一张频谱仪结构图，快速掌握频谱分析基本原理
发布时间: 2026-09-16 09:39:26 浏览数:
拆解超外差频谱分析仪的经典结构，从信号路径到显示，一次讲清。
两种方式都靠校准给出最高一行的基准电平，再按每格比例推算其他位置，故绝对值与相对幅度差均可测。
图2. 参数已设定的典型频谱分析仪显示图
关键要点
隔直电容可防直流信号或直流偏置损坏分析仪，但会衰减低频信号，使部分频谱仪最低起始频率升至9kHz、100 kHz或10 MHz;部分机型可接入幅度基准信号(精确的频率与幅度)，用于周期性自我校准。
图 3. 射频衰减器电路
微波频谱分析仪则以预选器代替低通滤波器一种可调滤波器，只放行所关心的频率。
使被测信号比本振频率高或低一个中频，所需混频分量便落入中频滤波器通带，随后被检波并在屏幕上产生幅度响应。
图 4. 举例说明了分析仪的调谐过程。为了在显示屏上产生响应，本振必须调谐到 f IF + f sig
射频衰减器与中频增益联动:输入衰减改变时，中频增益自动调整以抵消其影响，信号在屏幕上的位置与基准电平均保持不变。
正弦信号只在单点频率有能量，但超外差接收机显示的响应有一定宽度:输入信号固定、本振扫频，混频输出随之扫频，某混频分量扫过中频时，就在显示器上描绘出带通滤波器的特性曲线。链路中最窄的滤波器带宽决定总显示带宽。
图 5. 当混频分量扫过 IF 滤波器时，显示器上描绘出滤波器的特性曲线
图 6. 能够分辨出间距等于所选 IF 滤波器 3 dB 带宽的两个等幅正弦信号
图 7. 扫描过快引起显示幅度的下降和所指定频率的偏移
「外差」指混频，即对频率进行转换;「超」指超音频频率。整个信号链路是:
图 1. 典型超外差频谱分析仪的结构框图
斜波发生器负责两件事:让光点在屏幕上从左到右移动;同时对本振调谐，使本振频率变化与斜波电压成正比。
这与接收普通调幅(AM)广播的超外差调幅收音机极为相似，区别在于:频谱分析仪输出是屏幕而非扬声器，本振调谐是电子调谐而非前面板旋钮。
横轴=频率，从左到右线性增加。先由中心频率控制调至标度盘中心线，再由频率扫宽控制设定横跨10个网格的范围;两者相互独立，改变中心频率时扫宽不变。也可用起始频率+终止频率设置。据此可读出任一信号的绝对频率，以及两个信号的相对频率差。
纵轴=幅度，可选以电压定标的线性标度，或以分贝(dB)定标的对数标度:
图 1. 典型超外差频谱分析仪的结构框图
混频器是非线性器件，输出除两个原始信号外，还含其谐波以及原始信号与谐波的和、差信号。任一混频信号落在中频(IF)滤波器通带内，都会被进一步处理。
斜波发生器负责两件事:让光点在屏幕上从左到右移动;同时对本振调谐，使本振频率变化与斜波电压成正比。
这与接收普通调幅(AM)广播的超外差调幅收音机极为相似，区别在于:频谱分析仪输出是屏幕而非扬声器，本振调谐是电子调谐而非前面板旋钮。
01 屏幕能读出什么
显示映射在10个水平网格x10个垂直网格的标度盘上。
横轴=频率，从左到右线性增加。先由中心频率控制调至标度盘中心线，再由频率扫宽控制设定横跨10个网格的范围;两者相互独立，改变中心频率时扫宽不变。也可用起始频率+终止频率设置。据此可读出任一信号的绝对频率，以及两个信号的相对频率差。
对数标度
可同时显示幅度相差70至100dB(电压比3200至100,000,功率比10,000,000至10,000,000,000)的信号。
线性标度
只适用于幅度差不大于20至30dB(电压比10至32)的信号。
两种方式都靠校准给出最高一行的基准电平，再按每格比例推算其他位置，故绝对值与相对幅度差均可测。
图2. 参数已设定的典型频谱分析仪显示图
02射频衰减器
作用:保证信号进入混频器时电平合适，防止过载、增益压缩和失真。
作用:保证信号进入混频器时电平合适，防止过载、增益压缩和失真。
关键要点
作为保护电路，通常基于基准电平自动设置;也可手动选择，步进为10dB、5dB、2dB甚至1dB;
隔直电容可防直流信号或直流偏置损坏分析仪，但会衰减低频信号，使部分频谱仪最低起始频率升至9kHz、100 kHz或10 MHz;部分机型可接入幅度基准信号(精确的频率与幅度)，用于周期性自我校准。
图 3. 射频衰减器电路
03低通滤波器 或预选器
低通滤波器的作用是阻止高频信号到达混频器，避免带外信号与本振混频、在中频上产生多余的频率响应。
微波频谱分析仪则以预选器代替低通滤波器一种可调滤波器，只放行所关心的频率。
04分析仪调谐
调谐取决于三点:中频滤波器的中心频率、本振的频率范围、允许外界信号到达混频器的频率范围。
使被测信号比本振频率高或低一个中频，所需混频分量便落入中频滤波器通带，随后被检波并在屏幕上产生幅度响应。
图 4 举例说明了分析仪的调谐过程。图中，fLO 并未高到使 fLO -fsig 混频分量落入 IF 通带内，故在显示器上没有响应。但是，如果调整斜波发生器使本振调谐到更高频率，则混频分量在斜波（扫描）的某点上将落入 IF 通带内，我们将看到显示器上出现响应。
05中频增益
链路中的可变增益放大器用于调节信号在显示器上的垂直位置，且不影响混频器输入端的电平。
射频衰减器与中频增益联动:输入衰减改变时，中频增益自动调整以抵消其影响，信号在屏幕上的位置与基准电平均保持不变。
06中频滤波器一信号分辨
频率分辨率，指明确分离两个正弦输入信号响应的能力。
正弦信号只在单点频率有能量，但超外差接收机显示的响应有一定宽度:输入信号固定、本振扫频，混频输出随之扫频，某混频分量扫过中频时，就在显示器上描绘出带通滤波器的特性曲线。链路中最窄的滤波器带宽决定总显示带宽。
图 5. 当混频分量扫过 IF 滤波器时，显示器上描绘出滤波器的特性曲线
图 6. 能够分辨出间距等于所选 IF 滤波器 3 dB 带宽的两个等幅正弦信号
两信号频率若靠得太近，迹线会在顶部重叠、看似一个响应。好在分辨率(IF)滤波器可调，总能找到足够窄的带宽将其分离;采用数字实现的分辨率带宽（RBW）滤波器，还能大幅改善带宽选择性。
结论
07扫描时间
中频滤波器是带限电路，充放电需要时间。混频分量扫过滤波器过快，会造成显示幅度丢失。
结论
分辨率的变化对扫描时间影响很大。频谱分析仪通常根据扫宽和分辨率带宽自动调整扫描时间，以维持被校准的显示。
图 7. 扫描过快引起显示幅度的下降和所指定频率的偏移
08包络检波器
老式分析仪用包络检波器把中频信号转换为视频信号(频率范围从零(直流)到由电路元件决定的某个较高频率)。最简单的包络检波器由二极管、负载电阻和低通滤波器组成，输出随中频信号的包络变化，而非中频正弦波的瞬时值。
图 8. 包络检波器
可变余辉存储的CRT
可调节消退速率，让新迹线恰在旧迹线消失时出现，显示连续无闪烁，也避免迹线重叠混淆;缺点是每次改变测量状态都需重调亮度与消退速度。
数字化显示（20世纪70年代中期起）
迹线数字化存入存储器后永久用于显示，能以无闪烁速率刷新，且不会变模糊或变淡。
结语
图 8. 包络检波器
09显示方式的演进
纯模拟显示
迹线呈现连续变化，无信息丢失。但窄分辨率带宽要求很长的扫描时间，极端情况下迹线会变成在阴极射线显像管(CRT)屏幕上缓慢移动的光点，显示失去意义。
可变余辉存储的CRT
可调节消退速率，让新迹线恰在旧迹线消失时出现，显示连续无闪烁，也避免迹线重叠混淆;缺点是每次改变测量状态都需重调亮度与消退速度。
数字化显示（20世纪70年代中期起）
迹线数字化存入存储器后永久用于显示，能以无闪烁速率刷新，且不会变模糊或变淡。
虽然现代数字实现已替代，但从经典结构开始了解仍然非常有好处。