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工程师的射频万用表：频谱分析仪简介及其基本原理

  将信号源发出的信号强度按频率顺序展开，使其成为频率的函数，并考察变化规律，称为频谱分析。运用傅里叶级数或傅里叶变换，就能实现把时间域信号变换成频率域信号，称为信号的频率描述或称为频谱分析。

  频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。

  现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能;配置标准接口，就容易构成自动测试系统。

  频谱分析仪简介

  频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备手段，是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具。因此，应用十分广泛，被称为工程师的射频万用表。

  1、传统频谱分析仪

  传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经变频器变频后由低通滤器输出，滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率，例如30Hz-30GHz，与外部混频器配合，可扩展到100GHz以上，频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一。

  无论测量连续信号或调制信号，频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是，传统的频谱分析仪也有明显的缺点，它只能测量频率的幅度，缺少相位信息，因此属于标量仪器而不是矢量仪器。

  2、现代频谱分析仪

  基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪，通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的结果，。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱分布图。

  在这种频谱分析仪中，为获得良好的仪器线性度和高分辨率，对信号进行数据采集时ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍，亦即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/S的取样率。

  目前半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC，亦即，原理上仪器可达到2GHz的带宽，为了扩展频率上限，可在ADC前端增加下变频器，本振采用数字调谐振荡器。这种混合式的频谱分析仪可扩展到几GHz以下的频段使用。

  FFT的性能用取样点数和取样率来表征，例如用100KS/S的取样率对输入信号取样1024点，则最高输入频率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取样点数为2048点，则分辨率提高到25Hz。由此可知，最高输人频率取决于取样率，分辨率取决于取样点数。

  FFT运算时间与取样，点数成对数关系，频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时，要选用高速的FFT硬件，或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。例如，10MHz输入频率的1024点的运算时间80μs，而10KHz的1024点的运算时间变为64ms，1KHz的1024点的运算时间增加至640ms。当运算时间超过200ms时，屏幕的反应变慢，不适于眼睛的观察，补救办法是减少取样点数，使运算时间降低至200ms以下。

  3、用FFT计算信号频谱的算法

  离散傅里叶变换X(k)可看成是z变换在单位圆上的等距离采样值，同样，X(k)也可看作是序列付氏变换X(ejω)的采样，采样间隔为ωN=2π/N

  由此看出，离散傅里叶变换实质上是其频谱的离散频域采样，对频率具有选择性(ωk=2πk/N)，在这些点上反映了信号的频谱。

  根据采样定律，一个频带有限的信号，可以对它进行时域采样而不丢失任何信息，FFT变换则说明对于时间有限的信号(有限长序列)，也可以对其进行频域采样，而不丢失任何信息。所以只要时间序列足够长，采样足够密，频域采样也就可较好地反映信号的频谱趋势，所以FFT可以用以进行连续信号的频谱分析

  频谱分析仪原理

  频谱分析仪系统主要的功能是在频域里显示输入信号的频谱特性，频谱分析仪依信号处理方式的不同，一般有两种类型，即时频谱分析仪(Real-TimeSpectrumAnalyzer)与扫描调谐频谱分析仪(Sweep-TunedSpectrumAnalyzer)。

  即时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器(Detector)，再经由同步的多工扫描器将信号传送到CRT萤幕上，其优点是能显示周期性杂散波(PeriodicRandomWaves)的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限於频宽范围，滤波器的数目与最大的多工交换时间(SwitchingTime)。

  最常用的频谱分析仪是扫描调谐频谱分析仪，其基本结构类似超外差式接收器，工作原理是输入信号经衰减器直接外加到混波器，可调变的本地振荡器经与CRT同步的扫描产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号(IF)再放大，滤波与检波传送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系。

  影响信号反应的重要部份为滤波器频宽，滤波器之特性为高斯滤波器(Gaussian-ShapedFilter)，影响的功能就是量测时常见到的解析频宽(RBW，ResolutionBandwidth)。RBW代表两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异，两个不同频率的信号频宽如低於频谱分析仪的RBW，此时该两信号将重叠，难以分辨。

  较低的RBW固然有助於不同频率信号的分辨与量测，但低的RBW将滤除较高频率的信号成份，导致信号显示时产生失真，失真值与设定的RBW密切相关，较高的RBW固然有助於宽频带信号的侦测，将增加杂讯底层值(NoiseFloor)，降低量测灵敏度，对於侦测低强度的信号易产生阻碍，因此适当的RBW宽度是正确使用频谱分析仪重要的概念。

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开关电源变换器电压模式的工作原理及特点

电压模式和电流模式是开关电源系统中常用的两种控制类型。在开关电源系统中，当输入电压变化、输出负载变化以及电源内部的参数变化时，控制电路将检测被控制的电压及电流信号，将它们与基准信号进行比较，然后将差值放大，进行闭环反馈控制，以调节主电路功率器件的导通脉冲宽度或开关频率，从而保证系统的输出电压或输出电流等被调节信号的稳定。

开关电源有PFM和PWM两种控制方式：PFM工作在变频方式，通过调节工作频率保持输出电压或输出电流的恒定。PWM工作在固定频率，通过调节脉冲宽度，即占空比，保持输出电压或输出电流的恒定。电源系统中，电压的取样信号有输入电压和输出电压，而电流的取样有功率电感的直流压降、电流取样电阻电压和和功率MOSFET的导通压降等，由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流或恒功率的控制，同时可以实现过压欠压保护、过流保护、均流、输出电压排序跟踪等附带的功能。

1 通用电压模式的工作原理及特点

控制环仅有一个的电压反馈环，电压反馈环包括电压误差放大器、反馈分压电阻器和反馈补偿网络。电压误差放大器的同相端连接到参考电压Vref，反馈分压电阻器连接到电压误差放大器的反相端FB，反馈补偿网络连接到反相端FB和电压误差放大器的输出端COMP，输出端COMP的电压为Vc。电压误差放大器的输出连接到PWM比较器的同相端，PWM比较器的反相端输入信号为斜波发生器输出的连续锯齿波，由时钟同步信号产生。

1.1 电压模式工作过程

电压模式的工作过程有二个阶段：

(1)时钟振荡器输出脉冲信号为高电平，高端的开关管导通，开始一个开关周期，电感所加的电压为正，电感激磁，电流线性上升。由于锯齿波的电压低于Vc的电压，PWM比较器输出低电压。

(2)当锯齿波的电压增加到高于Vc的电压时，PWM比较器输出翻转，高端的开关管关断，低端的同步MOSFET或续流二极管导通，电感所加的电压为负，电感去磁，电流线性下降。直到下一个开关周期开始的时钟同步信号到来，如此反复。

1.2 调节工作原理

电压模式调节原理如下：

(1)当输出负载增大时，输出电压降低，Vc增大，锯齿波的电压只有增加到更高的值才能够和Vc相等，从而使PWM比较器翻转，因此，开关管导通的时间增长，占空比增加，输入功率增加，因此输出电压增加，当输出电压增加到调节的范围内时，系统保持平衡。

(2)当输出负载降低时，输出电压升高，Vc降低，锯齿波的电压在较低的值就可以等于Vc值，从而使PWM比较器翻转，因此，开关管导通的时间缩短，占空比降低，输入功率降低，因此输出电压降低，当输出电压降低到调节的范围内时，系统保持平衡。

电压误差放大器的作用是检测缓慢变化的输出直流电压信号的微小变化，输入到FB管脚，FB管脚的电压V-与参考电压Vref的差值被电压误差放大器放大输出，输出Vc为具有一定幅值的比较干净的直流低频反馈控制信号，开关电源输出附带的较宽频带的高频开关噪声信号被滤除，从而保证输出稳态时的稳压精度。

高频开关噪声的频率较高，幅值较大，如果高频开关噪声衰减不够的话，系统容易受到干扰，不能稳定工作;但是高频开关噪声衰减过大的话，系统的带宽窄，动态响应较慢，因此要做一些折衷的设计，要保持电压误差放大器的低频增益高，高频增益低，可以通过对整个闭环系统进行补偿，使得闭环系统稳定工作。

1.3 外加限流保护

从电压模式工作原理可以看到，系统没有内置的限流功能保护电路，同时，对于输入和输出的瞬变变化，系统响应缓慢。当输入电压突然变低或负载阻抗突然变低时，因为主电路有较大的输出电容和电感，电容与电感产生相移延时作用，输出电压的变低也延时滞后，输出电压变低的信号还要经过电压误差放大器的补偿电路的延时滞后，才能传到PWM比较器，将脉宽变宽，这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。为了提高系统的可靠性，必须外加限流保护电路，注意到限流保护电路只起限流的作用，并不参与系统的内部的反馈调节。

1.4 电压模式优缺点

电压模式的优点：

(1)由于电流信号不参与反馈，系统不会受到电流噪声的干扰。

(2)PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声性能。

(3)占空比调节不受限制。

(4)对于多路输出电源，它们之间的交互调节性能较好。

(5)单一电压闭环反馈设计，调试比较容易。

(6)对输出负载的变化有较快的响应。

(7)低的输出阻抗。

电压模式的缺点：

(1)单反馈环控制系统，输出LC滤波器在控制环中产生双极点，动态响应慢，需要增加一个零点对主极点进行补偿，因此反馈补偿设计比较复杂，需要更多额外的器件仔细设计补偿环路，来优化负载瞬态响应。

环路增益是输出电容ESR的函数，输出电容影响反馈环，需要电解电容或钽电容稳定控制回路以维持良好的高频响应;在相同均方根工作电流的需求下，相同电容值的电解电容或钽电容比陶瓷电容的体积更大，同时输出电压的波动也更大。

环路的增益是输入电压的函数,对输入电压的变化动态响应较慢，需要输入电压前馈。

电压模式的反馈设计通常选取穿越频率为1/5-1/10的开关频率，环路补偿采用III类补偿网络：3个极点和2个零点，2个零点安排在LC谐振双极点附近，以抵消双极点产生的相位延迟;低频积分电路用以提高低频的直流增益，2个高频极点以产生高频噪声衰减，保证在0dB穿越频率以上环路增益保持下降。

(2)用于限流控制的电流检测缓慢不准确。

(3)如果多个电源和多个相位并联操作,需要外部电路进行均流控制。

1.5 电压模式动特性改善

改善电压模式控制瞬态响应速度的方法有二种：一是增加电压误差放大器的带宽，保证具有一定的高频增益，但是这样容易受到高频开关噪声干扰，需要在主电路及反馈控制电路上采取措施，进行抑制或同相位衰减平滑处理。另一方法是采用电压前馈技术，用输入电压对电阻电容充电产生的具有可变化上升斜坡的三角波，取代传统电压模式PWM控制器中振荡器产生的固定三角波。此时，输入电压的变化能立刻在脉冲宽度的变化上反映出来，因此该方法对输入电压的变化引起的瞬态响应速度明显提高。对输入电压的前馈控制是开环控制，而对输出电压的控制是闭环控制，目的是增加对输入电压变化的动态响应速度，这样就构成了一个开环和一个闭环的双环控制系统。

2 滞回电压模式的工作原理及特点

滞回电压控制模式一种最简单的控制方法，控制环包括两个部分：分压电阻器和滞回比较器。分压电阻器用于检测输出纹波电压，滞回比较器用于控制功率开关管的开通和关断。主功率回路工作在自由振荡方式，电路调节输出电压并保持输出电压在参考电压和比较器所设定的滞回窗口电压范围内。

滞回电压模式工作过程如下：

(1)当输出电压降低时，比较器的反相端的电压也降低，当反相端低于Vref-dV/2时，比较器输出高电平，开关管导通，输出电压增加。

(2)当输出电压继续增加，使比较器的反相端高于Vref+dV/2时，比较器的输出翻转，输出低电平，开关管关断。如此反复。

滞洄电压模式的优点：

(1)滞回电压模式没有反馈环，因此不需要补偿设计，延时通常和补偿网络中的电容相关，滞回电压模式没有补偿网络，所以，误差信号也就没有补偿网络产生的延时，也不会产生补偿网络中电容充放电形成的不正常的电压所带来的不利影响。

(2)响应快。滞回电压模式能够在当前的周期非常快的响应负载电流的瞬态变化，响应的时间只取决于滞洄比较器的驱动电路的延时。

(3)最简单的一种控制方法。

滞洄电压模式的缺点：

(1)工作在变频工作方式，频率变化范围宽时，不利于电感的优化设计。

(2)开头频率依赖于输出的滤波器、输入电压和输出电压、滞回窗口电压和内部的延时。