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  • 谐波失真
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    2020-01-14 20:30:09
    1.定义
      失真是指信号在传输过程中与原有信号或标准相比所发生的偏差。 我们在音频领域所说的失真通常
    是指谐波失真,这种失真是由电路中的非线性元件引起的,信号通过这些元件后,产生了新的频率分量
    (谐波),这些新的频率分量对原信号形成干扰,这种失真的特点是输入信号的波形与输出信号波形形状
    不一致,即波形发生了畸变。除谐波失真外,还存在包络失真、数字混叠失真和互调失真等,这些失真
    有的是我们需要的音乐效果,有的则是会让我们的音乐变得糟糕的失真。
    
    2.削波失真
      一提到削波这种现象,大部分人都会联想到失真,但事实上,削波是产生失真的原因,由此产生的结
    果就是谐波失真。每个电路和音响单元都有一定的动态,若信号电平过强,超过电路允许范围(阈
    值),信号就不能顺利通过,而其波形被削掉一部分,波形就会由圆滑变成平滑的,变得和方波类似。
    这就给信号增加高频泛音,而高频泛音与演奏的音符和谐相关。
      由于运行原理的不同,不同类型的电路削波也不尽不同。当信号饱和时,电子管电路会产生“软”削
    波,随着音量的增大,电子管电路会逐渐断开。
    当信号变得过大(信号从纯净到失真,中间有一个明显的截止)时,大多数基于晶体管的电路会产生“硬”
    削波,而电子管饱和度可以通过巧妙的设计来模拟。
    
    3.谐波失真
      可以通过削波添加两种类型的谐波(偶次和奇次),这两种谐波结合到一起能为每个特定的放大器或
    失真效果赋予其自身的复杂性和音调特征。
    
      与广为流传的神话相反,基于电子管或基于晶体管的设计都不会产生奇次或偶次谐波。 相反,电路
    的拓扑结构和使用的元件才是产生失真特性的原因。 单端电路产生强大的偶次谐波,但同样也会产生
    一些奇怪的谐波。 推挽设计主要抵消偶次谐波,使奇数保持完整。
    
      二阶(或“偶次”)谐波是信号中基频的偶数倍,其中一个简单的八度音是最突出的。 由于偶次谐波
    始终与正在播放的音符保持一致,因此它们为各种信号,甚至为复杂的音色和密集的和弦,提供了令人
    愉悦的丰富感。
    
      三阶(或“奇次”)谐波是基波的奇数倍,最强的是八度加五分之一。这使得摇滚和金属音乐的声音更
    加刺耳、尖锐。由于第五个,奇次谐波在强力和弦上听起来很讨人喜欢,而其他音程- 例如三分之一和
    七分之一会变得模糊不清,难以分辨。
    
    4.总谐波失真(THD)
      是对器件产生的总失真的测量 ,即输出端与输入端所有谐波的总和。 这个统计数字用百分数表示,
    适用于麦克风、前置放大器、扬声器和任何其他有利于纯信号的设备。 THD为零在实验室之外是不可能
    实现的,但在高端设备中,总谐波失真小于1%则是非常常见的。
    
    5.其他的失真类型
      饱和失真是当电子管和磁带达到其预定范围的上限时,音调的逐渐变化。饱和失真通常会产生一个柔
    和,令人愉快的压缩,这也许多踏板和插件设计师不遗余力地模仿这种失真类型的原因。
    
      互调失真是指两种或多种不同频率的信号通过放大器或扬声器后产生差拍与构成新的频率分量。当不
    和谐的音程通过模糊的踏板播放时,会产生显著的互调失真,从而产生浑浊、难以分辨的声音。
      当声音的振幅随时间改变时,就会产生包络失真。 例如,压缩器允许用户通过增强维持和降低瞬态
    来控制具有不受欢迎的包络的声音。 合成器上的放大器包络则相反,能为其他静态波提供起音、衰
    减、延音和释音特性。
    
      相位失真是当信号的全部或部分相位发生偏移时所发生的现象,通常是电子电路的副作用。在特定频
    段经过了处理而其他频段没有经过处理的情况下,多频段均衡器会导致相位失真,而诸如母带均衡器这
    类高端的设备就是专门为将这种影响降到最低而设计的。
    
      从技术上来讲,噪声并不是失真,而是那些信号中不需要的内容,例如两个无线电台之间的串扰。 
    噪声可能会通过不平衡电缆,单线圈拾音器,接地环路和阻抗匹配不良潜入到信号中。 所有的电路都
    有本底噪声或恒定的低电平噪声,可通过适当的增益分级将其降至最低。
    
      当信号超过传输系统的限制时,就会产生数字削波。跟模拟电路一样,数字音频系统可传输的信息是
    有上限(称为满量程)的。 当一个信号超过0dB满量程时,它就会发出一种刺耳的、听起来很不自然的
    声音。
    
      混叠是数字音频的另一种副作用,对连续信号进行等间隔采样时,如果不能满足采样定理,采样后信
    号的频率就会重叠,即高于采样频率一半的频率成分将被重建成低于采样频率一半的信号,这种频谱的
    重叠导致的失真就是混叠。一些插件和数字设备会有一种称为“提升采样”的功能,这种功能可以在处理
    信号前先提高采样率,从而避免混叠现象产生。 

     

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    原文来自公众号:工程师看海

     

    公众号后台回复获取资料:THD

    什么是信号失真?

    时域上测量系统的输出波形应该与输入波形精确一致,只是幅值放大,时间延迟,这称为不失真测量。

    通常放大电路的输入信号是复杂的多频信号,如果放大电路对信号的不同频率分量的增益不同,或者相对相移发生变化,就使输出波形发生失真,前者称为幅度失真,后者称为相位失真,如果出现了与输入不同的频率成分,则称为频率失真。

    图片

    谐波失真,英文全称Harmonic Distortion,简称HD。

    总谐波失真,英文全称Total Harmonic Distortion,简称THD。

    总谐波失真加噪声,英文全称Total Harmonic Distortion+Noise,简称THD+N。

    由于系统内部非线性元件的存在,输入波形不能100%线性化输出,会产生失真,谐波失真是关注其谐波成分的一种评估指标。

    图片

    HD、THD、THD+N究竟有什么区别呢?

    HD最直接,指的就是谐波失真,比如在音频领域,系统输入为单频的信号,但是受到非线性器件的影响,音箱的输出产生了谐波,比如2次谐波、3次谐波等等。当谐波的幅度达到一定值时,就被人耳感觉到,产生非常糟糕的音频体验,所以这些谐波的幅度要求要小。

    图片

    HD很简单,只关注到目标谐波,比如只关注到3次谐波,其余谐波忽略,就是目标谐波(二阶、三阶等)的均方根(RMS)值与信号电平均方根值的比值,音频领域中结果通常为百分比,通信领域中为dB,计算过程如下:

    图片

    THD关注的是采样范围内所有的谐波成分,所以THD比HD多了个T(total),其评估谐波失真更准确,计算过程如下:

    图片

    THD+N除了关注谐波,也关注噪声,是所有谐波及噪声组分在指定带宽下的和方根值与信号方根值的比值,计算过程如下:

    图片

    以上只是对单频信号的谐波进行了评估,然而实际应用中,比如音频,其播放源不在是单一的频率信号,而是复杂的音频信号,含有各种频率成分,各种频率信号输入到系统中,受到非线性的影响,会彼此调制,除了产生谐波外,还会产生新的频率成分,这种频率失真也会降低音质体验。

    图片

    为了进一步评估系统的失真度,就引入了互调失真的概念,关注信号彼此之间的影响,下一篇文章介绍就互调失真的原理。

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  • 我们将研究输入端的衰减如何降低谐波失真。我们还将举例说明如何对放大器输出端的失真在数学上进行校正。查看非线性的影响查看放大器非线性影响的一种方便方法是查看用正弦波激励时其输出的周期图。正弦波的幅值设置...

    简介

    在此示例中,我们将研究放大器的简化模型的输出,该放大器的噪声耦合到输入信号并且呈现非线性。我们将研究输入端的衰减如何降低谐波失真。我们还将举例说明如何对放大器输出端的失真在数学上进行校正。

    查看非线性的影响

    查看放大器非线性影响的一种方便方法是查看用正弦波激励时其输出的周期图。正弦波的幅值设置为放大器的最大允许电压。(2 Vpk)

    在此示例中,我们将提供持续时间为 50 毫秒的 2 kHz 正弦波。

    VmaxPk = 2; % Maximum operating voltage

    Fi = 2000; % Sinusoidal frequency of 2 kHz

    Fs = 44.1e3; % Sample rate of 44.1kHz

    Tstop = 50e-3; % Duration of sinusoid

    t = 0:1/Fs:Tstop; % Input time vector

    % Use the maximum allowable voltage of the amplifier

    inputVmax = VmaxPk*sin(2*pi*Fi*t);

    outputVmax = helperHarmonicDistortionAmplifier(inputVmax);

    查看输出正弦波的放大区域。请注意,在绘制对时间的图时,很难从视觉上看出放大器的不完美之处。

    plot(t, outputVmax)

    xlabel('Time')

    ylabel('Output Voltage')

    axis([0 5e-3 -2.5 2.5])

    title('Amplifier output')

    180e4ea2f3ca1f491bd8689ac080c0bd.png

    现在我们来查看放大器输出的周期图。

    helperPlotPeriodogram(outputVmax, Fs, 'power','annotate');

    359d82e4f7ea79460b725e16a24882eb.png

    请注意,我们不仅看到输入端的 2 kHz 正弦波,还看到 4 kHz、6 kHz、8 kHz 和 10 kHz 的其他正弦波。这些正弦波是 2 kHz 基频的倍数,这是由于放大器的非线性造成的。

    我们还看到相对平坦的噪声功率带。

    量化非线性失真

    为了便于比较,让我们参考一些常见的失真指标

    周期图显示一些定义良好的基波信号的谐波。该图建议我们测量输入信号的总谐波失真,它返回所有谐波含量的功率与基波信号的比率。

    thd(outputVmax, Fs)

    bf256e5dcfb304c1f8a1c3685cf07db7.png

    ans = -60.3888

    请注意,第三个(也是最大的)谐波比基波低约 60 dB。大部分失真发生在此处。

    我们还可以获得输入中总噪声的估计值。为此,我们调用 SNR,它返回基波功率与所有非谐波含量功率的比率。

    snr(outputVmax, Fs)

    c1f51636b302dfb12feebe8c7893b96a.png

    ans = 130.9300

    另一个有用的计算指标是 SINAD。它计算功率与信号中所有其他谐波含量和噪声含量的比率。

    sinad(outputVmax, Fs)

    41e20760111de386fdde695628fb40f6.png

    ans = 60.3888

    THD、SNR 和 SINAD 分别为 -60 dB、131 dB 和 60 dB。由于 THD 的幅值与 SINAD 大致相等,我们可以推断大部分失真是由谐波失真引起的。

    如果我们检查周期图,会注意到第三个谐波是输出失真的主要原因。

    降低谐波失真的输入衰减

    大多数执行放大的模拟电路在谐波失真和噪声功率之间存在固有的折衷。在我们的示例中,与谐波失真相比,我们的放大器具有相对较低的噪声功率。这使得它适合检测低功率信号。如果我们的输入可以衰减到此低功率区域,我们可以还原一些谐波失真。

    让我们通过将输入电压降低二分之一来重复测量。

    inputVhalf = (VmaxPk/2) * sin(2*pi*Fi*t);

    outputVhalf = helperHarmonicDistortionAmplifier(inputVhalf);

    helperPlotPeriodogram(outputVhalf, Fs, 'power','annotate');

    c09b8f381b818f96d62ec6b7dd7cd15a.png

    我们再次使用原先的指标,这次测量降低输入电压后的效果。

    thdVhalf = thd(outputVhalf, Fs)

    thdVhalf = -72.0676

    snrVhalf = snr(outputVhalf, Fs)

    snrVhalf = 124.8767

    sinadVhalf = sinad(outputVhalf, Fs)

    sinadVhalf = 72.0676

    请注意,简单地将输入功率水平衰减 6 dB 会降低谐波含量。SINAD 和 THD 从约 60 dB 提高到了约 72 dB。其代价是 SNR 从 131 dB 降低到了 125 dB。

    SNR THD 和 SINAD 当作输入衰减的函数

    进一步衰减能否改善整体失真表现?让我们将 THD、SNR 和 SINAD 绘制为输入衰减的函数,从而扫描从 1 dB 到 30 dB 的输入衰减器。

    % Allocate a table with 30 entries

    nReadings = 30;

    distortionTable = zeros(nReadings, 3);

    % Compute the THD, SNR and SINAD for each of the attenuation settings

    for i = 1:nReadings

    inputVbestAtten = db2mag(-i) * VmaxPk * sin(2*pi*Fi*t);

    outputVbestAtten = helperHarmonicDistortionAmplifier(inputVbestAtten);

    distortionTable(i,:) = [abs(thd(outputVbestAtten, Fs))

    snr(outputVbestAtten, Fs)

    sinad(outputVbestAtten, Fs)];

    end

    % Plot results

    plot(distortionTable)

    xlabel('Input Attenuation (dB)')

    ylabel('Dynamic Range (dB)')

    legend('|THD|','SNR','SINAD','Location','best')

    title('Distortion Metrics vs. Input Attenuation')

    33b5dcac2b3c8c2ba17bf0d4271dd1de.png

    该图显示对应于每个指标的可用动态范围。THD 的幅值对应于无谐波的范围。同样,SNR 对应于不受噪声影响的动态范围;SINAD 对应于没有失真的总动态范围。

    从图中可以看出,SNR 随着输入功率衰减的增加而降低。这是因为当您衰减信号时,只有信号在衰减,但放大器的本底噪声保持不变。

    还要注意,总谐波失真的幅值会稳步改善,直到它与 SNR 曲线相交,之后测量变得不稳定。当谐波在放大器的噪声下“消失”时,就会出现这种情况。

    放大器衰减的一个可行选择项是 26 dB(产生 103 dB 的 SINAD)。这是谐波和噪声失真之间的合理折衷。

    % Search the table for the largest SINAD reading

    [maxSINAD, iAtten] = max(distortionTable(:,3));

    fprintf('Max SINAD (%.1f dB) occurs at %.f dB attenuation\n', ...

    maxSINAD, iAtten)

    Max SINAD (103.7 dB) occurs at 26 dB attenuation

    让我们绘制衰减器设置为 26 dB 时的周期图。

    inputVbestAtten = db2mag(-iAtten) * VmaxPk * sin(2*pi*Fi*t);

    outputVbestAtten = helperHarmonicDistortionAmplifier(inputVbestAtten);

    helperPlotPeriodogram(outputVbestAtten, Fs, 'power','annotate','shownoise');

    4a6198ccdd8bf15ca94979a041eda842.png

    我们还在此处绘制了分布在整个频谱中的总噪声功率水平。请注意,在此衰减设置下,第二个和第三个谐波在频谱中仍然可见,但也远小于总噪声功率。如果我们的应用使用可用频谱的较小带宽,我们将从进一步增加衰减以降低谐波含量中受益。

    用于消除失真的后处理

    有时我们可以对放大器的一些非线性进行校正。如果放大器的输出经过数字化,我们可以通过对捕获的输出进行数字后处理并对非线性进行数学校正来还原更有用的动态范围。

    在我们的示例中,我们用线性斜坡激励输入,并拟合最适合输入的三次多项式。

    inputRamp = -2:0.00001:2;

    outputRamp = helperHarmonicDistortionAmplifier(inputRamp);

    polyCoeff = polyfit(outputRamp,inputRamp,3)

    polyCoeff = 1×4

    0.0010 -0.0002 1.0000 -0.0250

    现在我们已经有系数,我们可以在输出端执行后校正,并与原始的未校正输出进行比较。

    correctedOutputVmax = polyval(polyCoeff, outputVmax);

    helperPlotPeriodogram([outputVmax; correctedOutputVmax],Fs,'power');

    subplot(2,1,1)

    title('Uncorrected')

    subplot(2,1,2)

    title('Polynomial Corrected')

    8caa4b21535e7c9b3d6002502c8e6b7b.png

    请注意,使用多项式校正时,第二个和第三个谐波会显著降低。

    让我们用校正后的输出再次重复测量。

    thdCorrectedVmax = thd(correctedOutputVmax, Fs)

    thdCorrectedVmax = -99.6194

    snrCorrectedVmax = snr(correctedOutputVmax, Fs)

    snrCorrectedVmax = 130.7491

    sinadCorrectedVmax = sinad(correctedOutputVmax, Fs)

    sinadCorrectedVmax = 99.6162

    请注意,我们的 SINAD(和 THD)从 60 dB 下降到 99 dB,同时保持 131 dB 的原始 SNR。

    组合方法

    我们可以将衰减与多项式计算相结合,找到最大限度地降低系统整体 SINAD 的理想工作电压。

    subplot(1,1,1)

    % Add three more columns to our distortion table

    distortionTable = [distortionTable zeros(nReadings,3)];

    for i = 1:nReadings

    inputVreduced = db2mag(-i) * VmaxPk * sin(2*pi*Fi*t);

    outputVreduced = helperHarmonicDistortionAmplifier(inputVreduced);

    correctedOutput = polyval(polyCoeff, outputVreduced);

    distortionTable(i,4:6) = [abs(thd(correctedOutput, Fs))

    snr(correctedOutput, Fs)

    sinad(correctedOutput, Fs)];

    end

    h = plot(distortionTable)

    h =

    6x1 Line array:

    Line

    Line

    Line

    Line

    Line

    Line

    xlabel('Input attenuation (dB)')

    ylabel('Dynamic Range (dB)')

    for i = 1:3

    h(i+3).Color = h(i).Color;

    h(i+3).LineStyle = '--' ;

    end

    legend('|THD| (uncorrected)','SNR (uncorrected)','SINAD (uncorrected)', ...

    '|THD| (corrected)','SNR (corrected)','SINAD (corrected)','Location','best')

    title('Distortion Metrics vs. Input Attenuation and Polynomial Correction');

    296f89e7a2fe0c0044325eeeb74e79c1.png

    在此处,我们对未校正的以及经过多项式校正的放大器的所有三个指标进行了绘图。

    从图中可以看出,THD 有显著的改进,而 SNR 不受多项式校正的影响。这在意料之中,因为多项式校正只影响谐波失真,而不影响噪声失真。

    让我们显示多项式校正时可能的最大 SINAD

    [maxSINADcorrected, iAttenCorr] = max(distortionTable(:,6));

    fprintf('Corrected: Max SINAD (%.1f dB) at %.f dB attenuation\n', ...

    maxSINADcorrected, iAttenCorr)

    Corrected: Max SINAD (109.7 dB) at 17 dB attenuation

    对于经过多项式校正的放大器,放大器衰减的一个良好选择项是 20dB(产生 109.8 dB 的 SINAD)。

    % Recompute amplifier at maximum SINAD attenuation setting with polynomial

    inputVreduced = db2mag(-iAttenCorr) * VmaxPk * sin(2*pi*Fi*t);

    outputVreduced = helperHarmonicDistortionAmplifier(inputVreduced);

    correctedOutputVbestAtten = polyval(polyCoeff, outputVreduced);

    helperPlotPeriodogram(correctedOutputVbestAtten, Fs, 'power','annotate','shownoise');

    title('Periodogram of attenuated and polynomial corrected amplifier')

    4c1607fd1c52652feb79296552775d29.png

    请注意,在理想衰减设置下,通过多项式校正,除了第二个谐波以外的所有谐波都应完全消失。如前所述,第二个谐波出现在总噪声基底功率水平的正下方。这在使用放大器全部带宽的应用中提供了合理的折衷。

    总结

    我们演示了如何对出现失真的放大器输出应用多项式校正,以及如何选择合理的衰减值来降低谐波失真的影响。

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    [总谐波失真与噪声测试]

    总谐波失真与噪声测试

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    总谐波失真是指用信号源输入时,输出信号(谐波及其倍频成分)比输入信号多出的额外谐波成分,通常用百分数来表示。一般说来,1000Hz频率处的总谐波失真最小,因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。所以测试总谐波失真时,是发出1000Hz的声音来检测,这一个值越小越好。

    总谐波失真(THD):其定义方式为输入单一频率的余弦信号,输出的各次谐波总有效值和基波功率有效值之比的平方跟。THD的大小是功率放大器非常重要的指标,所谓高保真功率放大器,谐波失真在一般都在1%以内。

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    2021-01-14 14:34:32
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  • 谐波的定义谐波:是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量,通常称为高次谐波。简单来说,谐波就是频率是工频(50HZ)整数倍的分量。谐波分为奇次谐波和偶次谐波。基波:是指...
  • 谐波失真--THD

    万次阅读 2019-05-29 16:35:45
    谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD )是指用信号源输入系统到时,输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。功放工作时,由于电路不可避免的振荡或其他谐振产生的二次、三次谐波与实际输入信号叠加,在输出...
  • 高效率低谐波失真E类射频功率放大器的设计 作者:电子科技大学 苏黎 王向展 引言 近年来,随着无线通讯的飞速发展,无线通信里的部分——无线收发器越来越要求更低的功耗、更高的效率以及更小的体积,而作为收发器中...
  • 用来降低总谐波失真的三个设计注意事项包括:增加变压器匝数比(n = Np/Ns)可增大反射电压。这会提高成本和开关 FET 的电压应力。在本特例中,我们将匝数比调成近似于 10,以保持反射电压约为 174V...
  • 摘要:对于非线性负载所引起的谐波失真,传统的逆变系统通常采用复杂的大规模无源元件滤波方案来滤除。本文介绍了一种采用DSP控制的逆变器和谐波调节系统的滤波方案,并分析了逆变系统中使用实时数字信号处理控制...
  • 运放技术——谐波失真THD

    千次阅读 2020-11-20 09:46:43
    运放的总谐波失真(THD)是当运放的输入信号为纯的正弦波时(无谐波的正弦波),运放的输入信号中的各次谐波(2次,3次,至n次)的均方根值,与输出信号基波的RMS值之比。定义如下式: 一般实际测试时,只测试...
  • 从Matlab总谐波失真(THD)仿真到C语言总谐波失真(THD)应用 对于如何实现THD,上篇文章中已经叙述的比较清晰,但是,正如结尾中表述,实际计算数据与理论数据差距过大,无法应用在实际的系统中。 测试信号生成 ...
  • 音频谐波失真

    千次阅读 2018-12-26 22:24:59
    记得在声学基础的第一期,我们就提醒大家注意,声学和音频是不一样滴!看腻了声学,今天换换口味,分享些实用的音频基础。...“失真(Distortion)”是音频组件的一个重要特性,它经常被列在扬声器,功放和其...
  • LED 照明领域普遍关注的问题一直是如何将总谐波失真 (THD) 保持在 10% 以下。电源不但可作为非线性负载,而且还可引出一条包含谐波的失真波形。这些谐波可能会对其它电子系统的工作造成干扰。因此,测量这些谐波的...
  • 高效率低谐波失真E类射频功率放大器的设计 作者:电子科技大学 苏黎 王向展 引言 近年来,随着无线通讯的飞速发展,无线通信里的核心部分——无线收发器越来越要求更低的功耗、更高的效率以及更小的体积,而作为收发...
  • 所以,设计一种高效低谐波失真的功率放大器对于提高收发器效率,降低电源损耗,提高系统性能都有十分重大的意义。 笔者采用了SiGe BiCMOS工艺实现了集成E类功率放大器,其工作频率为1.8GHz,工作电压为1.5V,输出...
  • 教你计算总谐波失真(THD)

    千次阅读 2020-12-21 21:34:25
    原标题:教你计算总谐波失真(THD)关于THD的计算公式,不同标准的定义略有不同。1、《GBT--17626.7-2008电磁兼容 试验和测量技术供电系统及所连设备谐波、谐间波的测量和测量仪器导则》中,对THD的定义如下:符号G...
  • 由于我们所拥有的大多数测试设备都是 50W 的输入和输出阻抗,因此如何才能在不影响测试器件带宽、压摆率及失真性能的同时解决该问题呢?  这就引出了每种测量的独立解决方案。  我们首先要了解的...

空空如也

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谐波失真

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