电子测量大作业1.docx

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《电子测量技术》课程研究性作业

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一、6-14在Multisim环境下，基于TektronixTDS204虚拟示波器设计一种时域反射计，给出电路原理图和实验仿真结果。

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1.1时域反射计简介 1

1.2时域反射计原理 1

1.3电路原理图 5

1.4实验仿真结果 6

二、7-14查阅网络分析仪的技术资料，说明网络分析仪的功能和基本原理，比较网络分析仪和频谱分析仪的异同点。

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2.1网络分析仪的功能 6

2.2网络分析仪的基本原理 7

2.3频谱分析仪与网络分析仪的异同点 7

一、6-14在Multisim环境下，基于TektronixTDS204虚拟示波器设计一种时域反射计，给出电路原理图和实验仿真结果。

1.1时域反射计简介

时域反射计（TDR）用来测量信号在通过某类传输环境传导时引起的反射，如电路板轨迹、电缆、连接器等等。

TDR仪器通过介质发送一个脉冲，把来自“未知”传输环境的反射与标准阻抗生成的反射进行比较。

TDR显示了在沿着一条传输线传播快速阶跃信号时返回的电压波形。

波形结果是入射阶跃和阶跃遇到阻抗偏差时产生的反射的组合。

1.2时域反射计原理

时域反射计TDR是最常用的测量传输线特征阻抗的仪器，它是利用时域反射的原理进行特性阻抗的测量。

图1是传统TDR工作原理图。

TDR包括三部分组成：

1）快沿信号发生器：

典型的发射信号的特征是：

幅度200mv，上升时间35ps，频率250KHz方波。

2）采样示波器：

通用的采样示波器.

3）探头系统：

连接被测件和TDR仪器。

测试信号的运行特征参考图2所示。

由阶跃源发出的快边沿信号注入到被测传输线上，如果传输线阻抗连续，这个快沿阶跃信号就沿着传输线向前传播。

当传输线出现阻抗变化时，阶跃信号就有一部分反射回来，一部分继续往前传播。

反射回来的信号叠加到注入的阶跃信号，

示波器可采集到这个信号。

因为反射回来的信号和注入的信号有一定的时间差，所以示波器采集到的这个叠加信号的边缘是带台阶的，这个台阶反映了信号传播反射的时间关系，与传输线电长度对应。

图3是计算被测传输线特征阻抗的计算公式。

当示波器采集到这个叠加信号后，容易去掉注入的信号（有些TDR仪器注入信号是从-200mv到0v的，所以示波器采集到的边沿台阶就是反射回来的信号）。

这样容易通过图中公式计算出反射系数，由反射系数通过图中公式（测试系统的阻抗是50欧姆）容易计算出发生反射电压点的负载阻抗。

TDR比较有意义的一点是，示波器采集到了每一点的反射电压（如果因为阻抗匹配而无反射，则假设反射的电压为0v），从而示波器屏幕上显示了一条TDR曲线，这个曲线与传输线的每一点有一一对应关系。

从这个曲线上可以读出传输线上每一点的特征阻抗。

如果知道有效介电常数，可以计算出/读出每一点距离测试点的具体长度，如图4所示。

所以TDR仪器不仅仅可以用来测量传输线的特征阻抗，还可以帮助定位断点或短路点的具体位置，比如有些工程师就用TDR来检验计算机、消费电子设备上的软排线是否有断点或短路点。

计算机和消费电子设备用了很多的软排线来传输高速信号（比如连接显示屏的软排线），这种软排线的每根线都是一个小同轴电缆，由于细小，生产时容易短路或短路，用TDR仪器可以帮助检查和定位问题。

当传输线上存在寄生电容、电感（如过孔）时，在TDR曲线上可以反映出寄生参数引起的阻抗不不连续，而且這些阻抗不连续曲线可以等效为电容、电感或其组合的模型，因而TDR也可以用來进行互连建模，可以直接在仪器上读出寄生的电感或电容，或通过仿真软件建立更详细的模型，如图5所示。

1.3电路原理图

1.4实验仿真结果

红色波形：

ZL=∞

红色波形：

ZL=1kΩ

红色波形：

ZL=0

二、7-14查阅网络分析仪的技术资料，说明网络分析仪的功能和基本原理，比较网络分析仪和频谱分析仪的异同点。

2.1网络分析仪的功能

现代网络分析仪已广泛在研发，生产中大量使用，网络分析仪被广泛地应用于分析各种不同部件，材料，电路，设备和系统。

无论是在研发阶段为了优化模拟电路的设计，还是为了调试检测电子元器件，矢量网络分析仪都成为一种不可缺少的测量仪器。

网络分析仪是一种功能强大的仪器，正确使用时，可以达到极高的精度。

它的应用也十分广泛，在很多行业都不可或缺，尤其在测量无线射频（RF）元件和设备的线性特性方面非常有用。

现代网络分析仪还可以应用于更具体的场合，例如，信号完整性和材料的测量。

随着业界第一款PXI网络分析仪—NIPXIe-5630的推出，你完全可以摆脱传统网络分析仪的高成本和大占地面积的束缚，轻松地将网络分析仪应用于设计验证和产线测试。

2.2网络分析仪的基本原理

一个任意多端口网络的各端口终端均匹配时，由第n个端口输入的入射行波an将散射到其余一切端口并发射出去。

若第m个端口的出射行波为bm,则n口与m口之间的散射参数Smn=bm/an。

一个双口网络共有四个散射参数S11、S21、S12和S22。

当两个终端均匹配时，S11和S22就分别是端口1和2的反射系网络分析仪数,S21是由1口至2口的传输系数，S12则是反方向的传输系数。

当某一端口m终端失配时,由终端反射回来的行波又重新进入m口。

这可以等效地看成是m口仍是匹配的，但有一个行波am入射到m口。

这样，在任意情况下都可以列出各口等效入射、出射行波与散射参数之间关系的联立方程组。

据此可以解出网络的一切特性参数,如终端失配时的输入端反射系数、电压驻波比、输入阻抗以及各种正向反向传输系数等。

这就是网络分析仪的最基本的工作原理。

单端口网络可视为双口网络的特例，在其中除S11之外，恒有S21=S12=S22。

对于多端口网络,除了一个输入和一个输出端口之外,可在其余一切端口都接上匹配负载，从而等效为一个双端口网络。

轮流选择各对端口作为等效双口网络的输入、输出端，进行一系列测量并列出相应的方程,即可解得n端口网络的全部n2个散射参数,从而求出n端口网络的一切特性参数。

　图左为四端口网络分析仪测量S11时测试单元的原理示意，箭头表示各行波的路径。

信号源u输出信号经开关S1和定向耦合器D2输入到被测网络的端口1，这就是入射波a1。

端口1的反射波（即1口的出射波b1）经定向耦合器D2和开关传到接收机的测量通道。

信号源u的输出同时经定向耦合器D1传到接收机的参考通道，这个信号是正比于a1的。

于是双通道幅度-相位接收机就测出b1/a1，即测出S11,包括其幅值和相位（或实部和虚部）。

测量时,网络的端口2接上匹配负载R1，以满足散射参数所规定的条件。

系统中的另一个定向耦合器D3也终接匹配负载R2,以免产生不良影响。

其余三个S参数的测量原理与此类同。

图右为测量不同Smn参数时各开关应放置的位置。

在实际测量之前，先用三个阻抗已知的标准器（例如一个短路、一个开路和一个匹配负载）供仪器进行一系列测量，称为校准测量。

由实测结果与理想（无仪器误差时）应有的结果比对，可通过计算求出误差模型中的各误差因子并存入计算机中，以便对被测件的测量结果进行误差修正。

在每一频率点上都按此进行校准和修正。

测量步骤和计算都十分复杂，非人工所能胜任。

上述网络分析仪称为四端口网络分析仪，因为仪器有四个端口，分别接到信号源、被测件、测量通道和测量的参考通道。

它的缺点是接收机的结构复杂，误差模型中并未包括接收机所产生的误差。

2.3频谱分析仪与网络分析仪的异同点

频谱分析仪主要有两种结构：

扫频式的和FFT，由于FFT结构存在测量频率的限制，一般只用于低频，而扫频式的广泛应用与射频和微波领域

扫频相对于FFT优点有：

测量频率范围宽，DANL低，测量动态范围大等

FFT相对于扫频的优点有：

实时测量

当然扫频的频谱仪有的也有FFT功能，如PSA，一般的频谱分析仪，后端对接收信号进行AD采集，然后用DSP处理后，可以达到VSA（矢量信号分析仪）的功能，如ESA＋89601A

当然目前的频谱分析仪功能还可以扩展，如NF测试，PhaseNoise的测试，DigitalModulation的测试等，但是这些一般是作为选件，选件的意思就是要额外的付钱。

网络分析仪有矢量和标量两种，目前主要的是矢量的，也就是说它能同时测量得到传输、反射幅度和相位信息，网络分析仪里面有自己的信号源，也有自己的接收机，但是如果把它理解成一个信号源和一台频谱仪的综合，那是有问题的，因为目前标准的网络分析仪只能测量线性参数，它是同频扫描的，具个例子，VNA扫描f1时，接收端也是测量f1信号上的传输和反射，再次计算得到S参数。

当然现在的VNA功能也扩展了，一般的VNA有frequcneyoffset选件，加上这个，就可以完成例如Mix这种频率偏移器件的扫描测试，当然有了这个频率偏移，也可以进行器件的非线性测试，如谐波等参数测试。

还有一个VNA的主要扩展就是进行差分器件的测试，目前随着差分拓扑的广泛应用，VNA也推出了例如四端口的VNA，但是它产生的信号也不是物理上差分，而是逻辑上差分，主要还是完成四端口网络的测试，然后进行混合S参数转换，得到DUT的差分性能，但是四端口的VNA一般要比两端口的贵上一倍

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