“高频电子线路”课程是电子类和通信专业的一门专业基础课，该课程以电路分析、模电和数电课程为基础，具有一定的难度[1-4]。在理论课程讲授过程中需要对各种信号的频谱进行分析，如在振幅调制部分需要分析AM、DSB、SSB三种信号的频谱及其区别，在功率放大电路中分析失真信号的频率成分，分析放大电路的幅频特性和相频特性等。高频实验则是对理论的一个补充和证明，但是传统的高频实验中使用示波器来分析信号，是一种时域分析，学生对频域信号没有感性认识，与理论教学不能相呼应，因此在“高频电子线路实验”课程中引入频谱分析仪很有必要。本文以频谱分析仪测量小信号参差调谐放大电路的幅频特性为例，说明频谱仪在“高频电子线路实验”中的应用。
1频谱分析仪
频谱分析仪是研究给定信号的频率分布和强度的工具，显示的横轴为频率纵轴为幅度，并可测量出频率和幅度的大小[5-7]。频谱分析仪按照工作原理分为傅立叶式频谱分析仪和扫频式频谱分析仪。傅立叶频谱分析仪是将被测的信号通过低通滤波器进行滤波，再通过模数转换器进行采样，采样后的离散信号保存在存储器中，再进行离散傅里叶计算，算出信号的频谱。原理如图1所示。FFT频谱分析仪的工作原理导致其不适合脉冲信号的分析，以及AD转换器速度的限制，只能测量低频信号。扫频式频谱分析仪又称为超外差式频谱分析仪，其工作原理是将被测信号经过衰减和滤波后，与可调的本振信号进入混频器混频转换成中频信号，经过带宽滤波器进行中频滤波，通过对数放大器对中频信号进行压缩，然后进行包络检波得到视频信号，为了平滑显示可以进行视频滤波，最后在显示器上显示。扫频信号适用性广，操作方便，且具有扫频功能可以代替扫频仪的功能，因此高频实验中使用的是带扫描功能的频谱分析，其原理框图如图2所示。
2频谱分析仪测量幅频特性
2.1小信号放大调谐放大电路的工作原理
小信号调谐放大电路的作用是有选择地对某一频率范围(本文中为10.7MHZ)的小信号进行放大，小信号电压值在μV～mV数量级附近，这种放大器对谐振频率f0及附近频率的信号具有最强的放大作用，远离f0的频率信号，放大作用很差，如图3所示。小信号放大电路的技术参数主要有放大倍数、通频带和矩形系数[8]。放大倍数表示高频小信号调谐放大器放大微弱信号的能力。通常规定放大器的电压增益下降到最大值的0.707倍时，所对应的频率范围为高频放大器的通频带，即-3dB带宽，用B0.7表示，矩形系数K0.1定义为:(1)式(1)中B0.1为相对放大倍数下降到0.1处的带宽(-20dB带宽)。显然，矩形系数越小，选择性越好，其抑制邻近无用信号的能力就越强。
2.2用频谱分析仪测量幅频特性的方法
实验中频谱仪型号为北京普源(RIGOL)的DSA815-TG，即带有跟踪源的频谱分析仪，跟踪源可以输出一个扫频信号[9-10]。要测的是小信号参差调谐放大电路模块的幅频特性。测量方法如下:(1)对频谱仪进行归一化处理。将跟踪源输出端[GENOUTPUT50Ω]与频谱仪射频输入端[RFINPUT50Ω]连接，进行归一化。归一化操作可消除跟踪源输出幅度的误差。(2)将频谱仪上的TG打开，信号幅度默认为22.36mV(0dB)，并保持不变，即小信号放大电路的输入电压Ui。(3)将频谱仪跟踪源输出端接到小信号放大模块的输入端，小信号放大电路的输出端连到频谱仪的RFINPUT50Ω，连接示意图如图4所示。(4)将频谱分析仪的中心频率设为10.7MHz(谐振频率f0)，扫宽SPAN设为10MHz，分辨率带宽RBW和视频带宽VBW设为300KHz，设置参数取决于小信号放大电路的性能。391(5)按下频谱仪上的Marker键，将光标1调到10.7MHz的位置，如果光标1的幅度不是最大的，则需要调节小信号放大电路上的电容和电阻，使放大电路的中心频率为10.7MHz，并注意始终保持曲线形状基本对称于光标1所在中心竖线位置，并且输出幅度最大，调好后的幅频特性曲线如图5所示，10.7MHz为小信号放大电路的中心频率，对应的幅度为最大输出电压Uo，由图5可以得到Uo大小为633.95mV。(6)根据幅频特性曲线可以计算出小信号放大电路的放大倍数。输入信号的幅度为Ui，10.7M对应的输出信号幅度为Uo(单位为mV)，又频谱仪的输入信号幅度衰减20dB(放大倍数太大，频谱仪的量程为5V，为了正常显示，必须做衰减)，根据分贝与电压放大倍数之间的关系，如公式(2)所示。由实验可知，用频谱分析仪测量放大电路的幅频特性，实验过程简单，结果直观准确，方便对电路性能好坏的分析。
3用点频法测量幅频特性
在高频实验中测量幅频特性最常采用的就是点频法。点频法即测量不同频率点对应的电压放大倍数，保持输入信号幅度大小不变，在谐振频率附近从小到大改变输入信号的频率，测量对应的输出电压，求出不同频率点的电压放大倍数。再以频率为横坐标，以放大倍数为纵坐标，逐点绘制出幅频特性曲线。在测试过程中，必须用示波器观察输出波形，始终保持输出信号不失真。本实验采用北京普源(RIGOL)的信号源DG4102接到放大电路的输入端，放大电路的输出端接到示波器，点频法连接方式如图8所示。在信号源上设置CH1通道产生10.7M，16mVPP的正弦波，按下CH1的OUTPUT键。(1)用示波器观察放大器输入端和输出端的信号，并记录输出幅度大小，为了与频谱仪法作对比，保持之前的电路参数不变。(2)改变输入信号的频率fi(从9.7M到11.5M)，并记录各频率点对应的放大信号的幅度值Uo。(3)将步骤(2)记录的数据进行幅频特性曲线的绘制，如图9所示。由图9可以计算出用点频法测得小信号放大电路的中心频率为10.3M，对应的最大输出电压为4.76V，得到放大倍数为297倍，通频带为输出幅度为最大信号幅值的0.707倍时所对应的两个频率差，幅度下降到0.707倍时的频率分别为10.9MHz和9.7MHz，则通频带为1.2MHz。两种方法测得的电路幅频特性结果对比如表1所示。由表1可见点频法测得的中心频率往下偏移了0.4MHz，放大倍数增加了14倍，通频带大小两种方法非常接近。由于点不够多，点频法的矩形系数很难算出。传统的点频法得到的幅频特性曲线与频谱分析仪得到的幅频特性曲线相比，会发生前者中心频率偏移(在此实验中会偏低)和谐振增益偏大，应以后者为准。主要原因是采用点频法时信号源与示波器内阻不一样，没有考虑同步，信号源产生的信号有失真;而频谱分析仪则考虑了同步，TG输出的信号失真很小。另外，点频法测得的点不太多且不够连续，很容易漏掉一些重要的频率点，而且一旦改变电路参数全部数据要重新测量计算，过程复杂容易产生误差，频谱仪可以避免这些状况。
4结语
频谱分析仪测量幅频特性曲线，简单直观，可以减小实验复杂度和实验误差，让学生对频域信号有直观的认识。频谱分析仪不仅可以方便的测量幅频特性，还可以测量相频特性、鉴频特性(S曲线)、AM波的调幅度、各种波形的频谱，在高频实验课程中有着广泛的应用，有助于电子类专业的学生对“高频电子线路实验”有更深刻的理解，提高实验效率和准确度。
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《频谱分析仪在高频电子线路实验的应用》来源：《实验室科学》，作者：罗会容
