频谱分析仪的原理及应用
（远程互动方式）
一、实验目的：
1、熟悉远程电子实验系统客户端程序的操作，了解如何控制远地服务器主机，操作与其连接的电子综合实验板和PCI-1200数据采集卡，具体可参照实验操作说明。

2、了解FFT 快速傅立叶变换理论及数字式频谱分析仪的工作原理，同时了解信号波形的数字合成方法以及程控信号源的工作原理。

3、在客户端程序上进行远程实验操作，由程控信号源分别产生正弦波、方波、三角波等几种典型电压波形，并由数字频谱分析仪对这几种典型电压波形进行频谱分析，并对测量结果做记录。

二、实验原理：
1、理论概要
数字式频谱分析仪是通过A/D 采样器件，将模拟信号转换为数字信号，传给微处理器系统或计算机来处理和显示，与模拟仪器相比，数据的量化更精确，而且很容易实现存储、传输、控制等智能化的功能。

电压测量的分辨率取决于A/D 采样器件的位数，例如12位A/D 采样的分辨率是1/4096。

在对交流信号的测量中，根据奈奎斯特采样定理，采样速率必须是信号频率的两倍以上，采样频率越高，时间轴上的信号分辨力就越高，所获得的信号就越接近原始信号，在频谱上展现的频带就越宽。

本实验系统基于虚拟仪器构建，数字频谱分析仪是通过PCI-1200数据采集卡来实现的。

通过虚拟仪器软件提供的网络通信功能，实现客户端与服务器之间的远程通信。

由客户端程序发出操作请求，由服务器接受并按照要求控制硬件实验系统，然后将采集到的实验数据发给客户端，由客户端程序进行处理。

频谱分析仪是在频域进行信号分析测量的仪器之一，它采用滤波或傅立叶变换的方法，分析信号中所含各个频率份量的幅值、功率、能量和相位关系。

频谱仪按工作原理，大致可分为滤波法和计算法两大类，本实验所用的数字频谱分析仪采用的是计算法。

计算法频谱分析仪的构成如图1所示：
图1 计算法频谱分析仪构成方框图
数据采集部分由数据采集部分由抗混低通滤波（LP ）、采样保持（S/H ）和模数转换（A/D ）几个部分组成。

数字信号处理（DSP ）部分的核心是FFT 运算。

有限离散序列Xn 和它的频谱X m 之间的傅立叶变换可表示如下： N-1 nm X m = ∑ Xn ·W N
n=0
-j2π/N
式中W N = C n,m = 0,1,……,N-1 1 N-1 -nm
Xn = － ∑ X m ·W N N m=0
X m 有N 个复数值，由它可获得振幅和相位谱∣X m ∣,φm 。

由于时间信号Xn 总是实函数，X m 的N 个值的前后半部分共轭对称。

由于数据采集进行的是有限时间内的信号采集，而不是无限时间信号，在进行FFT 变
换时，会出现频谱遗漏和干扰，因此，需要用数学的方法进行平滑处理，即FFT 变换后再采用相应的平滑窗函数进行处理。

2、程控信号源的工作原理
可以用数字合成的办法产生任意波形的电压信号。

原理图如图2所示，信号的一个周期用256个点组成，每个点的值由8位的二进制码表示，因此需要一个256×8的ROM 来存储一个周期的波形数据。

由加法计数器计数，产生0-255的8位二进制码，作为地址码提供给ROM ，依次取出ROM 中存储的256个点的值（8位二进码），送至DAC 输入端，在DAC 输出端即可产生相应的电压波形。

在时钟的驱动下，计数器循环计数就可以产生连续的周期电压信号。

地址输入线
数据输入线
D/A 转换器
计数器
8
8
时钟脉冲f0
U0
ROM 256×8
图2 任意信号波形的数字合成法
程控信号源实验模板的硬件原理如图3所示。

图3 程控信号源实验模板硬件原理
在EPROM27C64中固化有16种波形数据，每一种波形的一个周期由256个点构成，每个点的值由8位二进制码表示，因此该EPROM 要有16×256×8的存储空间。

输出信号的频率是由计数器前的分频器控制的。

晶体振荡器产生的是2MHz 的标准时钟信号，改变分频器的分频比就改变了计数器的时钟频率，从而改变了DAC 输出的速率。

那么，输出信号的频率可以由下式得出：
输出频率 = 2MHz/(分频比×256)
输出信号的幅度是由DAC(11)控制的。

0832为8位D/A 转换芯片，DAC(1)和的参考电压为5V ，则它输出的某个点的电压值Vo1为：
Vo1 = 5V ×DI1/255
其中，DI1为DAC(1)的输入数据(D10-D17)，即该点在EPROM 中存储的8位二进码的值。

DAC(1)的输出Vo1作为DAC(11)的参考电压，DAC(11)的输入数据DI2（D10-D17）由数据总线写入，则DAC(11)输出的某个点的电压值Vo2为：
Vo2 = Vo1×DI2/255 = 5V ×DI1×DI2/(255×255)
从数据总线写入不同的DI2，就可得到不同的信号幅度。

信号为单极性输出，幅度范围为0-5V 。

三、实验硬件及软件：
1、可以上网的计算机一台；
2、客户端程序。

四、实验预习要求：
1、复习好《电子测量》中频谱分析及信号源的有关章节。

2、参照远程实验操作说明书，了解程控信号源、数字频谱分析仪的控制方法。

3、详细阅读实验指导书，作好测试记录的准备。

五、实验步骤：
1、将本地计算机联网，并用ping命令测试与远地服务器是否可以连通。

2、运行客户端程序，输入用户名及密码，选择进入“电子综合实验”，并正确输入主、
从服务器的IP地址（可以从实验主页上获取）。

实验界面如下：
图4 数字频谱分析仪面板
3、本实验只需一个信号源。

由程控信号源一产生一个正弦波，频率控制设为8，幅度
控制设为200，PCI-1200采集卡的采样频率设为20000，采样点数设为10000。

用数字
频谱分析仪对该信号进行频谱测量，幅度刻度方式设为对数刻度（dbV），谱线显示方
式设为离散方式，并将测量结果填入表1。

频率分量
直流分量基波二次谐波三次谐波四次谐波五次谐波参数
频率（Hz）
幅度（dbV）
4、由程控信号源一产生一个方波，频率控制设为8，幅度控制设为200，PCI-1200采
集卡的采样频率设为20000，采样点数设为10000。

用数字频谱分析仪对该信号进行频
谱测量，幅度刻度方式设为对数刻度（dbV），谱线显示方式设为离散方式，并将测量
结果填入表2。

5、由程控信号源一产生一个三角波，频率控制设为8，幅度控制设为200，PCI-1200
采集卡的采样频率设为20000，采样点数设为10000。

用数字频谱分析仪对该信号进行频谱测量，幅度刻度方式设为对数刻度（dbV），谱线显示方式设为离散方式，并将测量结果填入表3。

6、在对以上几种典型电压波形的频谱观测中，改变信号源的频率和幅度，再进行测试
分析。

六、思考题：
1、数据采集卡的采样频率对频谱测量有什么影响？
2、数字频谱分析仪的频率分辨率和哪些因素有关？。