运用示波器调查波形的频率成分

  查看波形的频率成分可以提醒出在一般的示波器图形中难以发觉的重要信息。例如，在规范的波形图上

  曩昔，调查波形的频率成分需求有频谱剖析仪，还要把握仪器的运用技术。现在，关于深化的频率剖析仍然需求这样。可是，许多根本的频率剖析可以用泰克(Tektronix)公司TDS 3000这样的数字荧光示波器(DPO)来做。TDS 3000系列具有模块化的FFT（快速傅立叶改换)才能。FFT实际上显现的是波形的频率成分。

  要了解FFT频率图，就要首要了解波形及其根本构成。波形又区分为周期性波形和非周期性波形。

  周期性波形是依照必定的时刻距离或周期屡次重复呈现的波形。正弦波、方波和三角波都是常见的周期性波形。 依照傅立叶的理论，一切的周期性波形都是由一组特定的正弦波组成的。其间的根本正弦波也叫基波，其频率与该波形的频率相同。例如，1KHz方波的根本正弦波的频率也是1KHz。相同，1KHz三角波的根本正弦波的频率也是1KHz。从实质上说，基波是波形中最重要的频率成分，它决议了波形的频率或重复周期。

  在一切的非正弦周期性波形中，与根本成分一起存在的还有谐波。谐波是频率为基波频率整倍数的正弦波。例如，1KHz方波的三次谐波是3KHz的正弦波，而五次谐波为5KHz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联系。经过这一些联系将基波和谐波叠加在一起，就形成了特定的波形。

  非周期性波形不重复本身。与周期性波形不同的是，它们没有必定的重复距离(周期）。

  图3上所示的单脉冲便是非周期性波形的一个比如。因为它仅仅仅一个脉冲，故没有重复本身。所以，单脉冲没有周期，归于非周期性波形。

  图3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接连体，或许称之为包迹。这种接连的频谱和单事情(瞬态)波形的特色彻底不同。瞬态信号含有悉数的频率而不仅仅是谐波，频谱振幅也有规律性的改变。关于方波，频率振幅是依照(sin x)/x的包迹而改变的。其他的脉冲波形具有别的的频谱形状。

  静电放电、触摸弧和开关瞬态都是瞬态波形的比如。这些富含频率的波形的呈现常常会形成对其他体系的搅扰。一个常见的比如是，远方的雷雨可以对收音机和电视机发生天电搅扰。另一个比如是，当给机器（如空调机）加电或断电时，在电源线上会呈现尖脉冲和其他搅扰。

  数据流、机械振荡波和随机噪音都是非周期性波形的典型比如。像单事情瞬态相同，这样的波形是用单次触发来获取和存储的。单次触发获取可认为待测波形供给安稳的瞬态视图。假如用泰克TDS 3000系列的仪器，在剖析时就可以用FFT图来查看波形的频率成分。

  泰克TDS 3000系列数字存储示波器用混合基FFT程序剖析波形的频率成分。混合基FFT的优点是能给出以10为底的记载长度作为成果。这样，频率标度就能与以10为底的示波器时标操控的1-2-5序列直接匹配。与很常见的二进制FFT记载长度比较，这种方法更简略对频率成果作出解说。

  FFT的水平标度(频率)为Hz/分度，图的左边际处为0Hz。笔直标度(相对振幅)为dBVRMS，即相关于1VRMS的分贝值(0dB=1 VRMS）。

  信号获取。FFT功用适用于以单次触发方法(非周期性信号)或重复触发方法(周期性信号)所获取的信号。在获取周期性信号时，应运用Signal Averaging功用以下降信号噪音。主张均匀数不小于16。

  频率分辨率。在显现出的FFT成果中有10000个频率点。这些点在0Hz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。

  TDS 3000系列FFT图最根本的用处便是给出周期性波形的频率成分。这项作业有时也叫谐波剖析，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剖析，即可得到该波形的频率成分。用TDS 3000系列的丈量游标功用则可对频率成分作进一步的剖析。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。

  可以用相同的方法剖析非周期性波形。但要记住，瞬态脉冲具有接连的频谱而非分立的谐波。对这样的接连频谱，一般要会集剖析3dB带宽的主波瓣和旁瓣的相对振幅(见图4）。

  TDS 3000系列FFT剖析的另一个根本用处便是确认波形失线中已有描绘。图中给出了“看似正常”的正弦涉及相应的频率图。

  请注意图1中的正弦波看似正常。但图2的TDS 3000系列FFT剖析则在正弦波的频率构成中显现出一些低电平的频率成分。这些低电平成分的呈现标明这个正弦波并不纯洁，而是有谐波失真。假如正弦波纯洁的话，它的频谱就应只要一条频率等于该正弦波频率的频谱线。

  实在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绘。例如，可以说三次谐波失线dB。为了辨认和丈量不同的谐涉及其电平，可以正常的运用TDS 3000系列的FFT功用和丈量游标功用(见图2）。

  也可以用TDS 3000系列的FFT功用查看波形的对称性。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。假如方波不对称，则会在FFT图中呈现偶次谐波。当方波的不对称性添加时，这些偶次谐波的电平也添加。

  调幅(AM）。调幅信号的FFT图给出载频和调制边带的相对电平。当用单频测验音调制载波时，这是最显着的。

  振荡剖析。在TDS 3000系列示波器上能凭借传感器将机械振荡作为振荡波显现出来。这个总的振荡信号波是由机械体系内各个零件宣布的振荡重量组成的。

  可以用FFT图调查和剖析各个振荡重量。例如，信号剖析可用于确认体系内滚柱轴承的过量振荡。这种剖析方法的优点是，在功用欠安的轴承形成更严峻的机械危害和罢工之前将其检测出来并替换掉。

  频率呼应。可以用FFT对电路的频率呼应特性敏捷地做出评价。方法是:在电路的输入端参加一个窄脉冲(冲击），在电路的输出端获取该冲击的呼应波形。用这个呼应波形的FFT图即可评价电路的频率呼应特性。还可以用丈量游标对频率呼应做进一步的剖析，例如剖析其带宽、滚降特性和带外呼应特性等。

  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，应当经过沟通耦合来获取波形。

  即使选用了沟通耦合，波形仍或许含有残留的少数直流成分。这是因为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）。最简略的方法是将少数的剩余直流成分忽略不计。另一个方法是获取更多的波形周期以削减在边际处的不完整周期所占的百分比。

  获取更多的波形。关于周期性波形来说，在时刻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，假如在时刻图上最少呈现4～8个波形周期，则全频率图是最好用的。

  在处理脉冲或瞬态波形时，要确保整个脉冲(包含脉冲前后的一些基线)都呈现在屏幕上。为了使频率图有最佳作用，整个脉冲应掩盖时刻轴的1/8 到 1/4，并且应坐落画面中心。

  信号均匀法。被捕获的波形上的噪音在频率图上也会表现为噪音。假如是周期性信号上的随机噪音，则选用信号均匀法可以大大削减获取信号上的噪音起伏。均匀数越大，时刻图和频率图上噪音的削减也越大。

  调查波形频率成分的技术为你拓荒了知道该波形的新天地。曩昔，要想得到频谱图就必定要运用频谱剖析仪或许专用的FFT剖析仪。现在有了TDS 3000系列数字存储示波器，在作业现场就能轻松完成根本的FFT功用。你可以调查波形的频谱图。这种示波器能敏捷确认波形的频率构成和频谱的形状还可以检验电路的呼应特性、测验波形的失真、辨认和追寻噪音和搅扰问题，是抱负的调试设备。■