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如何用Pico示波器做音频频谱分析

------上海子尔

一、频谱分析仪的分类

频谱分析仪一般分为两类：所谓“扫频”频谱分析仪和FFT频谱分析仪。扫频频谱分析仪是用一个或多个陷波滤波器(或混频器)在指定频率下测量信号振幅，然后改变该滤波器的频率(扫频)，绘制出振幅随频率变化的频谱图。扫频频谱分析仪也可以做高频频谱分析，但是对于音频分析来说，扫频频谱分析仪不是特别适用，因为信号在整个扫频周期内必须是不变的。

FFT频谱分析仪是用ADC转换器将信号数字化，然后将存储的值进行FFT变换得到的。该方法的优势在于可以捕捉到偶发信号或者持续时间短的信号。例如，用PicoScope的触发功能来单一鼓声的频谱。

做FFT频谱分析需要进行大量运算，一些频谱分析仪可能需要几分钟来更新一个波形。PicoScope 采用优化的高频频谱分析算法可以达到类似实时的分析结果。即是在一台普通的电脑上，例如 33MHz的486 电脑，PicoScope的频谱分析功能也能达到每秒更新数次。

二、音频分析

虽然大多数PicoScope PC示波器可以做音频频谱分析，但还是示波器的分辨率越高越适合做频谱分析。这里高性能的ADC-216最适合的。从通用型考虑，PicoScope 3224 和3424 (USB示波器)和ADC-212(并口示波器)也是理想的选择。如果考虑到成本因素，Pico 320X系列也可以。

FFT频谱分析仪的关键参数是采样率和动态范围。频谱分析仪能够显示高达最高采样率的一半频谱。为了测量到20kHz的音频带宽，就需要采样率高于40kS/s。如果测试放大器的频率响应，您可能需要高于20kHz的样本数，所以需要更高的采样率。

频谱分析仪的动态范围是另一个重要的参数。大多数示波器(基于PC的或台式的)都有一个8位(256阶)的分辨率，这将频谱分析仪的动态范围限制在48dB(20 log 256)。PicoScope 320X系列就是8位分辨率。像ADC-212， PicoScope 3224 和3424 是12位分辨率(4096阶)，理论最大动态范围72dB。ADC-216是16位分辨率(65536阶)有一个趋近与100dB的动态范围。

可能您还不太清楚动态范围的意义，那么我们做一下对比。一个典型的录音机的动态范围40~50dB,一个好的功率放大器是70~80dB，一个高端的CD播放器是80~90dB。当然，并不是所有的CD播放器都能达到这个性能。

下表是Pico设备的规格：

三、用ADC-216测试CD播放器

为了比较产品的性能，我们用ADC-216 频谱分析仪测试两个CD播放器，一个是便宜的手持式CD播放器，一个是Quad高性能的播放器。ADC-216 的一个通道直接连接手持式设备。

图1 测试手持式CD播放器1kHz 音调的波形

图1是CD播放器单个1kHz音调的波形。跟理论值一样，在1kHz有一个尖峰。二次、三次和五次谐波清晰可见，这些谐波表示了CD播放器引起的失真。18kHz附近的峰值是由CD播放器内部电源适配器的开关引起的。如果CD播放器是电池供电的，那么这个噪声将会消失。

图2测试Quad CD播放器1kHz 音调的波形

图2跟图1 是相同的试验，但是测试的是Quad CD播放器。跟预期的一样，波形是更干净的。5次谐波是比较明显的，跟主信号相比下降了96dB。图2中还在PicoScope 中进行了自动化音频测量。现在这些功能已经没有了，新的PicoScope是通过设置菜单中的增加测量按钮来实现的，详见帮助文档。

串扰是频谱分析仪能够测试出来的另一个重要指标，我们轮流用每个CD播放器的右声道播放一个10kHz的正弦波(-10dB)。理想情况下，右声道是没有信号的。不过可以看到手持式CD播放器右声道串扰，比左声道信号降低了60dB。

Quad CD播放器串扰测试中， 串扰至少下降了90dB(如图4所示)。

图 3 手持式CD播放器串扰测试

图 4 Quad CD播放器串扰测试

1个理想的CD播放器应该在整个音频域内有一个平滑的频率响应。手持式CD播放器在20Hz~20kHz范围内维持在3dB。用一个正弦波测试，频率扫描从20Hz~20KHz。许多FFT频谱分析仪可能无法绘制这样的一个频谱图，因为快速采集信号，然后却花费几秒中来处理和显示。这样一个扫描周期内，往往只有测试到一个频率峰值。Pico示波器的数据才采集和处理是优化过的，即是在一个相对慢的电脑上(33MHz 386)，频谱分析仪也有一个近似实时更新率。测试中我们用的正弦波从20Hz~20kHz扫描完大概用了30s的时间。这段时间内PicoScope完成FFT计算只需要100s，处理速度是大多数频谱分析仪的2~3倍。为了用单线显示频率响应(而不是波形的峰值)，我们用Pico示波器的峰值检测函数，如下图5所示。我们可以看到-3dB的点并不是产品参数表中声称的20kHz，只仅仅接近于16kHz。

图 5 手持式CD播放器的频率响应

用Quad CD播放器做相同的频率响应测试(如图6 所示)，发现频率响应在整个音频域几乎是平的，在20kHz也有一个更陡峭的跌落。

也有客户问我们：什么类型的信号源可以用于测试放大器，关键是找到一款信号发生器或者一款低失真的正弦波信号源。我们推荐Black Star LDO 低失真振荡器，图7是用ADC-216采集到1kHz的输出波形。

图 6 Quad CD播放器的频率响应

图 7 Black Star LDO 低失真振荡器输出1kHz的波形

注意：该文章中用到的产品目前已经停产了，16位分辨率 ADC-216的替代产品是PicoScope 4262，PicoScope 3224 和3424 6位示波器的替代产品是PicoScope 3000系列，PicoScope 320X系列的替代产品是 PicoScope 2200A口袋示波器系列。