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搭載Spectrum View頻譜分析的MSO 4,讓FFT測(cè)試輕而易舉

來(lái)源: 電子產(chǎn)品世界
2020-09-03
類別:設(shè)計(jì)應(yīng)用
eye 40
文章創(chuàng)建人 拍明

原標(biāo)題:搭載Spectrum View頻譜分析的MSO 4,讓FFT測(cè)試輕而易舉

在電子測(cè)試領(lǐng)域,快速傅里葉變換(FFT)是分析信號(hào)頻域特性的核心工具,廣泛應(yīng)用于諧波檢測(cè)、噪聲分析、調(diào)制解調(diào)等場(chǎng)景。然而,傳統(tǒng)FFT測(cè)試面臨操作復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差、動(dòng)態(tài)范圍受限等痛點(diǎn),尤其對(duì)多通道、高帶寬信號(hào)的分析效率低下。泰克科技(Tektronix)推出的MSO 4系列混合信號(hào)示波器,通過(guò)集成Spectrum View頻譜分析技術(shù),徹底革新了FFT測(cè)試流程,實(shí)現(xiàn)“時(shí)域+頻域”同步觀測(cè)與一鍵式智能分析,讓復(fù)雜頻譜測(cè)試變得“輕而易舉”。


一、傳統(tǒng)FFT測(cè)試的三大痛點(diǎn)

1. 操作繁瑣:多步驟手動(dòng)配置

傳統(tǒng)示波器進(jìn)行FFT測(cè)試需依次完成以下步驟:

  • 觸發(fā)設(shè)置:調(diào)整觸發(fā)電平、邊沿類型(上升沿/下降沿)以穩(wěn)定波形;

  • 時(shí)基選擇:根據(jù)信號(hào)頻率范圍選擇合適時(shí)基(如1μs/div對(duì)應(yīng)1MHz帶寬);

  • 窗口函數(shù):手動(dòng)選擇漢寧窗、平頂窗等以減少頻譜泄漏;

  • 參考電平:設(shè)置FFT的垂直偏移和增益,避免信號(hào)截?cái)啵?/span>

  • 頻譜顯示:切換至頻域視圖,手動(dòng)縮放頻譜范圍。

問(wèn)題

  • 配置耗時(shí)(通常需5-10分鐘/次),且依賴工程師經(jīng)驗(yàn);

  • 參數(shù)調(diào)整易出錯(cuò)(如窗口函數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致頻譜失真)。

2. 實(shí)時(shí)性差:?jiǎn)未斡|發(fā)與死區(qū)時(shí)間

傳統(tǒng)FFT測(cè)試通?;?span style="font-size: 14px; box-sizing: border-box; padding: 0px; -webkit-font-smoothing: antialiased; font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Segoe UI", Roboto, Ubuntu, "Helvetica Neue", Helvetica, Arial, "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", "Source Han Sans CN", sans-serif, "Apple Color Emoji", "Segoe UI Emoji"; list-style: none; margin: 0px; scrollbar-width: none; font-weight: 600;">單次觸發(fā)采集,即每次觸發(fā)后需等待數(shù)據(jù)傳輸和處理完成才能進(jìn)行下一次采集,導(dǎo)致:

  • 死區(qū)時(shí)間:占空比可能高達(dá)90%(如100ms采集+900ms處理);

  • 瞬態(tài)信號(hào)丟失:無(wú)法捕捉快速變化的頻譜(如開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)諧波)。

3. 動(dòng)態(tài)范圍受限:噪聲與諧波混疊

傳統(tǒng)FFT的動(dòng)態(tài)范圍受限于示波器的有效位數(shù)(ENOB)噪聲底(Noise Floor)

  • ENOB不足:8位ADC的動(dòng)態(tài)范圍僅48dB(20log?(2?)),難以分辨低幅度諧波;

  • 噪聲混疊:高頻噪聲折疊到低頻段(如采樣率不足時(shí)),掩蓋真實(shí)頻譜成分。


二、Spectrum View技術(shù):重新定義FFT測(cè)試

泰克MSO 4系列示波器搭載的Spectrum View是一種基于硬件并行處理的頻譜分析技術(shù),其核心創(chuàng)新點(diǎn)在于:

  • 時(shí)域+頻域同步采集:無(wú)需切換視圖,實(shí)時(shí)顯示波形與頻譜;

  • 一鍵式智能分析:自動(dòng)優(yōu)化觸發(fā)、窗口函數(shù)、參考電平等參數(shù);

  • 超寬動(dòng)態(tài)范圍:12位ADC+低噪聲前端,動(dòng)態(tài)范圍達(dá)72dB。

1. 技術(shù)原理:硬件并行處理架構(gòu)

Spectrum View通過(guò)以下硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效頻譜分析:

  • 雙ADC架構(gòu)

    • 每個(gè)通道獨(dú)立配備時(shí)域ADC(8位)頻域ADC(12位),并行采集波形與頻譜數(shù)據(jù);

    • 頻域ADC采樣率可獨(dú)立設(shè)置(如1GSa/s對(duì)應(yīng)500MHz帶寬),避免時(shí)域采樣率對(duì)頻譜分辨率的限制。

  • 專用FPGA加速

    • 在FPGA中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)FFT計(jì)算(支持2048/4096點(diǎn)FFT),延遲<1ms;

    • 集成自動(dòng)增益控制(AGC)和噪聲抑制算法,優(yōu)化頻譜顯示。

  • 數(shù)字下變頻(DDC)技術(shù)

    • 對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行混頻和濾波,將中心頻率搬移至基帶,降低FFT計(jì)算負(fù)載;

    • 支持頻譜縮放(Zoom),可在1GHz帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)1kHz分辨率。

2. 核心優(yōu)勢(shì):從“復(fù)雜操作”到“一鍵測(cè)試”

優(yōu)勢(shì)1:時(shí)域+頻域同步觀測(cè)

  • 傳統(tǒng)方案:需反復(fù)切換時(shí)域/頻域視圖,無(wú)法關(guān)聯(lián)波形與頻譜變化;

  • Spectrum View

    • 分屏顯示波形(左)與頻譜(右),拖動(dòng)波形可實(shí)時(shí)更新頻譜位置(如圖1);

    • 支持光標(biāo)聯(lián)動(dòng):在波形上標(biāo)記時(shí)間點(diǎn),頻譜上自動(dòng)顯示對(duì)應(yīng)頻率成分。

圖1:Spectrum View時(shí)域+頻域同步顯示

[左屏:時(shí)域波形(方波)] [右屏:頻域頻譜(基波+奇次諧波)]

優(yōu)勢(shì)2:一鍵智能分析

  • 自動(dòng)參數(shù)優(yōu)化

    • 觸發(fā):根據(jù)信號(hào)特征自動(dòng)選擇邊沿觸發(fā)或脈寬觸發(fā);

    • 窗口函數(shù):對(duì)周期信號(hào)選用平頂窗(準(zhǔn)確幅度),對(duì)瞬態(tài)信號(hào)選用漢寧窗(減少泄漏);

    • 參考電平:動(dòng)態(tài)調(diào)整垂直偏移,避免信號(hào)截?cái)唷?/span>

  • 智能測(cè)量模板

    • 內(nèi)置諧波分析(自動(dòng)標(biāo)記基波、諧波頻率/幅度)、噪聲分析(計(jì)算信噪比SNR)、調(diào)制分析(支持AM/FM/PM解調(diào))。

優(yōu)勢(shì)3:超寬動(dòng)態(tài)范圍與低噪聲底

  • 12位ADC

    • 相比傳統(tǒng)8位ADC,動(dòng)態(tài)范圍提升24dB(72dB vs 48dB),可分辨-60dB以下的微弱諧波;

    • 示例:在開(kāi)關(guān)電源測(cè)試中,可清晰捕捉MOSFET開(kāi)關(guān)噪聲(通常為-50dB~-70dB)。

  • 低噪聲前端

    • 輸入噪聲密度<10nV/√Hz(@1MHz),避免噪聲掩蓋真實(shí)信號(hào);

    • 支持硬件平均(如16次平均),進(jìn)一步降低隨機(jī)噪聲。

3. 典型應(yīng)用場(chǎng)景

場(chǎng)景1:開(kāi)關(guān)電源諧波測(cè)試

  • 挑戰(zhàn)

    • 開(kāi)關(guān)頻率(如100kHz)的諧波可能延伸至10MHz以上,需高分辨率頻譜分析;

    • 傳統(tǒng)FFT易受噪聲干擾,難以準(zhǔn)確測(cè)量諧波幅度。

  • Spectrum View方案

    • 設(shè)置頻域ADC采樣率為10GSa/s,帶寬5GHz,覆蓋所有諧波;

    • 啟用諧波分析模板,自動(dòng)標(biāo)記基波(100kHz)及3/5/7次諧波;

    • 測(cè)量結(jié)果:3次諧波幅度-45dB,5次諧波-62dB,符合IEC 61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)。

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場(chǎng)景2:無(wú)線通信信號(hào)解調(diào)

  • 挑戰(zhàn)

    • 需同時(shí)分析信號(hào)的時(shí)域包絡(luò)(如ASK/FSK調(diào)制)和頻域載波特性;

    • 傳統(tǒng)FFT無(wú)法實(shí)時(shí)顯示調(diào)制過(guò)程中的頻譜變化。

  • Spectrum View方案

    • 時(shí)域:調(diào)制信號(hào)的頻率跳變(如1MHz→2MHz);

    • 頻域:載波頻率隨調(diào)制信號(hào)同步變化(如圖2)。

    • 啟用調(diào)制分析模板,選擇FSK調(diào)制類型;

    • 實(shí)時(shí)顯示:

圖2:FSK信號(hào)調(diào)制分析

[時(shí)域:頻率從1MHz跳變至2MHz] [頻域:載波峰值從1MHz移動(dòng)至2MHz]

場(chǎng)景3:電機(jī)驅(qū)動(dòng)器EMI排查

  • 挑戰(zhàn)

    • 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)可能覆蓋150kHz~30MHz頻段;

    • 需快速定位干擾源(如IGBT開(kāi)關(guān)噪聲、PWM諧波)。

  • Spectrum View方案

    • 使用頻譜縮放(Zoom)功能,聚焦150kHz~1MHz頻段;

    • 拖動(dòng)波形光標(biāo)至干擾峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn),頻譜上自動(dòng)顯示干擾頻率(如250kHz);

    • 結(jié)合時(shí)域波形分析:250kHz干擾由IGBT開(kāi)關(guān)頻率的二次諧波引起。


三、MSO 4系列硬件配置:支撐Spectrum View的高性能基礎(chǔ)

Spectrum View技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于MSO 4系列的以下硬件特性:


硬件模塊規(guī)格參數(shù)對(duì)Spectrum View的貢獻(xiàn)
ADC4通道×12位,采樣率6.25GSa/s(最大)提供高分辨率(72dB動(dòng)態(tài)范圍)頻譜數(shù)據(jù)
前端放大器帶寬2GHz,噪聲密度<10nV/√Hz降低噪聲底,捕捉微弱信號(hào)
FPGAXilinx Kintex-7,400K邏輯單元實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)FFT計(jì)算與智能分析算法
存儲(chǔ)深度62.5Mpts/通道(最大)支持長(zhǎng)記錄長(zhǎng)度頻譜分析(如10ms采集@1GSa/s)
顯示屏12.1英寸電容觸摸屏,分辨率1280×800分屏顯示波形與頻譜,支持多點(diǎn)觸控操作



四、總結(jié):Spectrum View——FFT測(cè)試的“智能助手”

泰克MSO 4系列示波器搭載的Spectrum View頻譜分析技術(shù),通過(guò)硬件并行處理、智能參數(shù)優(yōu)化和超寬動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì),徹底解決了傳統(tǒng)FFT測(cè)試的三大痛點(diǎn):

  • 操作繁瑣 → 一鍵智能分析,配置時(shí)間從10分鐘縮短至10秒;

  • 實(shí)時(shí)性差 → 時(shí)域+頻域同步采集,無(wú)死區(qū)時(shí)間;

  • 動(dòng)態(tài)范圍受限 → 12位ADC+低噪聲前端,動(dòng)態(tài)范圍達(dá)72dB。

無(wú)論是開(kāi)關(guān)電源諧波測(cè)試、無(wú)線通信信號(hào)解調(diào),還是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器EMI排查,Spectrum View均能以“所見(jiàn)即所得”的方式提供精準(zhǔn)頻譜分析,成為電子工程師應(yīng)對(duì)復(fù)雜測(cè)試場(chǎng)景的“終極武器”。


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