使用示波器觀察波形的頻率成分

檢查波形的頻率成分能夠揭示出在普通的示波器圖形中難以察覺的重要信息。例如，在標(biāo)準(zhǔn)的波形圖上(圖1),可能看不出波形的失真或?qū)ΨQ性方面的問題;但是只要看一下波形的頻率成分(圖2),那些問題就很明顯了。

過去，觀察波形的頻率成分需要有頻譜分析儀，還要掌握儀器的使用技能?，F(xiàn)在，對(duì)于深入的頻率分析依然需要這樣。但是，很多基本的頻率分析可以用泰克(Tektronix)公司TDS 3000這樣的數(shù)字熒光示波器(DPO)來做。 TDS 3000 系列具有模塊化的FFT（快速傅立葉變換)能力。FFT實(shí)際上顯示的是波形的頻率成分。

要了解FFT頻率圖，就要首先了解波形及其基本構(gòu)成。波形又區(qū)分為周期性波形和非周期性波形。

周期性波形是按照一定的時(shí)間間隔或周期多次重復(fù)出現(xiàn)的波形。正弦波、方波和三角波都是常見的周期性波形。 按照傅立葉的理論，所有的周期性波形都是由一組特定的正弦波組成的。其中的基本正弦波也叫基波，其頻率與該波形的頻率相同。例如，1KHz方波的基本正弦波的頻率也是1KHz。同樣，1KHz三角波的基本正弦波的頻率也是1KHz。從本質(zhì)上說，基波是波形中最重要的頻率成分，它決定了波形的頻率或重復(fù)周期。

在所有的非正弦周期性波形中，與基本成分同時(shí)存在的還有諧波。諧波是頻率為基波頻率整倍數(shù)的正弦波。例如，1KHz方波的三次諧波是3KHz的正弦波，而五次諧波為5KHz的正弦波，依此類推直至無限。除了具有特定的頻率之外，周期性波形的基波和諧波還具有特定的振幅和相位關(guān)系。通過這些關(guān)系將基波和諧波疊加在一起，就形成了特定的波形。

非周期性波形不重復(fù)自身。與周期性波形不同的是，它們沒有一定的重復(fù)間隔(周期）。

圖3上所示的單脈沖就是非周期性波形的一個(gè)例子。由于它僅只是一個(gè)脈沖，故沒有重復(fù)自身。所以，單脈沖沒有周期，屬于非周期性波形。

圖3下面的圖形是單脈沖的FFT圖。請(qǐng)注意，該圖并不是一些單個(gè)的頻譜線條，而是頻率振幅的一個(gè)連續(xù)體，或者稱之為包跡。這種連續(xù)的頻譜和單事件(瞬態(tài))波形的特點(diǎn)完全不同。瞬態(tài)信號(hào)含有全部的頻率而不僅僅是諧波，頻譜振幅也有規(guī)律性的變化。對(duì)于方波，頻率振幅是按照(sin x)/x的包跡而變化的。其他的脈沖波形具有另外的頻譜形狀。

靜電放電、接觸弧和開關(guān)瞬態(tài)都是瞬態(tài)波形的例子。這些富含頻率的波形的出現(xiàn)常常會(huì)造成對(duì)其他系統(tǒng)的干擾。一個(gè)常見的例子是，遠(yuǎn)方的雷雨可以對(duì)收音機(jī)和電視機(jī)產(chǎn)生天電干擾。另一個(gè)例子是，當(dāng)給機(jī)器（如空調(diào)機(jī)）加電或斷電時(shí)，在電源線上會(huì)出現(xiàn)尖脈沖和其他干擾。

數(shù)據(jù)流、機(jī)械振動(dòng)波和隨機(jī)噪音都是非周期性波形的典型例子。像單事件瞬態(tài)一樣，這樣的波形是用單次觸發(fā)來獲取和存儲(chǔ)的。單次觸發(fā)獲取可以為待測(cè)波形提供穩(wěn)定的瞬態(tài)視圖。如果用泰克TDS 3000系列的儀器，在分析時(shí)就可以用FFT圖來檢查波形的頻率成分。

泰克TDS 3000系列數(shù)字存儲(chǔ)示波器用混合基FFT程序分析波形的頻率成分。混合基FFT的好處是能給出以10為底的記錄長(zhǎng)度作為結(jié)果。這樣，頻率標(biāo)度就能與以10為底的示波器時(shí)標(biāo)控制的1-2-5序列直接匹配。與比較常見的二進(jìn)制FFT記錄長(zhǎng)度相比，這種方法更容易對(duì)頻率結(jié)果作出解釋。

FFT的水平標(biāo)度(頻率)為Hz/分度，圖的左邊緣處為0Hz。垂直標(biāo)度(相對(duì)振幅)為dBVRMS，即相對(duì)于1VRMS的分貝值(0dB=1 VRMS）。

信號(hào)獲取。FFT功能適用于以單次觸發(fā)方式(非周期性信號(hào))或反復(fù)觸發(fā)方式(周期性信號(hào))所獲取的信號(hào)。在獲取周期性信號(hào)時(shí)，應(yīng)使用Signal Averaging功能以降低信號(hào)噪音。建議平均數(shù)不小于16。

頻率分辨率。在顯示出的FFT結(jié)果中有10000個(gè)頻率點(diǎn)。這些點(diǎn)在0Hz與頻譜圖右側(cè)的奈奎斯特頻率(FN)之間均勻分布。奈奎斯特頻率等于捕獲該波形時(shí)所用的采樣率的一半。

TDS 3000系列FFT圖最基本的用途就是給出周期性波形的頻率成分。這項(xiàng)工作有時(shí)也叫諧波分析，因?yàn)橹芷谛圆ㄐ蔚念l率成分與諧波密切相關(guān)。

獲取任何一個(gè)周期性波形并對(duì)其施以FFT分析，即可得到該波形的頻率成分。用TDS 3000系列的測(cè)量游標(biāo)功能則可對(duì)頻率成分作進(jìn)一步的分析。只要把游標(biāo)置于感興趣的頻率成分上，即可讀出相應(yīng)的頻率和振幅的數(shù)值。

可以用同樣的方法分析非周期性波形。但要記住，瞬態(tài)脈沖具有連續(xù)的頻譜而非分立的諧波。對(duì)這樣的連續(xù)頻譜，通常要集中分析3dB帶寬的主波瓣和旁瓣的相對(duì)振幅(見圖4）。

TDS 3000系列FFT分析的另一個(gè)基本用途就是確定波形失真。這在圖1和圖2中已有描述。圖中給出了“看似正?！钡恼也跋鄳?yīng)的頻率圖。

請(qǐng)注意圖1中的正弦波看似正常。但圖2的TDS 3000系列FFT分析則在正弦波的頻率構(gòu)成中顯示出一些低電平的頻率成分。這些低電平成分的出現(xiàn)表明這個(gè)正弦波并不純凈，而是有諧波失真。如果正弦波純凈的話，它的頻譜就應(yīng)只有一條頻率等于該正弦波頻率的頻譜線。

真實(shí)的正弦波大多數(shù)都有一些諧波失真。失真的程度常用某些諧波與正弦波的基波的相對(duì)電平來描述。例如，可以說三次諧波失真比基波小50dB。為了識(shí)別和測(cè)量不同的諧波及其電平，可以使用TDS 3000系列的FFT功能和測(cè)量游標(biāo)功能(見圖2）。

也可以用TDS 3000系列的FFT功能檢查波形的對(duì)稱性。例如，一個(gè)頂部和底部都對(duì)稱的方波應(yīng)當(dāng)只含有基波和奇次諧波。如果方波不對(duì)稱，則會(huì)在FFT圖中出現(xiàn)偶次諧波。當(dāng)方波的不對(duì)稱性增加時(shí)，這些偶次諧波的電平也增加。

在很多其他的應(yīng)用中也能用頻率圖檢查周期性和非周期性波形，僅舉幾例如下：

調(diào)幅(AM）。調(diào)幅信號(hào)的FFT圖給出載頻和調(diào)制邊帶的相對(duì)電平。當(dāng)用單頻測(cè)試音調(diào)制載波時(shí)，這是最明顯的。

振動(dòng)分析。在TDS 3000系列示波器上可以借助傳感器將機(jī)械振動(dòng)作為振動(dòng)波顯示出來。這個(gè)總的振動(dòng)信號(hào)波是由機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)零件發(fā)出的振動(dòng)分量組成的。

可以用FFT圖觀察和分析各個(gè)振動(dòng)分量。例如，信號(hào)分析可用于確定系統(tǒng)內(nèi)滾柱軸承的超量振動(dòng)。這種分析方法的好處是，在性能不佳的軸承造成更嚴(yán)重的機(jī)械損害和停工之前將其檢測(cè)出來并替換掉。

頻率響應(yīng)?？梢杂肍FT對(duì)電路的頻率響應(yīng)特性迅速地做出評(píng)估。方法是:在電路的輸入端加入一個(gè)窄脈沖(沖擊），在電路的輸出端獲取該沖擊的響應(yīng)波形。用這個(gè)響應(yīng)波形的FFT圖即可評(píng)估電路的頻率響應(yīng)特性。還可以用測(cè)量游標(biāo)對(duì)頻率響應(yīng)做進(jìn)一步的分析，例如分析其帶寬、滾降特性和帶外響應(yīng)特性等。

去除直流成分。有些波形含有直流成分或偏移。在頻率圖中，較大的直流成分可以掩蓋其他頻率成分。為了使直流成分減至最小，應(yīng)當(dāng)通過交流耦合來獲取波形。

即便采用了交流耦合，波形仍可能含有殘留的少量直流成分。這是由于捕獲的波形周期數(shù)不是整數(shù)（例如4.5個(gè)周期，而非4個(gè)周期）。最簡(jiǎn)單的辦法就是將少量的殘余直流成分忽略不計(jì)。另一個(gè)辦法是獲取更多的波形周期以減少在邊緣處的不完整周期所占的百分比。

獲取更多的波形。對(duì)于周期性波形來說，在時(shí)間圖上獲取較多的周期可導(dǎo)致在頻率圖上更大的頻率分辨率(見圖2）。一般來說，如果在時(shí)間圖上最少出現(xiàn)4～8個(gè)波形周期，則全頻率圖是最好用的。

在處理脈沖或瞬態(tài)波形時(shí)，要保證整個(gè)脈沖(包括脈沖前后的一些基線)都出現(xiàn)在屏幕上。為了使頻率圖有最佳效果，整個(gè)脈沖應(yīng)覆蓋時(shí)間軸的1/8 到 1/4，而且應(yīng)位于畫面中心。

信號(hào)平均法。被捕獲的波形上的噪音在頻率圖上也會(huì)表現(xiàn)為噪音。如果是周期性信號(hào)上的隨機(jī)噪音，則采用信號(hào)平均法可以減少獲取信號(hào)上的噪音幅度。平均數(shù)越大，時(shí)間圖和頻率圖上噪音的減少也越大。

觀察波形頻率成分的技能為你開辟了認(rèn)識(shí)該波形的新天地。過去，要想得到頻譜圖就必須使用頻譜分析儀或者專用的FFT分析儀?，F(xiàn)在有了TDS 3000系列數(shù)字存儲(chǔ)示波器，在工作現(xiàn)場(chǎng)就可以實(shí)現(xiàn)基本的FFT功能。你能夠觀察波形的頻譜圖。這種示波器能迅速確定波形的頻率構(gòu)成和頻譜的形態(tài)還能夠檢驗(yàn)電路的響應(yīng)特性、測(cè)試波形的失真、識(shí)別和追蹤噪音和干擾問題，是理想的調(diào)試設(shè)備?！?/font>