使用示波器進(jìn)行信號(hào)頻譜分析(FFT)的設(shè)置教學(xué)

對(duì)信號(hào)中的頻率分量進(jìn)行分析是十分重要的，因?yàn)樗麄兂３?huì)在設(shè)計(jì)中引起噪聲，一旦超出允許的公差，就可能進(jìn)而導(dǎo)致器件發(fā)生故障功能失常。嚴(yán)重的還可能導(dǎo)致電壓尖峰，損壞器件。如果我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候沒(méi)有進(jìn)行正確的測(cè)試，那么上述問(wèn)題就很可能發(fā)生。那么如何對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率分量的分析呢？

也許大家會(huì)認(rèn)為這個(gè)活只有頻譜分析儀能干，但實(shí)際上示波器也能部分勝任，示波器除了時(shí)域分析外，還有一個(gè)FFT的功能，就可以用來(lái)做這個(gè)事。FFT是快速傅里葉變換的縮寫(xiě)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，F(xiàn)FT其實(shí)是一種算法，可以幫助我們對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分離，然后再將這些分離的信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，此時(shí)示波器將從時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域，顯示的是信號(hào)幅值與頻率之間的關(guān)系。

如下gif圖所示，可以清楚的看到示波器是如何將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域的。

對(duì)于FFT的時(shí)域頻域轉(zhuǎn)換如果不是很了解，可以搜索看下我們之前的文章《淺懂示波器FFT快速傅立葉變換功能及運(yùn)用》

FFT的菜單欄中，包含F(xiàn)FT運(yùn)算頻譜類型的選擇，可以選擇線或者分貝來(lái)作為幅值分別以V-Hz或dB-Hz被繪制在示波器顯示屏上。當(dāng)FFT開(kāi)啟的時(shí)候，可以看到水平軸的時(shí)基從時(shí)間變成了頻率，垂直軸單位變?yōu)閂或者dB。

頻譜類型下方是觸發(fā)源的選擇，這個(gè)比較好理解，要對(duì)哪個(gè)通道進(jìn)行FFT運(yùn)算，我們就選哪個(gè)通道為源。

源下方是四種不同的FFT窗，分別是矩形窗、哈明窗、布萊克曼窗、漢寧窗。那么為什么FFT會(huì)有不同的窗選擇呢？

因?yàn)镕FT算法計(jì)算頻譜信號(hào)采樣時(shí)，只能得到采樣點(diǎn)的信息， 不可能對(duì)無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)行分析，因此忽略了采樣間隔中數(shù)據(jù)信息，這是不可避免的，也稱之為柵欄效應(yīng)。示波器是對(duì)有限長(zhǎng)度的時(shí)間記錄進(jìn)行FFT變換，F(xiàn)FT算法是假設(shè)時(shí)域波形是不斷重復(fù)的。這樣當(dāng)周期為整數(shù)時(shí)，時(shí)域波形在開(kāi)始和結(jié)束處波形的幅值相同，波形就不會(huì)產(chǎn)生中斷。但是，如果時(shí)域波形的周期為非整數(shù)時(shí)，就引起波形開(kāi)始和結(jié)束處的波形幅值不同，從而使連接處產(chǎn)生高頻瞬態(tài)中斷。在頻域中，這種效應(yīng)稱為泄漏。因此，為避免泄漏的產(chǎn)生，在原波形上乘以一個(gè)窗函數(shù)，強(qiáng)制開(kāi)始和結(jié)束處的值為零。

而不同的窗函數(shù)采用不同的算法，在不同的情況下有著各自的優(yōu)勢(shì)。窗函數(shù)會(huì)改變頻域波形，讓頻譜形成方便我們觀察的樣子，但是本質(zhì)上不會(huì)消除頻譜泄露，不同的窗函數(shù)都有其獨(dú)特的特性，我們只需要根據(jù)測(cè)量需要選擇即可。

窗函數(shù)效果應(yīng)用矩形窗（Rectangular）對(duì)非常接近同一值的分辨頻率，這是最好的窗口類型，但此類型在精確測(cè)量這些頻率的幅度時(shí)效果最差。測(cè)量非重復(fù)信號(hào)的頻譜和測(cè)量接近直流的頻率分量最佳。該窗口用于信號(hào)級(jí)別在具有幾乎相同的事件之前或之后的瞬態(tài)或突發(fā)。哈明窗（Hamming）對(duì)非常接近同一值的分辨頻率，這是最佳的窗口類型，并且幅度精度比矩形窗口也略有改進(jìn)。哈明窗類型比漢寧窗類型的頻率分辨率要略有提高。測(cè)量正弦、周期性和窄帶隨機(jī)噪音。該窗口用于信號(hào)級(jí)別在具有重大差別的事件之前或之后的瞬態(tài)或突發(fā)。漢寧窗（Hanning）用于測(cè)量幅度精度極好，但對(duì)于分辨頻率效果較差。同哈明窗布萊克曼（Blackman-Harris）用于測(cè)量頻率幅度最佳，但對(duì)于測(cè)量分辨頻率效果卻是最差。使用Blackman-Harris測(cè)量查找高次諧波的主要單信號(hào)頻率波形。

同時(shí)，測(cè)量時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

1.由于FFT是一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)，對(duì)于數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)說(shuō)處理的數(shù)據(jù)越多，他就越準(zhǔn)確。因此測(cè)量的時(shí)候，我們要把存儲(chǔ)深度打大，時(shí)基盡量打大，這樣頻率分辨率才更高。如下面兩張圖分別是時(shí)基打到200μs和2ms的對(duì)比，可以清楚的看到，2ms時(shí)基下的FFT效果要好很多。

但也要注意時(shí)域信號(hào)長(zhǎng)度不是越長(zhǎng)越好，因?yàn)槭静ㄆ鞯拇鎯?chǔ)深度有限，波形記錄時(shí)間越長(zhǎng)，采樣率越低，可能導(dǎo)致源波形失真。一般來(lái)說(shuō)，在時(shí)域圖上最少出現(xiàn)4到8個(gè)波形周期的波形時(shí)長(zhǎng)是比較合適的。

2.具有直流成分或偏差的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致FFT波形成分的錯(cuò)誤或偏差，為減少直流成分我們可以選擇交流耦合方式。

3.在獲取周期性信號(hào)時(shí)，應(yīng)使用平均采樣模式來(lái)降低信號(hào)噪音。建議平均數(shù)不小于16。

FFT在電子測(cè)量中可以幫助找到噪聲干擾源，測(cè)試濾波器和系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，抖動(dòng)分析，諧波功率分析，電磁干擾分析、頻率響應(yīng)分析等。