拟信号:带宽、奈奎斯特定理和混叠

2019-01-16 15:47 来源:未知

  了解采集模拟信号的基础知识,包含带宽、幅值误差、上升时间、采样率、奈奎斯特定理、混叠与分辨率等。 本教程是仪器基础教程系列的一部分。

  科学家和工程师常用数字化仪采集真实世界中的模拟数据,并将其转换为数字信号用于分析。 数字化仪是指任何用于将模拟信号转换为数字信号的设备。 手机是最常见的一种数字化仪,可将声音(模拟信号)转换为数字信号并将其发送至另一部手机。 但在测试测量应用中,数字化仪通常指示波器或数字万用表(DMM)。 本文主要介绍示波器,但大部分内容也适用于其他数字化仪。

  无论哪种类型,数字化仪对于系统精确地重构波形都至关重要。 要确保为应用选择正确的示波器,需考虑示波器带宽、采样率以及分辨率。

  (ADC)。 模拟输入路径衰减、放大、过滤和/或耦合信号对其进行优化,为ADC数字化做准备。 ADC对调理的信号进行采样,并将模拟输入信号转换为表示模拟输入波形的数字值。 输入路径的频率响应会引起幅值和相位信息的固有损耗。

  图1. 带宽描述的是输入信号可经过示波器前端的频率范围,示波器前端由两部分构成:模拟输入路径和ADC。

  带宽描述的是模拟前端获取外部世界信号到ADC并最小化振幅衰减的能力-从探针的针尖或测试夹具到ADC的输入端。 换句话说,带宽描述的是示波器可精确测量的频率范围。

  带宽定义为正弦波输入信号的振幅衰减至原振幅的70.7%时的频率,也称为-3 dB点。 图2和3显示了100 MHz示波器的常规输入响应。

  带宽等于信号幅值下降到低于通带频率-3 dB时的上下限频率差。 听起来十分复杂,拆分开来之后实际上相对简单。

  Vin,pp表示输入信号的峰峰电压, Vout,pp表示输出信号的峰峰电压。 例如,如输入1 V正弦波,则输出电压的计算方式为:

  由于输入信号为正弦波,因此输出信号达到该电压值有两个频率;这些频率被称为转折频率 f1 和f2。 这两个频率有多种名称,如转折频率、截止频率、交越频率、半功率点频率、3 dB频率以及折点频率等。 实际上,所有这些术语指的都是同一个值。 信号的中心频率f0是f1 和f2的几何平均数。

  幅值误差通过百分比表示,R表示示波器带宽和输入信号频率(fin)的比率。美高梅线路检测中心

  建议示波器的带宽为被测信号感兴趣最高频率分量的3~5倍,这样就可以在振幅误差最小的情况下捕获信号。 例如,对于100 MHz的1 V正弦波,应该使用300 MHz~500 MHz带宽的示波器。 这些带宽上100 MHz信号的振幅误差为:

  示波器必须有合适的带宽才能精确地测量信号,同时也要有足够的上升时间才能精确捕捉快速转换的细节。 这主要适用于测量如脉冲和步进等数字信号。 输入信号的上升时间是指信号从最大信号振幅的10%上升至90%所需的时间。 有些示波器可能是20%上升至80%,请务必查看用户手册获取具体信息。

  图5. 输入信号的上升时间是指信号从最大信号振幅的10%上升至90%所需的时间。

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