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2021年03月31日 | 使用示波器进行时域和频域分析
2021-03-31 来源：eefocus
同时进行时域和频域调试的功能在很多情况下是很有价值的。当您想要在电路板上调试多个位置的信号时，不同信号的时间相关性是必须要考虑的；然而，您在使用多台测试仪器时会发现这是一项艰巨任务。混合域测量的另一个难题是查看频率随时间的变化。大多数示波器都能够很好地查看时域和频域测量，因为它们具有快速傅立叶变换功能；更进一步，Keysight InfiniiVision 3000T 和 4000 X 系列示波器所拥有的时间选通 FFT 功能还能帮助您深入分析在指定时间上的时域和频域信号。
以压控振荡器 (VCO) 为例。VCO 的功能通过您的被测器件(DUT) 上的一个事件来启动。我们在此使用时钟上升沿启动振荡器，使其在不同的频率上进行扫描，如图 1 所示。示波器的显示屏上显示了这个启动时钟 (绿色) 和振荡器的输出(紫红色)。默认设置这个振荡器从 700 kHz 开始扫描，连续扫频直至达 3 MHz。通过观察振荡器波形的颜色深度，您可以看到颜色随时间推移而略微加深；这表明扫描频率正在增大，不过我们仍需要查看频域中的信号，以进一步确定。
图 1. 启动时钟 (绿色) 和振荡器输出 (紫红色) 选项可用来设置频谱参数
在 3000TX 和 4000X 示波器中，您使用电容触摸屏上的键盘很轻松地把起始和终止频率分别设在 650 kHz 和 3.3 MHz (图 2)，也可以设置扫宽和中心频率 (图 1)。设置合适的扫宽是很关键的，以确保所有的扫描频率都能被 FFT 处理。基于上述设置，FFT 可以对全屏数据进行计算，但它不会显示频率随时间的变化。在该例中，我们关注的正是频率随时间的变化，所以我们将需要使用时间选通 FFT。
图 2. 使用电容触摸屏上的键盘来输入起始和终止频率的数值
图 3 中已经启用了时间选通 FFT。示波器的上半部分显示了已捕获的时域波形和选通，可根据您想要分析的量来调整大小。窗口设置在启动信号被激活的时间。下面显示的是时域波形的片段以及振荡器波形在选通时间内的 FFT。它展示了时间相关和时间选通所具有的优势，使我们能够看到在振荡器启动时，它的频率约为 700 kHz (符合预期)。您在屏幕右方能看到一个用于显示频率峰值的事件表。在该实例中仅有一个明显的频率分量，可作为快速测量工具。
图 3. 时间选通 FFT 正在计算仅在指定时间窗口中的 FFT
只需在触摸屏上手动或使用导航键就能轻松地移动时间选通窗口，移动到时域波形的任意位置；如图 4 所示。当选通在波形中移动时，您就能看到频率正在增加。在显示屏上的事件表中有两个峰值，因为通过 FFT 波形上可以看出频率在选通中发生了变化。
图 4. 导航波形并浏览整个频谱
您可能会注意到，振荡器的时域波形间可能存在间隙，它能否达到 3 MHz 然后关闭？在这个间隙之前进行频率测量大概是在 1.97 MHz 上，如图 5 所示，之后的频率约为 2.08 MHz。
这些测量表明振荡器的频率并没有增至 3 MHz，而是止步不前了；我们可以打开光标，以测量误差的确切时间。注意: 右侧边栏上显示了事件表下方的光标测量，可见频率间隙是在触发点，即时钟上升沿，后的 78 ms 出现。了解了这一信息，我们就能用示波器查看该时间点上被测器件的动态，也有可能确定问题根源或是振荡器本身是否正常工作。切记，同时在时域和频域中查看波形，我们就可以清晰地看到问题所在；但如果使用其他的测量仪器只在频域中进行扫描，比如说频谱分析仪，我们就会遗漏这个问题。
图 5. 使用光标在振荡器静止时开始测量
继续导航可以看出来，振荡器在启用之后的 140 ms 已经停止频率增加且稳定在 3 MHz (图 6)。通过查看信号的不同部分，我们能够验证这个振荡器是否达到了指定频率。
图 6. 使用光标在振荡器稳定到 3 MHz 时开始测量
本文只使用了一个简单的 VCO 作为实例；当然，选通 FFT 的功能不局限于频率变化下的信号。选通 FFT 功能可用于查看其他的信号，例如猝发信号，或者确定其他信号在指定时间内与您的被测器件发生耦合。用示波器中的 FFT 功能进行频域测量对于调试工作而言很有帮助，而使用 Keysight InfiniiVision 示波器 系列示波器中的时间选通测量可以给频域和时域中的测量建立时间相关性，使您能够更深入地分析信号。
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