CN110297126A - 仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试法 - Google Patents

Abstract

为解决目前仪器放大器频响特性测试时受信号发生器频率范围限制的问题，本发明提供了一种仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试方法，其特征在于：利用对方波信号进行傅里叶变换时，会出现倍频谐波的现象，来实现采用低频信号发生器对仪器从低频段到高频段频率响应特性的测试。本发明对被测仪器进行频响特性曲线的测试实验，将测试结果与采用正弦逐点扫描法得到的结果进行对比，结果表明采用频谱倍频分析测试法可有效测试仪器的频响特性，并能实现采用低频信号发生器对仪器放大器进行低频段到高频段频响特性的测试，摆脱了采用传统仪器频响特性测试方法时受到信号发生器频率范围限制的问题。

Description

仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试法

技术领域

本发明属于带有放大器的仪器性能测试领域，特别提供一种仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试方法。

背景技术

随着检测技术的快速发展，人们对检测仪器的性能指标提出了更高的要求。微弱信号放大器的放大能力与信号频率之间关系的响应特性(频响特性)是各种仪器的一个重要性能指标，在仪器出厂和检测校准时都受到了很大程度的重视。仪器具有合理的频响特性是保证测试精度的必要条件之一。

传统的频响特性测试方法主要有正弦逐点扫描法、相关分析法等，这些方法均是给仪器放大器提供不同频率的输入信号，测试仪器的输出信号，实现仪器的频响特性测试。这就要求测试时向被测仪器输入信号的信号发生器的频率范围与被测仪器的频率范围相一致。采用传统方法测试仪器频响特性时，信号发生器提供给被测仪器输入信号过程中，其频率范围受到限制，难以得到大面积推广应用。为了解决测试仪器频响特性时受信号发生器频率范围限制的问题，本发明提出了一种仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试方法，采用该方法可有效解决测试仪器频响特性时信号发生器频率范围受限的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决目前测试仪器放大器频响特性时受信号发生器频率范围限制的问题，为采用低频信号发生器测试仪器低频段到高频段的频率响应特性，提供了可行的新思路和新方法。

针对测试仪器频响特性时受到信号发生器频率范围限制的问题，提出了基于傅里叶变换原理的仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试方法。其特征在于：利用对方波信号进行傅里叶变换时，会出现倍频谐波分量的现象，来实现采用低频率信号发生器对仪器从低频段到高频段的频率响应特性的测试。

本发明基于傅里叶变换原理，利用对方波信号进行傅里叶变换时，将产生与方波信号同频率的基频分量和倍频谐波分量的现象，将方波信号提供给被测仪器放大器的输入端，采用示波器等手段对被测仪器的输入信号和输出信号分别进行傅里叶变换(FFT)，测量仪器放大器输入与输出信号的基频和多次倍频谐波幅值，经分析计算，得到该频率和多次倍频下的频率响应；通过改变输入方波信号的频率，来实现被测仪器放大器频响特性的测试。如图1所示为通过被测仪器前后的信号频谱，其中(a)为激励信号的频谱，(b)为被测仪器输出信号的频谱，Δ₀为被测仪器输出信号与激励信号的基频分量频谱幅值差，Δ₁、Δ₂和Δ₃分别为被测仪器输出信号与激励信号的二次、三次、四次倍频谐波分量频谱幅值差。

本发明所述仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试法，其特征在于：信号发生器1产生的方波信号，一路提供给被测仪器2，作为输入信号，另一路提供给示波器3进行傅里叶变换；将被测仪器2放大处理后的输出信号提供给示波器3进行傅里叶变换；对被测仪器2的输入、输出信号进行傅里叶变换后的频谱幅值进行分析计算，得到被测仪器在该频率和多次倍频下的频率响应，通过改变输入方波信号的频率，来实现被测仪器2的频响特性的测试。

本发明所述仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试法，其特征在于：测试前，调节被测仪器2的增益，使其工作在线性范围内，确保输出信号不饱和，此时被测仪器2的增益值为j_j，对应的实际增益值为基准增益j_z；测试仪器频响特性时，保持被测仪器2的增益j_j和信号发生器1输出信号幅度不变，只改变每次提供给被测仪器2的激励频率。

本发明所述仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试法，其特征在于：被测仪器某一增益下的频响特性关系曲线为：

G(f_i)＝Δ_i-Δ₀+j_z

式中，G(f_i)为被测仪器的增益与频率的关系；Δ_i为倍频谐波分量经过被测仪器前后的频谱幅度变化量；Δ₀为基频分量经过被测仪器前后的频谱幅度变化量；j_z为基准增益。

采用本发明所述方法测试仪器的频响特性曲线，实施方法包括以下步骤：

步骤1：测量仪器的实际增益值，确定检测时所需的仪器增益值和其所对应的实际增益值(基准增益)。按图2所示，将信号发生器1的输出信号一路与被测仪器2的接收端相连接，提供激励信号，另一路与示波器3相连接。将被测仪器2放大处理后的输出信号与示波器3相连接，测量被测仪器的实际放大倍数。保持信号发生器1输出信号的波形、频率和幅值不变，改变被测仪器2的增益值j_j，测量不同仪器增益值下的实际增益值j_z。测试被测仪器2的频响特性时，在线性工作范围内选取被测仪器2的增益值，确保输出信号不饱和。当选取的被测仪器2增益值为j_j时，对应的实际增益值为基准增益j_z。

步骤2：采用频谱倍频分析测试法，测试仪器的频响特性。依据图2搭建仪器频响特性测试平台，信号发生器1产生的方波信号一路与被测仪器2的接收端相连接，作为输入信号；另一路与示波器3相连接，进行傅里叶变换。将被测仪器2放大处理后的输出信号与示波器3相连接，采用示波器3对被测仪器2的输入和输出信号进行傅里叶变换，观察频谱幅值，将被测仪器2输入与输出信号频谱的基频分量和多次倍频谐波分量的幅度值代入频谱倍频分析测试法的计算公式，经过计算得到被测仪器在该激励频率和多次倍频下的频响特性。其中频谱倍频分析测试法的计算公式为：G(f_i)＝Δ_i-Δ₀+j_z，式中，G(f_i)为被测仪器的增益与频率的关系，Δ_i为倍频谐波分量经过被测仪器前后的频谱幅度变化量，Δ₀为基频分量经过被测仪器前后的频谱幅度变化量，j_z为基准增益。实验过程中保持被测仪器2的增益值j_j与信号发生器1输出信号的波形和幅值不变。改变信号发生器1输出信号的频率，重复步骤2，直至测量得到需要的带宽频谱为止。

利用本发明所述的频谱倍频分析测试法可实现采用低频信号发生器测试被测仪器从低频段到高频段频响特性的功能。以对称方波输入信号为例，当测量频谱中各谐波分量的个数为N时，可测得被测仪器的频响范围扩大2N-1倍，可测量点数扩大N倍。在保证测量结果准确性的前提条件下，尽量选择较大的N值进行被测仪器频响特性的测量，这样不仅可以最大程度的缩小信号发生器的频率范围，更能提高测量效率，减小因输入信号带来的偏差。

本发明的有益效果为：

采用仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试法，通过改变输入方波信号的频率，能够高效、准确地测量被测仪器放大器频响特性，特别是能够测试放大器在高频段的放大性能，摆脱了采用传统仪器频响特性测试方法时受到信号发生器频率范围限制的问题。

附图说明

图1通过被测仪器前后的信号频谱。

图中(a)激励信号的频谱，(b)被测仪器输出信号的频谱。

图2频谱倍频分析测试法的原理框图。

图3被测仪器的实际增益曲线。

图4被测仪器频响特性测试曲线对比图。

附图标记：1、信号发生器，2、被测仪器，3、示波器。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明：实施例1步骤2中所述的示波器是本发明里进行傅里叶变换的装置，凡是涉及到利用示波器等手段进行傅里叶变换来测试仪器放大器频响特性的频谱倍频技术，均在本发明的保护范围之内。

实施例1

频谱倍频分析测试方法具体实施步骤如下：

步骤1：按图2所示搭建测试系统平台，测量仪器的基准增益：

将信号发生器1的输出信号一路与被测仪器2的接收端相连接，提供激励信号，另一路与示波器3的ch2通道相连接，测量激励信号幅值。将被测仪器2放大处理后的输出信号与示波器3的ch1通道相连接，测量被测仪器的实际放大倍数。将信号发生器1频率调至2.5MHz，峰峰值调至100mV，波形设置为正弦波。改变被测仪器2的增益值，测量不同仪器增益值下的实际增益。被测仪器2的实际增益测量结果如图3所示。测试被测仪器2的频响特性时，在线性工作范围内选取被测仪器2的增益值，确保输出信号不饱和。当选取的被测仪器2增益值为j_j时，对应的实际增益值为基准增益j_z。

步骤2：按图2所示搭建测试平台，测试仪器的频响特性：

将信号发生器1的输出信号一路与被测仪器2的接收端相连接，提供激励信号，另一路与示波器3的ch2通道相连接，进行傅里叶变换。将被测仪器2放大处理后的输出信号与示波器3的ch1通道相连接，对被测仪器2的输出信号进行傅里叶变换。将信号发生器1的峰峰值调至100mV，波形设置为对称方波，被测仪器2的仪器增益设为j_j，实验时以上参数保持不变。记录被测仪器2的激励信号与放大处理后输出信号的傅里叶变换频谱幅值，并进行差值运算，将运算结果带入频谱倍频分析测试法的计算公式(G(f_i)＝Δ_i-Δ₀+j_z)，即可得到在该激励频率和奇数倍频下的被测仪器频响特性。改变信号发生器1的输出信号频率，重复步骤2，就可以得到需要的带宽频谱。

实施例2

为了验证该方法的可行性和准确性，将采用频谱倍频分析测试法测试得到的被测仪器2的频响特性曲线与采用正弦逐点扫描法测试得到的被测仪器2的频响特性曲线进行对比。

采用正弦逐点扫描法测试被测仪器2的频响特性曲线时，将信号发生器1产生的正弦激励信号一路与被测仪器2的接收端相连接，为被测仪器2提供激励信号，另一路与示波器3的ch2通道相连接，观察激励信号，便于计算被测仪器在该激励频率下的实际增益。将被测仪器2处理后的输出信号与示波器3的ch1通道相连接。实验时，将信号发生器1产生的激励信号幅值调至与采用频谱倍频分析测试法测试时的幅值相同，被测仪器2的增益值与采用频谱倍频分析测试法测试时的增益值一致，只改变信号发生器1的激励频率，进行逐点测试，测试不同频率下的被测仪器2的频响特性曲线。对被测仪器分别采用频谱倍频分析测试法和正弦逐点扫描法进行频响特性曲线测试，测试结果如图4所示。结果表明采用频谱倍频分析测试法可准确测试出测试仪器的频响特性，并能实现采用低频信号发生器对仪器放大器进行低频段到高频段频响特性的测试。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试法，其特征在于：利用对方波信号进行傅里叶变换时，会出现倍频谐波分量的现象，来实现采用低频信号发生器对仪器从低频段到高频段的频率响应特性的测试。

2.按照权利要求1所述仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试法，其特征在于：将方波信号提供给被测仪器放大器的输入端，对被测仪器的输入信号和输出信号分别进行傅里叶变换，对所得频谱的基频和多次倍频谐波幅值进行分析计算，得到该频率和多次倍频下的频率响应；通过改变输入方波信号的频率，来实现被测仪器放大器频响特性测试。

3.按照权利要求2所述仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试法，其特征在于：采用示波器对被测仪器的输入信号和输出信号分别进行傅里叶变换。

4.按照权利要求2或3所述仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试法，其特征在于：方波信号是由信号发生器(1)产生的，它一路提供给被测仪器(2)，作为输入信号，另一路提供给示波器(3)进行傅里叶变换；将被测仪器(2)放大处理后的输出信号提供给示波器(3)进行傅里叶变换；对被测仪器(2)的输入、输出信号进行傅里叶变换后的频谱幅值进行分析计算，得到被测仪器在该频率和多次倍频下的频率响应，通过改变输入方波信号的频率，来实现被测仪器(2)的频响特性的测试。

5.按照权利要求4所述仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试法，其特征在于：测试前，调节被测仪器(2)的增益，使其工作在线性范围内，确保输出信号不饱和，此时被测仪器(2)的增益值为j_j，对应的实际增益值为基准增益j_z；测试仪器频响特性时，保持被测仪器(2)的增益j_j和信号发生器(1)输出信号幅度不变，只改变每次提供给被测仪器(2)的激励频率。

6.按照权利要求4所述仪器放大器频响特性的频谱倍频分析测试法，其特征在于：被测仪器某一增益下的频响特性关系曲线为：

G(f_i)＝Δ_i-Δ₀+j_z

式中，G(f_i)为被测仪器的增益与频率的关系；Δ_i为倍频谐波分量经过被测仪器前后的频谱幅度变化量；Δ₀为基频分量经过被测仪器前后的频谱幅度变化量；j_z为基准增益。