擴(kuò)展示波器用途的另類技巧

解調(diào)PWM信號

脈寬調(diào)制(PWM)被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源和電機(jī)控制器。分析控制環(huán)路的動態(tài)情況要求觀察脈沖寬度隨時間的變化。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功能。如果你的示波器沒有這方面的配置，你可以使用示波器的跟蹤(某些示波器中的時間跟蹤)功能解調(diào)出PWM控制信號。

首先，確保你的示波器包含所有實例測量。也就是說，如果你測量波形的寬度，示波器將測量屏幕上出現(xiàn)的波形的每個周期。示波器還應(yīng)該包含依據(jù)測量到的參數(shù)產(chǎn)生波形的跟蹤功能。寬度或“width@level”參數(shù)的跟蹤可以顯示每個周期脈寬隨時間的變化，并且與源軌跡同步。因此寬度跟蹤是解調(diào)PWM信號的理想工具。跟蹤功能可以從參數(shù)或數(shù)學(xué)設(shè)置中訪問。

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

參數(shù)可以像圖1中那樣應(yīng)用于跟蹤功能，其中參數(shù)P2到P4分別從跟蹤波形中讀取Z大、Z小、平均和Z后一個脈沖寬度。

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曲線是一種常見的電源測量項目。磁性材料可以通過繪制作為磁場強(qiáng)度(H)函數(shù)的磁通密度(B)進(jìn)行表征。這個功能有時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。

H是磁場強(qiáng)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(shù)

l是平均路徑長度，單位米

v(t)是電感上的電壓，單位伏特

i(t)是流過電感的電流，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，你可以使用重定標(biāo)數(shù)學(xué)函數(shù)對磁場強(qiáng)度和磁通密度進(jìn)行調(diào)整。這要求掌握待測器件的物理特性知識，如上面公式中規(guī)定的那樣。

圖3顯示了這種電壓與電流經(jīng)積分后的B/H曲線在示波器屏幕上顯示的結(jié)果。從待測器件施加的電壓用數(shù)學(xué)軌跡F1進(jìn)行積分，并在數(shù)學(xué)軌跡F2中作了重新定標(biāo)，Z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(shù)學(xué)軌跡F3中得到重新定標(biāo)，并應(yīng)用于水平軸。

將波形數(shù)據(jù)重定標(biāo)為合適的單位

在前一章節(jié)中，我們必須將電壓波形的積分轉(zhuǎn)換為磁通密度。這要求將波形除以一個常數(shù)(匝數(shù)與橫截面的乘積)。另外，正確的單位應(yīng)該是特斯拉。這些操作可以使用示波器的重定標(biāo)數(shù)學(xué)函數(shù)來完成。重定標(biāo)允許用戶將波形乘上一個常數(shù)，然后再增加一個常數(shù)，而且可以通過配置用用戶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(biāo)準(zhǔn)電氣單位，包括特斯拉。

圖4顯示了數(shù)學(xué)軌跡F2的重定標(biāo)設(shè)置。我們需要將電壓波形的積分除以20×10-6，但因為重定標(biāo)函數(shù)只提供與常數(shù)的相乘，因為我們需要使用倒數(shù)或50×103。覆蓋單位復(fù)選框打上勾后會提供一個單位輸入域，我們在此輸入代表特斯拉的T。這樣將波形中的每個點(diǎn)乘以想要的常數(shù)就可以實現(xiàn)積分輸出(數(shù)學(xué)軌跡F1)的重定標(biāo)。F2數(shù)學(xué)軌跡的垂直坐標(biāo)現(xiàn)在的讀取單位就是特斯拉了。同樣，數(shù)學(xué)軌跡F3用于將測量得到的電流重定標(biāo)為磁場強(qiáng)度。

創(chuàng)建帶通濾波器

你曾經(jīng)有過用帶通濾波器將目標(biāo)信號與相鄰?fù)ǖ栏蓴_隔離開來的需求嗎？大多數(shù)中檔示波器都包含有增強(qiáng)分辨率(ERES)數(shù)學(xué)函數(shù)形式的低通濾波器，但沒有帶通濾波器，除非你有數(shù)字濾波器選件。你可以使用一些技巧將ERES低通濾波器轉(zhuǎn)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(shè)置好的數(shù)學(xué)函數(shù)F1用于對通道1的輸入進(jìn)行低通濾波。在這個案例中，ERES濾波器是16MHz的低通濾波器。軌跡F1(左邊中間)顯示了濾波器對時域信號的影響。在數(shù)學(xué)函數(shù)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(nèi)容，得到高通響應(yīng)。F2中的第二次數(shù)學(xué)操作是另外一個截止頻率為58MHz的ERES低通濾波器。結(jié)果就是軌跡F2(左下)中的帶通響應(yīng)。

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(shù)中濾波器選擇的限制。示波器中提供的數(shù)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(biāo)準(zhǔn)配置的示波器中都可以使用。

捕捉串行數(shù)據(jù)圖案

示波器一般都有幾種工具捕捉串行數(shù)據(jù)圖案。可選的串行觸發(fā)器和解碼功能可以根據(jù)規(guī)定的串行標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)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為WaveScan的示波器搜索功能。這種數(shù)據(jù)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(jù)輸入的二進(jìn)制或16進(jìn)制長度值搜索從2位至64位的圖案。除了串行圖案外，用戶還必須輸入串行位速率。這些參數(shù)包含在“NRZ-to-Digital”卡片內(nèi)用于串行圖案識別的物理參數(shù)設(shè)置中，除了數(shù)據(jù)位速率，還有斜率和數(shù)據(jù)的邏輯閾值。

當(dāng)檢測到所選的圖案時，WaveScan的7個動作中任何一個都可以被觸發(fā)。圖6所示例子已經(jīng)停止了采集。

發(fā)現(xiàn)信號異常

全部實例測量是示波器基于采集波形每個周期進(jìn)行時序測量的能力。如果你測量每個周期，你可以顯示跟蹤圖，用于展示被測參數(shù)隨時間的變化，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。

采集信號是一個具有781個周期的4MHz正弦波。從上升時間參數(shù)(P1)統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，我們可以發(fā)現(xiàn)每個周期要做一次測量，因此共有781個值。上升時間的平均值是2.88ns。Z小值是接近平均值的2.8ns，但Z大值是27ns。打開上升時間跟蹤曲線數(shù)學(xué)軌跡F1，我們可以在軌跡中心附近看到一個峰值。跟蹤圖顯示了隨時間變化的每個周期測量值。它在時間上與軌跡C1中所采集的波形是同步的。跟蹤到的上升時間Z大值是27ns。其位置與具有緩慢上升時間的周期在時間上是同步的。

將縮放軌跡Z1和Z2分別用作C1和F1的縮放圖，同時應(yīng)用多次縮放功能進(jìn)行水平跟蹤，我們可以擴(kuò)展它們尋找到對應(yīng)于Z大周期值的單個周期。

這是全部實例測量的優(yōu)勢。你可以見到以單個周期為基礎(chǔ)的波形時序變化。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間的這種脈沖。

噪聲測量工具

隨機(jī)過程很難表征，因為沒有哪次測量能夠提供有關(guān)前次或下次測量的任何信息。只有通過觀察累積測量結(jié)果才能了解到你正在研究的過程。圖8顯示了用于測量噪聲等隨機(jī)過程的基本工具。左上方的軌跡是通道1輸入信號的幅度時間圖。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(shù)一起為噪聲測量提供了完整的工具集。

你可以通過使用測量參數(shù)了解隨機(jī)噪聲信號的特征。用于噪聲測量的Z有意義的參數(shù)是波形的平均值(P1)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(P2)和峰峰值(P3)。在這些測量參數(shù)中，也被稱為交流均方根值的標(biāo)準(zhǔn)偏差可能是Z有用的，因為它描述了波形的有效值。

頻域中Z常見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的，因此一個頻段或一D范圍頻率內(nèi)的噪聲功率可以通過在該范圍頻率內(nèi)對PSD積分來確定。

柱狀圖為用戶提供了待測過程的概率密度函數(shù)的估計。這個數(shù)據(jù)可以用柱狀圖參數(shù)來解釋。圖8顯示了三個柱狀圖參數(shù)，即柱狀圖平均值(P5中的hmean)、柱狀圖標(biāo)準(zhǔn)偏差(P6中的hsdev)和范圍(P7)。這些是柱狀圖分布的均值、標(biāo)準(zhǔn)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實現(xiàn)。三線三相負(fù)載的功耗可以用一個四通道示波器來確定，方法是測量兩個相位電流和兩個線路電壓。舉例來說，觀察圖9所示原理圖，三相電機(jī)消耗的總功率可以通過測量Vac、Vbc、Ia,和Ib加以確定：

線路電壓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)。

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

波形軌跡平滑

數(shù)字示波器是采樣型數(shù)據(jù)儀器。它們利用了著名的采樣理論——如果以大于某波形所含Z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波形。這個采樣過程的結(jié)果是，數(shù)字示波器中的波形軌跡由許多數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，如圖11所示。

這是一個完全正確的波形，但理解起來有點(diǎn)難度。以某種連續(xù)形式觀察這些波形的Z簡單方法是用線將這些點(diǎn)連起來。這種方法被稱為線性插值法，圖中上方的軌跡顯示了一個例子。當(dāng)屏幕上采樣點(diǎn)很少時，這個例子只有50個點(diǎn)，線性插值法經(jīng)常出現(xiàn)不連續(xù)性。一種解決方案是增加采樣點(diǎn)數(shù)。如果數(shù)據(jù)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(shù)增加采樣點(diǎn)數(shù)。從上往下數(shù)第二條軌跡顯示了應(yīng)用sin(x)/x插值函數(shù)的結(jié)果，與原始采樣數(shù)據(jù)相比采樣點(diǎn)數(shù)增加了10倍。

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

如果波形是重復(fù)性的，可以使用隨機(jī)交織采樣——一種等效時間采樣方法來增加有效的采樣率，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(fù)性的，打開顯示保留功能將產(chǎn)生僅基于采樣值的平滑波形，如圖11中下方軌跡所示，其中被稱為持久軌跡平均的先進(jìn)數(shù)學(xué)工具提供了捕捉持久顯示器上每個點(diǎn)均值的能力。

均方根和標(biāo)準(zhǔn)偏差

均方根(rms)和標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，Vn是第n個采樣點(diǎn)的值。

標(biāo)準(zhǔn)偏差被定義為：

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

對于零均值的波形來說，上面兩個公式是一致的，rms值和標(biāo)準(zhǔn)偏差相等。當(dāng)信號均值為非零時，從每個數(shù)據(jù)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(shù)P1進(jìn)行讀取。這是與紋波和噪聲無關(guān)的標(biāo)稱直流輸出。rms值P2同時包含了均值、紋波和噪聲。標(biāo)準(zhǔn)偏差(參數(shù)P3中的sdev)僅讀取電源輸出中的交流分量(噪聲和紋波)。要從每個測量點(diǎn)減去均值。因此標(biāo)準(zhǔn)偏差是“交流”rms值。

rms值現(xiàn)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。