1、電子測量儀器 （第3版） 電子教案,主 編 肖曉萍,中等職業(yè)教育國家規(guī)劃教材（電子電器應用與維修專業(yè)）,項目十五 頻譜分析儀,知識鏈接一 信號頻譜分析的基本概念 思考與練習1 知識鏈接二 外差式頻譜分析儀的組成和基本工作原理 思考與練習2 知識鏈接三 頻譜分析儀的應用 思考與練習2,知識目標,理解信號頻譜分析的基本概念； 掌握掃頻外差頻譜儀的工作原理。,掌握掃頻外差頻譜儀的使用方法； 了解掃頻外差頻譜儀的應用。,能力目標,信號的頻譜分析包括對信號本身的頻率特性分析，如對幅度譜、相位譜、能量譜、功率譜等進行測量，從而獲得信號在不同頻率上的幅度、相位、功率等信息；還包括對線性系統(tǒng)非線性失真的測量，

2、如測量噪聲、失真度、調(diào)制度等。 頻譜分析儀就是使用不同方法在頻域內(nèi)對信號的電壓、功率、頻率等參數(shù)進行測量并顯示的儀器。 頻譜分析一般有: FFT分析（實時分析）法 有掃頻式、差頻式（或外差式）兩種。外差式分析是頻譜儀最常用方法。 非實時分析法,知識鏈接一 信號頻譜分析的基本概念,廣義上，信號頻譜是指組成信號的全部頻率分量的總集，頻譜測量就是在頻域內(nèi)測量信號的各頻率分量，以獲得信號的多種參數(shù)。 狹義上，在一般的頻譜測量中常將隨頻率變化的幅度譜稱為頻譜。 任意一個時域信號都可以被分解為一系列不同頻率、不同相位、不同幅度的正弦波的組合。在已知信號幅度譜的條件下，可以通過計算獲得頻域內(nèi)的其它參量。 對

3、信號進行頻域分析就是通過研究頻譜來研究信號本身的特性。,任何一個周期函數(shù)fT（t）可展開為傅立葉級數(shù)的形式：,周期信號被分解為直流分量、基波分量及各次諧波分量，各頻率分量的振幅大小、相位變化取決于信號波形。 信號的功率量密度譜簡稱功率譜，表示單位頻帶內(nèi)的功率。,一個復雜的周期信號f T(t)的組成及頻譜。,圖15-1 一個復雜的周期信號的組成及頻譜,頻譜分析是解決以下測試問題不可缺少的方法： 定量分析放大器的失真； 測量A/D變換器的信噪比； 定性分析和比較濾波器的特性； 分析天線輻射方向圖； 找出淹沒在噪聲中的微弱信號； 例如在放大器測試中，將幾個純正的正弦波加于放大器，測出放大器的輸出信號

4、，并對其進行頻譜分析，就可以知道在一定的頻率范圍內(nèi)，放大器對信號的“失真程度”。,思考與練習1,什么是頻譜分析？,知識鏈接二 外差式頻譜分析儀的組成和基本工作原理,一、工作原理 現(xiàn)以一個具體的例子來說明掃頻外差頻譜儀的工作原理。設被測信號是載頻為700kHz的標準調(diào)幅波，按理論分析它應有3根譜線(699kHz，700kHz，701kHz），如圖15-2所示。,圖15-2調(diào)幅波及其頻譜圖,圖15-3 掃頻外差式頻譜儀的基本原理框圖,外差式頻譜儀的原理：掃頻本振與被測信號混頻后，使信號的各頻譜分量依次移入窄帶濾波器，檢波放大后與掃描時基線同時加至示波管的Y、X偏轉(zhuǎn)板，信號的頻譜圖顯示在屏幕上。其要

5、點是移頻濾波。,二、BP-1型頻譜儀,圖15-4 BP-1型頻譜儀原理框圖,（1）多級變頻 選擇性的通頻帶,諧振回路的Q值提高較困難，故欲使f減小，主要措施是降低信號頻率f，因此要通過多次變頻將被測信號的頻譜搬移到較低的中頻上，這樣窄帶濾彼器才容易實現(xiàn)。,圖15-5 BP-1各點波形圖,（2）多級放大 在多級變頻的同時，實際上信號也是經(jīng)各級中頻放大的，其主要目的是要提高頻譜儀的靈敏度，以便能測量微弱信號的頻譜。BP-1的靈敏度為120mV。 （3）對數(shù)放大 檢波后的視頻放大器通常串入對數(shù)放大器，其目的是防止被測信號較強時使放大器飽和，提高抗過載能力，使頻譜儀輸入信號具有較大的動態(tài)范圍，可以同時

6、顯示大小信號的頻譜。 （4）磁偏轉(zhuǎn)光柵顯示 BP-1型頻譜儀沒有采用靜電偏轉(zhuǎn)式示波管，而是采用黑白電視機中的磁偏轉(zhuǎn)光柵顯示9寸顯像管，以獲得較大顯示屏幕。,思考與練習2,簡述掃頻外差式頻譜儀的工作原理。,知識鏈接三 頻譜分析儀的應用,頻譜分析儀是一種綜合性的、多功能的信號特性測試儀器。 它不但廣泛地用于電子科學技術(shù)的各個領域，同時在聲學、光學、振動等科學技術(shù)中也是必不可少的測試設備。 如果配上跟蹤發(fā)生器，頻譜分析儀不但能進行信號分析，還能測試各種線性和非線性電路。,頻譜儀主要應用:,正弦信號的頻譜純度 調(diào)制信號的頻譜 非正弦波的頻譜 激勵源響應的測量 放大器的性能測試 噪聲頻譜的分析。 電磁干

7、擾的測量,一、正弦信號的測量 一般的頻譜儀不能測量正弦信號的相位，但能測定它的幅度和頻率。 (1)測量幅度 用頻譜儀測量正弦信號的相對電平一般有如下3種方法。 1）直接法 2）射頻替代法 3）中頻替代法 (2) 直接法測量頻率 (3)頻譜純度（寄生頻率分量和噪聲）的測定,寄生調(diào)幅系數(shù)ma、寄生調(diào)頻系數(shù)mf分別為:,式中，Us為有用信號幅度，U為寄生信號幅度。 當要測試某正弦信號的頻譜純度時，可按照頻譜純度 定義進行測量與計算：,式中，Us為信號幅度，Un為高次諧波及干擾噪聲 的幅度。,二、調(diào)幅信號的測量 已調(diào)幅信號的幅度隨著調(diào)制信號瞬時值的變化而變化，單音調(diào)制的已調(diào)幅信號為：,單音調(diào)制的已調(diào)幅

8、信號包含有3個頻率分量:一個是載波，另外兩個對稱分布在載波兩側(cè)，稱為邊帶分量。邊帶分量的幅度正好是調(diào)制信號幅度的一半UM，邊帶分量與載波分量的頻率差正好是調(diào)制頻率。,圖15-7 已調(diào)幅信號的頻譜圖,例如fm=1kHz，dB=26dB，則調(diào)制頻率為1kHz，調(diào)幅系數(shù)ma=10%。,三、調(diào)頻信號的測量 （1）掃頻頻域法 調(diào)頻信號的頻譜是由無限邊帶組成，在窄帶調(diào)頻情況下，只有兩個主要邊帶，它們的幅度相對于載波幅度為：,式中：dBc邊帶第一根譜線與載波幅度差； mf 調(diào)制指數(shù)； fpeak最大調(diào)頻頻偏； fm 調(diào)制頻率,例如，窄帶調(diào)頻信號頻譜圖如圖15-8所示，圖中得到：fm=1kHz，dBc =-40dB，則：,圖15-8 窄帶調(diào)頻信號頻譜圖,（2）Haberly方法,圖15-9 Haberly法測量寬帶調(diào)頻,可按下列步驟計算寬帶調(diào)頻參數(shù)： 尋找三個鄰近邊帶，其幅度隨距載波愈遠而依次減小。 頻譜儀設置對數(shù)方式，用電壓單位。 從離開載波算起確定N值。,圖15-9（b）測得的結(jié)果為:,思考與練習2,1、單音調(diào)制時調(diào)幅信號在頻譜儀上看到的頻譜如圖15-10所示。設譜線