第10章线性系统频率特性测量和网络分析.doc

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1、第10章．线性系统频率特性测量和网络分析由线性系统频域分析发展起来的频域测量技术在线性系统测量中具有特殊意义。频域中有两个基本测量问题：信号的频谱分析、线性系统频率特性的测量。如前所述，频谱分析仪可以完成对信号本身的分析以及非线性失真测量；对线性系统的频率特性测量和实现是本章将讲述的内容。10.1线性系统频率特性测量频率响应是指线性网络对正弦输入信号的稳态响应，也称为频率特性。网络的频率特性通常都是复函数，它的绝对值代表着频率特性中的幅度随频率变化的规律，称为幅频特性；相角或相位表征了网络的相移随频率变化的规律，称为相频特性。线性网络的频率特性

2、测量包括幅频特性测量和相频特性测量。10.1.1幅频特性测量线性系统频率特性的基本测量方法取决于加到被测系统的测试信号。经典方法是以正弦波点频测量为基础，这种静态的测量方法费时且不完整，常常会漏掉频率特性的突变信息或一些细节。与之对应的是正弦波扫频测量，这是一种动态测量。后来又发展到采用伪随机信号进行广谱快速测量，或者采用多频测量，即用具有素数关系的多个离散频率的正弦波集合作为测试信号的快速频率特性测量方法。目前仍以正弦扫频测量为线性系统频率特性的经典测量方法。1.点频测量法为了测试各种无源器件，需要信号源对测量电路提供能源或激励信号。测试要求

3、信号源的频率必须能够在一定范围内调谐或选择。早期的频率信号源主要靠机械方式实现频率调节，即通过改变振荡部分的谐振回路机械尺寸来调节。这种机械式频率调谐信号源都是按照“点频”方式工作的，也就是每次只能将频率度盘放置到某一位置，输出某一所需的单一频率连续波信号。对应的频率特性测量方法即为“点频测量”：测量元器件在一定频段内的特性曲线时，必须将信号源的频率依次设置调谐到各指定频点上，并分别测出各点上的参数之后，才能将各点数据连成完整的曲线。点频测量方法很简单，但它存在明显的缺陷。首先，点频测量所得的频率特性是静态的，无法反映信号的连续变化。当涉及的频

4、带较宽、频点较多时，这种测量法显然极其繁琐、费时、工作效率低。同时，测量频点选择的疏密程度不同对测量结果有很大的影响，特别是对某些特性曲线的锐变部分以及个别失常点，可能会因为频点选择不当或不足而漏掉这些点的测量结果。2.扫频测量法为了提高点频测量的工作效率，我们希望频率源输出能够在测量所需的范围内连续扫描，以便连续测出各点频率上的频率特性结果并立即显示特性曲线，这样的方式就是扫频测量。扫频测量法能够快速、直观地测量网络的频率特性。具体实现是用一个在一定频率范围内、随时间按照一定规律反复扫动的正弦信号作为扫频信号，代替点频法中的固定频率信号对被测

5、网络进行快速动态扫描测量。由于扫频信号的频率是连续变化的，因此扫频测量显示出的频率特性可反映在一定扫频速度条件下被测网络的实际频率特性，是动态频率特性；所得被测网络的频率特性曲线是完整的，不会出现漏掉细节的问题。按照显示原理的不同，扫频测量结果有两种图示方法：光点扫描式和光栅增辉式。如图10-1所示，为测量动态幅频特性曲线的光点扫描式显示法。扫描电压发生器一方面为示波器的X轴提供扫描信号，另一方面控制扫频振荡器的频率，使之按扫描规律产生由低到高周期性变化的扫频信号输出。该扫频信号加到被测电路上，电路输出电压被峰值检波器检波，图10-1电路幅频

6、特性的扫频测量法从而得到输出电压随频率变化的规律，即幅频特性。当然，扫频测量也存在问题。任何系统对加到输入端的信号都需要一定的响应建立时间，如果输入的扫频信号频率变化太快以至于系统输出尚未得到完全响应，那么对每个频率的响应幅度就会出现不足，即扫频测量所得的幅度小于点频测量的幅度，扫速越快这种不足越明显。另外，由于电路中LC元件的惰性使幅度峰值有所偏差，产生了频率偏离。1.两种测量方法的比较点频、扫频两种测量方法的对比如下：l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。l动态特性曲线峰值出现的水平位置（频

7、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。l当静态特性曲线呈对称状时，随着扫频速度加快，动态特性曲线明显出现不对称性，并向频率变化的方向一侧倾斜。l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。综上所述，测量系统的动态特性必须采用扫频法；而为了得到静态特性，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。10.1.2扫频测量与扫频源扫频测量的内容十分广泛，频谱测量、幅频特性测量、相频特性测量、非线性系数测量、阻抗和驻波比测量等频率特性测量都可以包括在内。能够进行扫频测量的仪器有

8、两大类：不带显示的扫频信号输出装置，即扫频信号源或扫频信号发生器；带显示的频率特性测量仪器称为扫频仪。根据大多数国家习惯使用的是扫频信号源。能产生扫频