示波器FFT頻譜分析的使用方法和注意點

ID:689795 · 發表于 2020-9-28 15:35

對信號中的頻率分量進行分析是十分重要的，因為他們常常會在設計中引起噪聲，一旦超出允許的公差，就可能進而導致器件發生故障功能失常。嚴重的還可能導致電壓尖峰，損壞器件。如果我們在設計的時候沒有進行正確的測試，那么上述問題就很可能發生。那么如何對信號進行頻率分量的分析呢？

也許大家會認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，FFT其實是一種算法，可以幫助我們對時域信號進行分離，然后再將這些分離的信號轉換到頻域，此時示波器將從時域轉換成頻域，顯示的是信號幅值與頻率之間的關系。

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換成頻域的。

對于FFT的時域頻域轉換如果不是很了解，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FFT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，垂直軸單位變為V或者dB。

頻譜類型下方是觸發源的選擇，這個比較好理解，要對哪個通道進行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行測量和運算，而是取其有限的時間片段進行分析，因此忽略了采樣間隔中數據信息，這是不可避免的，也稱之為柵欄效應。示波器是對有限長度的時間記錄進行FFT變換，FFT算法是假設時域波形是不斷重復的。這樣當周期為整數時，時域波形在開始和結束處波形的幅值相同，波形就不會產生中斷。但是，如果時域波形的周期為非整數時，就引起波形開始和結束處的波形幅值不同，從而使連接處產生高頻瞬態中斷。在頻域中，這種效應稱為泄漏。因此，為避免泄漏的產生，在原波形上乘以一個窗函數，強制開始和結束處的值為零。

而不同的窗函數采用不同的算法，在不同的情況下有著各自的優勢。窗函數會改變頻域波形，讓頻譜形成方便我們觀察的樣子，但是本質上不會消除頻譜泄露，不同的窗函數都有其獨特的特性，我們只需要根據測量需要選擇即可。

窗函數	效果	應用
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或突發。
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。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或突發。
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。