3. Keysight动态信号分析仪与采集系统入门

要完成一次可靠的动态信号采集，第一步不是打开软件点“开始”，而是先弄清楚信号从传感器到存储之间经过了哪些硬件环节、每个环节由什么参数控制。Keysight 的动态信号分析平台（如 35670A 便携式动态信号分析仪、以及基于 PXI/AXIe 机箱的数字化仪与动态信号分析模块）在结构上可以抽象为一条“模拟前端 → 抗混叠滤波 → ADC 采样 → 数字下变频/抽取 → 触发与存储”的信号链。理解这条链上每个可调参数的作用，才能判断采集结果是否可信。

下面这张图给出典型通道的信号链结构与关键参数位置，后续内容都围绕它展开。

硬件平台与通道配置

Keysight 的动态信号采集硬件大致分两类。一类是独立台式动态信号分析仪，例如 35670A，它把输入调理、抗混叠滤波、ADC 和 FFT 分析集成在一台仪器内，通常提供 2～4 个输入通道，适合现场便携测量。另一类是模块化平台，如 PXIe 机箱中的数字化仪模块（例如 M9703 系列）或动态信号分析模块，通道数可从 2 通道扩展到数十通道，采样率可达 GS/s 量级，适合多通道同步、高通道密度的测试台架。

通道配置要解决三件事：通道数量、通道同步方式和参考通道。多通道测量中，如果各通道使用独立时钟，通道间会存在采样时刻偏差，相位差测量就失去意义。因此需要确认模块是否支持共享采样时钟与共享触发总线。对于旋转机械的动平衡、声阵列的波束形成等应用，通道间相位一致性是核心指标，必须使用同一时钟源和同一触发沿。

输入耦合与 IEPE 供电

输入耦合决定信号中直流分量是否被保留。选择 DC 耦合时，传感器输出的直流偏置会一起进入 ADC，占用宝贵的量程；选择 AC 耦合时，直流被隔断，只保留交流成分，但会引入一个高通转折频率（典型为 0.1 Hz～1 Hz 量级），过低频的信号会被衰减。测量加速度、声压这类交流量时通常选 AC 耦合；测量静态或准静态应变、压力时选 DC 耦合。

IEPE（集成电子压电）传感器需要恒流源供电，典型为 2～4 mA、18～30 V。Keysight 采集前端一般提供 IEPE 开关和恒流值设置。开启 IEPE 前必须确认传感器类型，把电荷型传感器接到已开启 IEPE 的通道上可能损坏传感器或前端。判断 IEPE 是否正常工作，可以观察通道偏置电压是否落在 8～12 V 附近，偏离过大说明线路开路或短路。

抗混叠滤波与采样率

抗混叠滤波是动态信号采集里最容易被忽视、后果又最严重的环节。ADC 以 fs 采样后，任何高于 fs/2 的频率成分都会折返到 0～fs/2 区间，形成无法与真实低频成分区分的假峰。例如 fs = 25.6 kHz 时，奈奎斯特频率为 12.8 kHz；若输入中存在 15 kHz 的干扰，它会折返到 25.6 − 15 = 10.6 kHz 处，在频谱上表现为一个 10.6 kHz 的峰，而真实信号里并没有这个频率。

Keysight 采集前端的抗混叠滤波器通常是多阶模拟低通加数字抽取滤波的组合。模拟部分先把高频能量压下去，数字抽取滤波再提供陡峭的过渡带。工程上要保证：感兴趣的频率上限 fmax 应低于抗混叠滤波器 −3 dB 截止频率，且截止频率应低于 fs/2。一个稳妥的经验是取 fs ≥ 2.5 × fmax，让 fmax 落在滤波器通带内、fs/2 落在阻带内。若测量 0～5 kHz 的振动，可选 fs = 25.6 kHz，此时 fs/2 = 12.8 kHz，滤波器在 5 kHz 处平坦、在 12.8 kHz 处已有足够衰减。

量程设置

量程决定 ADC 满量程对应的输入电压范围，例如 ±1 V、±5 V、±10 V。量程过大，小信号只用到 ADC 的一小段码值，量化噪声和本底噪声占比升高，信噪比下降；量程过小，信号峰值超过满量程就会削顶，产生大量谐波，频谱上出现虚假的高次分量。合理做法是先按传感器灵敏度估算信号峰值，再留 3～6 dB 余量选档。

以灵敏度 100 mV/g 的加速度计为例，若预期振动峰值约 5 g，则输出峰值约 0.5 V，选 ±1 V 量程时满量程利用率约 50%，比较合适；若选 ±10 V，利用率只有 5%，动态范围浪费明显。实际测量中可先用较大量程试采一次，观察时域峰值，再下调到合适档位。

触发设置

触发决定采集从什么时刻开始记录。自由运行模式适合连续监测和平均谱测量；电平触发适合捕捉超过某一阈值的瞬态事件，例如冲击、敲击；边沿触发适合周期性信号的相位对齐。触发参数包括触发电平、触发沿（上升/下降）、预触发长度和触发延迟。

预触发长度决定触发点之前保留多少数据，对捕捉冲击的上升沿很关键。若冲击持续 10 ms，预触发设为 5 ms 就能看到冲击前的基线状态。触发电平应设在噪声本底之上、信号峰值之下，过低会被噪声误触发，过高会漏掉小事件。多通道测量时还要指定触发源通道，通常选信号最强、信噪比最好的通道作为触发源。

一次完整采集的参数示例

下面给出一组用于教学演示的配置示例，测量对象为某小型电机机脚的振动，使用 IEPE 加速度计，灵敏度 100 mV/g，预期振动主频在 200 Hz～3 kHz，峰值约 3 g。

采集完成后，先看时域波形：峰值是否在量程内、有无削顶平顶；再看频谱：本底噪声是否平坦、有无异常尖峰。若在 10.6 kHz 附近出现无法解释的峰，应怀疑混叠，回头检查抗混叠滤波是否启用、采样率是否偏低。若频谱低频段抬升明显，应检查 AC 耦合的高通转折是否影响了感兴趣的频段。只有把硬件链路上的每个参数与观测到的现象对应起来，采集结果才具备可解释性。