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

對信號中的頻率分量進(jìn)行分析是十分重要的，因為他們常常會在設(shè)計中引起噪聲，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。如果我們在設(shè)計的時候沒有進(jìn)行正確的測試，那么上述問題就很可能發(fā)生。那么如何對信號進(jìn)行頻率分量的分析呢？

也許大家會認(rèn)為這個活只有頻譜分析儀能干，但實際上示波器也能部分勝任，示波器除了時域分析外，還有一個FFT的功能，就可以用來做這個事。FFT是快速傅里葉變換的縮寫。簡單的說，F(xiàn)FT其實是一種算法，可以幫助我們對時域信號進(jìn)行分離，然后再將這些分離的信號轉(zhuǎn)換到頻域，此時示波器將從時域轉(zhuǎn)換成頻域，顯示的是信號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從時域轉(zhuǎn)換成頻域的。

對于FFT的時域頻域轉(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用》

FFT的菜單欄中，包含F(xiàn)FT運算頻譜類型的選擇，可以選擇線或者分貝來作為幅值分別以V-Hz或dB-Hz被繪制在示波器顯示屏上。當(dāng)FFT開啟的時候，可以看到水平軸的時基從時間變成了頻率，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，這個比較好理解，要對哪個通道進(jìn)行FFT運算，我們就選哪個通道為源。

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會有不同的窗選擇呢？

因為FFT算法計算頻譜信號采樣時，只能得到采樣點的信息， 不可能對無限長的信號進(jìn)行測量和運算，而是取其有限的時間片段進(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)。示波器是對有限長度的時間記錄進(jìn)行FFT變換，F(xiàn)FT算法是假設(shè)時域波形是不斷重復(fù)的。這樣當(dāng)周期為整數(shù)時，時域波形在開始和結(jié)束處波形的幅值相同，波形就不會產(chǎn)生中斷。但是，如果時域波形的周期為非整數(shù)時，就引起波形開始和結(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窗函數(shù)，強(qiáng)制開始和結(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。窗函數(shù)會改變頻域波形，讓頻譜形成方便我們觀察的樣子，但是本質(zhì)上不會消除頻譜泄露，不同的窗函數(shù)都有其獨特的特性，我們只需要根據(jù)測量需要選擇即可。

窗函數(shù)效果應(yīng)用矩形窗（Rectangular）對非常接近同一值的分辨頻率，這是最好的窗口類型，但此類型在精確測量這些頻率的幅度時效果最差。測量非重復(fù)信號的頻譜和測量接近直流的頻率分量最佳。該窗口用于信號級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。測量正弦、周期性和窄帶隨機(jī)噪音。該窗口用于信號級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）用于測量幅度精度極好，但對于分辨頻率效果較差。同哈明窗布萊克曼（Blackman-Harris）用于測量頻率幅度最佳，但對于測量分辨頻率效果卻是最差。使用Blackman-Harris測量查找高次諧波的主要單信號頻率波形。

同時，測量時要注意以下幾點：

1.由于FFT是一個數(shù)學(xué)函數(shù)，對于數(shù)學(xué)函數(shù)來說處理的數(shù)據(jù)越多，他就越準(zhǔn)確。因此測量的時候，我們要把存儲深度打大，時基盡量打大，這樣頻率分辨率才更高。如下面兩張圖分別是時基打到200μs和2ms的對比，可以清楚的看到，2ms時基下的FFT效果要好很多。

但也要注意時域信號長度不是越長越好，因為示波器的存儲深度有限，波形記錄時間越長，采樣率越低，可能導(dǎo)致源波形失真。一般來說，在時域圖上最少出現(xiàn)4到8個波形周期的波形時長是比較合適的。

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

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

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