扫频仪及其工作原理与性能指标

1.频率特性测量仪器

线性系统频率特性的测量与被测系统的工作频率密切相关。在较低频段（如数十兆赫），可近似认为描述系统中电路工作的参数均为集总参数，且只集中于R、L、C等理想元件上，导线仅起传输作用。随着工作频率逐渐提高到射频、微波段，这些参数将均匀分布在导线上，被称为分布参数，集总参数的分析处理方法已不再适用。

鉴于上述原因，通常分为两个频段对线性系统的频率特性进行测量：30～300MHz段，主要使用扫频仪；300MHz～300GHz段，主要使用网络分析仪。当然，这种划分并不是绝对的，有些扫频仪可能工作到更高频段，而网络分析仪可以从低频一直工作到微波。

一些常用的频率特性测量类仪器及系统包括：

1）扫频仪：又称频率特性测量仪，用于测量较低频段上的电路和系统的频率特性，包括幅频特性、带宽、回路Q值等。

2）网络分析仪：主要用于测量射频和微波频段上的电路和系统，通过测定各种有源、无源器件及网络的反射参数和传输参数，对表征网络特性的全部参数进行全面描述。本节稍后将对网络分析仪进行介绍。

3）频率特性及网络分析系统

①扫频信号源：用于产生幅度恒定、频率在限定范围内作线性变化的正弦信号。本书已在信号源部分予以介绍。

②频谱分析仪：用于分析信号中所含的各频率分量的幅度、功率、相位等信息，以及测量频谱纯度等。本书已在频域测量部分予以介绍。

2.扫频仪

作为工作在较低频段上的频率特性测量仪器，扫频仪在无线通信、广播电视、导航等领域中有着广泛应用，如测量放大器、滤波器等器件的幅频特性、相频特性和延迟特性，以及通带频响、增益、反射等参数。

（1）扫频仪的组成

扫频仪实质上是一种把扫频信号源、频标发生器、示波器结合起来的仪器，图12-8所示为其组成框图及工作波形。由图可见，扫频仪主要包括扫频信号源、扫描信号源、检波探头和频标形成电路等。

图12-8 扫频仪的组成框图及工作波形

扫频信号源即频率受控振荡器，用于在扫描信号u₁和扫描启停控制信号u₂的控制下产生扫频信号u₃，u₃的频率将随着u₁的增大而升高。

扫描信号源用于产生扫描信号u₁和扫描控制信号u₂。其中，u₁除了用作显示器（示波器）的水平扫描信号外，同时也是扫频信号u₃的频率调制信号。u₂用于在显示器的扫描正程时控制扫频信号源振荡，以在屏幕上显示幅频特性曲线；在扫频回程时使扫频信号源停止振荡，以在屏幕上显示一条用作零值的水平参考基线。

检波探头用于对被测件输出的信号包络进行峰值检波，从而得到被测件的幅频特性。

频标形成电路可产生一个用作频率标度的频标信号，以便读出幅频特性曲线上各点所对应的频率值。

（2）扫频仪的主要性能指标

有效频率范围：扫频信号源所能产生的载波频率范围。

扫频宽度：在扫频线性和振幅平稳性符合要求的前提下，单次扫频能够覆盖的最大频率范围。

扫频方式：由扫频电压的实现方式而决定的扫频工作模式，如自动扫频（扫描电压周期性自动变化）、手动扫频（通过面板旋钮手工调节扫描电压）、触发扫频（由触发脉冲启动扫描电压）、外扫频（由外部电压信号控制扫频信号源）等。

扫频非线性：扫频信号频率与扫频电压之间的线性相关程度，可用f-u曲线的斜率变化表示为(www.xing528.com)

式中，df为频率的微小变化量；du为电压的微小变化量；k为扫频非线性系数。在一定扫频范围内，k越接近1，说明f-u曲线越近似于直线，则扫频线性越好。

振幅平稳性：指扫频信号幅度的稳定性，或称平坦度。因幅度不稳定主要由寄生调幅引起，寄生调幅越小，稳定性越好，故通常用扫频信号的寄生调幅系数来表示。

频标：一般有1MHz、10MHz、50MHz及外部等几种，常见类型有脉冲、线形、菱形等形状。

输出阻抗：扫频仪中，扫频信号源的输出阻抗一般是75Ω。

3.频标

为了帮助在显示输出的水平轴上有更精确的频率读数，通常在扫频信号中附带输出两个或多个可移动的频率标记脉冲，以便准确地标读扫描区间内任一点的信号频率值。这样的频率标记脉冲就是“频标”。频标是扫频测量中的频率定度，必须符合下列要求：

1）频标所用的基准频率（混频本振）必须具有较高的频率稳定度和准确度，一般采用晶体振荡器。

2）一组频标信号的幅度应基本一致、显示整齐，不会因频标幅度差异而导致读数误差。

3）频标信号不能包含杂频和泄漏进来的扫频信号。

4）有菱形、脉冲、线形等多种形式，以满足各种显示和测量的需要。

5）频标产生过程中的电路时延应尽可能小，否则将表现为频率定度的偏差，因而增加系统误差。

产生频标的基本方法是差频法，利用差频方式可以产生一个或多个频标。频标的数目取决于和扫频信号混频的基准频率的成分，基本原理如图12-9所示。

图12-9 频标产生的基本原理

a）产生单一频标 b）产生多频标

图12-10 菱形频标产生的电路框图

常见的菱形频标是利用差频法得到的，如图12-10所示。标准信号发生器产生标准频率信号f₀，谐波发生器产生f₀的基波及各次谐波f₀₁、f₀₂、f₀₃、…、f_0i。范围在f_min～f_max的扫频信号在某处的频率如果与谐波频率相同，将得到混频零拍点，即输出差频为零。以零拍点为中心，扫频信号越向两边变化，差频频率越高；将差频输出经过低通滤波器之后，差频中被滤去高频成分和零频附近的低频成分，只有以零拍点为对称点的差频信号才被保留下来。受滤波器带阻特性的影响，距零拍点较远的信号幅度被急剧衰减，于是形成状如菱形的频标。

如果改变基准频率，菱形频标将在频率轴上移动。由于菱形频标本身有一定的频率宽度，只有当其宽度与扫频范围相差甚远时，才能形成很细的标记。因此菱形频标适用于较高频段的频率特性测量。如果参加混频的都是固定频率信号，则混频之后也只能得到固定差频信号，无法产生菱形频标。

脉冲频标是由菱形频标变换而来的。将经过混频、滤波的菱形频标信号送到单稳电路中，用每个频标去触发单稳电路产生输出，整形之后形成极窄的矩形脉冲信号，这就是脉冲频标，也叫针形频标。这种频标的宽度较菱形频标窄，它在测量低频电路时比菱形频标有更高的分辨力。

线形频标是光栅增辉式显示器所特有的频标形式。它的形状是一条条极细的垂直方向的亮线，可以和电平刻度线组成频率-电平坐标网格。