“高頻電子線路”課程是電子類和通信專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程以電路分析、模電和數(shù)電課程為基礎(chǔ)，具有一定的難度[1-4]。在理論課程講授過(guò)程中需要對(duì)各種信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，如在振幅調(diào)制部分需要分析AM、DSB、SSB三種信號(hào)的頻譜及其區(qū)別，在功率放大電路中分析失真信號(hào)的頻率成分，分析放大電路的幅頻特性和相頻特性等。高頻實(shí)驗(yàn)則是對(duì)理論的一個(gè)補(bǔ)充和證明，但是傳統(tǒng)的高頻實(shí)驗(yàn)中使用示波器來(lái)分析信號(hào)，是一種時(shí)域分析，學(xué)生對(duì)頻域信號(hào)沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)，與理論教學(xué)不能相呼應(yīng)，因此在“高頻電子線路實(shí)驗(yàn)”課程中引入頻譜分析儀很有必要。本文以頻譜分析儀測(cè)量小信號(hào)參差調(diào)諧放大電路的幅頻特性為例，說(shuō)明頻譜儀在“高頻電子線路實(shí)驗(yàn)”中的應(yīng)用。

　　1頻譜分析儀

　　頻譜分析儀是研究給定信號(hào)的頻率分布和強(qiáng)度的工具，顯示的橫軸為頻率縱軸為幅度，并可測(cè)量出頻率和幅度的大小[5-7]。頻譜分析儀按照工作原理分為傅立葉式頻譜分析儀和掃頻式頻譜分析儀。傅立葉頻譜分析儀是將被測(cè)的信號(hào)通過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，采樣后的離散信號(hào)保存在存儲(chǔ)器中，再進(jìn)行離散傅里葉計(jì)算，算出信號(hào)的頻譜。原理如圖1所示。FFT頻譜分析儀的工作原理導(dǎo)致其不適合脈沖信號(hào)的分析，以及AD轉(zhuǎn)換器速度的限制，只能測(cè)量低頻信號(hào)。掃頻式頻譜分析儀又稱為超外差式頻譜分析儀，其工作原理是將被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減和濾波后，與可調(diào)的本振信號(hào)進(jìn)入混頻器混頻轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)帶寬濾波器進(jìn)行中頻濾波，通過(guò)對(duì)數(shù)放大器對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行壓縮，然后進(jìn)行包絡(luò)檢波得到視頻信號(hào)，為了平滑顯示可以進(jìn)行視頻濾波，最后在顯示器上顯示。掃頻信號(hào)適用性廣，操作方便，且具有掃頻功能可以代替掃頻儀的功能，因此高頻實(shí)驗(yàn)中使用的是帶掃描功能的頻譜分析，其原理框圖如圖2所示。

　　2頻譜分析儀測(cè)量幅頻特性

　　2.1小信號(hào)放大調(diào)諧放大電路的工作原理

　　小信號(hào)調(diào)諧放大電路的作用是有選擇地對(duì)某一頻率范圍(本文中為10.7MHZ)的小信號(hào)進(jìn)行放大，小信號(hào)電壓值在μV～mV數(shù)量級(jí)附近，這種放大器對(duì)諧振頻率f0及附近頻率的信號(hào)具有最強(qiáng)的放大作用，遠(yuǎn)離f0的頻率信號(hào)，放大作用很差，如圖3所示。小信號(hào)放大電路的技術(shù)參數(shù)主要有放大倍數(shù)、通頻帶和矩形系數(shù)[8]。放大倍數(shù)表示高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器放大微弱信號(hào)的能力。通常規(guī)定放大器的電壓增益下降到最大值的0.707倍時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率范圍為高頻放大器的通頻帶，即-3dB帶寬，用B0.7表示，矩形系數(shù)K0.1定義為:(1)式(1)中B0.1為相對(duì)放大倍數(shù)下降到0.1處的帶寬(-20dB帶寬)。顯然，矩形系數(shù)越小，選擇性越好，其抑制鄰近無(wú)用信號(hào)的能力就越強(qiáng)。

　　2.2用頻譜分析儀測(cè)量幅頻特性的方法

　　實(shí)驗(yàn)中頻譜儀型號(hào)為北京普源(RIGOL)的DSA815-TG，即帶有跟蹤源的頻譜分析儀，跟蹤源可以輸出一個(gè)掃頻信號(hào)[9-10]。要測(cè)的是小信號(hào)參差調(diào)諧放大電路模塊的幅頻特性。測(cè)量方法如下:(1)對(duì)頻譜儀進(jìn)行歸一化處理。將跟蹤源輸出端[GENOUTPUT50Ω]與頻譜儀射頻輸入端[RFINPUT50Ω]連接，進(jìn)行歸一化。歸一化操作可消除跟蹤源輸出幅度的誤差。(2)將頻譜儀上的TG打開，信號(hào)幅度默認(rèn)為22.36mV(0dB)，并保持不變，即小信號(hào)放大電路的輸入電壓Ui。(3)將頻譜儀跟蹤源輸出端接到小信號(hào)放大模塊的輸入端，小信號(hào)放大電路的輸出端連到頻譜儀的RFINPUT50Ω，連接示意圖如圖4所示。(4)將頻譜分析儀的中心頻率設(shè)為10.7MHz(諧振頻率f0)，掃寬SPAN設(shè)為10MHz，分辨率帶寬RBW和視頻帶寬VBW設(shè)為300KHz，設(shè)置參數(shù)取決于小信號(hào)放大電路的性能。391(5)按下頻譜儀上的Marker鍵，將光標(biāo)1調(diào)到10.7MHz的位置，如果光標(biāo)1的幅度不是最大的，則需要調(diào)節(jié)小信號(hào)放大電路上的電容和電阻，使放大電路的中心頻率為10.7MHz，并注意始終保持曲線形狀基本對(duì)稱于光標(biāo)1所在中心豎線位置，并且輸出幅度最大，調(diào)好后的幅頻特性曲線如圖5所示，10.7MHz為小信號(hào)放大電路的中心頻率，對(duì)應(yīng)的幅度為最大輸出電壓Uo，由圖5可以得到Uo大小為633.95mV。(6)根據(jù)幅頻特性曲線可以計(jì)算出小信號(hào)放大電路的放大倍數(shù)。輸入信號(hào)的幅度為Ui，10.7M對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)幅度為Uo(單位為mV)，又頻譜儀的輸入信號(hào)幅度衰減20dB(放大倍數(shù)太大，頻譜儀的量程為5V，為了正常顯示，必須做衰減)，根據(jù)分貝與電壓放大倍數(shù)之間的關(guān)系，如公式(2)所示。由實(shí)驗(yàn)可知，用頻譜分析儀測(cè)量放大電路的幅頻特性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀準(zhǔn)確，方便對(duì)電路性能好壞的分析。

　　3用點(diǎn)頻法測(cè)量幅頻特性

　　在高頻實(shí)驗(yàn)中測(cè)量幅頻特性最常采用的就是點(diǎn)頻法。點(diǎn)頻法即測(cè)量不同頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)，保持輸入信號(hào)幅度大小不變，在諧振頻率附近從小到大改變輸入信號(hào)的頻率，測(cè)量對(duì)應(yīng)的輸出電壓，求出不同頻率點(diǎn)的電壓放大倍數(shù)。再以頻率為橫坐標(biāo)，以放大倍數(shù)為縱坐標(biāo)，逐點(diǎn)繪制出幅頻特性曲線。在測(cè)試過(guò)程中，必須用示波器觀察輸出波形，始終保持輸出信號(hào)不失真。本實(shí)驗(yàn)采用北京普源(RIGOL)的信號(hào)源DG4102接到放大電路的輸入端，放大電路的輸出端接到示波器，點(diǎn)頻法連接方式如圖8所示。在信號(hào)源上設(shè)置CH1通道產(chǎn)生10.7M，16mVPP的正弦波，按下CH1的OUTPUT鍵。(1)用示波器觀察放大器輸入端和輸出端的信號(hào)，并記錄輸出幅度大小，為了與頻譜儀法作對(duì)比，保持之前的電路參數(shù)不變。(2)改變輸入信號(hào)的頻率fi(從9.7M到11.5M)，并記錄各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的放大信號(hào)的幅度值Uo。(3)將步驟(2)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行幅頻特性曲線的繪制，如圖9所示。由圖9可以計(jì)算出用點(diǎn)頻法測(cè)得小信號(hào)放大電路的中心頻率為10.3M，對(duì)應(yīng)的最大輸出電壓為4.76V，得到放大倍數(shù)為297倍，通頻帶為輸出幅度為最大信號(hào)幅值的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率差，幅度下降到0.707倍時(shí)的頻率分別為10.9MHz和9.7MHz，則通頻帶為1.2MHz。兩種方法測(cè)得的電路幅頻特性結(jié)果對(duì)比如表1所示。由表1可見點(diǎn)頻法測(cè)得的中心頻率往下偏移了0.4MHz，放大倍數(shù)增加了14倍，通頻帶大小兩種方法非常接近。由于點(diǎn)不夠多，點(diǎn)頻法的矩形系數(shù)很難算出。傳統(tǒng)的點(diǎn)頻法得到的幅頻特性曲線與頻譜分析儀得到的幅頻特性曲線相比，會(huì)發(fā)生前者中心頻率偏移(在此實(shí)驗(yàn)中會(huì)偏低)和諧振增益偏大，應(yīng)以后者為準(zhǔn)。主要原因是采用點(diǎn)頻法時(shí)信號(hào)源與示波器內(nèi)阻不一樣，沒(méi)有考慮同步，信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)有失真;而頻譜分析儀則考慮了同步，TG輸出的信號(hào)失真很小。另外，點(diǎn)頻法測(cè)得的點(diǎn)不太多且不夠連續(xù)，很容易漏掉一些重要的頻率點(diǎn)，而且一旦改變電路參數(shù)全部數(shù)據(jù)要重新測(cè)量計(jì)算，過(guò)程復(fù)雜容易產(chǎn)生誤差，頻譜儀可以避免這些狀況。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　頻譜分析儀測(cè)量幅頻特性曲線，簡(jiǎn)單直觀，可以減小實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度和實(shí)驗(yàn)誤差，讓學(xué)生對(duì)頻域信號(hào)有直觀的認(rèn)識(shí)。頻譜分析儀不僅可以方便的測(cè)量幅頻特性，還可以測(cè)量相頻特性、鑒頻特性(S曲線)、AM波的調(diào)幅度、各種波形的頻譜，在高頻實(shí)驗(yàn)課程中有著廣泛的應(yīng)用，有助于電子類專業(yè)的學(xué)生對(duì)“高頻電子線路實(shí)驗(yàn)”有更深刻的理解，提高實(shí)驗(yàn)效率和準(zhǔn)確度。

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　　《頻譜分析儀在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用》來(lái)源：《實(shí)驗(yàn)室科學(xué)》，作者：羅會(huì)容