应用指南
使用 TDS 3000 系列数字荧光 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.
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.
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.
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TDS 3000这样的数字荧光示波器(DPO)来做.
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使用 TDS3000 观测信号的频率成分
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波形的基本构成
基波 f1
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.
3 次谐波 3f3
5 次谐波 5f5
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.
7 次谐波 7f7
9 次谐波 9f9
f1+3f3+5f5+7f7+9f9
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.
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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.

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