Articles & Blogs > 如何使用示波器快速、简便地进行频率响应测量

如何使用示波器快速、简便地进行频率响应测量

作者： Art Pini 2022-08-25

标签

需要检查滤波器的频率响应；或测量放大器的带宽吗？无需再拖一个频率响应或网络分析仪了，现在使用一台示波器或快速边沿方波发生器就可以搞定。

频率响应测量需要在测量频率范围内有一个恒幅输入。具有平坦频谱的信号有三个类型：正弦扫频、脉冲和宽带噪声。三个之中，脉冲响应可产生最快的结果。所以下一个问题就是如何获取脉冲波形？

还记得电路分析基础知识吗？脉冲是阶跃函数的导数。如果你有所测试设备的阶跃响应数据，那么就可以通过求微分将其转换为脉冲响应。作为大多数台式示波器数学函数的一部分，积分和微分函数均会包括在内。在本文实例中，使用的是 Teledyne LeCroy HDO4054A 500 兆赫 (MHz) 示波器。示波器的带宽必须超过所测量设备的 5 倍，才能使系统振幅误差小于 0.5 个分贝 (dB)。替代示波器是 Teledyne LeCroy WAVESURFER-3054Z。

如何获取阶跃函数？很简单，方波或脉冲的隔离上升沿或下降沿就是一个阶跃函数：对阶跃函数求微分就会产生一个脉冲。如图 1 中所示的 10 千赫 (kHz) 方波的上升沿（上迹线）。

图 1：对 10 kHz 方波的上升沿求微就成为脉冲函数。该脉冲频谱是平坦的，带宽与方波的上升时间成反比。（图片来源：Art Pini）

示波器对边沿仅捕获了 5 毫秒 (ms)。100 ms 方波的其余部分则超过屏幕显示范围之外了。阶跃函数是使用示波器的数学功能进行求微分的，显示为中间迹线。脉冲的快速傅里叶变换 (FFT) 显示在下部迹线中。该脉冲带宽取决于方波的上升时间。在本例中，测得的上升时间为 4 纳秒 (ns)，见图中迹线网格下方的测量参数 P1。对于具有单极振幅响应的示波器，脉冲的带宽可以计算为 0.35 除以上升时间。

在本例中的结果就是 87.5 MHz，在 FFT 显示区域，通过右侧游标就可以在数学迹线 M3 注释框中标出一个数字读数。该 FFT 的幅值在 87.5 MHz 为 116.48 dB，相比最大为 119.43 dB 的 FFT 幅值，少约 3 dB，因此可以确认此信号带宽。

频率响应测量的信号源应该提供方波或脉冲波形，这样才能足够快得提供足够测量带宽。图中所使用的 4 ns 边沿由一台 Teledyne LeCroy T3AWG2152-D 150 MHz 任意波形发生器生成。另一个具有更佳的 2 ns 上升时间的信号源是 Teledyne LeCroy T3AFG200，这是一台 200 MHz、2.4 G 每秒采样率（G 样本/s）任意函数发生器。2 ns 上升时间提供了 175 MHz 的信号带宽。

数字式低通滤波器的频率响应

下例使用 Teledyne LeCroy HDO4054A和 T3AWG2152-D 示波器来测量数字式低通滤波器的频率响应（图 2）这些滤波器的测量结果显示在迹线右侧栏中。

阶跃信号施加到滤波器输入上。滤波器输入先求微分再显示。注意滤波器因其带宽有限而拓宽了脉冲响应。滤波器输出施加到 FFT 上然后进行平均，以产生滤波器的幅值频率响应。

图 2：阶跃信号（左上迹线）施加到滤波器输入上。滤波器输入先求微分然后再显示在中左迹线中。滤过波的 FFT（左下迹线）显示了滤波器的频率响应。（图片来源：Art Pini）

滤波器输出的 FFT 上的游标放置在 18.6 MHz 频率时会在 F2 注释框中读出 -3 dB 带宽：这就是滤波器带宽。同时，右下迹线中脉冲函数的 FFT 上的游标放置在 18.6MHz 时会在 M3 注释框中显示只有 0.12 dB 的衰减，说明信号源基本平坦。

结语

综上所述，频率相关性元器件的响应测量快速、方便，无需使用网线或频率响应分析仪，只需使用一台基本型示波器，让函数运行在具有快速边沿的方波上即可。

关于此作者

Arthur (Art) Pini 是 DigiKey 的特约作者。他拥有纽约城市学院的电气工程学士学位和纽约城市大学的电气工程硕士学位。Art 在电子领域拥有超过 50 年的经验，曾在 Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek 和 Nicolet Scientific 担任重要工程和营销职位。Art 对测量技术很感兴趣，在示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、数字化仪和功率计方面有着丰富的经验。