件VCOVt0ftf0VmaxVminfmaxfmin扫频波产生方法1、PN结电容7.1扫频仪简介tf0扫频波fminfmaxfmaxjQLCf1210特点：反压越大PN结越宽电容越小，反而亦之。TjUKC(=（7.1.1）nU1)—-常数内电场外电场常数频率范围minmax121121jjLCfLC二极管电容特性图7.1.6cUCmaxCmin+U–7.1.2扫频仪的关键部件等效0jjQLCCvV1、v为扫描信号，当仅有VQ时的电容为CjQ，其maxjCminjCjQLCf1210中心频率大当变容二极管置于LC振荡器调谐回路中（图7.1.7）时，产生扫频信号。2、电调谐变容二极管（扫频）在二极管两端加变化的反向电压，PN结的电容也会改变，进而改变振荡频率，产生扫频信号。图7.1.6(c)f0fminfmax图7.1.7二极管电容特性U+U–7.2扫频仪工作原理7.2.1基本组成主要部分组成：1、显示系统：由扫描电压发生器；X、Y轴放大器；示波管等组成（同示波器不赘述)。2、扫频信号源：由扫频信号发生器(受锯齿波控制的VCO)产生约200mV扫频信号，频标发生器(产生菱形的标志用于读取频率值)和衰减器(dB读数)等组成。第7章频域测量频标单元扫频输出Y输入图7.2.1扫频仪的原理框图及测试波形图7.2.2扫频单元工作原理框图固定①变容管组成的扫频发生器的频率为500800MHz②由三点式振荡器产生固定频率500MHz③扫频信号、固定信号经混频器、低通滤波器取其差频，产生0300MHz、200mV的扫频信号(经放大器)。④经7档070dB衰减后输出频偏为f=150MHz、幅度为20020010-3.5mV的扫频信号。1、扫频单元产生一个等幅的、失真小、频率随时间线性变化的电压。7.2.2单元电路工作原理7.2扫频仪工作原理2、固定振荡器固定beC3CVDC图7.2.3（b）等效电路三点式振荡条件：发射极具有两个同性电抗，基极和集电极具有两个异性电抗（简称射同它异）。)111(13cebeVDoscCCCCL振荡圆频率：振荡频率随变容二极管反向电压的大小而变。作用：产生扫频信号的中心频率，其频率约500MHz。图7.2.2扫频单元工作原理框图3、扫频振荡器固定图7.2.4（a）是利用结电容组成的电容三点式扫频振荡器。振荡频率受锯齿波电压的控制，可以产生f150MHz的频偏。图7.2.4（a）的等效电路beCceCVDC锯齿波电压自动电平控制电路用于引入负反馈，实现自动增益调整，使扫频信号幅度稳定。锯齿波电压发生器保证在调节扫频宽度时不引起中心频率变化。这样屏幕上的曲线只有宽度变化而中心位置基本不变。图7.2.2扫频单元工作原理框图作用：产生扫频信号，其频率范围为500800MHz。4、混频器和低通滤波器固定(LCR)大小将500MHz的固定频率和扫频(500800MHz)信号经过混频器、滤波器后取出它们的差频0300MHz作为扫频信号。图7.2.5（a）为二极管双平衡混频器。其二极管通断受固定频率控制。混频输出：tVRRiIsmDLIcos222式中RL为低通滤器的负载，RD为二极管导通电阻，I为两个频率之差。6.2.2单元电路工作原理图7.2.5混频器和滤波器(LCR)大小二极管双平衡混频器优点：组合频率少、动态范围大、两个信号间的串扰小（隔离度可达-40dB）等。缺点：混频增益小于1，理论上混频损耗为7dB，这可由后续放大器进行补偿，达到符合要求的扫频输出。固定5、衰减器扫频信号的最大输出电压（衰减0dB）约为200mV。为了便于测量网络的增益，用dB开关。经7档070dB衰减后输出频偏为f=150MHz、幅度为20020010-3.5mV的扫频信号。图7.3.2c7.3频标（频率标记）单元f010M镜像反射1、单一频标产生的原理扫频fs和固频fg经混频低通后取其差值。当fs中的fgh=fg时vo=0，当fgh渐近、渐远fg时vo有所下降（如图c）。c图信号经低通滤波和反相放大后产生接近菱形的频标。fghfsafgbtVtvgsomo)sin()(ttVkVtvgsgmsmosinsin)(fs扫频信号固频信号混频器低通-放大fgvoov第7章频域测量图7.3.3频标波形图d2、产生多个频标的原理fgfs2fg3fg4fg1fg2fg3fg4fgtf4fg3fg2fg1fg扫频特性tv图7.3.4(b)1fg2fg3fgNfgvofsfgNfg扫频信号10M晶振谐波发生器混频器低通频标放大器Y轴（N=1、2、）10M20M30M40M10M频标输出7.3频标单元图7.3.4（a）10M频标原理图7.3.5多频标10分频器谐波发生器混频器低通扫频信号10M晶振谐波发生器混频器低通频标放大器Y轴f050镜像反射100150200250300MHz当选择50MHz频标时，全屏显示的频标图形(图7.5.2b)当选择10/1MHz频标时，全屏显示的频标图形(图7.5.2a)f102030MHz0镜像反射频标选择50M晶振谐波发生器混频器低通7.3频标单元图7.3.1频标单元方框图7.4Y轴通道单元扫频信号被测网络检波前置放大Y偏转板末级放大频标发生器衰减器dB读数扫频仪是示波器功能的扩展，X、Y通道与示波器相似。Y轴特殊部分是：v(dB)f(MHz)00dB3dB300①有较高的输入阻抗：Y轴输入来自阻抗大于200K峰值检波器探头。③有较小的漂移：特别是电压漂移、温度漂移一定要小，否则影响扫频仪的稳定性能。②有较好的频率特性：扫频发生器输出信号在0300MHz范围内其伏频特性应该平坦。④有低噪声Y轴放大器：Y轴输入信号可能较低，所以Y轴放大器应是低噪声，否则扫描线变粗，影响读数。第7章频域测量图7.4.1Y通道框图7.5操作使用1、指标：(1)扫频范围:0300MHz;(2)扫频宽度:大于100MHz;(3)扫频输出电压:0.5V;(4)扫频输出衰减:7档170dB;(5)扫频输出阻抗:75;(6)Y轴减:1/10/100;(7)垂直灵敏度:20mV/div;(8)频标:50/1/10/外接三档。第7章频域测量2、扫频仪内外结构BT—3G频率特性测试仪Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/–AC/DC110100外1/1050频标幅度中心频率30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减检波探头被测电路2、扫频仪内外结构ft0dB1dB2dB3dB4dB10dB20dB30dB扫频发生器Y轴主放大器“扫频输出”“Y输入”110100X轴主放大器“Y衰减”频标发生器“扫频衰减”探头被测电路图7.5.1BT—3G频率特性测试仪Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/–AC/DC110100外1/1050频标幅度中心频率30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减1、测量前准备（8步）开机（“短键”）；调“Y位移”使扫描基线在“第1线”位；调“亮度”适当，调“聚焦”良好，调“线性”水平（右旋右低、左旋左低）；探头电缆短接“扫频输出”和“Y输入”，“Y衰减”在1，出现双线；调“Y增益”使上线在“第6线”位，此时2线间有5大格（定标%）;探头*7.6测试实例（10步）第7章频域测量图7.5.1BT—3G频率特性测试仪Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/–AC/DC110100外1/1050频标幅度中心频率30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减探头按内频标“1/10”键，上线叠有菱形频标，调“频标幅度”可改变频标大（顺时针）小（逆时针）；调“中心频率”，频标可右（顺时针）左（逆时针）移动，找到频标的缺口（有特殊标记），该标记为频率起点；调“扫频宽度”可改变频标的疏（顺时针）密（逆时针）程度，使其适中（能看到10个左右频标）。1、测量前准备（8步）012345678910MHz图7.5.12、测试实例（2步）1、单峰：前8步就绪后接入“被测电路”（若通频带不超过10MHz）即可显示附有频标的幅频特性（通常超过定标的5格，这是由于电路放大作用）；按“扫频衰减”键，使幅频特性降至定标时的5格，则被测电路的增益为“扫频衰减”量的代数和（图示增益AdB=20+10+4+3+2=39dB）。中心频率f0为峰点频率。7.6测试实例BT—3G频率特性测试仪Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/–AC/DC110100外1/1050频标幅度中心频率30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减012345678910MHz探头被测电路f0.5f0.5=9.5–6.7=2.8MHzAdB=39dBf0=8.2M图7.6.22、测量双（峰）特性时注意两点BT—3G频率特性测试仪Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/–AC/DC110100外1/1050频标幅度中心频率30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减探头被测电路11f010910.510.3510.7f0.5f0.70.25f0.7=0.6Mf0.5=10.85-10.15=0.7MHzAdB=44dBf0=10.5M②5格高度的认定：5格高度线上下的面积目测应基本相等，操作“扫频衰减”时要仔细些。①中心频率的认定：在特性曲线中设一垂线使垂线左右两边的面积目测相等，则垂线对应的频率为中心频率f0。若曲线基本对称，中心频率为凹点频率（该例）。二、测试实例图7.6.2图7.6.33、回路品质因数Q值的测量BT—3G频率特性测试仪Y增益Y位移亮度聚焦线性开关+/–AC/DC110100外1/1050频标幅度中心频率30dB20104321扫频宽度扫频输出Y输入外接频标Y衰减扫频衰减探头被测电路f