频谱分析仪的工作原理和常见故障及解决方法

频谱分析仪是一种带有显示装置的超外差式接受设备，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设备。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 Hz以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器如果采用数字电路和微处理器，就具有存储和运算功能；若配置标准接口，就可构成自动测试系统。

1 频谱分析仪的工作原理概述

目前信号的分析主要从时域、频域和调制域三个方面进行，频谱分析仪分析的是信号的频域特性，它主要由预选器、扫频本振、混频、滤波、检波、放大等部分组成。其基本组成框图如图1所示。

频谱分析仪的基本工作原理是输入信号经衰减器加到混波器，与可调变的扫频本振电路提供的本振信号混频后，得到中频信号再放大，滤波与检波，把交流信号及各种调制信号变成一定规律变化的直流信号，在显示器上显示。

输入衰减器是以10 dB为步进的衰减器，主要用途是扩大频谱仪的幅度测量范围，保证第一混频器对被测信号来说处于线性工作区，使输入信号与频谱仪达到良好的匹配。滤波器的作用是抑制镜像干扰以及其他噪声干扰，保证测量的稳定准确。混频器也称变频器，它能将微波信号变换成所需要的中频信号，而第一变频器是宽带频谱仪中最关键的微波部件之一，它包括基波混频器和高频段混频器。中频电路部分的可变增益电路和输入衰减器一起联控，或者由微处理器控制，根据输入信号幅度大小改变频谱分析仪的总增益，它的变化范围就决定了参考电平的范围。对数放大电路决定了频谱分析仪的显示动态范围和它的增益分档调节。检波电路一般都是峰值检波再滤波。

频谱分析仪的输入信号一般以2.9 GHz频率为分界点，低于2.9 GHz的信号为低波段信号，而频率高于2.9 GHz的信号为高波段信号。低波段的信号与第一本振的基波混频后得到第一中频，再经滤波后到第二变频器，第一中频信号与第二本振差频得到第二中频信号，再与第三本振混频得到所需中频信号；而高波段信号经预选后与第一本振相应的谐波混频后得到的中频信号与第三本振差频得到所需要的中频信号；该中频信号经后续电路处理后显示。显示电路的视频滤波器实际上是个低通滤波器，对模拟显示器，视频滤波器输出信号加到显示器垂直偏转线路供显示，而对数字显示器，则视频滤波器输出的信号先经A/D变换，数字化后经微处理器和图像显示控制器处理后送显示器显示。

2 常见故障的检修

在检修频谱分析仪时，首先一定要注意采取静电防护措施，因为人体容易带静电，静电放电会导致电子元器件损坏，因此在从事检修仪器前要事先放电或带接地手环；再就是引起某个故障产生的原因有多种因素，要遵循由易到难进行分析排查，有利于快捷修复仪器。

故障一：黑屏。造成黑屏的原因一般来说电源出故障的几率最高，因此先确定电源是否正常。频谱仪普遍采用开关电源，可利用开关电源的一般检修方法进行排除修复。若电源无问题，还有比较常见的原因是高压电路故障，在这里着重介绍一下频谱仪的液晶显示屏，液晶显示器发出的来光是它内部灯管发出的，灯管特性类似于家用日光灯，但它正常工作时需要400～800 V的高压，若灯管不亮，就先用高内阻万用表测试高压是否有故障，若高压正常，则更换灯管；否则就是高压逆变电路故障。

故障二：已保存的测试数据在使用时无法调用。频谱分析仪具有对测试的频谱数据结果进行保存和随时调用功能，如果已保存的频谱数据无法调用，主要原因是由于频谱仪数据存储空间的限制，当存储文件数据超出存储空间时，新数据就无法再保存进去，因此虽然文件显示已保存成功，但文件列表中并没有记录，造成无法调用，这时必须将原有的旧文件删除，保存的频谱数据调用就能正常。

故障三：开机后自检不过。现代频谱分析仪都带有微处理器，其自身对故障可进行诊断，在检修时可充分利用其这个功能，便于快速判断故障出处。若自检不过，根据出错提示信息，大致可判断问题所在，再对相关电路原理进行分析，能够比较快的找到故障点，然后采取相应的措施排除故障。本人曾遇到过两次自检不通过故障，依据自诊断提示，一次是第二变频电路中的集成块损坏，另一次是峰值检波电路中有断线所致。

故障四：全波段信号测试幅度不准确。由图1可以看出，不管是步进衰减器故障、本振电路故障、变频器或者后续信号处理各个电路故障，均可造成全波段信号测试幅度不准确，因此对此故障的诊断最好用分段排除法，即用一台合适的微波信号源作为被测信号，再用一台频谱仪作为测试仪，从信号输入端开始，对每一级电路输入信号和输出信号的幅度进行测试，查找反常现象，判断故障出处。若步进衰减器故障，一般情况比较常见的原因是由于衰减器触点接触不良或模块损坏，导致插损异常，引起测试幅度不准确，解决办法是清洁触点进行修复或者更换模块。要是本振电路故障，可在本振电路的参考环、取样环、耦合器、隔离器、放大器等端口进行检查测试，对损坏的器件进行更换修复，必要时更换整个部件。而对于变频器常见故障是变频器件损坏或者是信号传输故障，用清理虚焊点和调谐耦合电容方法可排除信号传输故障。

故障五：GPIB不工作。首先检查GPIB电缆的连接是否正确以及电缆的好坏，再查看GPIB地址的设置有无问题。在出厂时，频谱仪地址均有设置，一般在“配置”菜单的“频谱仪地址”中查看GPIB地址。

故障六：2.95 GHz以上信号不能测试。2.95 GHz以上频率属于高频段信号，由于低频段测试正常，说明步进衰减器、第二、三变频器和后续电信号处理各个电路均正常，那么通过原理框图可得出判断，此故障产生的原因可能有二个：射频开关故障、第一变频器的谐波混频器故障。若射频开关自身损坏更换射频开关即可，若是射频开关驱动电路故障造成不能转换，则检修方法同一般电路的是同样的。用此分析方法同样可检修低频段故障。

3 结语

对于不同厂家、不同型号的频谱分析仪，电路各有差异，但主体框架和常见故障的一般分析方法大致如本文所述，在实际运用中效果较好，可为相关工作者提供参考。

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