使用示波器进行信号的频谱分析(fft分析)

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1、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。　　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，很多基本的频率分析可以用泰克公司TDS3000这样的数字荧光示波器（DPO）来做。　　为了能够观察波形的频率成分，泰克TDS3000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

2、本应用笔记将介绍TDS3000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

3、，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

4、。　　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。　　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

5、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TDS300系列，通过其内置的快速富利叶变换（FF有程序对波形进行数字分析，即可得到频谱图。　　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下面的图形是单脉冲的FFT圈

6、。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（Sinx）/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

7、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韭圄期性波形也可以是连续的。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TDS300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TDS3000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

8、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TDS3000系列获得FFT图的步骤如下：　　步骤1：用标准的TDS3000系列获取并显示波形　　步骤3：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