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頻譜儀與示波器區(qū)別

更新時間:2023-03-14點擊次數(shù):729
 從實時帶寬、動態(tài)范圍、靈敏度和功率測量準(zhǔn)確度四個方面比較了示波器和頻譜儀的分析性能指標(biāo)的區(qū)別。
  1、實時帶寬
  對于示波器來說,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,我們以能對信號進行實時分析的實時帶寬作為討論對象。
  對于頻譜儀來說,末級模擬中頻的帶寬通??梢宰鳛槠湫盘柗治龅膶崟r帶寬,大多數(shù)的頻譜分析的實時帶寬只有幾兆赫茲,通常較寬的實時帶寬通常為幾十兆赫茲,當(dāng)然目前帶寬最寬的FSW頻譜儀可以達到500兆赫茲。而示波器的實時帶寬為其實時取樣的有效模擬帶寬,一般為數(shù)百兆赫茲,高的可達數(shù)千兆赫茲。
  這里需要指出的是,大多數(shù)的示波器在垂直刻度設(shè)置不同時,其實時帶寬可能并不一致,在垂直刻度設(shè)置到,其實時帶寬通常會下降。
  從實時帶寬來說,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(diào)制分析上有著很好的優(yōu)勢。
  2、動態(tài)范圍
  動態(tài)范圍指標(biāo)因其定義不同而有所不同,很多情況下,動態(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(dāng)改變測量設(shè)置時,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(shè)置不一樣的情況下,其測量大信號所帶來的失真是不一樣的。在這里,我們討論儀器能夠同時測量大小信號的能力,即在不改變?nèi)魏螠y量設(shè)置的情況下,示波器和頻譜儀在合適設(shè)置情況下的最佳動態(tài)范圍。
  對于頻譜儀來說,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、三階失真是制約動態(tài)范圍的最主要因素,以主流頻譜儀的技術(shù)指標(biāo)計算,其理想動態(tài)范圍約為90dB(受二階失真限制)。
  大多數(shù)的示波器由于受其AD有效取樣位數(shù)和噪聲底的限制,傳統(tǒng)示波器的理想動態(tài)范圍通常不超過50dB。(對于R&SRTO示波器,在100KHzRBW時,其動態(tài)范圍可高達86dB)
  從動態(tài)范圍來看,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說確實如此,然而示波器的頻譜是同一幀數(shù)據(jù),頻譜儀的頻譜大多數(shù)情況下都不是同一幀數(shù)據(jù),因而對于瞬變信號來說,頻譜儀可能無法測量到。而示波器發(fā)現(xiàn)瞬變信號(信號滿足動態(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。這個指標(biāo)與儀器設(shè)置緊密相關(guān)。
  對于示波器而言,示波器在Y軸設(shè)置至.檔時,通常為1mV/div時示波器所能測試到最小信號,拋開端口不匹配等因素來看,示波器的信號通道產(chǎn)生的噪聲以及軌跡不穩(wěn)定帶來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,因為采樣點數(shù)的增加,頻譜噪聲底可以下降到比較理想的程度。然而,當(dāng)在時域已經(jīng)無法清晰準(zhǔn)確的再現(xiàn)信號時,在頻域就產(chǎn)生了非常多的雜波,這就限制了我們觀測小信號的能力。
  大多數(shù)示波器能夠穩(wěn)定測量0.2mV的信號,對應(yīng)到頻域,這相當(dāng)于-60dBm的水平。事實上,示波器能否準(zhǔn)確的測量小信號,不僅與垂直系統(tǒng)的靈敏度有關(guān),還與X軸的抖動、觸發(fā)靈敏度等性能有關(guān)。
  筆者為了對比文中所分析的技術(shù)指標(biāo),特地到R&S公司成都的開放實驗室(感謝成都分部提供的幫助)進行了指標(biāo)對比,讓人驚訝的是,RTO示波器在靈敏度指標(biāo)上非常優(yōu)秀。
  從看出,RTO能夠準(zhǔn)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,在整個頻段(DC-4GHz),沒有發(fā)現(xiàn)能夠影響靈敏度的大的雜波,從而大幅提高了測量靈敏度。
  在沒有雜波的情況下,通過增加取樣點數(shù)可以得到更低的噪聲。例如圖3所示,將Span和RBW設(shè)置得更小的情況下,RTO示波器的底噪聲可以降低至-100dBm以下。
  從這點來說,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。
  對于頻譜儀來說,同樣拋開端口不匹配等因素來討論,頻譜儀的在增益最大、衰減器設(shè)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(shù)性能良好的頻譜儀可以達到-150dBm。
  4、功率測量準(zhǔn)確度
  對于頻域分析來說,功率測量準(zhǔn)確度是非常重要的技術(shù)指標(biāo)。無論是示波器還是頻譜儀,對功率測量準(zhǔn)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:
  對于示波器來說,功率測量準(zhǔn)確度的影響量有:端口不匹配引起的反射、垂直系統(tǒng)誤差、頻率響應(yīng)、AD量化誤差、校準(zhǔn)信號誤差等。
  對于頻譜儀來說,功率測量準(zhǔn)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(zhuǎn)換誤差、頻率響應(yīng)、校準(zhǔn)信號誤差等。
  此處我們不對影響量進行逐一分析比較,我們通過對1GHz頻率信號的進行功率測量來對比,通過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(zhǔn)確度指標(biāo)。因為頻譜儀在1GHz處的測量準(zhǔn)確度是非常好的。
  另外,在頻率范圍內(nèi),示波器的頻率響應(yīng)指標(biāo)也是很好的,4GHz范圍內(nèi)不超過0.5dB,從這點來說,示波器甚至優(yōu)于頻譜儀的性能。
  總的來說,示波器與頻譜儀在頻域分析性能上各有所長,頻譜儀在靈敏度等技術(shù)指標(biāo)上更勝,示波器在實時帶寬上較頻譜儀更為出色。在測量不同類型的信號時,可根據(jù)測試需求和儀器的不同技術(shù)特點進行選擇。


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