“高頻電子線路”課程是電子類和通信專業的一門專業基礎課，該課程以電路分析、模電和數電課程為基礎，具有一定的難度[1-4]。在理論課程講授過程中需要對各種信號的頻譜進行分析，如在振幅調制部分需要分析AM、DSB、SSB三種信號的頻譜及其區別，在功率放大電路中分析失真信號的頻率成分，分析放大電路的幅頻特性和相頻特性等。高頻實驗則是對理論的一個補充和證明，但是傳統的高頻實驗中使用示波器來分析信號，是一種時域分析，學生對頻域信號沒有感性認識，與理論教學不能相呼應，因此在“高頻電子線路實驗”課程中引入頻譜分析儀很有必要。本文以頻譜分析儀測量小信號參差調諧放大電路的幅頻特性為例，說明頻譜儀在“高頻電子線路實驗”中的應用。

　　1頻譜分析儀

　　頻譜分析儀是研究給定信號的頻率分布和強度的工具，顯示的橫軸為頻率縱軸為幅度，并可測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的信號通過低通濾波器進行濾波，再通過模數轉換器進行采樣，采樣后的離散信號保存在存儲器中，再進行離散傅里葉計算，算出信號的頻譜。原理如圖1所示。FFT頻譜分析儀的工作原理導致其不適合脈沖信號的分析，以及AD轉換器速度的限制，只能測量低頻信號。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信號經過衰減和濾波后，與可調的本振信號進入混頻器混頻轉換成中頻信號，經過帶寬濾波器進行中頻濾波，通過對數放大器對中頻信號進行壓縮，然后進行包絡檢波得到視頻信號，為了平滑顯示可以進行視頻濾波，最后在顯示器上顯示。掃頻信號適用性廣，操作方便，且具有掃頻功能可以代替掃頻儀的功能，因此高頻實驗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頻譜分析儀測量幅頻特性

　　2.1小信號放大調諧放大電路的工作原理

　　小信號調諧放大電路的作用是有選擇地對某一頻率范圍(本文中為10.7MHZ)的小信號進行放大，小信號電壓值在μV～mV數量級附近，這種放大器對諧振頻率f0及附近頻率的信號具有最強的放大作用，遠離f0的頻率信號，放大作用很差，如圖3所示。小信號放大電路的技術參數主要有放大倍數、通頻帶和矩形系數[8]。放大倍數表示高頻小信號調諧放大器放大微弱信號的能力。通常規定放大器的電壓增益下降到最大值的0.707倍時，所對應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K0.1定義為:(1)式(1)中B0.1為相對放大倍數下降到0.1處的帶寬(-20dB帶寬)。顯然，矩形系數越小，選擇性越好，其抑制鄰近無用信號的能力就越強。

　　2.2用頻譜分析儀測量幅頻特性的方法

　　實驗中頻譜儀型號為北京普源(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掃頻信號[9-10]。要測的是小信號參差調諧放大電路模塊的幅頻特性。測量方法如下:(1)對頻譜儀進行歸一化處理。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，信號幅度默認為22.36mV(0dB)，并保持不變，即小信號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放大模塊的輸入端，小信號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為10.7MHz(諧振頻率f0)，掃寬SPAN設為10MHz，分辨率帶寬RBW和視頻帶寬VBW設為300KHz，設置參數取決于小信號放大電路的性能。391(5)按下頻譜儀上的Marker鍵，將光標1調到10.7MHz的位置，如果光標1的幅度不是最大的，則需要調節小信號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稱于光標1所在中心豎線位置，并且輸出幅度最大，調好后的幅頻特性曲線如圖5所示，10.7MHz為小信號放大電路的中心頻率，對應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)根據幅頻特性曲線可以計算出小信號放大電路的放大倍數。輸入信號的幅度為Ui，10.7M對應的輸出信號幅度為Uo(單位為mV)，又頻譜儀的輸入信號幅度衰減20dB(放大倍數太大，頻譜儀的量程為5V，為了正常顯示，必須做衰減)，根據分貝與電壓放大倍數之間的關系，如公式(2)所示。由實驗可知，用頻譜分析儀測量放大電路的幅頻特性，實驗過程簡單，結果直觀準確，方便對電路性能好壞的分析。

　　3用點頻法測量幅頻特性

　　在高頻實驗中測量幅頻特性最常采用的就是點頻法。點頻法即測量不同頻率點對應的電壓放大倍數，保持輸入信號幅度大小不變，在諧振頻率附近從小到大改變輸入信號的頻率，測量對應的輸出電壓，求出不同頻率點的電壓放大倍數。再以頻率為橫坐標，以放大倍數為縱坐標，逐點繪制出幅頻特性曲線。在測試過程中，必須用示波器觀察輸出波形，始終保持輸出信號不失真。本實驗采用北京普源(RIGOL)的信號源DG4102接到放大電路的輸入端，放大電路的輸出端接到示波器，點頻法連接方式如圖8所示。在信號源上設置CH1通道產生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，并記錄輸出幅度大小，為了與頻譜儀法作對比，保持之前的電路參數不變。(2)改變輸入信號的頻率fi(從9.7M到11.5M)，并記錄各頻率點對應的放大信號的幅度值Uo。(3)將步驟(2)記錄的數據進行幅頻特性曲線的繪制，如圖9所示。由圖9可以計算出用點頻法測得小信號放大電路的中心頻率為10.3M，對應的最大輸出電壓為4.76V，得到放大倍數為297倍，通頻帶為輸出幅度為最大信號幅值的0.707倍時所對應的兩個頻率差，幅度下降到0.707倍時的頻率分別為10.9MHz和9.7MHz，則通頻帶為1.2MHz。兩種方法測得的電路幅頻特性結果對比如表1所示。由表1可見點頻法測得的中心頻率往下偏移了0.4MHz，放大倍數增加了14倍，通頻帶大小兩種方法非常接近。由于點不夠多，點頻法的矩形系數很難算出。傳統的點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，會發生前者中心頻率偏移(在此實驗中會偏低)和諧振增益偏大，應以后者為準。主要原因是采用點頻法時信號源與示波器內阻不一樣，沒有考慮同步，信號源產生的信號有失真;而頻譜分析儀則考慮了同步，TG輸出的信號失真很小。另外，點頻法測得的點不太多且不夠連續，很容易漏掉一些重要的頻率點，而且一旦改變電路參數全部數據要重新測量計算，過程復雜容易產生誤差，頻譜儀可以避免這些狀況。

　　4結語

　　頻譜分析儀測量幅頻特性曲線，簡單直觀，可以減小實驗復雜度和實驗誤差，讓學生對頻域信號有直觀的認識。頻譜分析儀不僅可以方便的測量幅頻特性，還可以測量相頻特性、鑒頻特性(S曲線)、AM波的調幅度、各種波形的頻譜，在高頻實驗課程中有著廣泛的應用，有助于電子類專業的學生對“高頻電子線路實驗”有更深刻的理解，提高實驗效率和準確度。

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　　《頻譜分析儀在高頻電子線路實驗的應用》來源：《實驗室科學》，作者：羅會容