頻譜分析儀是如何工作的？資料下載

本文的目的是為您提供關(guān)于頻譜儀或信號(hào)分析儀的基本概述。您或許想要進(jìn)一步了解與頻譜分析相關(guān)的更多其他話題，您可訪問(wèn)頻譜分析儀網(wǎng)頁(yè)。這里將重點(diǎn)介紹頻譜分析儀工作的基本原理。雖然今天的技術(shù)使得現(xiàn)代數(shù)字實(shí)現(xiàn)替代許多模擬電路成為可能，但是從經(jīng)典的頻譜分析儀結(jié)構(gòu)開(kāi)始了解仍然非常有好處。今后我們還將探討數(shù)字電路賦予頻譜儀的功能及優(yōu)勢(shì)，以及討論現(xiàn)代頻譜儀中所使用的數(shù)字架構(gòu)。 圖 2-1 是一個(gè)超外差頻譜儀的簡(jiǎn)化框圖。“外差”是指混頻，即對(duì)頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而“超”則是指超音頻頻率或高于音頻的頻率范圍。從圖中我們看到，輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)一個(gè)衰減器，再經(jīng)低通濾波器（稍后會(huì)看到為何在此處放置濾波器）到達(dá)混頻器，然后與來(lái)自本振（LO）的信號(hào)相混頻。 圖 2-1. 典型超外差頻譜分析儀的結(jié)構(gòu)框圖 由于混頻器是非線性器件，其輸出除了包含兩個(gè)原始信號(hào)之外，還包含它們的諧波以及原始信號(hào)與其諧波的和信號(hào)與差信號(hào)。若任何一個(gè)混頻信號(hào)落在中頻（IF）濾波器的通帶內(nèi)，它都會(huì)被進(jìn)一步處理（被放大并可能按對(duì)數(shù)壓縮）。基本的處理過(guò)程有包絡(luò)檢波、低通濾波器進(jìn)行濾波以及顯示。斜波發(fā)生器在屏幕上產(chǎn)生從左到右的水平移動(dòng)，同時(shí)它還對(duì)本振進(jìn)行調(diào)諧，使本振頻率的變化與斜波電壓成正比。 如果您熟悉接收普通調(diào)幅（AM）廣播信號(hào)的超外差調(diào)幅收音機(jī)，您一定會(huì)發(fā)現(xiàn)它的結(jié)構(gòu)與圖 2-1 所示框圖極為相似。差別在于頻譜分析儀的輸出是屏幕而不是揚(yáng)聲器，且其本振調(diào)諧是電子調(diào)諧而不是靠前面板旋鈕調(diào)諧。 既然頻譜分析儀的輸出是屏幕上的 X-Y 跡線，那么讓我們來(lái)看看從中能獲得什么信息。顯示被映射在由 10 個(gè)水平網(wǎng)格和 10 個(gè)垂直網(wǎng)格組成的標(biāo)度盤上。橫軸表示頻率，其標(biāo)度值從左到右線性增加。頻率設(shè)置通常分為兩步：先通過(guò)中心頻率控制將頻率調(diào)節(jié)到標(biāo)度盤的中心線上，然后通過(guò)頻率掃寬控制再調(diào)節(jié)橫跨 10 個(gè)網(wǎng)格的頻率范圍（掃寬）。這兩個(gè)控制是相互獨(dú)立的，所以改變中心頻率時(shí)，掃寬并不改變。還有，我們可以采用設(shè)置起始頻率和終止頻率的方式來(lái)代替設(shè)置中心頻率和掃寬的方式。不管是哪種情況，我們都能確定任意被顯示信號(hào)的絕對(duì)頻率和任何兩個(gè)信號(hào)之間的相對(duì)頻率差。 縱軸標(biāo)度按幅度大小劃分。可以選用以電壓定標(biāo)的線性標(biāo)度或以分貝（dB）定標(biāo)的對(duì)數(shù)標(biāo)度。對(duì)數(shù)標(biāo)度比線性標(biāo)度更經(jīng)常使用，因?yàn)樗芊从吵龈蟮臄?shù)值范圍。對(duì)數(shù)標(biāo)度能同時(shí)顯示幅度相差 70 至 100 dB（電壓比為 3200 至 100,000 或功率比為 10,000,000 至 10,000,000,000）的信號(hào)，而線性標(biāo)度則只能用于幅度差不大于 20 至 30 dB（電壓比 10 至 32）的信號(hào)。在這兩種情況下，我們都會(huì)運(yùn)用校準(zhǔn)技術(shù)1給出標(biāo)度盤上最高一行的電平即基準(zhǔn)電平的絕對(duì)值，并根據(jù)每個(gè)小格所對(duì)應(yīng)的比例來(lái)確定標(biāo)度盤上其他位置的值。這樣，我們既能測(cè)量信號(hào)的絕對(duì)值，也能測(cè)量任意兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)幅度差。 屏幕上會(huì)注釋出頻率和幅度的標(biāo)度值。圖 2-2 是一個(gè)典型的頻譜分析儀的顯示。 圖 2-2. 參數(shù)已設(shè)定的典型頻譜分析儀顯示圖 現(xiàn)在讓我們將注意力再回到圖 2-1 中所顯示的頻譜分析儀元器件。 射頻衰減器 分析儀的第一部分是射頻衰減器。它的作用是保證信號(hào)在輸入混頻器時(shí)處在合適的電平上，從而防止發(fā)生過(guò)載、增益壓縮和失真。由于衰減器是頻譜儀的一種保護(hù)電路，所以它通常是基于基準(zhǔn)電平值而自動(dòng)設(shè)置，不過(guò)也能以 10 dB、5 dB、2 dB 甚至 1 dB 的步進(jìn)來(lái)手動(dòng)選擇衰減值。圖 2-3 所示是一個(gè)以 2 dB 為步進(jìn)量、最大衰減值為 70 dB 的衰減器電路的例子。 其中隔直電容是用來(lái)防止分析儀因直流信號(hào)或信號(hào)的直流偏置而被損壞，不過(guò)它會(huì)對(duì)低頻信號(hào)產(chǎn)生衰減，并使一些頻譜儀的最低可用起始頻率增加至 9 kHz、100 kHz 或 10 MHz。 在有些分析儀中，可以像圖 2-3 那樣連接一個(gè)幅度基準(zhǔn)信號(hào)，它提供了一個(gè)有精確頻率和幅度的信號(hào)，用于分析儀周期性的自我校準(zhǔn)。