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宽频带功率分析仪带宽相关的几个重要指标

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  • 发布时间:2013/10/5 10:43:47
  • 作者:AnyWay中国

带宽的定义

  带宽,英文为Bandwidth,缩写BW。

  功率分析仪带宽意指功率分析仪的电压或电流前向通道允许通过的信号的最高频率和最低频率之差。

  带宽应该是包含上限和下限的一组数。但是,由于大部分宽频功率分析仪的带宽下限频率非常低或可直接测量直流电量,因此,许多时候,功率分析仪带宽等同于上限频率。

  功率分析仪带宽上限主要受前向通道中电容、电感等储能元件的影响。

  有些电容或电感,是人为设置的,比如具有低通滤波器特性的防混叠滤波器中的电容。

  有些电容或电感是客观存在且不可避免的,比如说传输导线本身具有的电感,电阻元件具有的电感,导线与导线之间形成的分布电容及互感等等。

功率分析仪带宽相关的几个重要指标

01信号带宽

  信号采用傅里叶级数展开,含有一定比例的最高频率成分就是信号的带宽。

02固有带宽

  这里指的固有带宽是指客观存在不可避免的带宽限制,主要是指受元器件及分布电容、电感的影响导致的带宽限值。例如,电路中应功能需要采用某运算放大器,该运算放大器的带宽为2MHz,那么,前向通道的带宽必然小于或等于2MHz。

  目前,宽频带功率分析仪标称的最高带宽可达10MHz以上。

03数字带宽

  对于宽频带功率分析仪而言,包括时域波形显示,时域波形分析,频域谐波分析等大部分分析功能,都基于数字采样技术。通过数字采样技术,将连续变化的模拟量转变为时域离散,幅值量化的离散时间数字信号(以下简称数字信号)。而几乎所有的分析功能的分析对象都是数字信号。

  采样定理指出,只要离散系统的采样频率高于被采样信号的最高频率的两倍,就可以真实的还原被测信号。反之,会因为频谱混叠而不能真实还原被测信号。

  因此,数字带宽等于最高采样频率除以2,也就是奈奎斯特频率

  目前,宽频带功率分析仪的最高采样频率一般在1MHz以下,大部分进口宽频带功率分析仪的采样频率低于固有带宽。

04防混叠滤波器带宽

  采样频率决定了前向通道的最后带宽,若功率分析仪带宽上限频率高于采样频率的1/2(奈奎斯特频率),就有必要在采样之前对信号带宽进行限制,将信号带宽限制在1/2采样频率之内。限制的措施通常采用低通滤波器,称为防混叠滤波器,防混叠滤波器的截止频率就是防混叠滤波器带宽,某些文献中也称傅里叶频谱带宽。

05传感器带宽

  对于高电压、大电流信号测量,一般而言,功率分析仪需要与电压、电流传感器传感器等组合构成功率测试系统。

  传感器是功率测试系统的最前端,直接与被测信号相连对被测信号进行感知,其带宽对测量的影响不言而喻。

  宽频功率分析仪通常用于测量变频电量,目前,测量变频电量的电流传感器主要有霍尔电流传感器、罗氏线圈和AnyWay变频功率传感器(电压、电流组合式传感器),高带宽的霍尔电流传感器带宽可达100kHz以上,而罗氏线圈的带宽可达1MHz以上,AnyWay变频功率传感器的电流典型带宽为30kHz,三者均可满足大部分变频电量测试的带宽需要。

  测量变频电量的电压传感器主要为霍尔电压传感器和AnyWay变频功率传感器。

  额定电压1kV以上的霍尔电压传感器的带宽普遍低于5kHz,以LEM公司的霍尔电压传感器为例,目前额定电压最高的霍尔电压传感器为LV200-AW/2/6400,其带宽仅700Hz,远远不能满足变频器输出的高谐波含量的变频电量的测量需要。

  AnyWay变频功率传感器的电压典型带宽为100kHz,可满足大部分变频电量测试的带宽需要。

功率分析仪有效带宽

01宽频带功率分析仪的带宽是否越宽越好?

  带宽以够用为好,不一定越宽越好。
  例如,被测信号的带宽为10kHz,功率分析仪带宽为10kHz~100kHz之间是比较合理的,因为这样既可以满足真实信号的准确测量,又可以滤除功率分析仪带宽以上的干扰信号。当然,高频的干扰信号可以通过设置合理的防混叠滤波器或软件滤波器进行滤除。但是,如果干扰信号过大,在进入滤波器之前已经受到电路的限幅,那么,再经过任何滤波器都不能还原真实信号了。
  一般而言,理想的配置是前向通道所有部件及防混叠滤波器的带宽均高于信号带宽,但是,越接近被测信号的部件的带宽越宽,约接近AD转换器的带宽越窄,因为这样既可以满足被测信号的测量,又可以最大限度避免高频干扰的影响。

02如何识别有效带宽?

  传感器带宽,数字带宽和防混叠滤波器带宽中最窄的带宽就是有效带宽。

  当数字带宽高于固有带宽时,无需防混叠滤波器,固有带宽就是功率分析仪最高带宽,

  当数字带宽低于固有带宽时,若信号带宽高于数字带宽,需要设置合适带宽的防混叠滤波器,防混叠滤波器与传感器带宽中较窄的那个就是有效带宽。若前端无传感器,防混叠滤波器带宽就是有效带宽。

  例1:某进口高精度功率分析仪标称带宽为1MHz,最高采样频率为200kHz,防混叠滤波器的截止频率为50kHz或5.5kHz。

  该功率分析仪的奈奎斯特频率为100kHz,低于固有带宽,对于测试100kHz以下的信号,无需防混叠滤波器,此时的有效带宽为100kHz。

  若不能确保信号带宽低于100kHz,就需要启用防混叠滤波器,防混叠滤波器的最高带宽为50kHz,低于奈奎斯特频率,该功率分析仪的有效带宽为50kHz。

  若前端的电压传感器带宽为700Hz,电流传感器带宽为300kHz,那么,系统电压有效带宽为700Hz,电流有效带宽为50kHz。