擴展示波器用途的另外十個技巧

先前的文章介紹了擴展中檔數字存儲示波器(DSO)基本功能的十個技巧(詳見：擴展示波器用途的十大技巧)，本文將介紹另外十個技巧，它們可以幫助你節省時間，並使你成為公司的DSO專家。你可以點擊下面的連結直接查看某個具體技巧。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/308839.htm

解調PWM信號

脈寬調製(PWM)被廣泛應用於開關電源和電機控制器。分析控制環路的動態情況要求觀察脈衝寬度隨時間的變化。如果你的示波器具有電源分析選件包，那麼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的波形的每個周期。示波器還應該包含依據測量到的參數產生波形的跟蹤功能。寬度或參數的跟蹤可以顯示每個周期脈寬隨時間的變化，並且與源軌跡同步。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設置中訪問。

圖1顯示了作為負載電流階躍變化(軌跡C2，從上數第3個)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 參數與時間關係的(底部軌跡)。縮放軌跡Z1(從上數第2個)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中那樣應用於跟蹤功能，其中參數P2到P4分別從跟蹤波形中讀取最大、最小、平均和最後一個脈衝寬度。

創建用於評估磁性器件的磁滯圖

用於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製作為磁場強度(H)函數的磁通密度(B)進行表徵。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建。圖2顯示了如何連接電感和信號發生器產生B/H曲線。

H是磁場強度，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，你可以使用重定標數學函數對磁場強度和磁通密度進行調整。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積分後的B/H曲線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軌跡F1進行積分，並在數學軌跡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。電流波形在數學軌跡F3中得到重新定標，並應用於水平軸。

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函數來完成。重定標允許用戶將波形乘上一個常數，然後再增加一個常數，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種標準電氣單位，包括特斯拉。

圖4顯示了數學軌跡F2的重定標設置。我們需要將電壓波形的積分除以20×10-6，但因為重定標函數隻提供與常數的相乘，因為我們需要使用倒數或50×103。覆蓋單位複選框打上勾後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乘以想要的常數就可以實現積分輸出(數學軌跡F1)的重定標。F2數學軌跡的垂直坐標現在的讀取單位就是特斯拉了。同樣，數學軌跡F3用於將測量得到的電流重定標為磁場強度。

創建帶通濾波器

你曾經有過用帶通濾波器將目標信號與相鄰通道幹擾隔離開來的需求嗎?大多數中檔示波器都包含有增強解析度(ERES)數學函數形式的低通濾波器，但沒有帶通濾波器，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是一種窄脈衝輸入信號。設置好的數學函數F1用於對通道1的輸入進行低通濾波。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。在數學函數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中的第二次數學操作是另外一個截止頻率為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)顯示了輸入快速傅立葉變換(FFT)的頻譜。F4(右中)是低通濾波過後的輸入頻譜。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。可選的串行觸發器和解碼功能可以根據規定的串行標準對數據進行操作。另外一種串行圖案捕捉技術是使用案例所用示波器中被稱為WaveScan的示波器搜索功能。這種數據搜尋引擎包含在所有這家供貨商的中檔示波器中，其它製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輸入的二進位或16進位長度值搜索從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。這些參數包含在「NRZ-to-Digital」卡片內用於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，WaveScan的7個動作中任何一個都可以被觸發。圖6所示例子已經停止了採集。

發現信號異常

全部實例測量是示波器基於採集波形每個周期進行時序測量的能力。如果你測量每個周期，你可以顯示跟蹤圖，用於展示被測參數隨時間的變化，而該變化與採集的信號輸入是完全同步的。圖7包含這一功能的例子。

採集信號是一個具有781個周期的4MHz正弦波。從上升時間參數(P1)統計數據看，我們可以發現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。最小值是接近平均值的2.8ns，但最大值是27ns。打開上升時間跟蹤曲線數學軌跡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中所採集的波形是同步的。跟蹤到的上升時間最大值是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，同時應用多次縮放功能進行水平跟蹤，我們可以擴展它們尋找到對應於最大周期值的單個周期。

這是全部實例測量的優勢。你可以見到以單個周期為基礎的波形時序變化。這種技術可以代替使用WaveScan搜索功能尋找具有緩慢上升時間的這種脈衝。噪聲測量工具

隨機過程很難表徵，因為沒有哪次測量能夠提供有關前次或下次測量的任何信息。只有通過觀察累積測量結果才能了解到你正在研究的過程。圖8顯示了用於測量噪聲等隨機過程的基本工具。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了解隨機噪聲信號的特徵。用於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，因此一個頻段或一定範圍頻率內的噪聲功率可以通過在該範圍頻率內對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的估計。這個數據可以用柱狀圖參數來解釋。圖8顯示了三個柱狀圖參數，即柱狀圖平均值(P5中的hmean)、柱狀圖標準偏差(P6中的hsdev)和範圍(P7)。這些是柱狀圖分布的均值、標準偏差和範圍。這三張圖可以快速表徵噪聲。

三相功率測量

用於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。三線三相負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。

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中參數數學公式計算)——是電機消耗的總有效功率。

波形軌跡平滑

數字示波器是採樣型數據儀器。它們利用了著名的採樣理論——如果以大於某波形所含最高頻率兩倍的速率對該波形進行採樣，那麼就可以在不丟失信息的條件下重建這個波形。這個採樣過程的結果是，數字示波器中的波形軌跡由許多數據點組成，如圖11所示。

這是一個完全正確的波形，但理解起來有點難度。以某種連續形式觀察這些波形的最簡單方法是用線將這些點連起來。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。當屏幕上採樣點很少時，這個例子只有50個點，線性插值法經常出現不連續性。一種解決方案是增加採樣點數。如果數據是按採樣理論進行採樣的，那麼就可以利用諸如sin(x)/x等插值函數增加採樣點數。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，與原始採樣數據相比採樣點數增加了10倍。

sin(x)/x插值方法的一個缺點是，如果波形有快速邊沿，就像脈衝波形中的那樣，就可能超過奈奎斯特極限，並且頻率分量有可能超過採樣頻率的一半。在這種情況下，sin(x)/x插值法就無效了，波形會失真。脈衝邊沿將出現實際波形中不存在的上衝和下衝現象，即所謂的「吉布斯耳朵」(Gibbs ears.)。

如果波形是重複性的，可以使用隨機交織採樣——一種等效時間採樣方法來增加有效的採樣率，並例採樣點靠得更近。圖11的上方第3條軌跡對此作了展示。如果波形是重複性的，打開顯示保留功能將產生僅基於採樣值的平滑波形，如圖11中下方軌跡所示，其中被稱為持久軌跡平均的先進數學工具提供了捕捉持久顯示器上每個點均值的能力。

均方根和標準偏差

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

其中N是波形中的點數，Vn是第n個採樣點的值。

標準偏差被定義為：

其中N是波形中的點數，Vn是第n個採樣點的值，mean是V的平均值。

對於零均值的波形來說，上面兩個公式是一致的，rms值和標準偏差相等。當信號均值為非零時，從每個數據點減去均值後的sdev值就是減去均值後樣本的rms值。因此sdev是真正的交流rms值(在減去均值後的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進行讀取。這是與紋波和噪聲無關的標稱直流輸出。rms值P2同時包含了均值、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)。要從每個測量點減去均值。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值後就可以計算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。