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混合基FFT程序分析波形的频率成分

混合基FFT程序分析波形的频率成分
 
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为底的示波器时标控制的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。
 
FFT的水平标度(频率)为Hz/分度,的左边缘处为0Hz。垂直标度(相对振幅)为dBVRMS,即相对于1VRMS的分贝值(0dB=1 VRMS)。
 
信号获取。FFT功能适用于以单次触发方式(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。
 
频率分辨率。在显示出的FFT结果中有10000个频率点。这些点在0Hz与频谱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 3000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3dB带宽的主波瓣和旁瓣的相对振幅。
 
TDS 3000系列FFT分析的另一个基本用途就是确定波形失真。中给出了“看似正常”的正弦波及相应的频率。
 
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50dB。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。
 
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。
 
在很多其他的应用中也能用频率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(冲击),在电路的输出端获取该冲击的响应波形。用这个响应波形的FFT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。
 
去除直流成分。有些波形含有直流成分或偏移。在频率中,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小,应当通过交流耦合来获取波形。
 
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)。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。
 
获取更多的波形。对于周期性波形来说,在时间上获取较多的周期可导致在频率上更大的频率分辨率。一般来说,如果在时间上少出现4~8个波形周期,则全频率是好用的。
 
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。为了使频率有佳效果,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。
 
信号平均法。被捕获的波形上的噪音在频率上也会表现为噪音。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,时间和频率上噪音的减少也越大。
 
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,要想得到频谱就必须使用频谱分析仪或者专用的FFT分析仪。现在有了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。这种示波器能迅速确定波形的频率构成和频谱的形态还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,是理想的调试设备。
 
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