以虚拟扫频仪NWT150为核心部件，折腾简易的频谱仪（过程直播）

JHXC

多年前曾经利用U波段的扫频仪配合一些电路做过一台简易的频谱仪，最高频率可达500兆周，给自己的折腾作出了很大的贡献，后来买了带跟踪源的频谱仪，于是园了频谱梦！实践证明，在折腾射频电路时，频谱仪是一种不可多得的仪器！

前几天买了一台虚拟扫频仪NWT150，试验看到这台仪器的许多指标不错，于是动起了心思，打算利用它折腾出一台频谱仪，回想当年受器件、设备的限制，做出来的玩意总是有不少遗憾，现在再重温，首先是退休了有的是时间，再就是市场上现在要找到一些器件不难，还有网络提供了交流平台，大家可以共同切磋。

最终折腾成功需要一些时间，加上老婆子天天唠叨，要我到外面走走。考虑到折腾成功需要一些时日，这里专门开这个帖子，逐渐将过程贴上来与各位切磋。

考虑到一些网友对此也有兴趣，因此，花费较大的篇幅多说一些废话，错误之处还望朋友们指正！

下面开始。

NWT150组成的频谱仪

无线电爱好者与制作和处理射频电路时，如果没有仪器的话，成功的概率很低。道理非常简单，射频电路中的电路特性，比方说幅频特性，电路中产生的信号，比方说振荡器产生的振荡信号，天线接收的信号，混频器中信号的变频效应，还有射频电路中的各种元器件，比方说电感、电容、晶体和陶瓷滤波器，高通、低通、带通等滤波器………，这些电路、信号或者元器件，如果没有仪器进行测试和调整，纵使你有人家非常成功的电路或案例，要想弄好可没有那么简单！
如果能有几样合适的仪器，射频电路的实验成功的概率就会高许多。射频电路的试验最有用的是扫频仪和频谱仪，而带有跟踪发生器的频谱仪本身具有扫频功能，而且比一般的扫频仪的扫频功能要优越的多，所以，能有一台带有跟踪源的扫频仪才是爱好者的理想。只是现实太残酷，即使是不带跟踪源的频谱仪价格也非常贵，实验中还要有一台合适的扫频仪配套才行。这种境地导致爱好者们在折腾射频电路时，常常做许多无用功，一些美好的愿望难以顺利的实现。
不久前买了一台虚拟的NWT150扫频仪，查看参数和实际实验，觉得这是一个很不错的仪器，完全能够替代常见的通用扫频仪比方说BT3C，也比那些专门的收音机扫频仪要优秀几个数量级。
NWT150扫频仪的优越性能，使得我们能够十分方便的用来测试和调试射频电路的幅频特性、测试射频电路中使用的元件，比方说谐振回路的元件，比较好的解决了射频电路频率特性的调试和测试问题。但是射频电路中的信号扫频仪自身测试不了，虽然可以借助频率计测试射频电路中的振荡器，受频率计灵敏度的限制很多电路中测试不了；示波器除了受到灵敏度的制约，示波器的带宽也是限制该项测试的瓶颈，除非你掏很多钱买更高带宽的示波器；虽然还有一些办法，比方说高频毫伏表可以测试信号，但是无法确定频率，无法分清有用或无用信号……..。如果有一台频谱仪，这些问题都会很好的解决！
由于NWT扫频仪的优越性能，假设用来担当频谱仪中的扫频振荡器，具有一定制作能力的爱好者自制一台实用的频谱仪还是不难的。
一、从收音机到频谱仪
自制频谱仪需要解决那些问题，一台适合爱好者自制的频谱仪需要什么样的电路，首先我们要弄清仪器的一般原理。爱好者对收音机都很熟，所以我们先从收音机说起。
熟悉电路原理的不难知道，频谱仪其实就是一台宽带的、分辨率很高、灵敏度很高的扫描接收机。普通接收机一般是用人工的方法调节频率度盘，遇到电台信号就停止调节，如果需要接收另一个台，那就再次调节频率度盘，稍好一点的收音机，可以扫描选台，选好的台存储下来再调用。收音机扫描选台的扫描过程是将整个频段的所有信号都接收下来，调用只能弄一个信号出来；而频谱仪扫描过程也是这样，但是他可以将接收的信号实时的全部显示在屏幕上。

上面是收音机与频谱仪的简单原理方框图，不难看出，都是用来接收处理信号的。收音机处理的信号变成了声音，频谱仪处理的信号变成了谱线图；处理信号的电路有相同之处，本机振荡器或扫频振荡器的振荡信号与接收的信号混频之后形成的产物、通常叫做中频信号。
中频信号经过滤波、放大、幅值检测之后分别送到扬声器或显示器；收音机因为电路简单，接收部分通常采用调谐回路对信号进行选择之后送到混频器。频谱仪一般不采用谐振回路，由于被测的信号可能很强，因为要线性的反映信号的大小，因此过大的信号需要经过适当的衰减之后加到混频器，否则就会烧坏混频电路的元器件；而收音机面对较强的信号，一般不会烧毁输入回路的元件，但是面对很强的电台信号，需要采用自动增益控制的方式保证强信号不过载。
两种设备都有相同作用的振荡器，收音机靠人工调节频率，而频谱仪虽然也可以工作在手动调节状态，但主要是靠锯齿波改变压控振荡器实现频率的自动调节。为了让显示器扫描的图形与调节速率同步，锯齿波压控电压还要加到显示器，这样屏幕上水平轴的每一点就对应扫频振荡器的频点。
频谱仪因为要无损和不失真的送到混频器，因此通常不加输入选频回路，也不用前置放大器，有些仪器也有选频回路，一般叫做预选器，因为频率很高，带宽很宽，预选器又会带来信号的损失，加上非常的复杂，频谱仪的信号直接输入到混频器。前置放大器总会有失真，失真就意味有新的频率分量出现，这个是不需要的，所以频谱仪一般都不会有前置放大器。
从方框图不难看出，频谱仪显示的图形其实就是中频放大器中的滤波器形成的。滤波器的通带很窄的时候，如果将扫频宽度增加到一定程度，看起来就像一根垂直的线条，所以常常叫做谱线，如果减少扫描宽度，见到的就是那个中频滤波器的谐振曲线。
收音机只要中频通带合适，我们就能听到悦耳的声音，一般情况下中频滤波器的通带是固定的，原则上只要相邻两个台不混在一起就行，常常用选择性表示；而频谱仪则不同，理论上讲，谱线只要看得见就行，因此带宽越窄越好，假设频谱仪的中频带宽是10KHZ的话，如果两个信号相差5KHZ就分不出来，大于10KHZ才能分辨；假设中频通带是10HZ，那就意味可以分辨两个相差10HZ的信号。由于滤波器响应的惰性，分辨率越高，扫频的速度就要越慢，过快的扫速使得滤波器来不及完成充电，会导致测试误差增大甚至显示不出来，所以频谱仪通常设置成不同的扫速，设置成不同的中频带宽，这就造成仪器的电路非常的复杂。
由于被测信号可能相差很大，为了同时显示这样两个以上的信号，频谱仪的显示器通常采用对数刻度，一般动态范围高达60分贝以上，可以同时显示相差千倍的两个信号。一般的示波器、扫频仪都没有这种特性，能够观察相差十倍的信号就不错了。
二、自制频谱仪需要解决的一些关键问题
   实用的扫频谱仪电路是非常复杂的，下面是国产最简单的，型号频谱仪的框图。

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上面是收音机与频谱仪的简单原理方框图，不难看出，都是用来接收处理信号的。收音机处理的信号变成了声音，频谱仪处理的信号变成了谱线图；处理信号的电路有相同之处，本机振荡器或扫频振荡器的振荡信号与接收的信号混频之后形成的产物、通常叫做中频信号。
中频信号经过滤波、放大、幅值检测之后分别送到扬声器或显示器；收音机因为电路简单，接收部分通常采用调谐回路对信号进行选择之后送到混频器。频谱仪一般不采用谐振回路，由于被测的信号可能很强，因为要线性的反映信号的大小，因此过大的信号需要经过适当的衰减之后加到混频器，否则就会烧坏混频电路的元器件；而收音机面对较强的信号，一般不会烧毁输入回路的元件，但是面对很强的电台信号，需要采用自动增益控制的方式保证强信号不过载。
两种设备都有相同作用的振荡器，收音机靠人工调节频率，而频谱仪虽然也可以工作在手动调节状态，但主要是靠锯齿波改变压控振荡器实现频率的自动调节。为了让显示器扫描的图形与调节速率同步，锯齿波压控电压还要加到显示器，这样屏幕上水平轴的每一点就对应扫频振荡器的频点。
频谱仪因为要无损和不失真的送到混频器，因此通常不加输入选频回路，也不用前置放大器，有些仪器也有选频回路，一般叫做预选器，因为频率很高，带宽很宽，预选器又会带来信号的损失，加上非常的复杂，频谱仪的信号直接输入到混频器。前置放大器总会有失真，失真就意味有新的频率分量出现，这个是不需要的，所以频谱仪一般都不会有前置放大器。
从方框图不难看出，频谱仪显示的图形其实就是中频放大器中的滤波器形成的。滤波器的通带很窄的时候，如果将扫频宽度增加到一定程度，看起来就像一根垂直的线条，所以常常叫做谱线，如果减少扫描宽度，见到的就是那个中频滤波器的谐振曲线。
收音机只要中频通带合适，我们就能听到悦耳的声音，一般情况下中频滤波器的通带是固定的，原则上只要相邻两个台不混在一起就行，常常用选择性表示；而频谱仪则不同，理论上讲，谱线只要看得见就行，因此带宽越窄越好，假设频谱仪的中频带宽是10KHZ的话，如果两个信号相差5KHZ就分不出来，大于10KHZ才能分辨；假设中频通带是10HZ，那就意味可以分辨两个相差10HZ的信号。由于滤波器响应的惰性，分辨率越高，扫频的速度就要越慢，过快的扫速使得滤波器来不及完成充电，会导致测试误差增大甚至显示不出来，所以频谱仪通常设置成不同的扫速，设置成不同的中频带宽，这就造成仪器的电路非常的复杂。
由于被测信号可能相差很大，为了同时显示这样两个以上的信号，频谱仪的显示器通常采用对数刻度，一般动态范围高达60分贝以上，可以同时显示相差千倍的两个信号。一般的示波器、扫频仪都没有这种特性，能够观察相差十倍的信号就不错了。
二、自制频谱仪需要解决的一些关键问题
   实用的扫频谱仪电路是非常复杂的，下面是国产最简单的，型号频谱仪的框图。

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从框图不难看出电路的复杂性，撇开其他的电路不说，只说信号变换部分，不难看出采用了多级变频技术、采用了高中频方式。
1.多级变频是为了将中频的频率降低获得窄的通带，提高仪器的分辨率。
谐振电路的通频带与Q值和频率高低密切相关，一个通带为10KHZ的谐振放大器，在455KHZ频率时由通的LC回路就可以做到，但是要在几十兆周以上的频率，LC谐振回路是绝对实现不了的，即使是Q值很高的晶体也难实现，而且晶体能够做到的也就几十兆周左右。所以必须一级一级的降低中频的频率，降低到比较容易实现的频率时才能实现很窄的通频带。由于晶体具有很高的Q值，因此最后一级中频需要很窄通带的时候，常常采用晶体滤波器来担当，稍宽一点的通带，也可以由传统的LC滤波器来实现。现代仪器采用有源滤波器，窄带实现起来比较容易，但是有源滤波器同样不能工作在很高的频率。上述频谱仪最高分辨率是20KHZ，中频频率为400KHZ，由于这是一种简单的频谱仪，中频滤波器的通带只采用了一种，所以这类频谱仪只能作为一般的测试。即使是这样的仪器，市场价格也不低！

2.高中频是为了剔除像频干扰。
   变频方式会产生一对信号，本振高于接收信号一个中频的信号、本振低于接收信号一个中频的信号，其中一个信号是不需要的。采用高中频之后，接收信号总是低于中频信号，所有剔除了像频信号。由于仪器需要测试很高频率的信号，因此中频往往选的很高，上面的框图中我们看到的1350兆周。如此高的频率给滤波器的制作、调试带来了相当的难度，如此高的中频需要弄到最后的中频获得很高的分辨率，随之而来的是需要采用更多级数的变频。
上述两点使得实用的频谱仪弄得非常的复杂，各种频率的振荡器、滤波器、放大器，这就使得一般的爱好者动手自制增加了很大的难度。
3.NWT系列扫频仪为自制频谱仪提供了极大的方便。
   频谱仪的扫频振荡器是制作的关键之一，业余条件下弄出几百兆周甚至千兆周以上的扫频振荡器是有难度的。早期的频谱仪采用了YIG振荡器，业余条件下自制这种振荡器不太好弄，成品价格很高，网上能够找到的都是二手仪器拆下来的，而且还有人机对话、频率定标等等问题，这些问题直接影响自制仪器的实用性和精确度，制作的难度很大。
虚拟的NWT系列扫频仪是一个非常不错的扫频振荡器，加上电脑显示，利用扫频仪自身的软件功能，上述的难题迎刃而解！
虽然虚拟扫频仪最高频率可达4GHZ以上，受自制条件的限制，选择1GHZ以内的扫频仪，做成几百兆周的频谱仪难度不是太大，这对于业余使用很不错了。笔者采用NWT150扫频仪，扫频仪最高频率为300MHZ，利用起来做成频谱仪的话，达到150兆周没有问题。由于这种扫频仪频率及其稳定、分辨率很高可达1HZ，只要自制部分做好，有望达到很好的效果。
4.滤波器、振荡器是制作成功的关键。
   由于频谱仪是一个多级变频的接收机，因此需要不同频率的滤波器和振荡器。对于爱好者来说，滤波器并不陌生，收音机上常见的中周就是一种简单的滤波器，借助扫频仪就可以准确的调试好，由于虚拟扫频仪的优良性能，自制频谱仪中的滤波器应该是不难调节好的，尤其是通带比较窄的滤波器，这是普通的扫频仪难以做到的。
   在几百兆周频率内，LC滤波器成本最低，制作原材料好找，所以弄好没有难题。为了获得窄带滤波器，可以采用晶体、陶瓷振子组成滤波器，虚拟扫频仪可以轻松的完成任务。
   频谱仪中各级变频器需要的振荡器，采用LC振荡器不太适合，因为稳定度太低了，采用晶体振荡器是不二选择，整机构思时尽量采用市场上能够找到的频点晶体最好，只是这个有点苛刻，所以采用倍频、分频、锁相稳频等方法来获得需要的频率。
   虽然我们借用现成的部件和简化了电路，但是自制的工程量对比收音机还是要复杂一些。当时对于爱好者来说，虽然这些电路并不生疏，但是具体制作中需要我们解决遇到的许多问题，所以是一个很好的实践，而一旦制作成功，反过来又能帮助我们以后其他的实践提供有效的工具，喜欢折腾的人来说这是一举几得的事情！
三、自制实践
1.整机方案构思
做任何事都得要有计划，无非是寻求最少的花销、最简单的劳作，最好的效果，无线电制作也不例外。个人的条件不同，因此，做计划也得因人而异。
这个频谱仪是因为看重虚拟扫频仪的性能激发的，因此，第一个利用的就是这个扫频仪，扫频仪的利用，大大简化了制作难度，其他的电路根据本人手头的元件来实施。
a、第一种方案比较简单，采用三级变频，分辨率根据材料可达20KHZ左右。
第一混频器准备采用AD831有源混频器成品模块，最高工作频率可达500兆周；需要制作160.7兆周第二本振，LC振荡器不适合，因此需要采用晶体振荡器，而晶体的基频做不到这么高，可以采用合适的晶体倍频获得，也可以采用频率合成器电路获得。这个本振的频率设置成160.7兆周，是结合末级中放的频率455KHZ、第一种放的频率150MHZ来确定的。
第一中放选择150兆周，是依据NWT150扫频仪的扫频范围为50KHZ至300兆周来确定的。频谱仪与一般的接收机不同，需要高中频，即接收的信号（被测信号）最好低于中频，这样就剔除了像频干扰。选择150兆周的中频，就意味着频谱仪的接收信号范围在150兆周以下，这就是他的最高测试频率，扫频振荡器从150兆周扫到300兆周，覆盖范围刚好是150兆周，如果中频选择为100兆周，很显然测试信号的最高频率只能达到100兆周；如果中频选择为200兆周的话，扫频仪的扫频范围为200-300兆周，测试最高频率也只能到100兆周，所以综合上述因素，150兆周的中频利用率最高。还有一个问题，中频选择为150兆周整数频率，便于利用虚拟扫频仪屏幕上的坐标，在进行频谱测试时，只要扣除150兆周、即将原来扫频仪的150兆周的频点看做零频，如果在屏幕上200兆周处的谱线，只要减去150兆周就是频谱仪测试的频率了。中频采用整数是为了仍然利用虚拟扫频仪的屏幕刻度读取频率值。
后面的两级中频电路可以直接取自报废的150兆周频段的对讲机，省去了150兆周带通、10.245本振、10.7兆周中频.455千周中频等电路的制作。选择对讲机部分电路，主要是为了简化制作，报废的对讲机好找，即使全新的也不贵。根据对讲机的频率配置，推算到第二本振就是160.7兆周了。
b 、第二种方案稍微复杂一些，但是指标有望提高，分辨率期望达到10KHZ以内或更小。
第一混频器也是采用AD831成品，实际上也可以采用无源平衡混频器，不过AD831不贵，80元左右吧，无源混频器好的也要几十元。
这个方案设想利用晶体滤波器的窄带特性省去一级中频，因为手头有许多晶体，有4兆周、10兆周、12兆周、13.5兆周、24兆周，还有一些不是整数的泛音晶体。因为第一中频为150兆周，采用的是LC滤波器，通带比较宽，末级中放的频率太低可能出现在第一中频的通带内，比方说采用4兆周的有源晶体滤波器，虽然可以获得更窄的通带，对提高分辨率有效，但是，如果150兆周的中频通带太宽，以150兆周为中心，+4兆周、-4兆周，刚好带宽为8兆周，在150兆周中频通带之内，假设采用10兆周，正负10兆周需要的带宽则要20兆周，而150兆周滤波器的通频带做到10兆周以内还是容易的。
第二混频器采用早期通信系统专用的混频器芯片NE602，电路非常的简单。
与NE602配合的本振设置为162兆周，自制方案与上面相同。获得12兆周差频，因此采用12兆周的有源晶体滤波器，这种滤波器弄出几千周的通带是能够做到的，无疑提高了频谱仪的频率分辨率。但是过窄的通带需要扫频仪慢速扫描才能正确显示，如果全景扫频，过快的扫速会影响幅值的测试，因此，12兆周中放准备弄两路，一路适合全景测试，一路适合分段测试。通带较宽的采用LC滤波器完成，这个元件好找，10.7兆周的中周稍微微调就是12兆周了，一般会有100千周左右的通带。
设想毕竟是设想，所有的设想都受制于个人手头的器件或市场上容易买到的器件，价格不能高。设想的成功少不了仪器，其中关键的是扫频仪，当然还需要一些其他的仪器。考虑到这些，后面的文中会详细的介绍制作中的步骤和方法，以期与各位切磋！


后面待续。

JHXC

2.元件的测试与制作
a 、变容管的测试
如果本振采用频率合成方案，需要制作VCO振荡器 ，变容管就少不了。从彩电高频头中拆下来的变容管是较好的选择，这些管子通常都有资料可查，只是这些元件可能没有标注信型号，不同的高频头中的变容管的具体参数也不一定相同，所以，自己事先测试一遍作为依据会减少许多麻烦。
下面贴出测试的几种方法和结果。可以采用Q表、电桥、再就是利用扫频仪等就可以对手头的管子进行测试，其中电桥最简单。还需要配合一台直流可调稳压电源，调节范围能在0-12V基本就可以了。

后面待续。

JHXC

倒行逆施 发表于 2016-4-10 14:31
楼主好！
我能跟你混吗？非常想跟你一起玩，能带我玩吗？NWT150有两种，一种是498元的，50KHz-300MHz；另一 ...

我是没事了，退休在家不打牌、不跳舞，只好抄起老本行打发时间啦！

JHXC

b 、准备好一些一些必要的接插件和测试电缆
折腾高频电路，最好是按照功能分成一个一个的模块，这样便于安装调试。实际制作时，按照框图一个一个电路来实现，因此，模块之间的连接最好采用专门的接插件。高频电路采用模块和接插件可以保证电路参数稳定，也方便折腾，比方说调试，就可以单独的调试其中一块电路，待初步调试好之后再连接起来总调。不同的接口只要阻抗一致，相关电路之间互换不会带来影响，如果采用电缆线焊接，操作不太方便。
早前微型的接插件市场上很难买到，采用的都是BNA系列的接口，这种接口不适小型化，而且价格也比较贵。现在市场上的SMA接插件体积很小，电路板、面板都可以安装，价格不是太贵。
还需要买几只对应的转接器和测试电缆，以便与其他的仪器连接转换。高频电路受分布参数影响较大，统一接口、采用标准接口是比较重要的！实践证明，高频信号电缆传输，冒出来的导线对参数影响很大，因为导线形成的寄生电感和电容会形成谐振或吸收，比方说扫频仪测试时，如果采用鱼夹形成连接的话，10厘米左右的导线就会在几十兆周附近形成谐振， 这会影响到测试的准确性，再高的频率测试还会导致测试失败！设备模块之间采用接口的好处上面已经提及，在平时的实践中，尽量避免采用冒出来的导线连接，如果需要重复测试，比方说一些器件，可以用接插件做成专门的平台。


改天再来！

JHXC

倒行逆施 发表于 2016-4-10 14:39
我想通过这样的办法，可以学到频谱仪和高频电路的很多知识！
时间上我应该还可以安排过来。
我们实际上 ...

没问题！我得一桩一桩来，贴文根据进展专门撰写保存着，试图将制作中的一些具体问题一个个介绍清楚，欢迎共同切磋！

JHXC

倒行逆施 发表于 2016-4-10 14:50
你买的是498的还是598元的？我要买跟你一样的。

我买的598元的，主要是看中单独的电源，接口是BNA的，与我的其他仪器连接方便。

JHXC

倒行逆施 发表于 2016-4-10 15:04
以前买的一些BB910能用吗？C0.5=38PF，C28=2.7PF

能用啊，只是看起来管脚根部好像氧化了。

a006

我的是498版本的