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ZDS2000示波器FFT性能分析

日期:2020-05-26 04:06
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摘要:
采样率: 
   Fs表示示波器被测信号的采样频率。ZDS2000示波器每通道均支持1GS/S采样率,下面将以*高采样率1GS/S为基准来描述相关的问题。
FFT点数: 
   用N表示示波器用于FFT变换的样本数据个数。ZDS2000示波器*大可以执行4M点的实时FFT运算。显然,用400万个点做FFT,势必需要相当惊人的运算能力和运算效率。
频率分辨率: 
   用 △f 表示示波器*小能分辨多小的频率。假设频率分辨率为10Hz,则可分辨出10Hz、20Hz、30Hz……等10Hz整数倍的频率点,但不能分辨出15Hz、25Hz、37Hz等非整数倍的频率点。如果被测信号中存在15Hz这样的信号,显然经过FFT变换后,频谱上不能出现15Hz这个频率点,即无法分析出来。但该频点的能量将泄露到旁边相近的 10Hz 和 20Hz 频点上,不仅造成15Hz的信号分辨不出来,就是连10Hz和20Hz频点的幅值也不准确,因为15Hz频点的能量泄露到这几个频点上去了。其解决的方法唯有进一步提高频率分辨率,比如,提高到5Hz或1Hz或更高(值更低)。当采样率一定时,则只能通过增加FFT点数才能提高频率分辨率,其前提是示波器要有足够的运算能力,且有足够的存储深度,也就是说,两者缺一不可。 
事实上,上述FFT中的参数构成了一个重要关系式,将贯穿本文整个关于FFT的阐述之中:
△f = Fs / N 
   即频率分辨率等于采样率除以FFT点数。为什么示波器必须做到4兆点的实时FFT呢?常见的一些示波器,FFT*大只支持8K个点,甚至有些示波器只有1K个点。根据上面关系表达式可以看出,*高频率分辨率只有
Fs/N=1GS/S / 8K点 = 125KHz 
   也就意味着,如果被测信号不是125K的整数倍,则根本无法判断信号频谱。真实世界能有多少个被测信号正好是125K整数倍的呢? 因此这样的示波器的FFT没有任何实用价值。这也是为什么你在其它示波器的宣传资料中几乎见不到关于FFT性能宣传的根本原因!
   由于对FFT做了大量的深度优化,使得ZDS2000示波器*大可以支持4M点FFT。根据上述的关系表达式,在1GS/S采样率下,FFT的频率分辨率达到了1GS/S / 4M点 = 250Hz。显然,在1GS/S采样率条件下示波器能够达到这样的频率分辨率,也就是说,只要被测信号频率是250Hz的整数倍,则ZDS2000就能准确无误地分辨出来。即便被测信号不是250Hz的整数倍,且存在频谱泄露,则在250Hz频率分辨率下,也能较准确地分析出被测信号的大致频点。 
   假设被测信号中包含100KHz和150KHz两种频率分量,以及其它的一些更高频率的信号,对于普通示波器来说,由于*大只支持8K点FFT,即频率分辨率只有125KHz,显然无法分辨出100KHz和150KHz频点信号。由于ZDS2000示波器在4M点FFT时频率分辨率高达250Hz,则可以准确无误地分辨出100KHz和150KHz频点信号。 
假设我们经常要分析电路中存在的噪声,如果示波器的频率分辨率不够细,则无论如何都无法准确定位噪声来源。如果采用ZDS2000示波器进行分析,由于ZDS2000示波器在4M点FFT、1GS/S采样率下频率分辨率仍能达到250Hz,则经过FFT后就能准确地发现20KHz的噪声。由于所用的DC-DC开关频率正好是20KHz的!,则迅速定位噪声来源。 

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