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頻譜儀與示波器有什么區別?

更新時(shí)間:2024-07-02      點(diǎn)擊次數:155

近期在工作中遇到一些客戶(hù)咨詢(xún)示波器和頻譜儀的區別。綜合互聯(lián)網(wǎng)資源,總結了以下四點(diǎn)來(lái)區分兩者。

      可以用實(shí)時(shí)帶寬、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和功率測量準確度四個(gè)方面比較了示波器和頻譜儀的分析性能指標的區別。

1

       實(shí)時(shí)帶寬:

  對于示波器來(lái)說(shuō),帶寬通常是其測量頻率范圍。而頻譜儀則有中頻帶寬、分辨帶寬等帶寬定義。這里,我們以能對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的實(shí)時(shí)帶寬作為討論對象。

  對于頻譜儀來(lái)說(shuō),末級模擬中頻的帶寬通??梢宰鳛槠湫盘柗治龅膶?shí)時(shí)帶寬,大多數的頻譜分析的實(shí)時(shí)帶寬只有幾兆赫茲,通常較寬的實(shí)時(shí)帶寬通常為幾十兆赫茲,當然目前帶寬最寬的FSW頻譜儀可以達到500兆赫茲。而示波器的實(shí)時(shí)帶寬為其實(shí)時(shí)取樣的有效模擬帶寬,一般為數百兆赫茲,高的可達數千兆赫茲。

  這里需要指出的是,大多數的示波器在垂直刻度設置不同時(shí),其實(shí)時(shí)帶寬可能并不一致,在垂直刻度設置到最靈()敏時(shí),其實(shí)時(shí)帶寬通常會(huì )下降。

  從實(shí)時(shí)帶寬來(lái)說(shuō),示波器普遍優(yōu)于頻譜儀,這對于某些超寬帶信號分析尤其有好處,特別是在調制分析上有著(zhù)無(wú)可()比擬的優(yōu)勢。

2

      動(dòng)態(tài)范圍:

  動(dòng)態(tài)范圍指標因其定義不同而有所不同,很多情況下,動(dòng)態(tài)范圍被描述為儀器測量最大信號和最小信號的電平差值。當改變測量設置時(shí),儀器測量大信號和小信號的能力是不一樣的,例如頻譜分析儀在衰減設置不一樣的情況下,其測量大信號所帶來(lái)的失真是不一樣的。在這里,我們討論儀器能夠同時(shí)測量大小信號的能力,即在不改變任何測量設置的情況下,示波器和頻譜儀在合適設置情況下的最佳動(dòng)態(tài)范圍。

  對于頻譜儀來(lái)說(shuō),在不考慮相位噪聲等近端噪聲和雜散情況下,平均噪聲電平、二階失真、三階失真是制約動(dòng)態(tài)范圍的最主要因素,以主流頻譜儀的技術(shù)指標計算,其理想動(dòng)態(tài)范圍約為90dB(受二階失真限制)。

  大多數的示波器由于受其AD有效取樣位數和噪聲底的限制,傳統示波器的理想動(dòng)態(tài)范圍通常不超過(guò)50dB。(對于R&S RTO示波器,在100KHz RBW時(shí),其動(dòng)態(tài)范圍可高達86dB)

  從動(dòng)態(tài)范圍來(lái)看,頻譜儀要優(yōu)于示波器。但這里要指出的是,這對于常在信號的頻譜分析來(lái)說(shuō)確實(shí)如此,然而示波器的頻譜是同一幀數據,頻譜儀的頻譜大多數情況下都不是同一幀數據,因而對于瞬變信號來(lái)說(shuō),頻譜儀可能無(wú)法測量到。而示波器發(fā)現瞬變信號(信號滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)范圍的情況下)的概率要大得多。

3

      靈敏度:

  這里討論的靈敏度,是指示波器和頻譜儀所能測試到最小信號的水平。這個(gè)指標與儀器設置緊密相關(guān)。

  對于示波器而言,示波器在Y軸設置至最靈()敏檔時(shí),通常為1mV/div時(shí)示波器所能測試到最小信號,拋開(kāi)端口不匹配等因素來(lái)看,示波器的信號通道產(chǎn)生的噪聲以及軌跡不穩定帶來(lái)的噪聲是制約示波器靈敏度的最重要因素。

  從圖一中我們可以看出,因為采樣點(diǎn)數的增加,頻譜噪聲底可以下降到比較理想的程度。然而,當在時(shí)域已經(jīng)無(wú)法清晰準確的再現信號時(shí),在頻域就產(chǎn)生了非常多的雜波,這就限制了我們觀(guān)測小信號的能力。

頻譜儀與示波器有什么區別?

  圖1 受噪聲影響的的靈敏度限制

  大多數示波器與圖一所示一樣,能夠穩定測量0.2mV的信號,對應到頻域,相當于-60dBm的水平。事實(shí)上,示波器能否準確的測量小信號,不僅與垂直系統的靈敏度有關(guān),還與X軸的抖動(dòng)、觸發(fā)靈敏度等性能有關(guān)。

  為了對比文中所分析的技術(shù)指標,特地到R&S公司成都的開(kāi)放實(shí)驗室(感謝成都分部提供的幫助)進(jìn)行了指標對比,讓人驚訝的是,RTO示波器在靈敏度指標上非常優(yōu)秀,如下圖所示:

頻譜儀與示波器有什么區別?

  圖2 RTO示波器的全頻段頻譜圖

  從圖二可以看出,RTO能夠準確測量-60dBm的信號,其噪聲底在-80dBm左右。而最讓人感到高興的是,在整個(gè)頻段(DC-4GHz),沒(méi)有發(fā)現能夠影響靈敏度的大的雜波,從而大幅提高了測量靈敏度。

  在沒(méi)有雜波的情況下,通過(guò)增加取樣點(diǎn)數可以得到更低的噪聲。例如圖3所示,將Span和RBW設置得更小的情況下,RTO示波器的底噪聲可以降低至-100dBm以下。

頻譜儀與示波器有什么區別?

  圖3 RTO示波器的窄帶頻譜圖

  從這點(diǎn)來(lái)說(shuō),RTO絕對能夠讓測量人員改變“示波器是頻域分析雞肋"的感受。

  對于頻譜儀來(lái)說(shuō),同樣拋開(kāi)端口不匹配等因素來(lái)討論,頻譜儀的在增益最大、衰減器設置最小情況下,平均噪聲電平可以看作頻譜儀測量小信號的極限。在不涉及前置放大器的情況下,大多數性能良好的頻譜儀可以達到-150dBm。

4

      功率測量準確度:

  對于頻域分析來(lái)說(shuō),功率測量準確度是非常重要的技術(shù)指標。無(wú)論是示波器還是頻譜儀,對功率測量準確度的影響量都是非常多的,下面分別列出其主要的影響量:

  對于示波器來(lái)說(shuō),功率測量準確度的影響量有:端口不匹配引起的反射、垂直系統誤差、頻率響應、AD量化誤差、校準信號誤差等。

  對于頻譜儀來(lái)說(shuō),功率測量準確度的影響量有:端口不匹配引起的反射、參考電平誤差、衰減器誤差、帶寬轉換誤差、頻率響應、校準信號誤差等。

  此處我們不對影響量進(jìn)行逐一分析比較,我們通過(guò)對1GHz頻率信號的進(jìn)行功率測量來(lái)對比,通過(guò)RTO示波器和FSW頻譜儀的測量對比可以看出,在1GHz處,示波器與頻譜儀的功率測量值僅相差0.2dB左右,這是非常好的測量準確度指標。因為頻譜儀在1GHz處的測量準確度是非常好的。

  另外,在頻率范圍內,示波器的頻率響應指標也是很好的,4GHz范圍內不超過(guò)0.5dB,從這點(diǎn)來(lái)說(shuō),示波器甚至優(yōu)于頻譜儀的性能。

  總的來(lái)說(shuō),示波器與頻譜儀在頻域分析性能上各有所長(cháng),頻譜儀在靈敏度等技術(shù)指標上更勝一()籌,示波器在實(shí)時(shí)帶寬上較頻譜儀更為出色。在測量不同類(lèi)型的信號時(shí),可根據測試需求和儀器的不同技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行選擇。


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