物盡其用，10大方法教你擴(kuò)展示波器用途

現(xiàn)有示波器的一些非傳統(tǒng)應(yīng)用可以讓你擴(kuò)展這種通用儀器的用途。你為示波器支付了大筆費(fèi)用，你應(yīng)該充分發(fā)揮它的價(jià)值。本文總結(jié)了十個(gè)可能令你驚奇的示波器應(yīng)用。其中任何一個(gè)應(yīng)用你都會(huì)發(fā)現(xiàn)非常有用。 目前的中檔示波器具有的功能實(shí)際上比大多數(shù)工程師曾用過(guò)的要多。本文總結(jié)了十個(gè)可能令你驚奇的示波器應(yīng)用。其中任何一個(gè)應(yīng)用你都會(huì)發(fā)現(xiàn)非常有用。 使用示波器的快速邊沿功能和數(shù)學(xué)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)測(cè)試 頻率響應(yīng)測(cè)量需要具有平坦頻譜的信號(hào)源。通過(guò)將示波器的快速邊沿測(cè)試信號(hào)用作階躍信號(hào)源，再利用示波器的衍生功能就可以得到待測(cè)設(shè)備的脈沖響應(yīng)。然后運(yùn)用快速傅里葉變換(FFT)功能獲得頻率響應(yīng)。圖1顯示了獲得輸入信號(hào)的頻率響應(yīng)和37MHz低通濾波器的頻率響應(yīng)的過(guò)程步驟。
圖1：先將快速邊沿測(cè)試信號(hào)加到濾波器的輸入端(左上)，然后用濾波器輸出(右上曲線(xiàn))對(duì)它進(jìn)行微分(右中)，最后求FFT的平均值(下右)，就可以得到濾波器的頻率響應(yīng)。左下邊曲線(xiàn)中的頻譜展示了微分過(guò)的階躍輸入信號(hào)的頻率平坦度。 快速邊沿測(cè)試信號(hào)的上升時(shí)間約為800ps，帶寬約為400MHz，比這次測(cè)量的100MHz范圍大得多。 使用示波器的低通數(shù)字濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行高通濾波 如果你的示波器能夠利用諸如增強(qiáng)分辨率(ERES)數(shù)學(xué)函數(shù)等功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，那么你就能對(duì)同樣的信號(hào)進(jìn)行高通濾波。注意，只有你能訪(fǎng)問(wèn)數(shù)字低通濾波器的輸入和輸出端時(shí)這個(gè)功能才能實(shí)現(xiàn)。圖2顯示了具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
圖2：從輸入信號(hào)(C1，頂部曲線(xiàn))中減去低通濾波后的波形(中間F1曲線(xiàn))形成的信號(hào)就具有高通特性，如數(shù)學(xué)曲線(xiàn)F2(底部曲線(xiàn))的頻譜所示。 輸入信號(hào)曲線(xiàn)C1是一個(gè)很窄的脈沖。數(shù)學(xué)曲線(xiàn)F1(中心曲線(xiàn))使用示波器的ERES數(shù)字濾波器對(duì)C1信號(hào)進(jìn)行濾波。從輸入信號(hào)中減去濾波器曲線(xiàn)后形成的信號(hào)就只有較高頻率的成分。曲線(xiàn)F2執(zhí)行減法操作，同時(shí)完成高通信號(hào)的FFT，因此你能看到高通特性。低通響應(yīng)跌至最大響應(yīng)0.293處的頻率就是高通濾波器的-3dB點(diǎn)。只對(duì)具有特定形狀或測(cè)量參數(shù)的信號(hào)進(jìn)行平均 能夠根據(jù)波形模板或參數(shù)化測(cè)量提供通過(guò)/失敗測(cè)試、并能將滿(mǎn)足通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)的波形存儲(chǔ)到內(nèi)存中的示波器可以有選擇地將這些波形加入到示波器的平均功能中。要啟用這項(xiàng)功能，首先要根據(jù)波形模板和/或處于目標(biāo)極限內(nèi)的測(cè)量參數(shù)輸入通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)通過(guò)的測(cè)試，要將波形存儲(chǔ)到內(nèi)部的存儲(chǔ)器中。啟動(dòng)平均功能對(duì)該內(nèi)存中的內(nèi)容進(jìn)行平均。結(jié)果是只有滿(mǎn)足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的波形才會(huì)加到平均內(nèi)容中。圖3顯示了這樣一個(gè)完整的過(guò)程。
圖3：只對(duì)波形模板中包含的那些波形進(jìn)行有選擇的平均。通道1曲線(xiàn)(C1)與模板不匹配，紅色圓圈指出了位于模板外的區(qū)域。最終接受的曲線(xiàn)被存儲(chǔ)在內(nèi)存曲線(xiàn)M1中，整個(gè)曲線(xiàn)都位于模板之內(nèi)。數(shù)學(xué)曲線(xiàn)F1顯示的累加平均曲線(xiàn)只是將落入模板中的波形進(jìn)行了平均累加。 通過(guò)/失敗測(cè)試是通過(guò)完全落入模板內(nèi)的波形(藍(lán)色顯示)的一種測(cè)試。滿(mǎn)足通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的波形被存儲(chǔ)在內(nèi)存M1中，并增加到功能曲線(xiàn)F1中的平均曲線(xiàn)中。不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的波形會(huì)被丟棄，永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)在平均曲線(xiàn)中。 通過(guò)使用排它型觸發(fā)器只捕獲異常事件來(lái)尋找間歇性事件 智能或先進(jìn)的觸發(fā)器可以根據(jù)寬度、周期或占空比等選定的波形特征進(jìn)行觸發(fā)。有幾家制造商的產(chǎn)品還能根據(jù)處于范圍之內(nèi)或范圍之外的智能觸發(fā)事件進(jìn)行觸發(fā)。這種觸發(fā)器就是排它型觸發(fā)器，它可以用來(lái)只對(duì)異常事件進(jìn)行觸發(fā)，如圖4所示。在這個(gè)例子中，示波器被設(shè)置為只對(duì)寬度超過(guò)48±0.8ns的脈沖進(jìn)行觸發(fā)。在遇到寬度為52.6ns的大脈沖發(fā)生之前這種觸發(fā)器是不會(huì)觸發(fā)的。因?yàn)槭静ㄆ髦粚?duì)寬度超過(guò)標(biāo)稱(chēng)值為48ns的脈沖進(jìn)行觸發(fā)，因此不存在刷新速率的問(wèn)題。平時(shí)它就處于"等待"狀態(tài)，直到異常脈沖寬度出現(xiàn)。
圖4：只對(duì)脈沖寬度超過(guò)48±0.8ns范圍的脈沖觸發(fā)的排它型觸發(fā)器。因此示波器只在遇到52.6ns的大脈沖時(shí)才被觸發(fā)，所有正常的48ns寬度脈沖都被示波器所忽略。將趨勢(shì)函數(shù)和觸發(fā)器延時(shí)用作自定時(shí)數(shù)據(jù)記錄器 趨勢(shì)圖是按采集的順序顯示的被測(cè)參數(shù)值圖形。圖5就是這樣一個(gè)例子。例子中采用靈敏度為39μV/℃的熱探頭測(cè)量振蕩器的內(nèi)部溫度。與此同時(shí)獲得在單個(gè)周期內(nèi)得出的頻率。每個(gè)趨勢(shì)中的100次測(cè)量都是經(jīng)過(guò)100次采集得到的。觸發(fā)源是振蕩器的輸出。正常情況下這會(huì)導(dǎo)致示波器以其標(biāo)稱(chēng)刷新率進(jìn)行觸發(fā)。為了防止發(fā)生這種現(xiàn)象，并且在兩次測(cè)量之間設(shè)置已知的延時(shí)，可以使用觸發(fā)器延時(shí)功能。使用觸發(fā)器延時(shí)功能可以將兩次采集之間的時(shí)間設(shè)為10秒，因此總的測(cè)量間隔是1000秒。再用參數(shù)化數(shù)學(xué)調(diào)整函數(shù)將溫度傳感器的電壓讀數(shù)轉(zhuǎn)換為攝氏度。
圖5：在1000秒時(shí)間內(nèi)采集到的內(nèi)部溫度(曲線(xiàn)F2)和振蕩器輸出頻率(曲線(xiàn)F1)的趨勢(shì)圖，它反映了振蕩器的熱響應(yīng)特性。 解調(diào)幅度調(diào)制信號(hào) 幅度調(diào)制(調(diào)幅)信號(hào)的包絡(luò)檢測(cè)方法需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行峰值檢測(cè)。峰值檢測(cè)可以通過(guò)整合絕對(duì)值數(shù)學(xué)函數(shù)和這種示波器中稱(chēng)被增強(qiáng)分辨率(ERES)的數(shù)字低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣能使精確地提取調(diào)制包絡(luò)形狀變得非常容易。圖6顯示了一個(gè)例子。左上邊的曲線(xiàn)是待采集的調(diào)幅信號(hào)。絕對(duì)值數(shù)學(xué)函數(shù)的應(yīng)用如左下邊的曲線(xiàn)所示，絕對(duì)值提供全波整流效果。
圖6：從調(diào)幅信號(hào)中提取調(diào)制包絡(luò)的步驟。絕對(duì)值用于檢測(cè)信號(hào)。ERES濾波可以消除高頻載波，從而產(chǎn)生干凈的調(diào)制包絡(luò)。 稀疏函數(shù)和ERES函數(shù)組合用于對(duì)絕對(duì)值進(jìn)行低通濾波，形成如右上邊曲線(xiàn)所示的調(diào)制包絡(luò)。 稀疏函數(shù)能夠有選擇地減少采集波形的采樣率，因此有助于設(shè)定作為采樣率函數(shù)的ERES低通濾波器的截止頻率。低通濾波器的截止頻率必須遠(yuǎn)小于載波頻率。 右下方格子中的曲線(xiàn)是輸入調(diào)幅信號(hào)的覆蓋縮放曲線(xiàn)，提取出的包絡(luò)顯示了該過(guò)程的保真性。接下來(lái)就可以直接對(duì)提取出的包絡(luò)進(jìn)行測(cè)量和進(jìn)一步分析。 檢測(cè)頻率、相位和脈寬調(diào)制的信號(hào) 許多中檔示波器都具有軌跡或時(shí)間趨勢(shì)功能，可以根據(jù)被測(cè)時(shí)序參數(shù)的周期性變化產(chǎn)生波形。軌跡功能在時(shí)間上與源波形是同步的，因此很容易將頻率、寬度或相位的變化與源波形關(guān)聯(lián)在一起。這樣就提供了解調(diào)調(diào)頻(FM)、調(diào)相(PM)或脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)的一種方法。圖7顯示了使用時(shí)間間隔誤差(TIE)參數(shù)的軌跡解調(diào)調(diào)相(PM)波形的一個(gè)例子。
圖7：使用TIE參數(shù)軌跡可以繪制出PM波形每個(gè)周期的瞬時(shí)相位與時(shí)間的關(guān)系圖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)相信號(hào)的解調(diào)。 TIE是跨越波形的閾值與跨越理想位置的閾值之間的時(shí)間差。實(shí)際上它就是信號(hào)的瞬時(shí)相位。因此TIE軌跡顯示了載波相位的周期性變化，可以用來(lái)產(chǎn)生相位變化在時(shí)間上與原始調(diào)制載波同步的波形。圖中的垂直刻度是時(shí)間單位，通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)整操作很容易轉(zhuǎn)換為相位。同樣，頻率參數(shù)軌跡可以顯示調(diào)頻載波的調(diào)制信號(hào)，脈沖寬度軌跡可以產(chǎn)生PWM解調(diào)。向示波器的快速傅里葉變換增加"最大值保持"功能 頻譜分析儀提供的峰值或最大值保持功能在掃正弦頻率響應(yīng)測(cè)量時(shí)非常有用。大多數(shù)示波器的FFT沒(méi)有提供這個(gè)功能，但它們提供最高或最大數(shù)學(xué)函數(shù)，與FFT結(jié)合起來(lái)就可以保持FFT中每個(gè)頻率單元點(diǎn)發(fā)生的最大幅度。圖8提供了該功能的一個(gè)例子。
圖8：紅色曲線(xiàn)F2(中心)顯示了掃頻正弦波FFT中的每個(gè)頻率的峰值或最大值。曲線(xiàn)F1(底部)是沒(méi)有應(yīng)用最高或最大值的FFT。F2描述符盒子顯示了最高功能的設(shè)置。 當(dāng)輸入正弦波在整個(gè)頻率范圍內(nèi)掃描時(shí)，曲線(xiàn)F2中顯示的最高(或最大)函數(shù)將保持FFT中每個(gè)頻率單元點(diǎn)的峰值幅度，因此允許用戶(hù)看到每個(gè)頻點(diǎn)的最大響應(yīng)。 計(jì)算單位為V2/Hz的波形功率譜密度 示波器FFT用對(duì)數(shù)形式的dBm和dBm/Hz為單位分別顯示功率譜和功率譜密度(PSD)。而諸如噪聲分析等應(yīng)用要求采用V2/Hz或V/√Hz等線(xiàn)性單位的功率譜密度。通過(guò)使用少量的FFT和重新調(diào)整數(shù)學(xué)函數(shù)運(yùn)算就可以完成線(xiàn)性刻度的功率譜密度測(cè)量。圖9顯示了這種測(cè)量的FFT設(shè)置。FFT輸出類(lèi)型被設(shè)為平方量級(jí)，以便用垂直單位V2顯示FFT。轉(zhuǎn)換到功率譜密度要求FFT歸一化為FFT的有效分辨率帶寬，也即分辨率帶寬(Δf)和所選加權(quán)函數(shù)的有效噪聲帶寬ENBW的乘積，詳見(jiàn)圖9中FFT設(shè)置的報(bào)告。
圖9：曲線(xiàn)C1是捕獲到的頻帶受限的噪聲信號(hào)。曲線(xiàn)F3是線(xiàn)性垂直刻度單位為V2/Hz的功率譜密度。參數(shù)P7讀取功率譜密度曲線(xiàn)下方的面積，并與時(shí)間波形的均方值進(jìn)行比較，后者是以參數(shù)P8中的曲線(xiàn)C1的標(biāo)準(zhǔn)偏差平方值計(jì)算的。 這種示波器將FFT讀作峰值，因此我們還必須將這個(gè)值轉(zhuǎn)換回均方值，這意味著將所有幅度值除以2。歸一化是用重新調(diào)整數(shù)學(xué)函數(shù)完成的，在本例中是將每個(gè)FFT幅度值乘以5×10-6。結(jié)果曲線(xiàn)如圖9中的F3所示，讀取的 功率譜密度的單位是V2/Hz。參數(shù)P2是輸入波形C1的標(biāo)準(zhǔn)偏差。這個(gè)值在參數(shù)P8中進(jìn)行了平方，是輸入信號(hào)的均方幅度。參數(shù)P7讀出功率譜密度曲線(xiàn)(F3)下方的面積為23.3mV2。它也報(bào)告均方幅度--在本例中從FFT得出的值為23.28mV2，用于確認(rèn)這個(gè)過(guò)程。使用縮放選通式FFT比較頻譜分量 偶爾你可能需要對(duì)捕獲波形的一小部分執(zhí)行FFT。這種情況通常是有疑問(wèn)波形在時(shí)間上發(fā)生變化時(shí)發(fā)生的。大多數(shù)示波器允許你通過(guò)FFT控制中的選通功能或在捕獲波形縮放基礎(chǔ)上計(jì)算FFT來(lái)選通FFT過(guò)程。記住，不管是哪種情況，F(xiàn)FT分辨率帶寬都將被確定為選通信號(hào)持續(xù)時(shí)間的倒數(shù)。由于選通部分短于整個(gè)波形，分辨率帶寬將增加，F(xiàn)FT頻率分辨率將降低。圖10顯示了對(duì)一個(gè)線(xiàn)性正弦掃描波形進(jìn)行選通式FFT分析的例子。正弦波的頻率在10ms掃描時(shí)長(zhǎng)內(nèi)從1MHz變化到80MHz(左上邊的曲線(xiàn)M1)。 在437μs和1.42ms點(diǎn)采集了兩個(gè)時(shí)長(zhǎng)為5μs的縮放波形(左中是曲線(xiàn)Z1，左下是Z2)。整個(gè)波形的FFT(右上的F1)顯示在整個(gè)掃描范圍內(nèi)具有統(tǒng)一的幅度。Z1和Z2的FFT顯示了掃描過(guò)程中在所選時(shí)點(diǎn)的頻率。
圖10：使用縮放功能選通FFT的例子。在437μs和1.42ms處采集的兩個(gè)5μs縮放波形顯示了作為時(shí)間函數(shù)的頻率的差別。 本文小結(jié) 現(xiàn)有示波器的一些非傳統(tǒng)應(yīng)用可以讓你擴(kuò)展這種通用儀器的用途。你為示波器支付了大筆費(fèi)用，你應(yīng)該充分發(fā)揮它的價(jià)值。幸運(yùn)的是，上述這些技巧有助于你做到這一點(diǎn)。