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 福利繼續！擴展示波器用途的另外十個技巧【上篇】

 

全部實例測量是示波器基于采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，用于展示被測參數隨時間的變化，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。

圖7：使用上升時間跟蹤參數尋找具有緩慢上升時間的單個波形周期。

 

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(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中所采集的波形是同步的。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于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沖。

 

 

隨機過程很難表征，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顯示了用于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范圍頻率內的噪聲功率可以通過在該范圍頻率內對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。

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圖8：用于噪聲分析的時間、頻率和統計域工具具有相關的參數測量。

 

 

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。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：

圖9：可以使用兩個相位電流和兩個線路電壓測量三線三相負載(電機)的功耗。

 

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。

圖10：使用兩個線路電壓和兩個相位電流測量方法測量三相電機消耗的功率。

 

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。

 

 

數字示波器是采樣型數據儀器。它們利用了著名的采樣理論——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。

圖11：可以用于平滑波形的三種技術例子。它們是sinx/x插值法、隨機交織采樣(RIS)法和持久軌跡平均法。

 

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。當屏幕上采樣點很少時，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采樣點數。如果數據是按采樣理論進行采樣的，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。脈沖邊沿將出現實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——一種等效時間采樣方法來增加有效的采樣率，并例采樣點靠得更近。圖11的上方第3條軌跡對此作了展示。如果波形是重復性的，打開顯示保留功能將產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(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個采樣點的值，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值和標準偏差相等。當信號均值為非零時，從每個數據點減去均值后的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。

圖12：使用標準偏差(sdev)測量3.3V電源輸出上噪聲和紋波的交流rms值。

 

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。

 

 

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。