擴展示波器用途的另外十個(gè)技巧

先前的文章介紹了擴展中檔數字存儲示波器(DSO)基本功能的十個(gè)技巧(詳見(jiàn)：擴展示波器用途的十大技巧)，本文將介紹另外十個(gè)技巧，它們可以幫助你節省時(shí)間，并使你成為公司的DSO專(zhuān)家。你可以點(diǎn)擊下面的鏈接直接查看某個(gè)具體技巧。

解調PWM信號

脈寬調制(PWM)被廣泛應用于開(kāi)關(guān)電源和電機控制器。分析控制環(huán)路的動(dòng)態(tài)情況要求觀(guān)察脈沖寬度隨時(shí)間的變化。如果你的示波器具有電源分析選件包，那么你就能直接使用這個(gè)功能。如果你的示波器沒(méi)有這方面的配置，你可以使用示波器的跟蹤(某些示波器中的時(shí)間跟蹤)功能解調出PWM控制信號。

首先，確保你的示波器包含所有實(shí)例測量。也就是說(shuō)，如果你測量波形的寬度，示波器將測量屏幕上出現的波形的每個(gè)周期。示波器還應該包含依據測量到的參數產(chǎn)生波形的跟蹤功能。寬度或參數的跟蹤可以顯示每個(gè)周期脈寬隨時(shí)間的變化，并且與源軌跡同步。因此寬度跟蹤是解調PWM信號的理想工具。跟蹤功能可以從參數或數學(xué)設置中訪(fǎng)問(wèn)。

圖1顯示了作為負載電流階躍變化(軌跡C2，從上數第3個(gè))響應的PWM控制器輸出(軌跡C1，頂部軌跡)的跟蹤軌跡F1，即展示 參數與時(shí)間關(guān)系的(底部軌跡)?？s放軌跡Z1(從上數第2個(gè))是水平方向放大了的隨負載變化的控制器輸出，展示了脈寬的變化。

參數可以像圖1中那樣應用于跟蹤功能，其中參數P2到P4分別從跟蹤波形中讀取最大、最小、平均和最后一個(gè)脈沖寬度。

創(chuàng )建用于評估磁性器件的磁滯圖

用于電感或變壓器等電磁元件的磁滯或B/H曲線(xiàn)是一種常見(jiàn)的電源測量項目。磁性材料可以通過(guò)繪制作為磁場(chǎng)強度(H)函數的磁通密度(B)進(jìn)行表征。這個(gè)功能有時(shí)在示波器的電源分析選件中提供。這種圖也很容易在帶X-Y顯示器的任何示波器上創(chuàng )建。圖2顯示了如何連接電感和信號發(fā)生器產(chǎn)生B/H曲線(xiàn)。

H是磁場(chǎng)強度，單位為安培/米

B是磁通密度，單位特斯拉

A是橫截面積，單位平方米

n是匝數

l是平均路徑長(cháng)度，單位米

v(t)是電感上的電壓，單位伏特

i(t)是流過(guò)電感的電流，單位安培

需要注意的是，為了確定磁通密度，必須對電壓波形求積分。

如果需要的話(huà)，你可以使用重定標數學(xué)函數對磁場(chǎng)強度和磁通密度進(jìn)行調整。這要求掌握待測器件的物理特性知識，如上面公式中規定的那樣。

圖3顯示了這種電壓與電流經(jīng)積分后的B/H曲線(xiàn)在示波器屏幕上顯示的結果。從待測器件施加的電壓用數學(xué)軌跡F1進(jìn)行積分，并在數學(xué)軌跡F2中作了重新定標，最終在X-Y顯示器的垂直軸上讀取單位為特斯拉的磁通密度。電流波形在數學(xué)軌跡F3中得到重新定標，并應用于水平軸。

將波形數據重定標為合適的單位

在前一章節中，我們必須將電壓波形的積分轉換為磁通密度。這要求將波形除以一個(gè)常數(匝數與橫截面的乘積)。另外，正確的單位應該是特斯拉。這些操作可以使用示波器的重定標數學(xué)函數來(lái)完成。重定標允許用戶(hù)將波形乘上一個(gè)常數，然后再增加一個(gè)常數，而且可以通過(guò)配置用用戶(hù)選擇的單位覆蓋原有單位(本例中是伏特)。本例中使用的示波器提供48種標準電氣單位，包括特斯拉。

圖4顯示了數學(xué)軌跡F2的重定標設置。我們需要將電壓波形的積分除以20×10-6，但因為重定標函數只提供與常數的相乘，因為我們需要使用倒數或50×103。覆蓋單位復選框打上勾后會(huì )提供一個(gè)單位輸入域，我們在此輸入代表特斯拉的T。這樣將波形中的每個(gè)點(diǎn)乘以想要的常數就可以實(shí)現積分輸出(數學(xué)軌跡F1)的重定標。F2數學(xué)軌跡的垂直坐標現在的讀取單位就是特斯拉了。同樣，數學(xué)軌跡F3用于將測量得到的電流重定標為磁場(chǎng)強度。

創(chuàng )建帶通濾波器

你曾經(jīng)有過(guò)用帶通濾波器將目標信號與相鄰通道干擾隔離開(kāi)來(lái)的需求嗎?大多數中檔示波器都包含有增強分辨率(ERES)數學(xué)函數形式的低通濾波器，但沒(méi)有帶通濾波器，除非你有數字濾波器選件。你可以使用一些技巧將ERES低通濾波器轉換成帶通濾波器。圖5顯示了這一技巧。

左上角的軌跡C1是一種窄脈沖輸入信號。設置好的數學(xué)函數F1用于對通道1的輸入進(jìn)行低通濾波。在這個(gè)案例中，ERES濾波器是16MHz的低通濾波器。軌跡F1(左邊中間)顯示了濾波器對時(shí)域信號的影響。在數學(xué)函數F2中，從輸入中減去F1中低通濾波器的輸出，從而去除低頻內容，得到高通響應。F2中的第二次數學(xué)操作是另外一個(gè)截止頻率為58MHz的ERES低通濾波器。結果就是軌跡F2(左下)中的帶通響應。

軌跡F3(右上)顯示了輸入快速傅里葉變換(FFT)的頻譜。F4(右中)是低通濾波過(guò)后的輸入頻譜。軌跡F5(右下)是帶通濾波操作的頻譜。對這些濾波器的控制受ERES函數中濾波器選擇的限制。示波器中提供的數字濾波器選件包可以提供更大的靈活性，但這種小技巧在標準配置的示波器中都可以使用。

捕捉串行數據圖案

示波器一般都有幾種工具捕捉串行數據圖案?？蛇x的串行觸發(fā)器和解碼功能可以根據規定的串行標準對數據進(jìn)行操作。另外一種串行圖案捕捉技術(shù)是使用案例所用示波器中被稱(chēng)為WaveScan的示波器搜索功能。這種數據搜索引擎包含在所有這家供貨商的中檔示波器中，其它制造商也提供類(lèi)似的功能。圖6顯示了使用WaveScan捕捉串行圖案的例子。

串行圖案搜索模式將根據輸入的二進(jìn)制或16進(jìn)制長(cháng)度值搜索從2位至64位的圖案。除了串行圖案外，用戶(hù)還必須輸入串行位速率。這些參數包含在“NRZ-to-Digital”卡片內用于串行圖案識別的物理參數設置中，除了數據位速率，還有斜率和數據的邏輯閾值。

當檢測到所選的圖案時(shí)，WaveScan的7個(gè)動(dòng)作中任何一個(gè)都可以被觸發(fā)。圖6所示例子已經(jīng)停止了采集。

發(fā)現信號異常

全部實(shí)例測量是示波器基于采集波形每個(gè)周期進(jìn)行時(shí)序測量的能力。如果你測量每個(gè)周期，你可以顯示跟蹤圖，用于展示被測參數隨時(shí)間的變化，而該變化與采集的信號輸入是完全同步的。圖7包含這一功能的例子。

采集信號是一個(gè)具有781個(gè)周期的4MHz正弦波。從上升時(shí)間參數(P1)統計數據看，我們可以發(fā)現每個(gè)周期要做一次測量，因此共有781個(gè)值。上升時(shí)間的平均值是2.88ns。最小值是接近平均值的2.8ns，但最大值是27ns。打開(kāi)上升時(shí)間跟蹤曲線(xiàn)數學(xué)軌跡F1，我們可以在軌跡中心附近看到一個(gè)峰值。跟蹤圖顯示了隨時(shí)間變化的每個(gè)周期測量值。它在時(shí)間上與軌跡C1中所采集的波形是同步的。跟蹤到的上升時(shí)間最大值是27ns。其位置與具有緩慢上升時(shí)間的周期在時(shí)間上是同步的。

將縮放軌跡Z1和Z2分別用作C1和F1的縮放圖，同時(shí)應用多次縮放功能進(jìn)行水平跟蹤，我們可以擴展它們尋找到對應于最大周期值的單個(gè)周期。

這是全部實(shí)例測量的優(yōu)勢。你可以見(jiàn)到以單個(gè)周期為基礎的波形時(shí)序變化。這種技術(shù)可以代替使用WaveScan搜索功能尋找具有緩慢上升時(shí)間的這種脈沖。噪聲測量工具

隨機過(guò)程很難表征，因為沒(méi)有哪次測量能夠提供有關(guān)前次或下次測量的任何信息。只有通過(guò)觀(guān)察累積測量結果才能了解到你正在研究的過(guò)程。圖8顯示了用于測量噪聲等隨機過(guò)程的基本工具。左上方的軌跡是通道1輸入信號的幅度時(shí)間圖。左下方的軌跡是功率譜密度圖，顯示的是噪聲功率的頻率分布情況。右邊的軌跡是單次噪聲電壓測量的柱狀圖。這個(gè)柱狀圖顯示了單次測量的幅值分布情況。這些分析功能與測量參數一起為噪聲測量提供了完整的工具集。

你可以通過(guò)使用測量參數了解隨機噪聲信號的特征。用于噪聲測量的最有意義的參數是波形的平均值(P1)、標準偏差(P2)和峰峰值(P3)。在這些測量參數中，也被稱(chēng)為交流均方根值的標準偏差可能是最有用的，因為它描述了波形的有效值。

頻域中最常見(jiàn)的噪聲測量是功率譜密度(PSD)。PSD的測量單位通常是V2/Hz，代表了單位帶寬的功率大小。因為噪聲一般在頻譜上是展開(kāi)的，因此一個(gè)頻段或一定范圍頻率內的噪聲功率可以通過(guò)在該范圍頻率內對PSD積分來(lái)確定。

柱狀圖為用戶(hù)提供了待測過(guò)程的概率密度函數的估計。這個(gè)數據可以用柱狀圖參數來(lái)解釋。圖8顯示了三個(gè)柱狀圖參數，即柱狀圖平均值(P5中的hmean)、柱狀圖標準偏差(P6中的hsdev)和范圍(P7)。這些是柱狀圖分布的均值、標準偏差和范圍。這三張圖可以快速表征噪聲。

三相功率測量

用于測量三相電路功率的雙功率計方法可以用四通道示波器來(lái)實(shí)現。三線(xiàn)三相負載的功耗可以用一個(gè)四通道示波器來(lái)確定，方法是測量?jì)蓚€(gè)相位電流和兩個(gè)線(xiàn)路電壓。舉例來(lái)說(shuō)，觀(guān)察圖9所示原理圖，三相電機消耗的總功率可以通過(guò)測量Vac、Vbc、Ia,和Ib加以確定：

線(xiàn)路電壓Vac(t) 和Vbc(t)是用高壓差分探頭測量的。相位電流Ia 和Ib是用電流探頭測量的。這種功率測量要求使用帶4個(gè)輸入通道的示波器。圖10描述了這種技術(shù)。

有效功率的兩個(gè)分量分別是425.6W和425.8W。這兩個(gè)分量的和——或851.4W(使用P3中參數數學(xué)公式計算)——是電機消耗的總有效功率。

波形軌跡平滑

數字示波器是采樣型數據儀器。它們利用了著(zhù)名的采樣理論——如果以大于某波形所含最高頻率兩倍的速率對該波形進(jìn)行采樣，那么就可以在不丟失信息的條件下重建這個(gè)波形。這個(gè)采樣過(guò)程的結果是，數字示波器中的波形軌跡由許多數據點(diǎn)組成，如圖11所示。

這是一個(gè)完全正確的波形，但理解起來(lái)有點(diǎn)難度。以某種連續形式觀(guān)察這些波形的最簡(jiǎn)單方法是用線(xiàn)將這些點(diǎn)連起來(lái)。這種方法被稱(chēng)為線(xiàn)性插值法，圖中上方的軌跡顯示了一個(gè)例子。當屏幕上采樣點(diǎn)很少時(shí)，這個(gè)例子只有50個(gè)點(diǎn)，線(xiàn)性插值法經(jīng)常出現不連續性。一種解決方案是增加采樣點(diǎn)數。如果數據是按采樣理論進(jìn)行采樣的，那么就可以利用諸如sin(x)/x等插值函數增加采樣點(diǎn)數。從上往下數第二條軌跡顯示了應用sin(x)/x插值函數的結果，與原始采樣數據相比采樣點(diǎn)數增加了10倍。

sin(x)/x插值方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，如果波形有快速邊沿，就像脈沖波形中的那樣，就可能超過(guò)奈奎斯特極限，并且頻率分量有可能超過(guò)采樣頻率的一半。在這種情況下，sin(x)/x插值法就無(wú)效了，波形會(huì )失真。脈沖邊沿將出現實(shí)際波形中不存在的上沖和下沖現象，即所謂的“吉布斯耳朵”(Gibbs ears.)。

如果波形是重復性的，可以使用隨機交織采樣——一種等效時(shí)間采樣方法來(lái)增加有效的采樣率，并例采樣點(diǎn)靠得更近。圖11的上方第3條軌跡對此作了展示。如果波形是重復性的，打開(kāi)顯示保留功能將產(chǎn)生僅基于采樣值的平滑波形，如圖11中下方軌跡所示，其中被稱(chēng)為持久軌跡平均的先進(jìn)數學(xué)工具提供了捕捉持久顯示器上每個(gè)點(diǎn)均值的能力。

均方根和標準偏差

均方根(rms)和標準偏差(sdev)是密切相關(guān)的測量。rms的計算公式是：

其中N是波形中的點(diǎn)數，Vn是第n個(gè)采樣點(diǎn)的值。

標準偏差被定義為：

其中N是波形中的點(diǎn)數，Vn是第n個(gè)采樣點(diǎn)的值，mean是V的平均值。

對于零均值的波形來(lái)說(shuō)，上面兩個(gè)公式是一致的，rms值和標準偏差相等。當信號均值為非零時(shí)，從每個(gè)數據點(diǎn)減去均值后的sdev值就是減去均值后樣本的rms值。因此sdev是真正的交流rms值(在減去均值后的rms值)。

考慮圖12所示3.3V電源輸出上的紋波和噪聲的測量。

波形均值用參數P1進(jìn)行讀取。這是與紋波和噪聲無(wú)關(guān)的標稱(chēng)直流輸出。rms值P2同時(shí)包含了均值、紋波和噪聲。標準偏差(參數P3中的sdev)僅讀取電源輸出中的交流分量(噪聲和紋波)。要從每個(gè)測量點(diǎn)減去均值。因此標準偏差是“交流”rms值。

rms值現在變高了，因為包含了偏移量。知道均值和rms值后就可以計算sdev值了。

為了計算電源輸出上只是噪聲和紋波的rms值，你可以選擇標準偏差或交流rms。

本文小結

至此你又掌握了另外10個(gè)示波器功能的應用，它們可以幫助你擴展這種通用儀器的用途。希望其中一些應用技巧能夠幫助到你的日常工作。