由數(shù)字示波器的方波拐角引發(fā)的思考：時域VS頻域

 對于大多數(shù)電子工程師來說，時域的信號是非常直觀和容易理解的，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/時域">時域是一個真實(shí)世界，是實(shí)際存在的域。我們所有的經(jīng)歷都是在時域中發(fā)展和驗(yàn)證，而且大家都已經(jīng)習(xí)慣了事件是按照時間先后順序發(fā)生的，并得到記錄保存。

    鼎陽科技為廣大的電子工程師提供了一系列不同的數(shù)字示波器，用以對我們感興趣的時域信號進(jìn)行捕獲、觀察、測量、分析和存檔。相信大家很容易就能夠理解數(shù)字示波器的基本工作原理并熟練掌握對數(shù)字示波器的使用和操作方法。但是，一個信號是否真的就像看起來那樣“純潔無瑕”、“完美無缺”呢？有時候用示波器是很難做到真實(shí)、定量分析的

一個肉眼看起來十分平滑的正弦波，里面有沒有諧波和非諧波分量？一個方波的拐角，為什么用數(shù)字示波器觀察總是沒辦法呈現(xiàn)出一個完美的直角？這些問題時常會困擾一些沒有接觸過頻譜分析儀的用戶朋友。而頻域，這個隱藏在時域背后的角色，似乎被蒙上了一層神秘的面紗，讓一些電子工程師很容易產(chǎn)生距離感。而且頻譜分析儀上各種帶寬、放大器、衰減器和濾波器等等概念，往往讓我們無從下手，很難得到一個正確的結(jié)果。鼎陽科技作為通用電子測試測量儀器的行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，始終把高效、真實(shí)、準(zhǔn)確、方便、快捷作為我們設(shè)計(jì)產(chǎn)品的核心思想，SSA3000X Plus系列高性能頻譜分析儀SVA1000X系列頻譜&矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，正完美詮釋了以客戶為中心的產(chǎn)品理念，讓我們的頻譜測試變得非常簡單。

    如下圖1所示，我們用一臺SDG6052X函數(shù)/任意波形發(fā)生器，一臺SDS5054X數(shù)字熒光示波器和一臺SVA1032X頻譜&矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建一個時域和頻域的對比演示系統(tǒng)。

 
圖1 時域Vs頻域?qū)Ρ葴y試系統(tǒng)

    我們將SDG6052X信號源的通道1和通道2分別用BNC電纜直接連接到SDS5054X示波器的通道1和SVA1032X頻譜儀的射頻輸入端；然后打開SDG6052X信號源的通道跟蹤功能，這樣，只需要對信號源通道1的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，就可以使通道2輸出完全一樣的波形，從而確保示波器和頻譜儀同時接收到完全一樣的信號。

首先，設(shè)置信號源輸出一個1MHz的方波信號，用示波器的Auto Setup按鍵很容易就捕獲到一個標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，如圖2所示。我們的頻譜儀同樣設(shè)計(jì)有Auto Tune按鍵，簡單按下該按鍵，頻譜儀將會在全頻段內(nèi)自動搜索信號，并將頻率和幅度參數(shù)調(diào)整到最佳狀態(tài)，一鍵實(shí)現(xiàn)信號搜索以及參數(shù)自動設(shè)置，很快就可以得到如圖3所示的一個1MHz基波信號。

 
圖2 示波器測得的1MHz方波信號

 
圖3 頻譜儀自動捕獲的1MHz基波信號

    但是我們都知道，方波是一種包含豐富諧波分量的波形，這時我們只需要簡單的將頻譜儀的終止頻率設(shè)置的更大一點(diǎn)，比如設(shè)置成18MHz，就能完美呈現(xiàn)方波的部分諧波，如圖4所示。我們還可以利用頻譜儀的光標(biāo)列表功能，實(shí)時顯示各次諧波的頻率和幅度，如圖5所示。甚至，我們可以將終止頻率設(shè)置成100MHz，發(fā)現(xiàn)就算在近百次的諧波分量上，仍然具有接近40dBc（相對于基波）的幅度，這就充分說明了我們用示波器測試超過1MHz的方波信號時失真會比較大的原因，因?yàn)槭静ㄆ鞅旧淼膸捯约皽y試線纜的帶寬限制，過濾掉了方波信號的高次諧波分量。

圖4 終止頻率設(shè)置成18MHz后的1MHz方波頻譜

 
圖5 利用光標(biāo)列表顯示各個諧波的頻率和幅度

 
圖6 終止頻率設(shè)置成100MHz后的1MHz方波頻譜

    接著，我們讓信號源輸出一個FM調(diào)頻信號，設(shè)置載波頻率為10MHz，頻偏為5MHz，調(diào)制頻率為200MHz。在示波器上可以捕捉到一個頻率不斷變化的正弦波信號，打開數(shù)字示波器的測量統(tǒng)計(jì)功能，可以準(zhǔn)確地測得最小頻率為5MHz，最大頻率為15MHz，如圖7所示。想要看FM信號在頻譜儀中的表現(xiàn)，只需要點(diǎn)擊頻譜儀的Auto Tune按鍵，就能夠快速的測得載波信號的頻譜，再打開信號源的調(diào)制開關(guān)，我們就能清晰看到一根從5MHz到15MHz來回往復(fù)的頻譜，來回一次的周期是5秒，如圖8、9、10所示。這讓我們能夠非常直觀的理解調(diào)頻信號各項(xiàng)指標(biāo)的含義：載波頻率-頻偏=輸出的最小頻率；載波頻率+頻偏=輸出的最大頻率；調(diào)制頻率的倒數(shù)為調(diào)制周期，就是完成一次頻率從最小變到最大，再回到最小頻率的時間。

 
圖7 示波器測量統(tǒng)計(jì)功能測得的FM調(diào)頻信號
 
圖8 頻譜儀測得的FM調(diào)頻信號
 
圖9 頻譜儀測得的FM調(diào)頻信號
 
圖10 頻譜儀測得的FM調(diào)頻信號

    最后，我們讓信號源輸出一個AM調(diào)幅信號，載波為10MHz，調(diào)制信號為1MHz，調(diào)制深度為50%。合理設(shè)置示波器的時基、幅度分辨率和觸發(fā)電平，我們可以看到一個直觀的調(diào)幅信號，如圖11所示。對于鼎陽科技的頻譜儀，我們只需要簡單按下Auto Tune按鍵，就可以快速捕捉到一個三根譜線的圖形，如圖12所示，中心頻率為10MHz，左右兩根譜線分別為9MHz和11MHz。改變AM調(diào)制信號的頻率或者調(diào)制深度，可以在頻譜儀上得到簡單直觀的表現(xiàn)，從而理解AM調(diào)幅信號各項(xiàng)參數(shù)的含義。

 
圖11 示波器測得的AM調(diào)制信號
 
圖12 頻譜儀測得的AM調(diào)制信號

    通過對以上三種信號的時域和頻域?qū)Ρ葴y試可以發(fā)現(xiàn)，頻譜儀的使用其實(shí)并沒有想象中那么復(fù)雜，我們甚至可以輕易的剝開信號復(fù)雜的外表，看清隱藏在時間背后的本質(zhì)信息。尤其是鼎陽科技SSA3000X Plus系列高性能頻譜分析儀和SVA1000X系列頻譜&矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，不僅具備優(yōu)異的硬件性能，還配備了10.1寸多點(diǎn)觸控電容屏，支持一鍵自動搜索測試、一鍵存儲、一鍵幫助、一鍵恢復(fù)出廠設(shè)置和一鍵自動耦合等眾多功能，同時可以基于電腦或手持終端網(wǎng)絡(luò)瀏覽器對儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，讓我們的頻譜測試變得更為簡便，快捷。

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