TDS3000B数字荧光示波器观察波形的频率成分 (.pdf

8 应 用 指 南 检查波形的频率成分能够揭示出在普通的 示波器图形中难以察觉的重要信息 例如 在标准的波形图上 图 1 可能看不出波形 的失真或对称性方面的问题但是只要看 一下波形的频率成分 图 2 那些问题就很 明显了 图 1 图中的正弦波在普通的示波器画面上看来 正常实际上却波形失真 在图 2 所示的 TDS 300 系列 FFT 画面上这种失真就很明显了 图2 用TDS 3000系列示波器显示在图1 上看来正常的正弦波可以看出有失真 存在失真的表现就在于除了正弦波 的基波之外还出现了谐波图中的测 量游标已设定在基波2 兆赫兹上注 意其三次谐波频率为 6 兆赫兹 在过去观察波形的频率成分需要有频谱 分析仪还要掌握仪器的使用技能现在 对于深入的频率分析依然需要这样 但是 使用TDS 3000 系列数字荧光 示波器观察 波形的频率成分 使用 T D S 3 0 0 0 观测信号的频率成分 8 应用指南 很多基本的频率分析可以用泰克公司 TDS 3000 这样的数字荧光示波器 DPO 来做 图 3 所有的周期性波形都是由一个基本 正弦波和特定的谐波相加而成在本例 中基波和三次五次七次和九次谐 波相加以求得到一个方波为了更接近 方波需要加入更高次的谐波 为了能够观察波形的频率成分泰克 TDS 3000 系列具有模块化的 FFT傅立叶变 换能力FFT 实际上显示的是波形的频 率成分 这本应用笔记将介绍 TDS 3000 系 列 FFT 频率图的基本知识频率图的含义 和使用方法 波形的基本构成 要了解 FFT 频率图就要首先了解波形及 其基本构成波形又区分为周期性波形和 非周期性波形为了简单起见我们先从 周期性波形开始 周期性波形基础周期性波形是按照一定 的时间间隔或周期多次重复出现的波形 正弦波方波和三角波都是常见的周期性 波形 按照傅立叶的理论所有的周期性波形都 是由一组特定的正弦波组成的其中的基 本正弦波也叫基波其频率与该波形的频 率相同 例如 1 千赫兹方波的基本正弦波 的频率也是 1 千赫兹 同样 1 千赫兹三角 波的基本正弦波的频率也是 1 千赫兹从 本质上说基波是波形中最重要的频率成 分它决定了波形的频率或重复周期 在所有的非正弦周期性波形中与基本成 分同时存在的还有谐波谐波是频率为基 波频率整倍数的正弦波 例如 1 千赫兹方 波的三次谐波是 3 千赫兹的正弦波而五 次谐波为 5 千赫兹的正弦波依此类推直 至无限 除了具有特定的频率之外周期性波形的 基波和谐波还具有特定的振幅和相位关 系通过这些关系将基波和谐波叠加在一 起就形成了特定的波形这一点在图 3 中有进一步的说明图中显示了一个方波 的前五个频率成分相加在一起 注意图 3 中合成的波形并不是一个准确 的方波 这是由于所加入的谐波还不够多 若再加入更高次的谐波所得波形的过渡 会更陡峭波角更直波顶和波底则更平 坦 使用 T D S 3 0 0 0 观测信号的频率成分 8 应用指南 从理论上说需要所有的谐波直到无限 次才能形成一个理想的方波或者任何其 他的非正弦波形但实际上一切波形的带 宽都是有限的也就是说高频成分的衰 减非常明显 通常波形的主要频率成分是用频谱线来 描述的 图 4 描绘的是一个方波的频谱图 图中的频率成分用垂直线条来表示每个 成分都位于频率轴上各自的频率坐标处 每条频谱线的长度代表了该频率成分与其 他成分的相对振幅 大多数频率分析方法的基本目的都是为了 得到如图 4 那样的频谱图为此可以使用 各种各样的方法频谱分析仪是用扫频滤 波器检测波形中的各个频率成分如果使 用数字存储示波器如泰克的 TDS 300 系 列通过其内置的快速富利叶变换FFT 程序对波形进行数字分析即可得到频谱 图 图 4 频谱图用垂直线条代表波形的 频率成分频谱线的水平位置则代表该 成分的频率而频谱线条的长度代表该 成分的相对振幅 非周期性波形基础非周期性波形不重复 自身与周期性波形不同的是它们没有 一定的重复间隔周期 图 5 上所示的单脉冲就是非周期性波形的 一个例子由于它仅只是一个脉冲故没 有重复自身所以单脉冲没有周期属 于非周期性波形 图 5 单脉冲上是非周期性波形这个脉冲 是用 TDS 3000 系列的 FFT 功能 在单获取方式下 捕获的这种单事件波形的 FFT 图显示出连续波 谱而周期性波形却是分立的频率线条 图 5 下面的图形是单脉冲的 FFT 图请注 意该图并不是一些单个的频谱线条而 是频率振幅的一个连续体或者称之为包 迹这种连续的频谱和单事件瞬态波 形的特点完全不同瞬态信号含有全部的 频率而不仅仅是谐波频谱振幅也有规律 性的变化对于方波频率振幅是按照 sin x x 的包迹而变化的其他的脉冲波形具 有另外的频谱形状 静电放电接触弧和开关瞬态都是瞬态波 形的例子这些富含频率的波形的出现常 常会造成对其他系统的干扰一个常见的 例子是远方的雷雨可以对收音机和电视 机产生天电干扰另一个例子是当给机 器如空调机加电或断电时在电源线 上会出现尖脉冲和其他干扰 瞬态虽然是非周期性波形的常见例子但 不是唯一的例子与单个的短暂的瞬态 脉冲相反 非周期性波形也可以是连续的 使用 T D S 3 0 0 0 观测信号的频率成分 8 应用指南 数据流机械振动波和随机噪音都是非周 期性波形的典型例子 像单事件瞬态一样 这样的波形是用单触发来获取和存储的 单触发获取可以为待测波形提供稳定的瞬 态视图 如果用泰克 TDS 300 系列的仪器 在分析时就可以用 FFT 图来检查波形的频 率成分 如何得到FFT图 泰克 TDS 3000 系列数字存储示波器用混 合基 FFT 程序分析波形的频率成分混合 基 FFT的好处是能给出以 10为底的记录长 度作为结果这样频率标度就能与以 10 为底的 DSO 时标控制的 1 2 5 序列直接匹 配与比较常见的二进制 FFT 记录长度相 比 这种方法更容易对频率结果作出解释 用 TDS 3000 系列获得 FFT图的步骤如下 步骤 1 用标准的 TDS 3000 系列获取并显 示波形 步骤 3 在 Math 菜单上选择 FFT 函数和所 用的通道 完成上述步骤即可得到所需波形的 FFT 图FFT 图的标度位于屏幕底部和 MATH 图标的右面水平标度频率为赫兹 分 度 图的左边缘处为 0 赫兹 垂直标度 相 对振幅为 dBVRMS即相对于 1 VRMS 的分贝值0 dB 1 VRMSTDS 300 系 列的测量游标系统能够方便快捷地对波形 进行精密的测量这是在 FFT 图中能够采 用如此精密的分度的先决条件 下面的几个条目是对于 TDS 3000系列FFT 及其频谱图的进一步的阐述 信号获取FFT 功能适用于以单触发方式 非周期性信号或反复触发方式周期 性信号所获取的信号在获取周期性信 号时应使用 Signal Averaging 功能以降低 信号噪音建议平均数不小于 16 汉宁窗余弦平方窗对获取的信号进行 FFT 分析之前要用汉宁窗将其放大有 关汉宁窗及其应用的详情可参见 TDS 3000 系列用户手册为了在脉冲型波形上 得到最佳结果在获取脉冲时要使用触发 定位 这样其峰值就可以位于 TDS 3000 系 列显示器的水平中心位置如图 5 所示 频率分辨率在显示出的 FFT 结果中有 1000 个频率点这些点在 0 赫兹与频谱图 右侧的奈奎斯特频率 FN 之间均匀分布 奈奎斯特频率等于捕获该波形时所用的采 样率的一半即若 Fit to Screen 设为 on 则 FN1 2 100 时间标度设置 若 Fit to Screen 设为 off 则 FN1 2 50 时间标度 设置 确定波形的频率成分 TDS 300 系列 FFT 图最基本的用途就是给 出周期性波形的频率成分这项工作有时 也叫谐波分析因为周期性波形的频率成 分与谐波密切相关 获取任何一个周期性波形并对其施以 FFT 分析 即可得到该波形的频率成分 用 TDS 300 系列的测量游标功能则可对频率成分 作进一步的分析只要把游标置于感兴趣 的频率成分上即可读出相应的频率和振 幅的数值 可以用同样的方法分析非周期性波形但 要记住瞬态脉冲具有连续的频谱而 非分立的谐波对这样的连续频谱通常 要集中分析 3 分贝宽的主波瓣和旁瓣的相 对振幅见图 6 使用 T D S 3 0 0 0 观测信号的频率成分 8 应用指南 图 6 用游标分析波形的频率成分图中正在测量 前两个旁瓣的振幅差和频率差 确定波形失真 TDS 3000系列 FFT分析的另一个基本用途 就是确定波形失真这在图 1 和图 2 中已 有描述图中给出了看似正常的正弦 波及相应的频率图 请注意图 1 中的正弦波看似正常但图 2 的 TDS 3000 系列 FFT 分析则在正弦波的 频率构成中显示出一些低电平的频率成 分这些低电平成分的出现表明这个正弦 波并不纯净而是有谐波失真如果正弦 波纯净的话它的频谱就应只有一条频率 等于该正弦波频率的频谱线 真实的正弦波大多数都有一些谐波失真 失真的程度常用某些谐波与正弦波的基波 的相对电平来描述例如可以说三次谐 波失真比基波小 50 分贝 为了识别和测量 不同的谐波及其电平可以使用 TDS 3000 系列的 FFT功能和测量游标功能 见图 2 也可以用 TDS 3000 系列的 FFT 功能检 查波形的对称性例如一个顶部和底部 都对称的方波应当只含有基波和奇次谐 波如果方波不对称则会在 FFT 图中出 现偶次谐波当方波的不对称性增加时 这些偶次谐波的电平也增加 在用 FFT 确定谐波时应该多加小心因为 有时显现的谐波成分实际上是高频成分的 假信号图 7 给出的是一个方波及其 FFT 图初看起来在高频奇次谐波之间好象 存在偶次谐波但实际上并非如此实际 情况是 高频奇次谐波在图中发生了折返 使之貌似偶次谐波这样解释的理由是 在频谱图的右端奈奎斯特频率处谐波 并没有减弱到可以忽略不计结果那些 应从屏幕右侧逸出的高频谐波又折返到屏 幕的右边缘 看起来就成了低频的假信号 为了尽量消除这种现象应当在时间显示 中设定较少的周期然后重新获取这个方 波有关假信号和其他 FFT 特性的详情 请参考 FFT基本原理和概念Robert W RamirezSimon Schuster 1985 其他应用 前面的例子所涉及的主要是谐波分析检 查波形的谐波还可以得到该波形的其他信 息 在很多其他的应用中也能用频率图检查周 期性和非周期性波形仅举几例如下 调幅AM调幅信号的 FFT 图给出载频 和调制边带的相对电平当用单频测试音 调制载波时这是最明显的 振动分析 在 TDS 3000 系列示波器上可以 借助传感器将机械振动作为振动波显示出 来这个总的振动信号波是由机械系统内 各个零件发出的振动分量组成的 可以用 FFT 图观察和分析各个振动分量 例如信号分析可用于确定系统内滚柱轴 承的超量振动这种分析方法的好处是 在性能不佳的轴承造成更严重的机械损害 使用 T D S 3 0 0 0 观测信号的频率成分 8 应用指南 和停工之前将其检测出来并替换掉 频率响应可以用 FFT 对电路的频率响应 特性迅速地做出评估方法是在电路的 输入端加入一个窄脉冲冲激在电路的 输出端获取该冲激的响应波形用这个响 应波形的 FFT 图即可评估电路的频率响应 特性还可以用测量游标对频率响应做进 一步的分析例如分析其带宽滚降特性 和带外响应特性等 提高频谱图质量的技巧 频谱图的质量取决于很多因素当然最关 键的因素是 FFT 所要分析的那个波形其 他的因素包括对波形的各种人为影响如 加在波形上的直流成分或偏移以及噪音 等获取波形的方法也会对频谱图产生影 响 下面介绍的方法可以解决提高频谱质量方 面的一些主要问题 8 去除直流成分有些波形含有直流成 分或偏移在频率图中较大的直流 成分可以掩盖其他频率成分为了使 直流成分减至最小应当通过交流耦 合来获取波形 8 即便采用了交流耦合波形仍可能含 有残留的少量直流成分这是由于捕 获的波形周期数不是整数例如 4 5 个周期而非 4 个周期最简单的办 法就是将少量的残余直流成分忽略不 计另一个办法是获取更多的波形周 期以减少在边缘处的不完整周期所占 的百分比 8 获取更多的波形对于周期性波形来 说在时间图上获取较多的周期可导 致在频率图上更大的频率分辨率见 图 2一般来说如果在时间图上最 少出现 4 到 8 个波形周期则全频率 图是最好用的 8 在处理脉冲或瞬态波形时要保证整 个脉冲包括脉冲前后的一些基线 都出现在屏幕上为了使频率图有最 佳效果 整个脉冲应覆盖时间轴的 1 8 到 1 4而且应位于画面中心 应当小心的是如果在靠近频率图的右边 缘出现了一些高频成分则可能产生假信 号见图 7当超出了显示边界的高频成 分折返回来作为低频成分显示在画面上的 时候就成为假信号如果假信号的出现 成了问题那么在获取波形时应使之在时 间轴上更加展开对于周期性波形这意 味着获取较少的周期对于瞬态波形则 意味着将脉冲在时间轴上展开得更多一 些用户只需有一些经验就能判断如何获 取信号才能到最好的 FFT 图 图 7 高频成分看似低频成分 假信号 或折返现象当 FFT 图在画面右侧 没有减少到 0 时其残存部分折返 到画面上形成假信号 8 信号平均法被捕获的波形上的噪音 在频率图上也会表现为噪音如果是 周期性信号上的随机噪音则 采用信号平均法可以减少获取信号上的噪 音幅度平均数越大时间图和频率图上 噪音的减少也越大 使用 T D S 3 0 0 0 观测信号的频率成分 8 应用指南 使用信号平均法获取周期性波形时可在 TDS 3000 系列的 Acquire 菜单上选择 Average建议平均数不小于 16这样即可 以为一般的周期性信号提供清晰的时间图 和频率图如果捕获的噪音信号比较强 就需要选择更高的平均数更多地减少噪 音 最后要说明的是信号平均法只能用于周 期性波形这是由于为了生成一个平均的 波形必须多次获取该波形而非周期性波 形在单触发方式下只能获取一次不能求 取平均 结论 观察波形频率成分的技能为你开辟了认识 该波形的新天地过去要想得到频谱图 就必须使用频谱分析仪或者实验室专用的 具有 FFT 功能的高质量 DSO数字存储示 波器但是现在不用了 现在有了泰克的 TDS 3000 系列数字存储 示波器在工作现场就可以实现基本的 FFT 功能你能够观察波形的频谱图这 种示波器能迅速确定波形的频率构成和频 谱的形态是研究工作和分析工作中得心 应手的工具 它能够检验电路的响应特性 测试波形的失真识别和追踪噪音和干扰 问题是极好的调试设备 泰克一直在全方位地持之以恒地收集应用注释技术简介和其它资源以帮助工程师开发 尖端技术 如需进一步信息 请访问网站上的Resources For You 泰克电子 中国 有限公司 北京市海淀区花园路4 号 通恒大厦1 楼1 0 1 室 邮编1 0 0 0 8 8 电话 8 6 1 0 6 2 3 5 1 2 1 0 1 2 3 0 8 6 1 0 6 2 3 5 1 1 8 6 传真 8 6 1 0 6 2 3 5 1 2 3 6 泰克西安办