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频谱分析仪原理

菜鸟
2017-09-22 09:15:08    评分

  本章将重点介绍频谱分析仪工作的基本 原理。虽然今天的技术使得现代数字实现 替代许多模拟电路成为可能,但是从经典 的频谱分析仪结构开始了解仍然非常有 好处。
    图 2-1 是一个超外差频谱分析仪的简化 框图。“外差”是指混频,即对频率进行 转换,而“超”则是指超音频频率或高于 音频的频率范围。从图中我们看到,输入 信号先经过一个衰减器,再经低通滤波器 (稍后会看到为何在此处放置滤波器)到 达混频器,然后与来自本振(LO)的信号 相混频。

gooxian-频谱分析仪的原理1


   由于混频器是非线性器件,其输出除了包含 两个原始信号之外,还包含它们的谐波以及 原始信号与其谐波的和信号与差信号。若任 何一个混频信号落在中频(IF)滤波器的通 带内,它都会被进一步处理(被放大并可能 按对数压缩)。基本的处理过程有包络检 波、低通滤波器进行滤波以及显示。斜波发 生器在屏幕上产生从左到右的水平移动,同 时它还对本振进行调谐,使本振频率的变 化与斜波电压成正比。
   如果您熟悉接收普通调幅(AM)广播信号 的超外差调幅收音机,您一定会发现它的结 构与图 2-1 所示框图极为相似。差别在于频 谱分析仪的输出是屏幕而不是扬声器,且 其本振调谐是电子调谐而不是靠前面板旋 钮调谐。
   既然频谱分析仪的输出是屏幕上的 X-Y 迹线,那么让我们来看看从中能获得什 么信息。显示被映射在由 10 个水平网格 和 10 个垂直网格组成的标度盘上。横 轴表示频率,其标度值从左到右线性增 加。频率设置通常分为两步:先通过中 心频率控制将频率调节到标度盘的中心 线上,然后通过频率扫宽控制再调节横 跨 10 个网格的频率范围(扫宽)。这两 个控制是相互独立的,所以改变中心频 率时,扫宽并不改变。还有,我们可以采 用设置起始频率和终止频率的方式来代 替设置中心频率和扫宽的方式。不管是 哪种情况,我们都能确定任意被显示信 号的绝对频率和任何两个信号之间的相 对频率差。
   纵轴标度按幅度大小划分。可以选用以电 压定标的线性标度或以分贝(dB)定标的 对数标度。对数标度比线性标度更经常 使用,因为它能反映出更大的数值范围。 对数标度能同时显示幅度相差 70 至 100 dB(电压比为 3200 至 100,000 或功率比 为 10,000,000 至 10,000,000,000)的信 号,而线性标度则只能用于幅度差不大于 20 至 30 dB(电压比 10 至 32)的信号。 在这两种情况下,我们都会运用校准技术 1给出标度盘上最高一行的电平即基准电 平的绝对值,并根据每个小格所对应的比 例来确定标度盘上其他位置的值。这样, 我们既能测量信号的绝对值,也能测量任 意两个信号的相对幅度差。
   屏幕上会注释出频率和幅度的标度值。图 2-2 是一个典型的频谱分析仪的显示。

gooxian-频谱分析仪2png

                频谱分析仪


   现在让我们将注意力再回到图 2-1 中所显 示的频谱分析仪元器件。
   其中隔直电容是用来防止分析仪因直流信 号或信号的直流偏置而被损坏,不过它会对 低频信号产生衰减,并使一些频谱仪的最 低可用起始频率增加至 9 kHz、100 kHz 或 10 MHz。 在有些分析仪中,可以像图 2-3 那样连接 一个幅度基准信号,它提供了一个有精确频 率和幅度的信号,用于分析仪周期性的自 我校准。

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