使用示波器觀察波形的頻率成分
檢查波形的頻率成分能夠揭示出在普通的示波器圖形中難以察覺的重要信息。例如,在標(biāo)準(zhǔn)的波形圖上(圖1),可能看不出波形的失真或?qū)ΨQ性方面的問題;但是只要看一下波形的頻率成分(圖2),那些問題就很明顯了。
過去,觀察波形的頻率成分需要有頻譜分析儀,還要掌握儀器的使用技能。現(xiàn)在,對(duì)于深入的頻率分析依然需要這樣。但是,很多基本的頻率分析可以用泰克(Tektronix)公司TDS3000這樣的數(shù)字熒光示波器(DPO)來做。 TDS 3000系列具有模塊化的FFT（快速傅立葉變換)能力。FFT實(shí)際上顯示的是波形的頻率成分。
要了解FFT頻率圖,就要首先了解波形及其基本構(gòu)成。波形又區(qū)分為周期性波形和非周期性波形。
周期性波形是按照一定的時(shí)間間隔或周期多次重復(fù)出現(xiàn)的波形。正弦波、方波和三角波都是常見的周期性波形。 按照傅立葉的理論,所有的周期性波形都是由一組特定的正弦波組成的。其中的基本正弦波也叫基波,其頻率與該波形的頻率相同。例如,1KHz方波的基本正弦波的頻率也是1KHz。同樣,1KHz三角波的基本正弦波的頻率也是1KHz。從本質(zhì)上說,基波是波形中最重要的頻率成分,它決定了波形的頻率或重復(fù)周期。
在所有的非正弦周期性波形中,與基本成分同時(shí)存在的還有諧波。諧波是頻率為基波頻率整倍數(shù)的正弦波。例如,1KHz方波的三次諧波是3KHz的正弦波,而五次諧波為5KHz的正弦波,依此類推直至無限。除了具有特定的頻率之外,周期性波形的基波和諧波還具有特定的振幅和相位關(guān)系。通過這些關(guān)系將基波和諧波疊加在一起,就形成了特定的波形。
非周期性波形不重復(fù)自身。與周期性波形不同的是,它們沒有一定的重復(fù)間隔(周期）。
圖3上所示的單脈沖就是非周期性波形的一個(gè)例子。由于它僅只是一個(gè)脈沖,故沒有重復(fù)自身。所以,單脈沖沒有周期,屬于非周期性波形。
圖3下面的圖形是單脈沖的FFT圖。請(qǐng)注意,該圖并不是一些單個(gè)的頻譜線條,而是頻率振幅的一個(gè)連續(xù)體,或者稱之為包跡。這種連續(xù)的頻譜和單事件(瞬態(tài))波形的特點(diǎn)完全不同。瞬態(tài)信號(hào)含有全部的頻率而不僅僅是諧波,頻譜振幅也有規(guī)律性的變化。對(duì)于方波,頻率振幅是按照(sinx)/x的包跡而變化的。其他的脈沖波形具有另外的頻譜形狀。
靜電放電、接觸弧和開關(guān)瞬態(tài)都是瞬態(tài)波形的例子。這些富含頻率的波形的出現(xiàn)常常會(huì)造成對(duì)其他系統(tǒng)的干擾。一個(gè)常見的例子是,遠(yuǎn)方的雷雨可以對(duì)收音機(jī)和電視機(jī)產(chǎn)生天電干擾。另一個(gè)例子是,當(dāng)給機(jī)器（如空調(diào)機(jī)）加電或斷電時(shí),在電源線上會(huì)出現(xiàn)尖脈沖和其他干擾。
數(shù)據(jù)流、機(jī)械振動(dòng)波和隨機(jī)噪音都是非周期性波形的典型例子。像單事件瞬態(tài)一樣,這樣的波形是用單次觸發(fā)來獲取和存儲(chǔ)的。單次觸發(fā)獲取可以為待測(cè)波形提供穩(wěn)定的瞬態(tài)視圖。如果用泰克TDS 3000系列的儀器,在分析時(shí)就可以用FFT圖來檢查波形的頻率成分。
泰克TDS 3000系列數(shù)字存儲(chǔ)示波器用混合基FFT程序分析波形的頻率成分。混合基FFT的好處是能給出以10為底的記錄長(zhǎng)度作為結(jié)果。這樣,頻率標(biāo)度就能與以10為底的示波器時(shí)標(biāo)控制的1-2-5序列直接匹配。與比較常見的二進(jìn)制FFT記錄長(zhǎng)度相比,這種方法更容易對(duì)頻率結(jié)果作出解釋。
FFT的水平標(biāo)度(頻率)為Hz/分度,圖的左邊緣處為0Hz。垂直標(biāo)度(相對(duì)振幅)為dBVRMS,即相對(duì)于1VRMS的分貝值(0dB=1 VRMS）。
