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工程師的射頻萬用表：頻譜分析儀簡介及其基本原理

  將信號源發(fā)出的信號強度按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，并考察變化規(guī)律，稱為頻譜分析。運用傅里葉級數(shù)或傅里葉變換，就能實現(xiàn)把時間域信號變換成頻率域信號，稱為信號的頻率描述或稱為頻譜分析。

  頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等。

  現(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲和運算功能;配置標(biāo)準(zhǔn)接口，就容易構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。

  頻譜分析儀簡介

  頻譜分析儀是對無線電信號進行測量的必備手段，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗的常用工具。因此，應(yīng)用十分廣泛，被稱為工程師的射頻萬用表。

  1、傳統(tǒng)頻譜分析儀

  傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機，輸入信號經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖，就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可以達(dá)到很寬的頻率，例如30Hz-30GHz，與外部混頻器配合，可擴展到100GHz以上，頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量儀器之一。

  無論測量連續(xù)信號或調(diào)制信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標(biāo)量儀器而不是矢量儀器。

  2、現(xiàn)代頻譜分析儀

  基于快速傅里葉變換(FFT)的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果，。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對輸入信號取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。

  在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，對信號進行數(shù)據(jù)采集時ADC的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100MHz的實時頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。

  目前半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC，亦即，原理上儀器可達(dá)到2GHz的帶寬，為了擴展頻率上限，可在ADC前端增加下變頻器，本振采用數(shù)字調(diào)諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴展到幾GHz以下的頻段使用。

  FFT的性能用取樣點數(shù)和取樣率來表征，例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點，則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點數(shù)為2048點，則分辨率提高到25Hz。由此可知，最高輸人頻率取決于取樣率，分辨率取決于取樣點數(shù)。

  FFT運算時間與取樣，點數(shù)成對數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時，要選用高速的FFT硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號處理器(DSP)芯片。例如，10MHz輸入頻率的1024點的運算時間80μs，而10KHz的1024點的運算時間變?yōu)?4ms，1KHz的1024點的運算時間增加至640ms。當(dāng)運算時間超過200ms時，屏幕的反應(yīng)變慢，不適于眼睛的觀察，補救辦法是減少取樣點數(shù)，使運算時間降低至200ms以下。

  3、用FFT計算信號頻譜的算法

  離散傅里葉變換X(k)可看成是z變換在單位圓上的等距離采樣值，同樣，X(k)也可看作是序列付氏變換X(ejω)的采樣，采樣間隔為ωN=2π/N

  由此看出，離散傅里葉變換實質(zhì)上是其頻譜的離散頻域采樣，對頻率具有選擇性(ωk=2πk/N)，在這些點上反映了信號的頻譜。

  根據(jù)采樣定律，一個頻帶有限的信號，可以對它進行時域采樣而不丟失任何信息，F(xiàn)FT變換則說明對于時間有限的信號(有限長序列)，也可以對其進行頻域采樣，而不丟失任何信息。所以只要時間序列足夠長，采樣足夠密，頻域采樣也就可較好地反映信號的頻譜趨勢，所以FFT可以用以進行連續(xù)信號的頻譜分析

  頻譜分析儀原理

  頻譜分析儀系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號的頻譜特性，頻譜分析儀依信號處理方式的不同，一般有兩種類型，即時頻譜分析儀(Real-TimeSpectrumAnalyzer)與掃描調(diào)諧頻譜分析儀(Sweep-TunedSpectrumAnalyzer)。

  即時頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應(yīng)的濾波器與檢知器(Detector)，再經(jīng)由同步的多工掃描器將信號傳送到CRT螢?zāi)簧?，其?yōu)點是能顯示周期性雜散波(PeriodicRandomWaves)的瞬間反應(yīng)，其缺點是價昂且性能受限於頻寬范圍，濾波器的數(shù)目與最大的多工交換時間(SwitchingTime)。

  最常用的頻譜分析儀是掃描調(diào)諧頻譜分析儀，其基本結(jié)構(gòu)類似超外差式接收器，工作原理是輸入信號經(jīng)衰減器直接外加到混波器，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT同步的掃描產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號(IF)再放大，濾波與檢波傳送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的縱軸顯示信號振幅與頻率的對應(yīng)關(guān)系。

  影響信號反應(yīng)的重要部份為濾波器頻寬，濾波器之特性為高斯濾波器(Gaussian-ShapedFilter)，影響的功能就是量測時常見到的解析頻寬(RBW，ResolutionBandb)。RBW代表兩個不同頻率的信號能夠被清楚的分辨出來的最低頻寬差異，兩個不同頻率的信號頻寬如低於頻譜分析儀的RBW，此時該兩信號將重疊，難以分辨。

  較低的RBW固然有助於不同頻率信號的分辨與量測，但低的RBW將濾除較高頻率的信號成份，導(dǎo)致信號顯示時產(chǎn)生失真，失真值與設(shè)定的RBW密切相關(guān)，較高的RBW固然有助於寬頻帶信號的偵測，將增加雜訊底層值(NoiseFloor)，降低量測靈敏度，對於偵測低強度的信號易產(chǎn)生阻礙，因此適當(dāng)?shù)腞BW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。

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開關(guān)電源變換器電壓模式的工作原理及特點

電壓模式和電流模式是開關(guān)電源系統(tǒng)中常用的兩種控制類型。在開關(guān)電源系統(tǒng)中，當(dāng)輸入電壓變化、輸出負(fù)載變化以及電源內(nèi)部的參數(shù)變化時，控制電路將檢測被控制的電壓及電流信號，將它們與基準(zhǔn)信號進行比較，然后將差值放大，進行閉環(huán)反饋控制，以調(diào)節(jié)主電路功率器件的導(dǎo)通脈沖寬度或開關(guān)頻率，從而保證系統(tǒng)的輸出電壓或輸出電流等被調(diào)節(jié)信號的穩(wěn)定。

開關(guān)電源有PFM和PWM兩種控制方式：PFM工作在變頻方式，通過調(diào)節(jié)工作頻率保持輸出電壓或輸出電流的恒定。PWM工作在固定頻率，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度，即占空比，保持輸出電壓或輸出電流的恒定。電源系統(tǒng)中，電壓的取樣信號有輸入電壓和輸出電壓，而電流的取樣有功率電感的直流壓降、電流取樣電阻電壓和和功率MOSFET的導(dǎo)通壓降等，由這些信號可以構(gòu)成單環(huán)、雙環(huán)或多環(huán)反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流或恒功率的控制，同時可以實現(xiàn)過壓欠壓保護、過流保護、均流、輸出電壓排序跟蹤等附帶的功能。

1 通用電壓模式的工作原理及特點

控制環(huán)僅有一個的電壓反饋環(huán)，電壓反饋環(huán)包括電壓誤差放大器、反饋分壓電阻器和反饋補償網(wǎng)絡(luò)。電壓誤差放大器的同相端連接到參考電壓Vref，反饋分壓電阻器連接到電壓誤差放大器的反相端FB，反饋補償網(wǎng)絡(luò)連接到反相端FB和電壓誤差放大器的輸出端COMP，輸出端COMP的電壓為Vc。電壓誤差放大器的輸出連接到PWM比較器的同相端，PWM比較器的反相端輸入信號為斜波發(fā)生器輸出的連續(xù)鋸齒波，由時鐘同步信號產(chǎn)生。

1.1 電壓模式工作過程

電壓模式的工作過程有二個階段：

(1)時鐘振蕩器輸出脈沖信號為高電平，高端的開關(guān)管導(dǎo)通，開始一個開關(guān)周期，電感所加的電壓為正，電感激磁，電流線性上升。由于鋸齒波的電壓低于Vc的電壓，PWM比較器輸出低電壓。

(2)當(dāng)鋸齒波的電壓增加到高于Vc的電壓時，PWM比較器輸出翻轉(zhuǎn)，高端的開關(guān)管關(guān)斷，低端的同步MOSFET或續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感所加的電壓為負(fù)，電感去磁，電流線性下降。直到下一個開關(guān)周期開始的時鐘同步信號到來，如此反復(fù)。

1.2 調(diào)節(jié)工作原理

電壓模式調(diào)節(jié)原理如下：

(1)當(dāng)輸出負(fù)載增大時，輸出電壓降低，Vc增大，鋸齒波的電壓只有增加到更高的值才能夠和Vc相等，從而使PWM比較器翻轉(zhuǎn)，因此，開關(guān)管導(dǎo)通的時間增長，占空比增加，輸入功率增加，因此輸出電壓增加，當(dāng)輸出電壓增加到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)保持平衡。

(2)當(dāng)輸出負(fù)載降低時，輸出電壓升高，Vc降低，鋸齒波的電壓在較低的值就可以等于Vc值，從而使PWM比較器翻轉(zhuǎn)，因此，開關(guān)管導(dǎo)通的時間縮短，占空比降低，輸入功率降低，因此輸出電壓降低，當(dāng)輸出電壓降低到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)保持平衡。

電壓誤差放大器的作用是檢測緩慢變化的輸出直流電壓信號的微小變化，輸入到FB管腳，F(xiàn)B管腳的電壓V-與參考電壓Vref的差值被電壓誤差放大器放大輸出，輸出Vc為具有一定幅值的比較干凈的直流低頻反饋控制信號，開關(guān)電源輸出附帶的較寬頻帶的高頻開關(guān)噪聲信號被濾除，從而保證輸出穩(wěn)態(tài)時的穩(wěn)壓精度。

高頻開關(guān)噪聲的頻率較高，幅值較大，如果高頻開關(guān)噪聲衰減不夠的話，系統(tǒng)容易受到干擾，不能穩(wěn)定工作;但是高頻開關(guān)噪聲衰減過大的話，系統(tǒng)的帶寬窄，動態(tài)響應(yīng)較慢，因此要做一些折衷的設(shè)計，要保持電壓誤差放大器的低頻增益高，高頻增益低，可以通過對整個閉環(huán)系統(tǒng)進行補償，使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

1.3 外加限流保護

從電壓模式工作原理可以看到，系統(tǒng)沒有內(nèi)置的限流功能保護電路，同時，對于輸入和輸出的瞬變變化，系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。當(dāng)輸入電壓突然變低或負(fù)載阻抗突然變低時，因為主電路有較大的輸出電容和電感，電容與電感產(chǎn)生相移延時作用，輸出電壓的變低也延時滯后，輸出電壓變低的信號還要經(jīng)過電壓誤差放大器的補償電路的延時滯后，才能傳到PWM比較器，將脈寬變寬，這兩個延時滯后作用是暫態(tài)響應(yīng)慢的主要原因。為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須外加限流保護電路，注意到限流保護電路只起限流的作用，并不參與系統(tǒng)的內(nèi)部的反饋調(diào)節(jié)。

1.4 電壓模式優(yōu)缺點

電壓模式的優(yōu)點：

(1)由于電流信號不參與反饋，系統(tǒng)不會受到電流噪聲的干擾。

(2)PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時具有較好的抗噪聲性能。

(3)占空比調(diào)節(jié)不受限制。

(4)對于多路輸出電源，它們之間的交互調(diào)節(jié)性能較好。

(5)單一電壓閉環(huán)反饋設(shè)計，調(diào)試比較容易。

(6)對輸出負(fù)載的變化有較快的響應(yīng)。

(7)低的輸出阻抗。

電壓模式的缺點：

(1)單反饋環(huán)控制系統(tǒng)，輸出LC濾波器在控制環(huán)中產(chǎn)生雙極點，動態(tài)響應(yīng)慢，需要增加一個零點對主極點進行補償，因此反饋補償設(shè)計比較復(fù)雜，需要更多額外的器件仔細(xì)設(shè)計補償環(huán)路，來優(yōu)化負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

環(huán)路增益是輸出電容ESR的函數(shù)，輸出電容影響反饋環(huán)，需要電解電容或鉭電容穩(wěn)定控制回路以維持良好的高頻響應(yīng);在相同均方根工作電流的需求下，相同電容值的電解電容或鉭電容比陶瓷電容的體積更大，同時輸出電壓的波動也更大。

環(huán)路的增益是輸入電壓的函數(shù),對輸入電壓的變化動態(tài)響應(yīng)較慢，需要輸入電壓前饋。

電壓模式的反饋設(shè)計通常選取穿越頻率為1/5-1/10的開關(guān)頻率，環(huán)路補償采用III類補償網(wǎng)絡(luò)：3個極點和2個零點，2個零點安排在LC諧振雙極點附近，以抵消雙極點產(chǎn)生的相位延遲;低頻積分電路用以提高低頻的直流增益，2個高頻極點以產(chǎn)生高頻噪聲衰減，保證在0dB穿越頻率以上環(huán)路增益保持下降。

(2)用于限流控制的電流檢測緩慢不準(zhǔn)確。

(3)如果多個電源和多個相位并聯(lián)操作,需要外部電路進行均流控制。

1.5 電壓模式動特性改善

改善電壓模式控制瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法有二種：一是增加電壓誤差放大器的帶寬，保證具有一定的高頻增益，但是這樣容易受到高頻開關(guān)噪聲干擾，需要在主電路及反饋控制電路上采取措施，進行抑制或同相位衰減平滑處理。另一方法是采用電壓前饋技術(shù)，用輸入電壓對電阻電容充電產(chǎn)生的具有可變化上升斜坡的三角波，取代傳統(tǒng)電壓模式PWM控制器中振蕩器產(chǎn)生的固定三角波。此時，輸入電壓的變化能立刻在脈沖寬度的變化上反映出來，因此該方法對輸入電壓的變化引起的瞬態(tài)響應(yīng)速度明顯提高。對輸入電壓的前饋控制是開環(huán)控制，而對輸出電壓的控制是閉環(huán)控制，目的是增加對輸入電壓變化的動態(tài)響應(yīng)速度，這樣就構(gòu)成了一個開環(huán)和一個閉環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)。

2 滯回電壓模式的工作原理及特點

滯回電壓控制模式一種最簡單的控制方法，控制環(huán)包括兩個部分：分壓電阻器和滯回比較器。分壓電阻器用于檢測輸出紋波電壓，滯回比較器用于控制功率開關(guān)管的開通和關(guān)斷。主功率回路工作在自由振蕩方式，電路調(diào)節(jié)輸出電壓并保持輸出電壓在參考電壓和比較器所設(shè)定的滯回窗口電壓范圍內(nèi)。

滯回電壓模式工作過程如下：

(1)當(dāng)輸出電壓降低時，比較器的反相端的電壓也降低，當(dāng)反相端低于Vref-dV/2時，比較器輸出高電平，開關(guān)管導(dǎo)通，輸出電壓增加。

(2)當(dāng)輸出電壓繼續(xù)增加，使比較器的反相端高于Vref+dV/2時，比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，開關(guān)管關(guān)斷。如此反復(fù)。

滯洄電壓模式的優(yōu)點：

(1)滯回電壓模式?jīng)]有反饋環(huán)，因此不需要補償設(shè)計，延時通常和補償網(wǎng)絡(luò)中的電容相關(guān)，滯回電壓模式?jīng)]有補償網(wǎng)絡(luò)，所以，誤差信號也就沒有補償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的延時，也不會產(chǎn)生補償網(wǎng)絡(luò)中電容充放電形成的不正常的電壓所帶來的不利影響。

(2)響應(yīng)快。滯回電壓模式能夠在當(dāng)前的周期非?？斓捻憫?yīng)負(fù)載電流的瞬態(tài)變化，響應(yīng)的時間只取決于滯洄比較器的驅(qū)動電路的延時。

(3)最簡單的一種控制方法。

滯洄電壓模式的缺點：

(1)工作在變頻工作方式，頻率變化范圍寬時，不利于電感的優(yōu)化設(shè)計。

(2)開頭頻率依賴于輸出的濾波器、輸入電壓和輸出電壓、滯回窗口電壓和內(nèi)部的延時。