窗口模式
当我们进行信号比较时,例如将一新采集的波形和以前存贮的信号波形比较时,把这两个波形扫迹显示在示波器屏幕的不同区域会是很有用处的。为此,示波器又设有窗口模式,这个模式将示波器屏幕分成两个或多个区域以显示不同的扫迹,由于减小了显示波形幅度的情况下,还能获得优化的测量准确度,
2.3 自动测量和处理
自动测量
示波器用来显示信号的波形,并对诸如:峰〈一〉峰值幅度,RMS幅度、DC电平、频率、脉冲宽度、上升时间等波形参数进行测量。对于任何波形来说,这些波表参数都可以使用大家熟知的数学方法来测量计算,我们将在第六章对此进行介绍。
在使用模拟示波器的时候,用户只能进行手动测量,例如对屏幕上显示的波形曲线进行解释分析、在屏幕上计算格数以求出波形幅度和时间间隔,殖民地用数学定义算出测量结果,对于西藏的波形来说,这种方法虽然只能获得中等的准确度,但方法是可行的。而对于更加复杂的波形来说,使用这方法要困难得多,并且可能需要进行某些推测。
当使用DSO时,只要示波器已经采集了信号波形,就获得了所有的波形信息数据,根据这些数据就能自动计算出要测量的参数,得到更加准确,可靠的结果,整个过程极为迅速,简便。
多数DSO都能对一个或多个通道上的输入信号同时进行两个或我个参数的测量,困此可以用来进行信号间的比较,例如比较一个放大器或衰减器的输入和输出信号。
另外,如果示波器对存贮的波形和新采集的波形都能进行能进行参数测量,那将会是非常方便的。这就使我们能对实际信号的性能和标准信号的性能进行比较,也使我们可以观察时间对信号的响应变化或者对系统修改后的变化影响。
示波器上最完全的参数测量功能还应包括用统计形式给出测量结果,这就是说,在一个较长的波形采集期间中的任何时刻,示波器应给出某一特定测量参数的最小值,最大值和平均值,使用这一功能我们就可以发现一个系统性能变化的趋势而而无须连续监视示波器屏幕显示的内容。
应当记住,任何示波器的参数测量都是通过对采集的数据进行分析来进行的,所以,参数测量的结果都源于在示波器中存贮的采集到的波形,这就意味着,示波器的设置情况对参数测量和结果会有影响,例如,如果示波器的时基速度设置得比较慢,比如说设置为1ms/格,而要对一个估计为50ns至100ns的上升沿进行上升时间测量,那么由于采集过程中时间分辩集约的限制,我们就无法测出正确的结果,为了进行这项参数测量,我们应当把示波器的时基设置得足够快,例如设置为50ns/格以便以足够细的时间分辨率显示出被测波形的上升沿,见图35,
| 在第六章我们将详细讨论各种不同参数的定义、测量方法以及如何用手动和自动的方式进行这些参数的测量。
数字处理 示波器所采集的波形数据中包含了非常丰富的信息,用来显示这些数据的一种非常有用的形式就是波形显示,即用垂直坐标轴表示电压、用水平坐标轴表示时间。这就是Y-t显示方式。 |
图35 用统计的格式给出峰〈-〉
峰值电压和频率测量值的屏幕显示情况。
其中给出了这两个参数的的最小值,
平均值和最大值随时间的变化
另一种显示波形数据的方法是用两上通道的波形数据来画图。这时对显示的每个数据点来说,其水平位置代表一个通道的数据值,而其垂直位置则表示另一个通道的数据值,这种显示模式称为X对Y模式,或简称为X-Y模式,用这种模式,用户可以观察频率相关联的两个信号之间的相位或时间关系,X-Y模式对于测试相移器和滤波器极为有用,还可以和运动传感器配合使用来检查运动系统的振动情况。
在X-Y模式下,DSO比模拟示波器优越地地方在于这时DSO的带宽为示波器的全部采集带宽,而在X-Y模式下DSO显示的是在某一单个记录中所包含的采样点数据。这些数据只能表示在一个有限的时间期间(该记录的时间长度)的波形,而在X-Y模式下模拟示波器给出的是一个连续的,活的显示图形。
此外还有很多其它的方法用来从波形数据据中提取宝贵的信息,或者对数据进行运算以便用更加有用的格式来表示娄据中所包含的信息,这种运算通常称为波形的数学处理,这咱处理往往是由计算机来完成的,这就是说把采集到的波形传送给计算机,然后再作进一步的处理。
更新颖的DSO已经把这种数学处理能力装在了示波器内部,这可以靠示波器的主处理器或者另一个附加的数字信号处理器(DSP)来实现的。
一采用平均的方法来提高分辨率
平均的方法是把连续的各次波形采集的结果组合在一起,采用平均的方法可以减少叠加在信号上的噪音,经过平均处理以后的波形的第一个采样点都是由各次连续采集的波形上相同位置的采样值通过平均运算而获得的。
由于噪音的本质所决定,噪音对每次新的采集来说都是不同的,所以各次连续采集波形的采样值就会略有不同,通过平均减少了这种差别,获得了更加平滑的波形,但是并不影响带宽,然而,当使用平均的方法时,示波器要用更长的时间才能响应信息的变化。多数DSO的垂直分辨率为8比特。这就是说,采集的波形完全由256个不同的电压电平来表示,通过对各次连续采集的波形进行平均可以提高分辨率,进行平均计算时所用的连续采集波形数越多,垂直分辨率就越高。每当所用的连续采集波形数增加一倍时,垂直分辨率就增加一个比特。
一包络模式
当被测信号随着时间变化时,例如要观察信事情的幅度变化或者抖动现象时,观测在多次休集过程中波形记录中每个采样点位置的最小值和最大值都存贮下来,并以此构成波形显示,这样获得的显示波形表现了信号长期变化的积累效果,使得我们可以进行长时间的抖动测量或者长时间的幅度变化测量。见图36,
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一数字滤波 对波形进行滤波是一种通过对采集的波形数据进行数学处理以咸小波形带宽的得理过程。“滤波”一词说明这种处理功能和在示波器的输入端加入低通滤波器具有相同的效果。 |
图36使用和不使用包络模式两种情况下的抖动脉冲
数字滤波是通过把波形记录中的每个采样点和同一波表记录中与该点相邻的若干采样点进行平均来实现的。这样作的结果减小了信号的噪音,但同时也减少了带宽的目的是为了减小噪音。数字滤波也可用于单次信号的情况,而平均的方法却要求对重复性信号进行多次波形采集。
一波形比较,样板测试
示波器中存贮的波形可以和新采集的波形同时进行显示,例如,我们可以把一个已知好的设备的波形特性和有故障的设备的波形特性进行比较,在很多情况下,进行这种信号比较的目的在于检查该系统的性能是否符合其技术指标。在设备生产测试过程中,我们常常会遇到这种情况,使用具有“通过/不通过”测试能力的示波器我们可以非常容易地,全自动地进行这种信号比较工作,。首先,我们把标准信号及其允许的极限范围存贮在示波器的寄存器中,这些存贮的信息称为样板,接着示波器就从被测系统采集信号,并将每个新采集的信号和该样板进行比较。,如果采集的信号在样板的范围之内,则示波器指示“通过”,反之,则示波大就会报出“不通过”。图37所示
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一快速付里叶变换(FFT) 快速付里叶变换是一种数学运算方法。它从被测信号中提取信号所包含的各个频率分量,并将各个频率分量的幅度显示出来。 FFT对于发现信号失真的大小,确认复杂波形中包含的频率万分或者寻找系统间的相互干扰等工作都是非常有用的。 |
图37 信号的波形及其频率变换
一波表相乘
此功能最重要的应用是测量电功率,因为电功率的定义就是电流和电压的数学乘积,为了进行功率的测量,示波器就要同时采集电压和电流的小辈形,并将二者相乘,相乘后获得的波形则表示随时间变化的瞬时功率值。这种功率测量工作对于测试电源,功率放大器以及稳压器等都是非常重要的,因为在这些场合电流都比较大,而这些部件承受的功率大小都是很关键的指标。
一积分
积分可以给出一条曲线下的面保佑,使我们能够观察信号随着时间积累的总体效果,例如,连续充电过程对于电容器上的电荷量的总体效果,或者一个元件耗散功率的总体效果。
在测量机械系统时,如使用输出电压和系统加速度成正比的传感器,则此信号的积分映出的就是速度。
一微分
微分表示的是信号变化的速率,例如,一个电信号的摆动率(Slew rate)就是信号随时间变化曲线的微分。
一功率及损耗的测量
下面叙述的功率耗损测量是示波器处理能力的一个实际便子,一个元件可以承受一定的功率,此功率的定义为跨过元件两端的电压和流过元件的电流的乘积。在元件的设计中通常要对元件随功率的能力规定一个极限值,此极限值是由该功率在一定的时间里引起的元件温升来确定的。元件耗散的热量(即能量)是曲其瞬时功率和时间来决定的。
元件产生的热量可以通过测量其电压和电流值并将二者相乘来决定,两者相乘后获得的是以瓦特为单位的任一时刻的瞬时功率值,接着可以使用第二个数学处理功能进行积分,这样就可以得到以瓦秒为单位的总的功率耗损值,而3600000瓦秒等于1kwh这样通过换算我们就可以把元件的功耗值换算成我们日常付电费时常用的单位来表示。
2.4 接口
接口
在很多情况下,我们需要把示波器中的信号传往PC机,而在另一些情况下,我们可能希望用PC机来对示波器进行控制,这两种情况都要求示波器具有通讯能力。也就是说,示波器必须装有通讯硬件及其支持软件。我们称此通讯用软硬件为“接口”。常用的接口有两种,好RS-232接口和通用接口总线(GPIB),后者又称为IEEE-488总线,对多数示波器来说,这些通讯接口都是选件。
RS-232接口是一种串行接口,这种接口在PC机上一般用来通过调制解调器进行通讯,还用来连接鼠标器,打印机等设备。连接到PC机上的每个设备都需要单独占用PC机上的一个RS-232接口,也就是说在一台PC机上只能连接有限个设备,常常只能连接一个。
很多软件包都使用串行通讯方式,因为这种通讯方式要求对PC机的改动最小,并且可以使用比较简单的电缆,所以在示波器上配备这种软件比较容易。我们只要使用一台PC机就可以存贮示波器采集的波形以作后备之用。GPIB总线是一种为在仪器系统中使用而设计的的并行总线,这种总线允许多台仪器同时连至同一总线。这种总线还允许各仪器在测试协议之下随时(例如,当某台仪器在测量发生错误时)请求控制器给予注意,按GPIB总线的计算机可以是专用的GPIB控制器,但当今最常用的还是配有GPIB插卡的标准的PC机,由于GPIB插卡不是PC机的标准配置,所以必须另外加配。
供GPIB使用的软件通常都在计算机上生成一个完整的测试环境,将我台仪器集成为一个单独的测试系统。
打印机、绘图仪,硬考贝
使单次现象重复
在很多应用场合,我们遇到的信号都不是干净的正弦波或者方波,比如在医疗电子学中遇到的心电信号或者开关接点的“抖动”信号等都是这种情况。
当要对这种系统的工作情况进行测试时,最好使用和实际遇到的信号尽可能类似的信号来进行。
为了达到这一目的,人们研制出了任意波形发生器,对于一个任意波形发生器来说,其输出信号是用由一个数据“字”的矩形成的时间函数来表示的,把这一系列的数据“字”送往数模变换器(DAC)就产生了我们需要的输出电压。
任意波形发生器和数字存储示波器放在一起提供了一种很好的配合应用。DSO的独特能力在于捕捉实际信号的有关部分,并以数据“字”的形式将存存贮起来,然后把这个波形记录传送给任意波形发生器,使得任意波形发生器能随时根据需要不断重新产生原来捕捉的信号,甚至可以改变信号的幅度比例,改变信号的频率,或者将数据送往计算机作进一步的调整,使得任意波形发生器能够输出原始信号经过调整修改后的波形。
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