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电子测量与仪表 主讲：黎恒、夏祖学、邓琥 E_mail：lih778@163.com E_mail：zuxue_xia@sohu.com
西南科技大学网络教育系列课程 电子测量与仪表 主讲：黎恒、夏祖学、邓琥
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第6章 频域测量 6.1 频率特性测试仪工作原理 6.2 操作使用 6.3 扫频仪的应用 6.4 频谱仪
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第6章 频域测量 学习参考：频域测量仪器包括扫频仪、频谱仪等仪器， 主要用于测量频率特性曲线、频谱特性曲线，也是常用 测试仪器之一。要求通过学习掌握仪器的基本组成与原 理、了解它们的使用。 本章要点：扫频仪、频谱仪的组成原理与性能指标及应 用
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第6章 频域测量 频率特性测试仪简称为扫频仪，是一种能在示波器荧光屏上直接观测到各种电路频率特性曲线等的频域测量仪器，由此可以测算出被测电路频带宽度、品质因数、电压增益、输入输出阻抗及传输线特性阻抗等参数。扫频仪与示波器的区别在于前者能够自身提供测试时所需要的信号源，并将测试结果以曲线形式显示在荧光屏上。
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6.1 频率特性测试仪工作原理 6.1.1 扫频仪工作原理 扫频仪实质上是扫频信号源与示波器X-Y方式的结合。其组成框图及工作波形如图1所示。 X放大器 扫描信号源 扫频信号源 被测电路 检波探头 Y放大器 频标信号 形成电路 混频器 晶振 u2 u1 u3 u4 u5 t (b) (a) 图1 扫频仪组成框图及工作波形
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6.1.1 扫频仪工作原理 扫频信号源，即频率受控振荡器，在扫描信号u1控制下产生扫频信号u3。 扫描信号源产生的扫描信号u1、扫频起停控制信号u2分别是扫频信号源的频率控制信号及停振控制信号，u1还是示波器的水平扫描信号。 当扫频信号u3为锯齿波电压时，由于正程扫描速度慢，回程扫描速度快，使得扫描正程、扫描回程得到的波形不重合而无法观测，如图2(a)所示。 正程 回程 u(f) f (a) (b) 图2 扫频仪扫描正程和扫描逆程的不重合
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6.1.1 扫频仪工作原理 当扫频信号u3为正弦波电压号，u3在扫描回程时停振，使显示出的波形为被测波形和用作水平轴的水平回扫线的组合，如图2(b)所示。 检波探头用于解调出经过被测电路的扫频信号的振幅（包络）变化情况，得到被测电路的幅频特性曲线。 频标形成电路用于产生进行频率标度的频标信号，以便读出各点对应的频率值。 正程 回程 u(f) f (a) (b) 图2 扫频仪扫描正程和扫描逆程的不重合
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6.1.2 产生扫频信号的方法 产生扫频信号的方法很多，比较常用的是变容二极管扫频。图3为变容二极管扫频振荡器原理图，其中VT1组成电容三点式振荡器，变容二极管VD1、VD2与L1、L2及VT1的结电容组成振荡回路，C1为隔直电容，L3为高频扼流圈。 L1 L2 R1 R2 C1 VD1 VD2 L3 R3 VT1 +EC 调制信号 扫频信号 图3 变容二极管扫频振荡器原理图
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6.1.2 产生扫频信号的方法 调制信号经L3同时加至变容管VD1、VD2的两端，当调制电压随时间作周期性变化时，VD1、VD2结电容的容量也随之变化，从而使振荡器产生扫频信号。 L1 L2 R1 R2 C1 VD1 VD2 L3 R3 VT1 +EC 调制信号 扫频信号 图3 变容二极管扫频振荡器原理图
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6.1.3 变容二极管 变容二极管：又称“可变电抗二极管”。是一种利用PN结电容（势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。反偏电压愈大，则结电容愈小。主要参量是：零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围（以皮法为单位）以及截止频率等，对于不同用途，应选用不同C和Vr特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。
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6.1.3 变容二极管 用于自动频率控制和调谐用的小功率二极管称变容二极管。通过施加反向电压， 使其PN结的静电容量发生变化。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向偏置电压Vr变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。
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6.1.4 频标产生电路 扫频仪采用在幅频特性曲线上叠加频标的方法进行频率标度，包括菱形频标和针形频标两种，一般由差频电路产生。 1. 菱形频标 图4(a)为菱形频标产生原理图，它对扫频信号与标准信号的基波、谐波进行混频而得到“零差频”的菱形频标，如图4(b)所示。设标准信号频率为fs，则谐波信号源输出信号频率为基波fs及各次谐波fs1、fs2、fs3、fs4、fs5、…。扫频信号与谐波信号源输出信号经混频器混频后，再经低通滤波输出差频信号，由此得到一系列零差点。
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6.1.4 频标产生电路 图4 菱形频标产生原理 标准信号源 谐波信号源 扫频信号源 被测电路 检波探头 频标 混频 低通滤波 Y 放 大
器 (b) (a) 图4 菱形频标产生原理 fS fS1、fS2、fS3、fS4、fS5 fS1 fS2 fS3 fS4 fS5
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6.1.4 频标产生电路 例如在f=fs1处差频为零，而f在fs1点附近差频越来越大，由于低通滤波器的选通性，在靠近零差点的幅度最大，两边信号幅度迅速衰减，于是在f=fs1处形成“菱形频标”。同理，在f=fs2、f=fs3……处也形成菱形频标。菱形频标与幅频特性曲线叠加便出现图4(b)所示的图形，配合标准信号源可读出频标的频率值。
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6.1.4 频标产生电路 菱形频标是由低通滤波器对差频信号的选择性而形成的，其选择性不可能无限高，故菱形频标总要占有一定的宽度，只有在特性曲线上占有的宽度相对较窄时，才能形成相对很细的可分辨的频标，否则频标相互靠近、连接、甚至局部叠加，难以确定频率值。故菱形频标适于高频测量。 BT-3C型频率特性测试仪采用差频法产生菱形频标，为了提高频标的准确度，采用频率分别为1MHz和10MHz的晶体振荡器产生菱形频标。
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6.1.4 频标产生电路 2. 针形频标 在低频扫频仪中常用针形频标，其产生方法与菱形频标相似。利用菱形差频信号触发单稳触发器，使之输出一个窄脉冲，窄脉冲经整形后再与幅频特性曲线在Y放大器中叠加，最后出现在幅频特性曲线上。窄脉冲的宽度可由单稳触发器调节得很窄，所以产生的频标形似细针，称之为针形频标，适用于低频测量。例如，BT-4型低频频率特性测试仪即采用针形频标。
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6.2 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
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6.2 操作使用 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。
6.2 操作使用 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。
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6.2 操作使用 2、旋钮的名称与作用 (1)显示器的旋钮与作用 位移：通过旋钮的来回调节，可使整个扫描曲线上下移动。
6.2 操作使用 2、旋钮的名称与作用 (1)显示器的旋钮与作用 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。
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6.2 操作使用 2、旋钮的名称与作用 (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。
6.2 操作使用 2、旋钮的名称与作用 (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：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。
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6.2 操作使用 2、旋钮的名称与作用 (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
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6.2 操作使用 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5所示: 图5 检波探头的连接
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6.2 操作使用 3.使用方法 (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0拍及右面的大小频标逐渐左移。其中幅度大的为10MHz频标，幅度小的为1MHz频标。 将频标选择旋钮置于50位置，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。
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6.2 操作使用 3.使用方法 (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。
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6.2 操作使用 3.使用方法 (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中央，就可以对称地观察被测曲线。
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6.3 扫频仪的应用 扫频仪的应用很广泛，尤其在无线电、电视、雷达及通信等领域内的应用更加普遍。BT-3C型扫频仪的应用举例如下：
1.电路幅频特性的测量 按图6所示连接扫频仪与被测电路，并根据被测电路的工作频率及测试条件，调节扫频仪面板上有关开关旋钮，如“中心频率”、“输出衰减”等，则可在荧光屏上获得被测电路的幅频特性曲线。
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6.3 扫频仪的应用 BT-3C型扫频仪的输出特性阻抗为75Ω，如果被测电路的输入阻抗也为75Ω，可以用同轴电缆将扫频信号输出端连接到被测电路输入端。否则，应当在两者之间加阻抗匹配电路。 2.电路参数的测量 根据显示的幅频特性曲线 可以得出各种电路参数，电路 连接如图6所示。 被测 电路 图6 扫频仪与被测电路的连接 扫频输出 Y轴输入
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6.3 扫频仪的应用 (1)增益 调节好幅频特性后，用粗、细调衰减器控制扫频信号电压幅度，使其符合电路要求的输入信号幅度，注意衰减器的总衰减量应不大于放大器设计的总增益。若显示器的幅频高度为H，输出衰减为B1(dB)，将检波探头与扫频输出端短接，改变“输出衰减”，使幅频高度仍为H，此时输出衰减的读数若为B2(dB)，则该放大器增益为： A=(B2—B1) (dB) 应当注意，在得到衰减量B1读数后，应保持扫频仪的“Y轴增益”旋钮位置不变，否则，测量结构不准确。
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6.3 扫频仪的应用 (2)带宽 对于宽带电路，可以直接用扫频仪的内频标，方便地显示和读出频率特性曲线的宽度，为了更准确地测量，有时也使用外频标。对于窄带调谐电路，可以由图形曲线看出谐振频率f0，如图7所示。使扫频仪输出衰减置于3dB处，调整Y增益，使图形峰点与屏幕上某一水平刻度线(虚线AA′)相切，然后使扫频信号输 出电压增加3dB，则曲线与虚线AA′相交， 两交点所对应频率即为上下频率fH、fL。 则带宽为： BW=fH－fL A A′ fL f0 fH 图7 单调谐回路带宽的测量
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6.3 扫频仪的应用 3.高频阻抗的测量 扫频仪还可以测量电路的输入、输出阻抗及电缆特性阻抗，但测量精确度不很高，但使用方便，操作简单。
(1)输入阻抗和输出阻抗的测量 按图8(a)所示进行连接，图中RP1、RP2为无感电阻。 测量时，先将RP1短路、RP2断开，调节扫频仪面板上的有关开关旋钮，使屏幕显示的幅频特性曲线的高度为A格，如图8(b)所示。撤去RP1上的短路线，调节RP1直至荧光屏显示的曲线高度为A/2格，则RP1的电阻即为被测电路的输入电阻。
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6.3 扫频仪的应用 Y轴 输入 扫频 输出 RP1 RP2 被测 网络 图8 测量输入、输出电阻的连接示意图 A A/2 （b） （a） 将RP1重新短路，使曲线高度仍为A格，接通RP2并调节其值直至曲线高度为A/2格，则RP2的电阻值即为被测电路的输出阻抗。 应当注意，当被测电路含有选频回路时，荧光屏上显示的曲线将不可能是一条平坦直线，这时可在曲线上选取一个参考点来测量，但所得的阻抗值是对该频率而言的。
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6.3 扫频仪的应用 (2)传输线特性阻抗的测量 按图9所示进行连接。传输线的一端接可变电阻器，另一端于扫频输出电缆、检波探头并接。
Y轴输入扫频输出RP被测传输线图9测量传输线特性阻抗的连接示意图 测量时，调节可变电阻RP直至荧光屏上显示的波形为一平坦直线，此时RP的电阻值即为传输线的特性阻抗。 Y轴输入 扫频输出 RP 被测传输线 图9 测量传输线特性阻抗的连接示意图
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6.4 频谱仪 观察某一个信号特性的最普遍方法是用示波器来显示波形，它能够将被测信号的波形显示在荧光屏上，并对信号的幅度、频率等进行时域分析，但不能显示出构成非正弦信号频率分量的情况。频谱仪即频谱分析仪，能够将构成非正弦波信号的基波与各次谐波的频率及幅度显示在荧光屏上，从而得到非正弦波的频谱图，从中得到时域观测所不能得到的独特信息。频谱仪除应用于信号的频谱分析外，还用于放大器的谐波失真、信号发生器的频谱纯度以及系统的频率特性分析等。
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6.4 频谱仪 频谱仪按其工作原理分为数字式和模拟式两大类，目前应用比较普遍的是模拟式频谱仪。模拟式频谱仪分为顺序滤波式、扫频滤波式、扫频外差式等，主要用于射频段和微波频段。数字式频谱仪主要用于低频段和超低频段。本节重点讨论扫频外差式频谱仪。
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6.4.1 频谱仪的组成及工作原理 模拟式频谱仪的最简单原理是利用一系列窄带滤波器，依次选取被测信号中不同频率的信号，并借助于扫描信号，将不同频率信号的幅度并排显示在荧光屏上，得到被测信号的频谱图，该方式为顺序滤波式，原理框图如图10所示。 顺序滤波式频谱仪需要采用大量高稳定度的窄带滤波器，因仪器造价较高而较少采用。使用比较普遍的是扫频外差式频谱仪。
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6.4.1 频谱仪的组成及工作原理 窄带滤波器 门电路 检波器 …… Y放 大器 扫描电路 X放 ux fx 图10 顺序滤波式频谱仪原理图
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6.4.1 频谱仪的组成及工作原理 扫频外差式频谱仪的工作原理如图11(a)所示。所谓“扫频外差式”包括外差和扫频两个含意。
“外差”即本振信号（即扫频振荡信号）与被测信号经混频器差频产生固定中频信号，因此仪器只要采用一个窄带滤波器即可，而中频放大器则起到窄带滤波器的作用。 混频器 中频放大器 Y放 大器 扫频振荡器 锯齿波扫描电路 X放 (a) (b) ui fx 图11 扫频外差式频谱仪组成框图 检波
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6.4.1 频谱仪的组成及工作原理 “扫频”即本振信号频率是连续改变的。在本振频率扫频时，本振频率和被测信号顺序差频得到中频，即相当于选取一系列被测信号的频率分量。 例如，假设中频频率为6MHz、本振频率从9MHz扫频到13MHz，若被测信号包括3、4、5、6、7MHz五个频率成分，当本振频率为9MHz时与3MHz被测信号频率差频得到第一个6MHz信号；本振频率扫到10MHz时和4MHz的被测信号差频得到第二个6MHz信号。依此类推，将顺序得到第三、四、五个中频。
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6.4.1 频谱仪的组成及工作原理 可见被测信号在一定频率范围内，有一个频率分量就有一个中频输出，中频信号经检波器解调出各自的振幅，经过放大后加到Y偏转板，得到相应频率成分的幅度值，该幅度值与对应频率信号的幅度成正比。加到X偏转板的锯齿波扫描电压就是本振扫频振荡器的调制电压，因而水平轴变为频率轴，这样荧光屏上就显示出了被测信号的频谱图。由于窄带滤波器存在一定的带宽，故显示的频谱线并非理想的直线，而是一排窄带滤波器的动态幅频特性曲线，如图11(b)所示。
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6.4.1 频谱仪的组成及工作原理 频谱仪的实际构成要比图11(a)复杂得多，主要体现在以下几个方面：首先为了获得较高的灵敏度而采用多次变频的方法，以便在几个中频频率上进行电压放大提高灵敏度，如果在一个中频上增加放大器级数来提高灵敏度，则很容易引起振荡，而且多次变频还可以提高频率分辨力。其次采用输入衰减器来扩大量程和提高输入阻抗。再者采用频标信号以便直接读出频率值。然后为了使幅值坐标“对数化”（取对数），还应在Y通道的检波器和Y放大器之间接入对数放大器。对数放大是指输出信号的幅度是输入信号幅度的对数，即压缩谱线幅度，使得在荧光屏有效高度范围内得到大的动态范围。
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6.4.2 频谱仪的使用 在频谱仪面板上“扫频宽度”、“频率标记”、“频带宽度”都是可调的。应根据被测信号频谱的特性合理地选择使用有关的旋钮。 (1)扫频宽度的选择：扫频宽度是根据被测信号的频谱宽度来选择的。例如要分析一个调幅波，则扫频宽度应大于2fm（fm为最大音频调制频率），若要观测是否存在二次谐波的调制边带，则应大于4fm。 (2)带宽的选择：静态分辨力Bq越高（数值越小），要求扫频宽度越窄，反之，变宽。为了使Bq与扫频宽度相适应，可参考表5-1进行选择。一般来说，宽带扫频可选Bq=150Hz，而窄带扫频可选Bq=6Hz。
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6.4.2 频谱仪的使用 表1 频谱仪静态分辨力的参考范围 扫频宽度 5～30kHz 1.5～10kHz ＜2kHz 静态分辨力 150Hz 30Hz 6Hz (3)扫频速度的选择 当扫频宽度与静态分辨力选定后，扫频速度的选择以获得较高的动态分辨力为准则。同时还应合理地处理它与分析时间的矛盾，因为在扫频宽度一定时，扫频速度的选择实际上就是分析时间的选择。分析时间越长，即扫频速度越慢，则动态分辨力越接近静态分辨力。当动、静态分辨力相等时，动态分辨力最高，但分析时间长。一般可按下列经验式选择：
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6.4.2 频谱仪的使用 vs≤Bq2 式中，vs为扫频速度，单位为Hz/s；Bq为静态分辨力，单位为Hz。
现代频谱仪通常装有微处理器，可根据输入信号，自动设置最佳分析带宽、分析时间等参数，无需人工调节，实现自动操作，并具有高的准确度和高分辨力。
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6.4.2 频谱仪的应用 频谱仪是一种多功能的测量仪器，可用来测量信号电平、谐波失真、调制系数、频率稳定度、频谱纯度。用于查找干扰的实例如下： 1.测量发射机的辐射型杂波辐射 无线发射机的辐射型杂波辐射是指用标准信号作为调制信号，发射机除载波和由调制信号决定的边带以外离散频率的辐射，它对接收机，尤其对于接收带宽过大的接收机将造成严重的影响。
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6.4.2 频谱仪的应用 2.测量接收机的杂波辐射 接收机的杂波辐射是指由接收机引起的辐射。杂波辐射电平包括：
①杂波辐射在天线端的功率电平。 ②由机箱和设备结构屏蔽不良引起的辐射，即机箱辐射。
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6.5 本章小结 本章主要介绍了频域测量及仪器的组成与工作原理。
(1)扫频仪是一种能直接观测被测电路幅频特性曲线的仪器，可以用来测量被测电路带宽、品质因数等参数，主要由扫描信号源、扫频信号源、频标电路和示波器(X-Y方式)等组成。 (2)扫频仪的频标分为菱形频标和针形频标，用于进行频率标度，一般利用差频电路产生，二者分别适于高频、低频测量。 (3)频谱仪是信号频域分析的重要工具。频谱仪除用于信号的频谱分析外，还用于分析放大器的谐波失真、信号发生器的频谱纯度以及系统的频率特性等。
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6.5 本章小结 (4)频谱仪按其工作原理分为数字式和模拟式两大类。最常用的是扫频外差式模拟频谱仪，包括外差和扫频两个含意。
(5)频谱仪的技术指标包括：频率范围、扫频宽度、频率分辨力、动态范围及灵敏度。频率分辨力包括动态分辨力和静态分辨力，前者低于后者。 (6)频谱仪面板设置的扫频宽度、频率标记、频带宽度等旋钮都是可调的，应根据被测信号频谱的特性合理选择旋钮的位置。
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