常用仪器基本的原理与使用课件.ppt

1、常用仪器的基本原理与使用网络分析仪频谱分析仪1/2/20231目的：了解仪器的原理；讨论怎样规范使用仪器；准确测量；合理保护仪器。1/2/20232关于仪器保护 1、不能直接连接仪器接口到直流电源上 2、不能将大功率信号直接连接到仪器 3、仪器要良好接地 4、不能用湿的手操作仪器1/2/20233关于仪器测试 1、仪器也是有一定测量误差的 2、正确的测试方法才能得到正确的测试结果 3、正确的测试结果应该是可以重复的 4、不同测试人员测试结果是一致的1/2/20234仪器正确测量v保证仪器是经过校准的1.每一年需校准一次仪器的准确性（到专门的校准点校准）2.每次作测试前需要对仪器作校准v关于测量

2、误差具体要参考仪器手册 具体可以参考“Optimizing the spectrum analyzer amplitude accuracy.pdf”v测量人员必须保证测试误差最小化1/2/20235 一些常用单位的意义 dB相对值，不能独立存在 dBc相对载波dB C(carrier):载波，主信号 dBm绝对值0dBm=1mW;10dBm=10mW dBuV0dBuV=1uV;20dBuV=10uV ppm百万分之一1/2/20236 基本概念v1失真：任何通信系统失真都考虑，纯粹的线性系统、无源器件也一样（在高功率时，如Mixer）2误差 ：系统误差；随机误差；漂移误差 3无失真传输：要

3、求被测器件在要求的带宽幅度平坦，相位响应呈线性。4 高频传输：功率以行波的形式传播，特性阻抗等于负载阻抗时以最大功率传播；特性阻抗不等于负载阻抗时部分信号将被反射，形成驻波。5 Smith chart:恒定电阻的规迹表现为圆，恒定电抗的规迹表现为圆弧，匹配点在圆点。1/2/20237Z =ZoL=0GSmith chartGLZ =0=180 O1(short)Z =L=0 O1G(open)Constant XConstant R1/2/20238网络分析仪和频谱分析仪的区别.Amplitude RatioFrequency AmplitudeFrequency8563ASPECTRUM A

4、NALYZER 9 kHz-26.5 GHzMeasures known signalMeasures unknown signals Network analyzers:lmeasure components,devices,circuits,sub-assemblieslcontain source and receiverldisplay ratioed amplitude and phase(frequency or power sweeps)loffer advanced error correction Spectrum analyzers:lmeasure signal ampl

5、itude characteristicscarrier level,sidebands,harmonics.)lcan demodulate(&measure)complex signalslare receivers only(single channel)lcan be used for scalar component test(nophase)with tracking gen.or ext.source(s)1/2/20239网络分析仪的原理与使用v网络分析仪用来测量器件的幅度、相位、群延时、阻抗等v网络分析仪的构成：激励源、信号分离器件、用于检测的接收机、显示器件电路1/2/20

6、2310网络分析仪的结构框图RECEIVER/DETECTORPROCESSOR/DISPLAYREFLECTED(A)TRANSMITTED(B)INCIDENT(R)SIGNALSEPARATIONSOURCEIncidentReflectedTransmittedDUT1/2/202311v1激励源：内置锁相压控振荡器 1/2/2023122 信号分离器件：分功器（电阻性宽带器件，插损大）；定向耦合器（插损小，带宽小）；定向电桥（测量宽带反射信号，有显著插损）。Test PortDetectordirectional couplersplitterbridgemeasure incide

7、nt signal for referenceseparate incident and reflected signalsRECEIVER/DETECTORPROCESSOR/DISPLAYREFLECTED(A)TRANSMITTED(B)INCIDENT(R)SIGNALSEPARATIONSOURCEIncidentReflectedTransmittedDUT1/2/202313调谐接收机（Tuned Receiver）Vector(magnitude and phase)IF FilterIF=F LOFRFRFLOADC/DSP3 检测的接收机：用调谐接收机技术放大检波，有二极管

8、检波（宽 带）和调谐接收机技术（窄带）。宽带检波适于测量如混频器之类的有内部本振的元件；窄带检波适于测量强抑制性器件如滤波器。标量分析仪用二极管检波（动态范围小，可测量到-60dBm，最大动态75dB）；1/2/202314Scalar broadband (no phase information)DiodeDCACRF1/2/202315RECEIVER/DETECTORPROCESSOR/DISPLAYREFLECTED(A)TRANSMITTED(B)INCIDENT(R)SIGNALSEPARATIONSOURCEIncidentReflectedTransmittedDUTCH1

9、S21 log MAG10 dB/REF 0 dBCH1 START 775.000 000 MHzSTOP 925.000 000 MHz CorHldPRmCH2 S12 log MAGREF 0 dB10 dB/CH2 START 775.000 000 MHzSTOP 925.000 000 MHz Duplexer Test-Tx-Ant and Ant-RxCorHldPRm 111_-1.9248 dB 839.470 000 MHz PASS211_-1.2468 dB 880.435 000 MHz PASSlmarkersllimit lineslpass/fail ind

10、icatorsllinear/log formatslgrid/polar/Smith chartsACTIVE CHANNELRESPONSESTIMULUSENTRYINSTRUMENT STATE R CHANNELR LTSHP-IB STATUSNETWORK ANYZER50 MH-20GHzPORT 2PORT 1CH1 S21 log MAG10 dB/REF 0 dBCH1 START 775.000 000 MHzSTOP 925.000 000 MHz CorHldPRmCH2 S12 log MAGREF 0 dB10 dB/CH2 START 775.000 000

11、MHzSTOP 925.000 000 MHz Duplexer Test-Tx-Ant and Ant-RxCorHldPRm 111_-1.9248 dB 839.470 000 MHz PASS211_-1.2468 dB 880.435 000 MHz PASS1/2/202316CH1 S21&Mlog MAG1 dB/REF 0 dB CorCH2 MEMlog MAGREF 0 dB1 dB/CorUncorrectedAfter two-port calibrationSTART 2 000.000 MHzSTOP 6 000.000 MHzx212After response

12、 calibrationMeasuring filter insertion loss1/2/202317High-Dynamic Range MeasurementsCH1START775.000000MHz Cor Avg10 PRmCH1 MEMLOG15 dB/REF 3 dBCH2 MEMLOG15 dB/REF 3 dBCH2START775.000000MHzSTOP 1000.000000MHzSTOP 1000.000000MHz Cor Avg10 PRm Standard 8753ES8753ES Special Option H161/2/202318网络分析仪的误差v

13、Es：正向传输源失配误差Es：反向传输源失配误差Ert：正向传输反射跟踪误差Ert：反向传输反射跟踪误差El：正向传输负载失配误差El：反向传输负载失配误差Ett：正向传输跟踪误差Ett：反向传输跟踪误差Ex：正向传输隔离误差Ex：反向传输隔离误差1/2/202319网络分析的误差校正v1标量网络分析仪的校正方法：二端口网络中的信号是矢量信号（复信号），而标量网络分析仪只能对矢量信号中的信号幅度进行测量，丢失了信号的相位信息，因此标量网络分析只能用于精度要求不高的场合，同时标量网络分析的修正只能使用幅度校正不能采用矢量校正，（即用电缆直接将检波探头和源输出端口相连），1/2/202320矢量网

14、络分析仪的校正方法v1 频率响应修正法。频响修正是直接用直通电缆连接网络仪的输入输出端口进行传输校正的一种方法，这种方法与标量网络分析仪的频响校正方法相同，但是在幅度校正的同时也校正了相位信息，并且矢量网络分析仪是使用比值方法进行测量所以测量精度较标量网络分析仪校正有了更高的精度，由于这种校正方法简单运算量小所以适合生产测试过程中的校正，既提高的测试结果的精度又有很快的测试速度。1/2/202321v2 单端口反射校正：在需要测量反射的场合如阻抗测试、反射系数测试，需要对矢量网络分析仪的反射端口进行校正，通过使用校正器件（开路器、短路器、负载）得到在三种条件下的测量结果然后通过网络仪内部的计算

15、机进行运算得到网络的误差数据。1/2/202322网络分析仪反射校准v1.按CALCALMENUS11（或S22视习惯而定），出现图所示的菜单 v vv2.接开路校准件，按OPEN；v3.接短路校准件，按SHORT （注意短路一定要保持和地良好短接）；v4.接50校准件，按LOAD；5 按下“RESPONSE”键，完成校准。6 存储校准1/2/202323仪器显示反射测试回波图驻波图1/2/202324圆图显示1/2/2023251/2/202326网络分析仪传输校准1/2/202327幅度测试8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHzDUT测试仪器连接Trac

16、king generatorRF inTG outf=IFSpectrum analyzerIFLODUT1/2/202328 Linear electrical length added+yieldsFrequency(Electrical delay function)FrequencyRF filter responseDeviation from linear phasePhase 1 /DivoPhase 45 /DivoFrequencyLow resolutionHigh resolution相位测试1/2/202329阻抗测试v 接头一定要接好，拧紧。v 一定要校准仪器v 分析

17、仪显示的阻抗测试图1/2/202330Frequency Sweep-Filter TestCH1 S11log MAG5 dB/REF 0 dBCENTER 200.000 MHzSPAN 50.000 MHz Return losslog MAG10 dB/REF 0 dBCH1 S21 START .300 000 MHzSTOP 400.000 000 MHz Cor 69.1 dB Stopband rejectionInsertion lossSCH1 21log MAG1 dB/REF 0 dB Cor Cor START 2 000.000 MHzSTOP 6 000.000

18、MHzx212m1:4.000 000 GHz -0.16 dBm2-ref:2.145 234 GHz 0.00 dB1ref21/2/2023311/2/202332Frequency-Translating DevicesMedium-dynamic range measurements(35 dB)High-dynamic range measurements(100 dB)FilterReference mixerRef out Ref in AttenuatorAttenuatorPower splitterESG-D4000ADUTAttenuator8753ES FilterA

19、ttenuatorAttenuatorRef InStart:900 MHzStop:650 MHzStart:100 MHzStop:350 MHzFixed LO:1 GHzLO power:13 dBmFREQ OFFSON offLOMENUDOWNCONVERTERUPCONVERTERRF LORF LOVIEW MEASURERETURN8753ES12CH1 CONV MEASlog MAG10 dB/REF 10 dB START 640.000 000 MHzSTOP 660.000 000 MHz1/2/202333High-Power AmplifiersSourceB

20、RA+43 dBm max input(20 watts!)PreampAUT8720ES Option 085DUTRef InAUTPreamp8753ES 85118A High-Power Amplifier Test System1/2/202334High-Dynamic Range MeasurementsCH1START775.000000MHz Cor Avg10 PRmCH1 MEMLOG15 dB/REF 3 dBCH2 MEMLOG15 dB/REF 3 dBCH2START775.000000MHzSTOP 1000.000000MHzSTOP 1000.000000

21、MHz Cor Avg10 PRm Standard 8753ES8753ES Special Option H161/2/202335Multiport Device Test log MAG10 dB/REF 0 dB1_-1.9248 dBCH1 S21CH1 START 775.000 000 MHzSTOP 925.000 000 MHzCorHldPRmCH2 S12log MAGREF 0 dB10 dB/CH2 START 775.000 000 MHzSTOP 925.000 000 MHzCorHldPRm11 839.470 000 MHz PASS211_-1.2468

22、 dB 880.435 000 MHz PASSDuplexer Test-Tx-Ant and Ant-RxMultiport analyzers and test sets:limprove throughput by reducing the number of connections to DUTs with more than two portslallow simultaneous viewing of two paths (good for tuning duplexers)linclude mechanical or solid-state switches,50 or 75

23、ohmsldegrade raw performance so calibration is a must(use two-port cals whenever possible)lAgilent offers a variety of standard and custom multiport analyzers and test sets8753 H391/2/20233687050E/87075C Standard Multiport Test SetsnFor use with 8712E familyn50:3 MHz to 2.2 GHz,4,8,or 12 portsn75:3

24、MHz to 1.3 GHz,6 or 12 portsnTest Set Cal and SelfCal dramatically improve calibration timesnSystems offer fully-specified performance at test ports Once a month:perform a Test Set Cal with external standards to remove systematic errors in the analyzer,test set,cables,and fixtureOnce an hour:automat

25、ically perform a SelfCal using internal standards to remove systematic errors in the analyzer and test setDUTFixtureTest Set CalTest Set CalSelfCalSelfCal1/2/202337Power Sweeps-CompressionSaturated output powerOutput Power(dBm)Input Power(dBm)Compression regionLinear region(slope=small-signal gain)1

26、/2/202338CH1 S21 1og MAG 1 dB/REF 32 dB 30.991 dB 12.3 dBmPower Sweep-Gain Compression0START -10 dBm CW 902.7 MHz STOP 15 dBm11 dB compression:input power resulting in 1 dB drop in gain1/2/202339不同样式的网络分析仪1/2/202340E5100A/B Network AnalyzerE5100A/Bl180,300 MHzleconomicallfast,smallltarget markets:cr

27、ystals,resonators,filterslequivalent-circuit modelslevaporation-monitor-function option1/2/202341 log MAG10 dB/REF 0 dB1_-1.9248 dBCH1 S21CH1 START 775.000 000 MHzSTOP 925.000 000 MHzCorHldPRmCH2 S12log MAGREF 0 dB10 dB/CH2 START 775.000 000 MHzSTOP 925.000 000 MHzCorHldPRm11 839.470 000 MHz PASS211

28、_-1.2468 dB 880.435 000 MHz PASSDuplexer Test-Tx-Ant and Ant-Rx8753 H391/2/2023424395A/4396Bl500 MHz(4395A),1.8 GHz(4396B)limpedance-measuring optionlfast,FFT-based spectrum analysisltime-gated spectrum-analyzer optionlIBASIClstandard test fixtures1/2/2023431/2/202344频谱分析仪的原理与使用v频谱分析仪的用途：频谱分析仪用来测量信号

29、的特征，主要有载波电平（信号功率）、边带、谐波和相位噪生，周期、波形，通常显示没有处理的原信号的信息。最常用的有谐波失真、双音（tow-tone）交调失真和杂波(spur)探测。1/2/202345频谱仪一些常用术语vRBW(resolution bandwidth)：分辨带宽vVBW(video bandwidth)：视频带宽vSPAN：扫描带宽vSWEEP TIME：扫描时间1/2/202346频谱仪常用键介绍vPEAK：vSpan:vBW:vSweep:vMark:vAMPLITUDE:1/2/202347频谱分析仪的结构图1/2/202348频谱分析仪工作原理简述v一般频谱仪采用超外差

30、方式，能提供宽的频率覆盖范围，在中频进行信号处理，信号与本振混频当混频信号等于中频时，检波器输出信号被放大并使CRT显示器产生垂直偏转，扫描震荡器保证CRT显示的水平频率轴和本地震荡器调谐同步，它同时驱动水平CRT偏转和调谐LO。目前较先进的频谱仪采用在中频后用高速A/D转换，转换成数字信号进行处理。v实际频谱仪一般采用多级中频。1/2/202349SA Input AttenuatorvAdjust level of signal into the spectrum analyzerv输入衰减器测试：将输入衰减器测试改变10dB，如果显示的信号不变，则频谱分析仪的压缩对基波或双音信号的测量没

31、有影响。v输入衰减器不影响内部噪声电平（因内部噪声主要是由中放第一级产生），只影响到混频器的信号电平，降低信噪比。希望用可能小的衰减得到最好的信噪比。v输入衰减器不影响显示（中放补偿插损）。1/2/202350SA MixervMixer Translates the input to a higher frequency Mixer is nonlinear (Lo-input)is the critical frequencyv其实是一乘法器.1/2/202351Local oscillator(LO)vLO a voltage-controlled oscillator LO frequ

32、ency is controlled by the sweep generatorvsweep generator Controls the horizontal deflection of the display1/2/202352SA IF filtervIntermediate frequency(IF)filter（RBW）vRBW越小，经过滤波器的噪声就越少，频谱仪噪底也可以越低。v观察对比2个信号，RBW必须比2个信号的间距小v观察微弱信号需要小的RBW，否则信号被噪声湮没了v相同的span，小的RBW扫描时间较长v如果看SCDMA信号，假如RBW10kHz。此时自然整个chann

33、el的功率不能被直接读出，SCDMA信号占400多kHz1/2/202353DetectorvFollow the peak variations of the IF filter output Positive detector:largest value in bin displayed Negative detector:smallest value in bin displayed Sample detector:last value in bin displayed 1/2/202354Video FiltervSmoothes the display by averaging th

34、e signal Makes LOW-Level signals easier to read vControlled by video bandwidth control(VBW)1/2/202355观察时域SCDMA信号的设置vRBW=300kHz（channel BW=420kHz)vVBW=10kHz(如此显示较清楚）vFREQUENCY=CENTER FREQUENCYvSPAN=0Hz（观察时域信号，频谱仪作示波器用）vSWEEP TIME=30mS（SCDMA TX=RX=5ms，如此满屏可以显示3个TXRX时隙，有利于观察）v以后测时域SCDMA信号按照此规定执行原因是不同的设

35、置差别很大，必须按照同一标准，保证测试的一制性。1/2/202356交调测试交调测试RL 0 dBm ATTEN 10 dB 10 dB/DIVCENTER 20.00000 MHz SPAN 10.00 kHzRB 30 Hz VB 30 Hz ST 20 sec LPF8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHzLPFDUT1/2/202357频谱测量1/2/2023581/2/202359最好灵敏度测试要求v最窄的分辨带宽（RBW）v最小的输入衰减（ATT）v充分利用视频滤波器（VBW）v矛盾：较小的分辨带宽会增加测量时间；0dB输入会增加输入驻波比v应综合考虑1/2/202360判断仪器是否饱和的方法v输入衰减器测试：将输入衰减器测试改变10dB，如果显示的信号不变，则频谱分析仪的压缩对基波或双音信号的测量没有影响。v校准好的仪器理论上是不变的，实际上有很小的差别但仪器饱和后改变衰减器的变化很大1/2/2023611/2/202362