扫频仪的原理与分析
扫频仪的原理与分析
施蒙皎
(电信二班--[1**********])
摘要:在电子测量中,经常遇到对网络的阻抗特性和传输特性进行测量的问题,其中传输特性包括增益和衰减特性、幅频特性、相频特性等。用来测量前述特性的仪器我们称为频率特性测试仪,简称扫频仪。它为被测网络的调整,校准及故障的排除提供了极大的方便。 本文对扫频仪的原理进行介绍和分析。
关键词:电子测量;扫频仪;原理;
引言:随着科技全面的飞快发展,电测技术也跟随着快速发展,各种电子测量仪器的性能更新的更加完善。扫频仪是如今电子技术中的一种重要的电测仪器,在学校里的电子测量实验课中也接触到了这种仪器,但很多同学都只会照着步骤完成实验任务,却对仪器本身的工作原理和组成原理知之胜少。本文将就这一情况对扫频仪的原理进行阐述与分析。
1. 扫频仪的组成:主要由扫频信号源和显示系统两大部分组成。
扫频仪是在示波器X-Y 方式的基础上,增加扫描信号源、扫频信号源、检波探头等组成的 一般由扫频信号源、宽带放大器、锯齿波源、显示器设备、频标信号源、X 轴放大、Y 轴放大、面板键盘和输出电源等组成。
(1)扫频信号源的构成及功能:扫频信号源由扫频单元、频标单元和衰减器三部分组成,在控制信号的作用下要求扫频信号源具有的功能:
①能产生频率做线性变化的扫频信号;
②这个扫频信号的输出是等幅的,具有一定的功率;
③扫频信号的频偏应尽可能大且中心频率可调;
④要求扫频信号的线性度良好;
⑤能产生和扫频信号同步的频率标记;
⑥输出阻抗要恒定。
(2)显示系统的构成及功能:
构成:显示系统主要由斜波电压发生器,X,Y 轴通道发大气和示波器等组成。
功能:扫频信号加至被测的四端口网络,要想观察到被测四段口网络的幅频特性,必须借助于显示系统。显示系统为测试提供了一个良好的界面,借助于这个界面可以直接观察到被测电路的幅频特性曲线。显示系统主要要求:轨迹清晰明亮,在正常输出情况的前提下有足够高的增益。
2. 扫频仪的基本工作原理:扫描电压发生器产生的扫描电压同时加在扫频信号发生器和X 通道上,将扫频信号的变化程度与扫描电压的变化达到一致,使每个扫描点与扫频信号的输出能对应起来。因为光点偏移位置与X 通道上加的扫描电压有一定的比例关系,另外扫频信号的变化程度又能与扫描电压的变化达到一致,所以X 轴能成为频率坐标轴。 扫频仪将扫频信号加到被测的电路上,检波探头对被测电路进行检测,将检测后的信号送到示波器的Y 通道,此信号的幅度变化反映了所测电路的幅频特性,所以我们能在扫频仪上面直接观察到所测电路的幅频特性曲线。用所需的晶振信号和扫频信号混合能得到一个信号,该信号用来对标出X 轴代表的频率值。
3. 单元电路工作原理:
(1)扫频单元
扫频信号是由固频振荡和扫频振荡在混频器里经差频的方法获得的。之所以采用差频的方法是因为差频可使中心频率获得最大的覆盖比和有可能实现全频段扫频。混频器是个非线性的频率变换器件。混频器的输出包含两个混频信号及由它们的谐波所产生的频与差频频率分量,为了获得差频信号,必须由滤波器进行信号的提纯,因此混频后总是接有一个低通滤波器。低通滤波器输出的扫频信号有两个特点:一个是信号的幅度较小,二是扫频信号的高低端起伏较大。为了获得等幅的而且具有一定功率的扫频信号:必须借助宽带放大器放大,用来实现要求中的输出电平,之后经过衰减器后输出。强调,宽带放大器须自带自动稳幅电路,用来实现自动电压的控制。扫频振荡器通常采用变容二极管当作压控元件,因为变容二极管的c-u 特性曲线不是线性的,所以为了获得线性的,需要对加入的线性锯齿波进行校正。
(2)固定振荡器
由图可见VT1为振荡器,R4,R5,R6为其提供直流偏置,C1、C2为隔直电容,R1,R2,R3为变容二极管提供直流同路。有图可知这是一个经典的克拉泼振荡电路,等效电路如图b 所示。说明,参与振荡的电容有C3、Cbe 、Cce ;因为振荡电路中的分布电容、分布电感和晶体管的输入电路等都已经等效在振荡回路中。因此这种振荡器可以工作在频率较高的频段,而且振荡频率也相对而言来得稳定。VT1的基极直接接地,这有利于变容二极管基准0偏执的稳定,使扫频地段的频率稳定性有所提高。VD1、VD2为变容二极管,采用对接的方式是为了提高振荡频率的上限,并在一定程度上改善扫描线性。中心频率控制电压取自面板上的电位器,中心频率控制电压一经确定,固频振荡器就会产生固定频率的振荡信号。改变中心频率控制电压也就是改变变容二极管的偏压。固频振荡器的输出通过L4耦合到下一级。
3. 扫频振荡器
扫频振荡器的电路原理图如图。它与固频振荡器的不同点:通过穿心电容C11加上的是经过线性校正过的斜坡电压,穿心电容的结构是空心圆柱形的电容器,信号线穿过其中,一端接地,它的作用是旁路掉杂散的高频干扰信号。扫频振荡器工作在开关状态。波形如图所示;扫频振荡器的输出通过电感L9耦合到下一级。
4. 混频器和低通滤波器
混频器和低通滤波器的电路原理图如图。固频振荡器的输出通过L4感应到L5上,同时扫频振荡器的输出通过L9感应到L6上,这样参与混频的两路信号就同时加到了混频器
上。
混频器由二极管VD3~VD6,电位器RP7~RP8和电感L5所组成,这是一个典型的双平衡混频器。
VD3~VD6四个二极管均处于开关状态工作,在固频振荡电压的正半周时,二极管VD3与VD~6道童,VD4与VD5截止,这时,混频器相当于一个二极管反相型平衡混频器。在固频振荡器电压的负半周时,二极管VD4与VD5道童,VD3与VD6截止,这时,混频器也相当于一个二极管反相型平衡混频器。在混频器输出电流成分中,除了和频及差频成分外,大部分的非线性成分被进一步一直掉。
采用二极管平衡混频器的优点是:组合频率少,动态范围大,噪声小,固频振荡电压无反辐射,也就是防止了固频振荡电压通过混频器的极间电容所产生的辐射干扰。但是,这类混频器也有一个重要缺点,变频增益比1小。
低频滤波器由电容C8电感L7、L8和电阻R9组成。让混频信号通过,过滤高次斜波,低通滤波器的输出直接加到宽带稳幅放大器上。
结语:本文在介绍扫频仪原理时,对单元电路中的扫频单元、固定振荡器、扫频振荡器、混频器和低通滤波器进行了原理图的解剖与分析其各个重要元件在其中所体现的功能,方便于我们在学习中更好的对扫频仪的了解,在学习中,我们通常只注重于实验结果,确不会想要学习我们所使用的已经现成的仪器的原理。当我们对仪器原理有个大致的了解后,在使用它完成我们所要的结果时会更多的信息。
参考文献:
1. 林占江. 电子测量技术. 北京:电子工业出版社,2003年
2. 林占江,林放编著. 电子测量仪器原理与使用. 北京:电子工业出版社,2006年
3. 蒋焕文,孙续. 电子测量(第二版):中国计量出版社,1993年
4. 常新华 等主编. 电子测量仪器技术手册,电子工业出版社,1992年