信號分析和頻域測量-資料下載頁

　　

【正文】 非線性失真亦稱諧波失真，簡稱失真。一定頻率的信號通過網(wǎng)絡(luò)后往往會產(chǎn)生新的頻率分量，這種現(xiàn)象被稱為該網(wǎng)絡(luò)的非線性失真；一個信號的實際波形與理想波形有差異，這種差異被稱為信號的非線性失真。 線性電路意味著頻域中的輸出信號應(yīng)具有與輸入信號相同的頻率，而由輸入信號所產(chǎn)生的任何其他頻率都被視為是非線性失真。216。 失真模型216。 單音、雙音輸入216。 失真度定義電子測量原理第 106頁 失真模型 產(chǎn)生失真的器件大都是線性器件，只表現(xiàn)出輕微的非線性。這種失真可用 冪級數(shù) 來模擬： 其中 k0： 系統(tǒng)輸出直流分量； k1： 電路增益； k2及以上的其余系數(shù)：電路的非線性特性。 如果電路是完全線性的，則除 k1之外的所有系數(shù)均應(yīng)為 0。 由于對漸變形式的非線性， kn的大小隨 n增大而迅速變小，只有二次、三次效應(yīng)起決定作用。故可忽略上式中 k3以后的各項，因而得到 簡化失真模型 ： 電子測量原理第 107頁 單音、雙音輸入216。 單音輸入 單音信號即一個單一頻率的純正弦波 ，將它作為輸入信號并測量輸出信號的頻率成分，可進行最簡單的系統(tǒng)失真情況的測試。 將單音信號 Vin=Acosωt 代入簡化失真模型式中：單音信號的輸出中包含了直流分量、基波及二次、三次諧波。 電子測量原理第 108頁 單音、雙音輸入（續(xù) 1）167。 由單音信號的輸出可以看到： 直流分量受失真模型二次系數(shù) k2的影響，基波幅度受三次系數(shù) k3的影響； 基波幅度主要與輸入信號幅度 A成正比，二次諧波的幅度與 A2成正比，三次諧波幅度與 A3成正比。167。 使用分貝（ dB） 表示幅度，有意味著輸入信號電平每變化 1dB， 基波也將近似變化1dB， 二次諧波將改變 2dB， 三次諧波將改變 3dB。電子測量原理第 109頁 單音、雙音輸入（續(xù) 2）216。 雙音輸入 雙音信號 如 Vin=A1cosω1t + A2cosω2t ， 將它作為輸入信號進行失真測量，代入簡化失真模型式中有：其中 c0、 c …… 、 c12是由 k0、 k k k3及 A A2決定的系數(shù)。 與單音輸入的情況不同， 當雙音輸入信號的幅度變化 1dB時，輸出信號的二次項幅度將變化 2dB； 三次項將變化 3dB。電子測量原理第 110頁 失真度定義 失真度被定義為全部諧波能量與基波能量之比的平方根值 。對于純電阻負載，則定義為全部諧波電壓（或電流）有效值與基波電壓（或電流）有效值之比的平方根。 失真度 D0以百分比（％）或分貝（ dB）為單位，亦稱失真系數(shù)。 其中 u u …… 、 um分別表示基頻及其各次諧波的均方根值。電子測量原理第 111頁 諧波失真度的測量方法 諧波失真度的測量方法有很多，例如：216。 諧波分析法 —— 用頻譜儀分別將信號基波和各次諧波的幅值一一測出，然后按定義計算，屬于間接測量法；216。 基波抑制法 —— 又稱靜態(tài)法，對被測器件輸入單音正弦信號，并通過基波抑制網(wǎng)絡(luò)進行直接測量；216。 白噪聲法 —— 又稱動態(tài)法，利用白噪聲作為測試信號，測出被測器件在通帶內(nèi)的各頻率分量因交調(diào)而產(chǎn)生的諧波。電子測量原理第 112頁 基波抑制法 由于基波難以單獨測量，當失真度較小時，上述失真定義式可近似為： 按照近似式測量失真度，所得的是諧波電壓總有效值與被測信號總有效值之比。近似的條件： 當失真度小于 9％時，可用近似失真度測量值 D代替定義值 D0， 否則需對 D值進行換算或修正 。 換算公式為： 電子測量原理第 113頁 基波抑制法（續(xù)） 按照近似式進行 基波抑制法測量諧波失真度的電路如下圖。 基波抑制網(wǎng)絡(luò)實質(zhì)上是一個陷波濾波器 ，專門用于濾掉基波信號而使其余諧波分量通過。 電子測量原理第 114頁 ? 開關(guān) S先打到 1處， 測出被測信號的電壓總有效值。適當調(diào)節(jié)輸入電平使電壓表指示為某一規(guī)定的基準電平值，該值完全對應(yīng)于失真度大小，也就是 使近似式中的分母為 1—— 這個過程稱為 “校準 ”；? 開關(guān)打到 2處，調(diào)整基波抑制網(wǎng)絡(luò)使電壓表指示最小，表明此時電路對基波的衰減量最大。由于基波已被抑制，此時 測出的是被測信號的諧波電壓總有效值 。由于電壓表已經(jīng)過校準，故當前指示值就是 D值。電子測量原理第 115頁 白噪聲法 白噪聲法是一種 廣譜測量技術(shù)，屬于諧波失真的動態(tài)測量方法 。它通過白噪聲發(fā)生器產(chǎn)生均勻頻譜密度分布的白噪聲，相當于將一系列不同頻率、不同相位的正弦信號加到被測電路上，可以得到被測電路在通帶內(nèi)的任一頻率分量所產(chǎn)生的諧波及其互調(diào)結(jié)果。 測量電路框圖如下：電子測量原理第 116頁 白噪聲法（續(xù)） 白噪聲發(fā)生器輸出廣譜噪聲信號 UN， 經(jīng)過中心頻率為 f0的帶阻濾波器后，輸出頻譜產(chǎn)生縫隙。該信號通過被測電路時，如果存在失真，各噪聲分量的互調(diào)會導(dǎo)致大量組合頻率，使輸出信號在 f0及附近的頻率處有了新的頻率分量。用選頻電壓表選出 f0分量，并測得其電壓幅度 Uout。 最終的諧波失真度 D可按下式計算：其中， Uout為選頻電壓表在頻率 f0處的讀數(shù)， U為同一帶寬下其他頻率處的電壓表讀數(shù)。 電子測量原理第 117頁 失真度測試儀簡介216。 失真度儀組成原理 測量失真度或失真系數(shù)的儀器即失真度儀，它們大多工作于 200KHz以內(nèi)的頻帶。下圖所示為一種采用基波抑制法測量失真度的測試儀簡化框圖。電子測量原理第 118頁 失真度儀組成原理（續(xù)） 被測信號經(jīng)過幅度調(diào)節(jié)之后，一面被送到可調(diào)諧的陷波濾波器中濾掉基波，再進入檢波器獲得諧波有效值電壓；同時通過旁路直接進入檢波器，獲得信號中所有頻率成分的總有效值電壓。兩個代表不同電壓值的信號通過除法器進行計算，最后顯示出失真測量值 D。 事實上，許多電路的非線性還會產(chǎn)生噪聲及電源紋波帶來的其他成分，因此 上圖所示的失真度儀所測的結(jié)果包含了總諧波加噪聲失真 ，定義式為 電子測量原理第 119頁 主要技術(shù)指標 失真度通常被用來衡量收錄機、電聲設(shè)備及信號發(fā)生器等的輸出性能。其典型技術(shù)指標如：216。 頻率范圍 ： 9Hz~600KHz216。 失真度 測量范圍 ： ~90%216。 失真度 測量精度 ： 177。5~177。9%216。 靈敏度 ： ~30mV電子測量原理第 120頁 調(diào)制度測量u 調(diào)制度測量概述u 調(diào)幅度測量u 調(diào)頻信號測量電子測量原理第 121頁 調(diào)制度測量概述216。 調(diào)制的基本概念 調(diào)制 就是對信號的源信息進行處理，使其變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)男问降倪^程。 一般來說，信號源信息（即 信源 ）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為 基帶信號 。基帶信號往往不能直接傳輸，必須借助另一種頻率比基帶高得多的信號（即 載波 ）轉(zhuǎn)換成適于傳輸?shù)男盘枴＿@種適于傳輸?shù)男盘柗Q為 已調(diào)信號 ，基帶信號則稱 調(diào)制信號 。調(diào)制是通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其跟隨基帶信號幅度的變化來實現(xiàn)的。電子測量原理第 122頁 調(diào)制的基本概念（續(xù)）216。 常見的調(diào)制方式167。 模擬調(diào)制 ：幅度調(diào)制（ AM）、 頻率調(diào)制（ FM）、 相位調(diào)制（ PM）， 分別指載波信號的幅度、頻率或相位隨著基帶信號的幅度變化而改變，簡稱調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相；167。 數(shù)字調(diào)制 ：主要有脈寬調(diào)制（ PWM ）、脈沖編碼調(diào)制（ PCM）、 頻移鍵控（ FSK）、 相移鍵控（ PSK）、 增量調(diào)制（ Δ調(diào)制）等。 最常見和最基本的調(diào)制方式是模擬調(diào)制。 本章所涉及的調(diào)制度測量是指對調(diào)幅、調(diào)頻信號調(diào)制程度的測量 。電子測量原理第 123頁 216。調(diào)幅度的定義：調(diào)幅度的定義：其中，其中， m上上 、 m下下 分別稱為上調(diào)幅度和下調(diào)幅度，分別稱為上調(diào)幅度和下調(diào)幅度， u0為為載波的幅度峰值，載波的幅度峰值， U上上 、 U下下 分別是調(diào)制信號的正、負分別是調(diào)制信號的正、負半周幅度峰值。對調(diào)幅信號進行正負峰值檢波（解調(diào)半周幅度峰值。對調(diào)幅信號進行正負峰值檢波（解調(diào)），即可根據(jù)定義式求出調(diào)幅度大小。），即可根據(jù)定義式求出調(diào)幅度大小。調(diào)制度定義 幅度或頻率被調(diào)制的程度通稱為調(diào)制度，在調(diào)幅波、調(diào)頻波中分別用 調(diào)幅度 （或稱 調(diào)幅深度 、 調(diào)幅系數(shù) ）和 調(diào)頻度 （或稱 調(diào)頻指數(shù) 、 調(diào)頻系數(shù) ）表示調(diào)制度。它是已調(diào)波的重要參數(shù)，反映了載波的幅度、頻率或相位受低頻調(diào)制信號控制的程度 。電子測量原理第 124頁 216。調(diào)頻系數(shù)調(diào)頻系數(shù) 是指最大頻偏與調(diào)制信號的頻率之比：是指最大頻偏與調(diào)制信號的頻率之比：mf=Δf / f0其中其中 ,Δf為調(diào)制信號的最大頻偏，為調(diào)制信號的最大頻偏， f0為載波頻率。對為載波頻率。對調(diào)頻信號進行鑒頻，獲得與頻偏成正比的低頻信號調(diào)頻信號進行鑒頻，獲得與頻偏成正比的低頻信號電壓，即可測出最大頻偏；在已知調(diào)制信號頻率時電壓，即可測出最大頻偏；在已知調(diào)制信號頻率時，可由定義式求出調(diào)頻系數(shù)。，可由定義式求出調(diào)頻系數(shù)。 電子測量原理第 125頁 調(diào)幅度測量216。 雙重檢波法 實質(zhì)上是 利用外差式接收機的原理，在線性包絡(luò)檢波器中將已調(diào)波恢復(fù)成調(diào)制信號，以及大小與載波幅度成正比的直流電壓 u0； 然后用峰值檢波器檢出調(diào)制信號的峰值電壓 U上 和 U下 。用兩個電壓表分別測量 U上、 U下 和 u0， 用歸一化處理技術(shù)使 u0設(shè)定為 1，則可以直接讀出 U上 、 U下 的數(shù)值。 雙重檢波法的測量精度通常為177。3~177。5% ，廣泛應(yīng)用于調(diào)幅度測量儀中。 電子測量原理第 126頁 功率計法 這種方法基于已調(diào)波的功率 Pm比載波功率 P0大m2/2倍的原理，利用功率計分別測量 Pm和 P0， 然后根據(jù)下式計算而得調(diào)幅度 m： m的值越小，用功率計法測調(diào)幅度的測量誤差將越大；當 m＞ 30% 時，測量精度可優(yōu)于 1% 。 功率計法通常用于調(diào)幅度測量儀的定標和計算 。 電子測量原理第 127頁 頻譜儀法 正弦信號調(diào)幅的結(jié)果除了載頻之外還有上、下兩個邊頻，邊頻的幅度 S與調(diào)幅系數(shù) m之間有關(guān)系式其中其中 C為載頻幅度為載頻幅度。 可見，只要用頻譜儀測出邊頻和載頻的幅度，即可求得調(diào)幅度。動態(tài)范圍大于 66dB的頻譜儀可以測出 % 的 m值。 頻譜儀法特別適于小調(diào)幅度的測量，并能同時測出非線性失真 。 也可以借助標記功能直接測量調(diào)幅度：利用雙標記（ ΔMarker） 進行相對幅度測量，可得載頻與邊頻的幅度之比，再換算得到調(diào)幅度。 電子測量原理第 128頁 調(diào)頻信號測量216。 測量原理 除了調(diào)頻度的定義式外，調(diào)頻波的調(diào)制信號電壓幅度 uf與調(diào)制信號頻偏 Δf有下列關(guān)系： 其中 a為比例系數(shù)。測出 uf即可得到 Δf；當 f0已知時，只要測出 mf、 Δf中的任何一個，即可求得另一個值。 電子測量原理第 129頁 測量方法216。 鑒頻器法 先用鑒頻器對調(diào)制信號解調(diào)，然后用峰值檢波器檢出 Uf， 并根據(jù)公式 Δf=auf直接讀出頻偏 Δf，因此可進一步根據(jù)定義式計算得到調(diào)頻系數(shù) mf。此法廣泛用于直讀式頻偏表中 。 使用脈沖鑒頻器測量可以獲得更大的線性鑒頻范圍，測量精度也可達到較高。電子測量原理第 130頁 測量方法（續(xù) 1）216。 極值法 使用搜索振蕩器找出已調(diào)頻波的瞬時頻率的極值fmax和 fmin， 從而求得頻偏 Δf： 極值法的優(yōu)點是極值法的優(yōu)點是 能夠測量正弦波及方波、鋸齒能夠測量正弦波及方波、鋸齒波等非正弦波調(diào)制的頻偏，適用于較低的調(diào)制頻率波等非正弦波調(diào)制的頻偏，適用于較低的調(diào)制頻率。在。在 mf＞＞ 50時具有很高的測量精度。時具有很高的測量精度。 電子測量原理第 131頁 測量方法（續(xù) 2）216。 頻譜幅度比較法 利用調(diào)頻波各譜線的幅度之比與 mf有對應(yīng)關(guān)系，在 mf＜ ，可用頻譜儀測出兩條譜線的幅度比，然后差表求得 mf。 這種方法測量 mf的范圍有限，精度為百分之幾。 216。 頻譜儀法 利用邊頻的譜線條數(shù) n與 mf有對應(yīng)關(guān)系 n=2(mf+1) ， 故可以簡單地根據(jù)邊頻譜線的數(shù)目來確定 mf ： 。 mf太大時，邊頻的譜線數(shù)目不易數(shù)清，因此這種方法只適用于 mf＜ 30的場合。