使用示波器观察波形的频率成分

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。

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(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（快速傅立叶变换)能力。FFT实际上显示的是波形的频率成分。

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。

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，1KHz方波的基本正弦波的频率也是1KHz。同样，1KHz三角波的基本正弦波的频率也是1KHz。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，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。

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3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。

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，这样的波形是用单次触发来获取和存储的。单次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 3000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。

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，图的左边缘处为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(见图4）。

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(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。

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。

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。

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4～8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。

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。

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图。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。■