独立式频谱分析仪与基于示波器的频谱分析仪之间的差异郭帅

独立式频谱分析仪与基于示波器的频谱分析仪之间的差异

大多数示波器制造商还提供广泛的频谱分析仪系列。这两种不同的工具之间既有相似之处，也有不同之处。示波器经过优化，可以在时域下显示信号此外，按Math> FFT，相同的信号出现在频域中。在Tektronix MDO中，可以不像Lissajous模式那样以分屏格式绘制同一信号，而可以绘制一组通用的笛卡尔坐标。

频谱分析仪模式下的示波器处理信号的方式与某些独立频谱分析仪不同。数字示波器基本上将其输入数字化，然后应用数学快速傅里叶变换函数来计算频率内容和幅度。

使比较复杂的一件事是，某些频谱分析仪所做的事情完全相同：将波形数字化并计算FFT。但是这种方法有一些缺点，包括当信号能量超出预期的测量范围时，会产生更多的谐波噪声。这就是为什么存在真正SA的空间的原因，它们的工作方式有所不同。它们使用双重或三次下变频扫频扫描来测量信号包含的每个频率处的幅度。他们无需进行计算即可生成显示。此外，真正的SA通常会通过至少16位DAC将信号数字化，而示波器通常会采用8位和12位DAC。数字字长越长，动态范围就越大。

也就是说，还可以找到与扫频SA组合的合并范围。但是这些往往是昂贵的工具。

考虑到这些差异，我们将介绍一些基础知识。在频域中，频谱分析仪在Y轴上绘制幅度，但是现在Y值是功率而不是电压。X轴代表频率而不是时间。同一信号的时域和频域显示包含完全相同的信息，但是它们的外观完全不同。在时域中，低电平谐波和噪声表现为迹线的略微加粗，难以察觉且难以识别。在频域中，它们是突出的尖峰或升高的本底噪声。

可以通过称为傅立叶分析的计算将时域中的信号转换为频域中的信号，并且可以通过傅立叶合成来完成逆变换。这种来回转换可以无限期进行，而不会丢失任何信息，而只会造成仪器的损失。

傅立叶变换是一个复杂而漫长的数学过程，在1960年代可以使用的快速傅立叶变换中得到了极大的简化。只需按下几个按钮，即可在现代数字存储示波器中立即执行此操作。

每个互补域都揭示了示波器输入端波形的不同方面。在时域中，我们可以看到波形的形状，这可以直观地了解其独特的周期性。但正是频域揭示了波形的频谱分布-离散频率下它包含的能量。许多高级工程师迅速转向时域显示，然后转向频域以查看实际情况。

扫频SA通常与独立SA相关，其类型包括压控振荡器，该振荡器以经典的外差方式下变频所需频率范围，取决于仪器的带宽。控制振荡器的电压以及因此在任何给定时刻显示的信号的频率都在研究的频率范围内移动，从而在存在谐波的位置显示幅度峰值。带通滤波器确定频率范围。较小的范围具有提供更高光谱分辨率的优势，可以满足某些应用的需求。尽管以降低带宽为代价，但它有助于区分相邻频率分量。一个相关的方程是：

S T = k f / RBW，其中S T是以秒为单位的扫描时间，k是比例常数，f是以赫兹为单位的频率范围，R BW是以赫兹为单位的分辨率带宽。

在基于FFT的频谱分析仪中，频率分辨率为Δv= 1 / T。

这是时间T的倒数，在此时间期间对波形进行傅里叶分析。输入信号以足以满足奈奎斯特要求的速率采样。基于FFT的频谱分析仪的范围有限，这归因于ADC和傅立叶变换功能的处理能力。

还有第三种类型的SA，称为实时频谱分析仪。直到最大跨度都不太容易受到这些限制。使用FFT处理，它在时域中对输入的RF频谱进行采样，并通过FFT处理将该数据转换为频域。由于处理时间要求，这种类型的光谱分析仍然存在差距。但是，通过重叠几乎同时进行的采集来填补空白。因此，实时频谱分析仪可在感兴趣信号的频域中提供更完整，更详细的图像。

在所有SA中，按下RF按钮，用户将面临中心频率，跨度，启动和停止。必须正确设置“频率”和“跨度”值才能获得良好的显示效果。

首先，除非您打算尝试随机值，否则您必须知道输入端的信号频率。如果您正在查看市电电源，则知道该频率为60 Hz，或者在某些区域为50 Hz。如果您正在查看来自内部AFG的波形，则有某些默认频率，或者该频率可以由用户通过按Waveform Settings来确定。您可以通过查看屏幕左下方位于水平菜单栏上方的水平AFG条来检查频率。对于大多数波形，默认值为100.00 kHz。某些波形没有规定的频率，因为它们是非周期性的。

正弦波跨度30 MHZ

如果您不知道频率，请转到“测量”>“ DVM”>“频率”，它将显示出来。然后，在BNC电缆将AFG信号馈送到RF输入时，按一下Freq / Span按钮，这将打开右侧的垂直“频率和跨度”菜单。大多数人喜欢将基本面置于屏幕中央。为此，请将“中心频率”设置为100.00 kHz或其他合适的信号频率。注意，对于正弦波，所有功率都在基波中，没有谐波。

但是没有那么快！默认跨度太高而无法看到谐波。为了显示谐波或验证它们是否不存在，我们将要查看方波。按AFG>波形，然后向下滚动至方波。除了基波基的轻微扰动外，仍然没有谐波。回想一下，除基频以外的最高振幅谐波是二次谐波。然后，当谐波的频率远离基波时，它们的振幅会下降，最终在本底噪声以下消失。

因此，回到频率/跨度，在“跨度”字段中尝试10、20和30 MHz。这里有两件事要注意。设置跨度时，“开始”和“停止”会自行调整。如果设置“开始”和“停止”，则跨度会自动调整。因此，请勿填写过多的字段。其次，较小的跨度允许您以较高的分辨率查看谐波，而较大的跨度则允许您查看对数形式的谐波如何减小。按菜单关闭可获得更好的视图。跨度超过30 MHz时，单个谐波很难计数。

回到正弦波，我们可以在这些更清晰的频率和跨度设置中看到确实没有谐波。您会看到，基波扩展到本底噪声，这是仪器电路中热噪声的结果。事实是，所有导体，包括电子组件，都将产生热噪声，除非它们碰巧处于绝对零开氏度。

任何导体的两端都将具有微小但可测量的电压，如果将两端并联在一起，则会流过微小的电流。您会在屏幕下部那条不规则的波动的大致水平线中看到本底噪声。这是一个障碍物，在该障碍物之下无法测量或显示信号。它不应被视为缺陷，而应被视为这种自动量程仪器灵敏度高的证据。也就是说，仪器工程师一直在努力降低本底噪声，以便可以显示更微弱的信号。

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