Tektronix TDS3FFT User manual

Benutzerhandbuch

TDS3FFT
FFT-Anwendungsmodul

071-0353-01

*P071035301*

071035301

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BESTIMMTEN ZWECK. TEKTRONIX HAFTET
KEINESFALLS FÜR INDIREKTE, BESONDERE ODER
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Tektronix, Inc.

1

Inhalt

Sicherheitshinweise 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Installieren des TDS3FFT 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Einleitung 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

FFT-Merkmale 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Darstellung von FFT-Signalen 7. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Das Menü FFT Math 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

FFT-Fenster 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Aliasing 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

FFT-Beispiele 16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Adressen von Tektronix

Produkt­Support

Bei Fragen zur Verwendung von Meßgeräten von
T ektronix wenden Sie sich in den USA an:
1-800-833-9200

6.00 - 17.00 (Pazifische Zeitzone)
Oder senden Sie uns eine E-Mail:

[e-mail]

Service­Support

Gebühren­freie Tele­fonnummer

Adresse

Web-Site

Wenn Sie außerhalb der USA Produkt-Support
benötigen, wenden Sie sich an Ihren lokalen
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den Reparatur und Kalibrierungsdienst im Rahmen
der Erweiterten Garantie. Näheres erfahren Sie bei
Ihrem lokalen Tektronix-Händler oder der lokalen
T ektronix-Niederlassung. Besuchen Sie unsere
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3

Komponenten vorsichtig behandeln. Empfindliche Kom-

ponenten nicht hin- und herschieben. Blanke Anschlüsse
von Steckverbindern nicht berühren. Empfindliche
Komponenten möglichst wenig anfassen.

Vorsichtig transportieren und lagern. Empfindliche Kom-

ponenten nur in Beuteln oder Behältern transportieren
und lagern, die gegen statische Aufladung geschützt
sind.

Aufbewahrung des Handbuchs

Im Frontschutzdeckel des Oszilloskops befindet sich ein
praktischer Ablageplatz für dieses Handbuch.

Sicherheitshinweise

Verwenden Sie dieses Produkt nur gemäß Spezifikation,
um jede mögliche Gefährdung auszuschließen. Während
der Verwendung dieses Produkts kann es erforderlich
werden, auf andere Teile des Systems zuzugreifen.
Beachten Sie die Allgemeinen Sicherheitsangaben in
anderen Systemhandbüchern bezüglich Warn- und
Vorsichtshinweisen zum Betrieb des Systems.

Verhinderung von Schäden durch elektrostatische Entladungen

VORSICHT. Elektrostatische Entladungen (ESD)

können Bauteile im Oszilloskop und dessen
Zubehör beschädigen. Zur Verhinderung von
ESD sind bei entsprechender Anweisung die
folgenden Vorsichtsmaßnahmen einzuhalten.

Erdungsarmband verwenden. Beim Ein- oder Ausbau von

empfindlichen Komponenten ist ein geerdetes Antistatik­Armband zu tragen, das die statische Aufladung des
Körpers gefahrlos ableitet.

Arbeitsplatz schützen. An Arbeitsplätzen, an denen

empfindliche Komponenten ein- oder ausgebaut werden,
dürfen sich keine Geräte befinden, die statische Ladun­gen erzeugen oder sammeln können. Nach Möglichkeit
ist auch jeder Umgang mit empfindlichen Komponenten
an Plätzen zu vermeiden, deren Tisch- oder Bodenbeläge
statische Aufladungen verursachen können.

2

5

Installieren des TDS3FFT

Informationen über die Installation des Anwendungsmoduls
finden Sie im TDS3000 & TDS3000B Series Application

Module Installation Manual (Installationshandbuch für
Anwendungsmodule der Serie TDS3000 und TDS3000B).

Einleitung

Das FFT-Anwendungsmodul erweitert Oszilloskope um
die Möglichkeit von FFT-Messungen (schnelle Fourier­Transformation). Eine FFT-Analyse setzt das Signal, das
normalerweise im Zeitbereich erfaßt wird (repetierende
oder Einzelschußerfassung), mathematisch in dessen
Frequenzkomponenten um und ermöglicht so eine
Spektralanalyse.

Die Möglichkeit, die Frequenzkomponenten und die
Spektralverteilung eines Signals schnell ermitteln zu
können, stellt eine sehr wichtige Hilfe für Untersuchung
und Analyse dar. Die FFT eignet sich als Hilfe zur
Fehlersuche sehr gut für:

H Tests der Impulsantwort von Filtern und Systemen
H Messung des Oberwellengehalts und der

Verzerrungen in Systemen

H Ermittlung und Identifizierung von Stör- und

Rauschquellen

H Analysen von Vibrationen
H Analysen von Oberwellen in Netzspeiseleitungen mit

50 oder 60 Hz

4

7

Gleichzeitige Darstellung von Zeitsignalen und FFT-Signalen

Der Bildschirm kann gleichzeitig Zeitsignale und
FFT-Signale wiedergeben. Im Zeitsignal zeigt sich das
Problem; aus dem FFT-Signal läßt sich die Ursache des
Problems ermitteln.

Darstellung von FFT-Signalen

1. Die Vertikal-SKALA des Eingangssignals ist so

einzustellen, daß das Signal vollständig auf dem
Bildschirm erscheint. Signalspitzen, die außerhalb des
Bildschirms liegen, verursachen Fehler bei der
FFT-Berechnung.

2. Die Horizontal-SKALA ist so einzustellen, daß der

Bildschirm mindestens fünf Zyklen des Eingangs­signals wiedergibt. Je mehr Zyklen dargestellt
werden, desto mehr Komponenten enthält das
FFT-Signal, und desto besser ist die Frequenzauf­lösung und geringer das Aliasing.

Einzelschußsignale (Transienten) müssen vollständig
(die eigentliche Störspitze sowie deren Einschwing­und Rauschanteile) und zentriert auf dem Bildschirm
erscheinen.

3. Mit der Taste Vertical MATH das Menü Math

ausgeben lassen.

4. Mit der Bildschirmtaste FFT das FFT-Seitenmenü

aufrufen.

5. Eine Signalquelle anwählen.

6. Vertikalskala und FFT-Fenster nach Bedarf wählen.

7. Mit den Zoom-Steuerungen und den Cursorn das

FFT-Signal vergrößern und ausmessen.

FFT-Merkmale

Das FFT-Anwendungsmodul besitzt die folgenden
Merkmale:

FFT-Fenster

Es stehen vier FFT-Fenster (Rectangular, Hamming,
Hanning und Blackman-Harris) zur optimalen Auswer­tung des Eingangssignals zur Verfügung. Das Fenster
Rectangular eignet sich am besten für nichtperiodische
Ereignisse wie Transienten, Impulse oder Einzelschußer-
fassungen. Die Fenster Hamming, Hanning und Black­man-Harris sind besser für periodische Signale zu
verwenden.

Analyse von repetierenden, Einzelschuß- und abgespei­cherten Signalen

Das FFT-Signal kann zu jedem aktiv erfaßten Signal
(periodisch oder einmalig), zum zuletzt erfaßten Signal
oder zu jedem Signal abgerufen werden, das im Refer­enzspeicher abgelegt ist.

Skalierung in dB oder Linear effektiv

Das Vertikalraster der FFT-Analyse kann in dB oder
Linear effektiv gewählt werden. Die dB-Skala empfiehlt
sich, wenn die Beträge der einzelnen Frequenzkompo­nenten einen größeren Bereich überstreichen, weil dann
starke und schwache Komponenten in der gleichen
Darstellung erscheinen. Die Linearskala eignet sich
besser, wenn die Frequenzkomponenten eher gleiche
Beträge haben, weil diese dann direkt verglichen werden
können.

6

9

H Signale, die einen DC-Anteil oder einen Offset

enthalten, können eine falsche Betragsdarstellung der
FFT-Signalkomponenten verursachen. Möglichst
AC-Kopplung wählen, um DC-Anteile zu
unterdrücken.

H Um unkorreliertes Rauschen und Aliaskomponenten

in repetierenden oder in Einzelschußsignalen zu
unterdrücken, ist für das Oszilloskop ein
Signalerfassungsmodus mit Mittelung über
mindestens 16 Abtastwerte vorzugeben. Der
Mittelwertmodus bedämpft Signale, die nicht
synchron zum Trigger verlaufen.

H Der Mittelwertmodus ist nicht zu verwenden, wenn

das Eingangssignal wichtige Frequenzen enthält, die
nicht synchron zur Triggerrate liegen.

H Bei FFT-Analysen ist weder der Spitzenwert- noch

der Hüllkurvenmodus zu verwenden. Diese
Signalerfassungsmodi können erhebliche
Verzerrungen in den Ergebnissen der FFT ergeben.

H Bei transienten Signalen (Impulsen,

Einzelschußsignalen) ist das Oszilloskop so
einzustellen, daß es durch den transienten Impuls
getriggert wird, damit dieser in der Mitte der
Signalaufzeichnung erscheint.

Das Menü FFT Math

Unten Seite Beschreibung

FFT

Quelle Gibt die FFT-Signalquelle vor.

Vertikale
Skala

Fenster Gibt eine Fensterfunktion (Han-

Zulässig sind Ch 1, Ch 2 (bei
Zweikanalgeräten), Ch 1 bis Ch
4 (bei Vierkanalgeräten), und
Ref 1 bis Ref 4 (alle Geräte).

Gibt die Vertikalskalierung der
Wiedergabe vor. Zulässige
Skalierungen sind dBV Eff und
Lineare Eff.

ning, Hamming, Blackman­Harris oder Rectangular) für das
Eingangssignal vor. Siehe wei­tere Angaben zu FFT-Fenstern
auf Seite 7.

Wichtige Hinweise zur FFT-Signalquelle

H Die Quelle mit einer Taste im Seitenmenü anwählen.
H Bei Verwendung von FFT geht die Ansprechzeit des

Oszilloskops in der Erfassungsart Normal zurück
(Aufzeichnungslänge 10k).

H Signale, die im Signalerfassungsmodus Normal

aufgenommen werden, haben einen niedrigeren
Rauschuntergrund und eine bessere
Frequenzauflösung als Signale aus dem
Signalerfassungsmodus Fast Trigger.

8

Wichtige Hinweise zur FFT-Vertikalskala

11

Zoomen von FFT-Signalen. Mit der Taste Zoom

lassen sich in Verbindung mit den Bedienelementen
Horizontale POSITION und SKALIEREN FFT-Signale
vergrößern. Bei einer Änderung des Zoomfaktors dehnt
sich das FFT-Signal horizontal um die mittlere senk­rechte Rasterlinie und vertikal um die Markierung M
herum. Zoomen wirkt sich weder auf die Zeitbasis des
Oszilloskops noch auf die Triggereinstellungen aus.

HINWEIS. FFT-Signale werden aus der

vollständigen Aufzeichnung des Eingangs­signals berechnet. Beim Zoomen auf einen Teil
des Eingangssignals oder des FFT-Signals
erfolgt keine Neuberechnung des FFT-Signals
für diesen Teil.

Messen von FFT-Signalen mit den Cursorn. Mit den

Cursorn lassen sich zwei Meßwerte von FFT-Signalen
abrufen: deren Betrag (in dB, oder in den Vertikaleinhei­ten des Eingangssignals) und deren Frequenz (in Hz).
Beträge in dB beziehen sich auf 0 dB, wobei 0 dB =
1 V

eff

. Mit den horizontalen Cursorn (H-Balken) wird
der Betrag, mit den vertikalen Cursorn (V-Balken) die
Frequenz gemessen.

Betragscursor

Frequenzcursor

H Die Skalierung mit einer Taste des Seitenmenüs

anwählen. Verfügbar sind die Skalen dB eff und
Linear eff.

H Mit den Drehknöpfen Vertikale POSITION und

SKALIEREN läßt sich das FFT-Signal vertikal
verschieben und auch neu skalieren.

H Zur Darstellung von FFT-Signalen mit großem

dynamischem Bereich empfiehlt sich die Skala dBV
Eff. Bei dBV Eff-Skalierung erscheinen die Beträge
der Komponenten logarithmisch in dB bezogen auf

, wobei 0 dB =1 V

1 V

eff

Einheit des Eingangssignals (z.B. 1 A bei
Strommessungen).

H Zur Darstellung von FFT-Signalen mit kleinem

dynamischem Bereich eignet sich die lineare
Volt-Skala besser. Bei linearer Skalierung lassen sich
Komponenten vergleichbarer Größe direkt darstellen
und vergleichen.

Wichtiger Hinweis zur Nyquistfrequenz

bzw. bezogen auf die

eff,

H Zur Bestimmung der Nyquistfrequenz ist die

Menütaste ERFASSUNG zu drücken. Der Bildschirm
gibt dann unten rechts die aktuelle Abtastrate an. Die
Nyquistfrequenz ist halb so groß wie die Abtastrate.
Beispiel: bei einer Abtastrate von 25,0 MS/s beträgt
die Nyquistfrequenz 12,5 MHz.

10

13

FFT-Fenster

Eigenschaften

Bevorzugt zur Messung
von

Blackman­Harris

Auflösung der
Beträge sehr gut,
der Frequenzen
schwach.

Vorzugsweise Signale mit
Einzelfrequenzen, um nach
Oberwellen zu suchen.

Hamming,
Hanning

Auflösung der
Frequenzen bes­ser, der Beträge
schlechter als
Rectangular.
Hamming hat eine
etwas bessere
Frequenz­auflösung als
Hanning.

Sinussignale, periodische
Signale und schmalbandiges
Rauschen.

Transienten oder Bursts mit
deutlich unterschiedlichen
Signalpegeln vorher und
nachher.

Rectangular

Auflösung der
Frequenzen sehr
gut, der Beträge
schwach. Hat
praktisch die
gleiche Wirkung
wie ohne Fenster.

Transienten oder Bursts mit
praktisch gleichen Signal­pegeln vorher und nachher.

Gleichstarke Sinussignale
mit geringem Frequenzab­stand.

Breitbandiges Rauschen mit
relativ langsam veränderli-
chem Spektrum.

FFT-Fenster

Durch Anwendung einer Fensterfunktion auf die Auf­zeichnung des Eingangssignals ändert sich dieses so, daß
die Start- und Stopwerte nahe beieinander liegen und das
FFT-Signal keine Sprungstellen aufweist. Damit ent­spricht das FFT -Signal genauer den Frequenzkomponen­ten des Eingangssignals. Je nach ihrer ,Form‘ lösen die
verschiedenen Fenster die Frequenzen oder aber die
Beträge der Komponenten besser auf.

Eingangssignal

Signal-

datenpunkte

×

=

FFT

Multiplikation
punktweise
einzeln

Fensterfunktion
(Hanning)

Eingangssignal
nach Anwendung
der Fenster­funktion

12

Mit Fensterfunktion

15

wird, müssen die Aliaskomponenten jetzt mit der
richtigen Frequenz erscheinen. Falls dann auf dem
Bildschirm so viele Frequenzkomponenten
erscheinen, daß sie nur schwer einzeln auszumessen
sind, läßt sich das FFT-Signal mit der Zoom-Taste
vergrößern.

H Das Eingangssignal durch einen Filter in seiner

Bandbreite auf Frequenzen begrenzen, die kleiner als
die Nyquistfrequenz sind. Wenn die interessierenden
Komponenten noch in die Gerätebandbreite fallen
(Bandbreite 20 MHz bei allen Oszilloskopen,
150 MHz bei 300 MHz- und 500
MHz-Oszilloskopen), kann die Bandbreite des
Eingangssignals nach Wunsch begrenzt werden. Das
Bandbreitenmenü für den Eingangskanal ist mit der
Taste im Vertikal-MENÜ aufzurufen.

Aliasing

Probleme ergeben sich immer dann, wenn das Oszillos­kop Signale mit Frequenzkomponenten erfaßt, die über
der Nyquistfrequenz (1/2 der Abtastrate) liegen. Die über
der Nyquistfrequenz liegenden Frequenzkomponenten
werden zu selten abgetastet und
scheinen am rechten Rand des Rasters „zurückgeklappt“
zu sein, so daß sie im FFT-Signal als Komponenten
niedrigerer Frequenz erscheinen. Diese fehlerhaft
wiedergegebenen Komponenten werden als Aliasfre­quenzen [Spiegelfrequenzen] bezeichnet.

0 Hz

Frequenz

Nyquistfrequenz

1

/2 Abtastrate)

(

Amplitude

Aliasfrequenzen Istfrequenzen

Aliasfrequenzen lassen sich auf die folgende Weise
ausschließen:

H Die Abtastrate erhöhen. Hierzu Horizontal

SKALIEREN auf eine höhere Frequenz einstellen.
Da damit auch die Nyquistfrequenz heraufgesetzt

14

17

1

M

T

1

2

3

Die erste Komponente bei 20 MHz (Abbildung Beschrif­tung 1) ist die Grundfrequenz des Quellsignals. Das
FFT-Signal zeigt außerdem eine Oberwelle zweiter
Ordnung bei 40 MHz (2) und eine Oberwelle vierter
Ordnung bei 80 MHz (3) an. Das Vorhandensein der
Komponenten 2 und 3 ist ein Hinweis darauf, daß das
System das Signal verzerrt. Die gerade Oberwelle läßt
eine mögliche Differenz in der Signalverstärkung in der
Hälfte des Signalzyklus vermuten.

FFT-Beispiele

FFT-Beispiel 1

Ein reines Sinussignal kann zur Messung der V erzerrung
in einen Verstärker eingegeben werden. Die Verstärker-
verzerrung führt Oberwellen in die Verstärkerausgabe
ein. Durch Anzeigen des FFT der Ausgabe kann festges­tellt werden, ob eine Kleinsignalverzerrung vorhanden
ist.

Verwenden Sie ein 20-MHz-Signal als Verstärker-
Testsignal. Stellen Sie die Oszilloskop und FFT-Parame­ter gemäß der folgenden Tabelle ein:

Einstellungen von FFT-Beispiel 1

Bedienelement

CH 1 Kopplung AC
Erfassungsmodus Mittelwert 16
Horizontale Auflösung Normal (10 K Punkte)
Horizontal

SKALIEREN
FFT Quelle Ch 1
FFT Vertikale Skala dBV
FFT Fenster Blackman-Harris

Einstellung

100 ns

16

FFT-Beispiel 2

19

1

M

T

1

2

Beachten Sie die Komponente bei 31 MHz (Abbildung
Beschriftung 1). Sie stimmt mit einem 31-MHz­Speicherstrobensignal im Beispielsystem überein. Die
Frequenzkomponente bei 62 MHz (Abbildung Beschrif­tung 2) ist die zweite Oberwelle des Strobensignal.

Mit einem Oszilloskop kann problemlos Rauschen in
einer Mischschaltung (digital/analog) beobachtet wer­den. Die Quellen des beobachteten Rauschens lassen sich
jedoch nur schwer ermitteln.

Signal zeigt den Frequenzanteil des Rauschens an. Sie
können diese Frequenzen bekannten Systemfrequenzen
zuordnen, z.B. Systemtakt, Oszillatoren, Lese/Schreib­Stroben, Anzeigesignale oder Stromquellenwechsel.

Die höchste Frequenz des Beispielsystems ist 40 MHz.
Um dieses Beispielsignal zu analysieren, stellen Sie die
Oszilloskop und FFT-Parameter gemäß der folgenden
Tabelle ein:

Einstellungen von FFT-Beispiel 2

Bedienelement

CH 1 Kopplung AC
Erfassungsmodus Sample
Horizontale Auflösung Normal (10 K Punkte)
Horizontal

SKALIEREN
Bandbreite 150 MHz
FFT Quelle Ch 1
FFT Vertikale Skala dBV
FFT Fenster Hanning

18

Einstellung

4.00 ms

20