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由数字示波器的方波拐角引发的思考:时域VS频域

发布时间:2020-07-02   点击次数:175次

对于大多数电子工程师来说,时域的信号是非常直观和容易理解的,因为时域是一个真实世界,是实际存在的域。我们所有的经历都是在时域中发展和验证,而且大家都已经习惯了事件是按照时间先后顺序发生的,并得到记录保存。

    鼎阳科技为广大的电子工程师提供了一系列不同的数字示波器,用以对我们感兴趣的时域信号进行捕获、观察、测量、分析和存档。相信大家很容易就能够理解数字示波器的基本工作原理并熟练掌握对数字示波器的使用和操作方法。但是,一个信号是否真的就像看起来那样“纯洁无瑕”、“完美无缺”呢?有时候用示波器是很难做到真实、定量分析的

一个肉眼看起来十分平滑的正弦波,里面有没有谐波和非谐波分量?一个方波的拐角,为什么用数字示波器观察总是没办法呈现出一个完美的直角?这些问题时常会困扰一些没有接触过频谱分析仪的用户朋友。而频域,这个隐藏在时域背后的角色,似乎被蒙上了一层神秘的面纱,让一些电子工程师很容易产生距离感。而且频谱分析仪上各种带宽、放大器、衰减器和滤波器等等概念,往往让我们无从下手,很难得到一个正确的结果。鼎阳科技作为通用电子测试测量仪器的行业领军企业,始终把高效、真实、准确、方便、快捷作为我们设计产品的核心思想,SSA3000X Plus系列高性能频谱分析仪SVA1000X系列频谱&矢量网络分析仪,正完美诠释了以客户为中心的产品理念,让我们的频谱测试变得非常简单。

    如下图1所示,我们用一台SDG6052X函数/任意波形发生器,一台SDS5054X数字荧光示波器和一台SVA1032X频谱&矢量网络分析仪搭建一个时域和频域的对比演示系统。

 时域Vs频域对比测试系统
图1 时域Vs频域对比测试系统

    我们将SDG6052X信号源的通道1和通道2分别用BNC电缆直接连接到SDS5054X示波器的通道1和SVA1032X频谱仪的射频输入端;然后打开SDG6052X信号源的通道跟踪功能,这样,只需要对信号源通道1的参数进行设置,就可以使通道2输出完全一样的波形,从而确保示波器和频谱仪同时接收到完全一样的信号。

首先,设置信号源输出一个1MHz的方波信号,用示波器的Auto Setup按键很容易就捕获到一个标准的方波信号,如图2所示。我们的频谱仪同样设计有Auto Tune按键,简单按下该按键,频谱仪将会在全频段内自动搜索信号,并将频率和幅度参数调整到合适状态,一键实现信号搜索以及参数自动设置,很快就可以得到如图3所示的一个1MHz基波信号。

 示波器测得的1MHz方波信号
图2 示波器测得的1MHz方波信号

 频谱仪自动捕获的1MHz基波信号
图3 频谱仪自动捕获的1MHz基波信号

    但是我们都知道,方波是一种包含丰富谐波分量的波形,这时我们只需要简单的将频谱仪的终止频率设置的更大一点,比如设置成18MHz,就能完美呈现方波的部分谐波,如图4所示。我们还可以利用频谱仪的光标列表功能,实时显示各次谐波的频率和幅度,如图5所示。甚至,我们可以将终止频率设置成100MHz,发现就算在近百次的谐波分量上,仍然具有接近40dBc(相对于基波)的幅度,这就充分说明了我们用示波器测试超过1MHz的方波信号时失真会比较大的原因,因为示波器本身的带宽以及测试线缆的带宽限制,过滤掉了方波信号的高次谐波分量。

终止频率设置成18MHz后的1MHz方波频谱
图4 终止频率设置成18MHz后的1MHz方波频谱

 利用光标列表显示各个谐波的频率和幅度
图5 利用光标列表显示各个谐波的频率和幅度

 终止频率设置成100MHz后的1MHz方波频谱
图6 终止频率设置成100MHz后的1MHz方波频谱

    接着,我们让信号源输出一个FM调频信号,设置载波频率为10MHz,频偏为5MHz,调制频率为200MHz。在示波器上可以捕捉到一个频率不断变化的正弦波信号,打开数字示波器的测量统计功能,可以准确地测得最小频率为5MHz,最大频率为15MHz,如图7所示。想要看FM信号在频谱仪中的表现,只需要点击频谱仪的Auto Tune按键,就能够快速的测得载波信号的频谱,再打开信号源的调制开关,我们就能清晰看到一根从5MHz到15MHz来回往复的频谱,来回一次的周期是5秒,如图8、9、10所示。这让我们能够非常直观的理解调频信号各项指标的含义:载波频率-频偏=输出的最小频率;载波频率+频偏=输出的最大频率;调制频率的倒数为调制周期,就是完成一次频率从最小变到最大,再回到最小频率的时间。

 示波器测量统计功能测得的FM调频信号
图7 示波器测量统计功能测得的FM调频信号
 频谱仪测得的FM调频信号
图8 频谱仪测得的FM调频信号
 频谱仪测得的FM调频信号
图9 频谱仪测得的FM调频信号
 频谱仪测得的FM调频信号
图10 频谱仪测得的FM调频信号

    最后,我们让信号源输出一个AM调幅信号,载波为10MHz,调制信号为1MHz,调制深度为50%。合理设置示波器的时基、幅度分辨率和触发电平,我们可以看到一个直观的调幅信号,如图11所示。对于鼎阳科技的频谱仪,我们只需要简单按下Auto Tune按键,就可以快速捕捉到一个三根谱线的图形,如图12所示,中心频率为10MHz,左右两根谱线分别为9MHz和11MHz。改变AM调制信号的频率或者调制深度,可以在频谱仪上得到简单直观的表现,从而理解AM调幅信号各项参数的含义。

 示波器测得的AM调制信号
图11 示波器测得的AM调制信号
 频谱仪测得的AM调制信号
图12 频谱仪测得的AM调制信号

    通过对以上三种信号的时域和频域对比测试可以发现,频谱仪的使用其实并没有想象中那么复杂,我们甚至可以轻易的剥开信号复杂的外表,看清隐藏在时间背后的本质信息。尤其是鼎阳科技SSA3000X Plus系列高性能频谱分析仪和SVA1000X系列频谱&矢量网络分析仪,不仅具备优异的硬件性能,还配备了10.1寸多点触控电容屏,支持一键自动搜索测试、一键存储、一键帮助、一键恢复出厂设置和一键自动耦合等众多功能,同时可以基于电脑或手持终端网络浏览器对仪器进行远程监控,让我们的频谱测试变得更为简便,快捷。

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