【導(dǎo)讀】現(xiàn)有示波器的一些非傳統(tǒng)應(yīng)用可以讓你擴展這種通用儀器的用途。你為示波器支付了大筆費用，你應(yīng)該充分發(fā)揮它的價值。本文總結(jié)了十個可能令你驚奇的示波器應(yīng)用。其中任何一個應(yīng)用你都會發(fā)現(xiàn)非常有用。
目前的中檔示波器具有的功能實際上比大多數(shù)工程師曾用過的要多。本文總結(jié)了十個可能令你驚奇的示波器應(yīng)用。其中任何一個應(yīng)用你都會發(fā)現(xiàn)非常有用。
使用示波器的快速邊沿功能和數(shù)學(xué)運算實現(xiàn)頻率響應(yīng)測試
頻率響應(yīng)測量需要具有平坦頻譜的信號源。通過將示波器的快速邊沿測試信號用作階躍信號源，再利用示波器的衍生功能就可以得到待測設(shè)備的脈沖響應(yīng)。然后運用快速傅里葉變換(FFT)功能獲得頻率響應(yīng)。圖1顯示了獲得輸入信號的頻率響應(yīng)和37MHz低通濾波器的頻率響應(yīng)的過程步驟。
圖1：先將快速邊沿測試信號加到濾波器的輸入端(左上)，然后用濾波器輸出(右上曲線)對它進行微分(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)。左下邊曲線中的頻譜展示了微分過的階躍輸入信號的頻率平坦度。
快速邊沿測試信號的上升時間約為800ps，帶寬約為400MHz，比這次測量的100MHz范圍大得多。
使用示波器的低通數(shù)字濾波器對輸入信號進行高通濾波
如果你的示波器能夠利用諸如增強分辨率(ERES)數(shù)學(xué)函數(shù)等功能對信號進行低通濾波，那么你就能對同樣的信號進行高通濾波。注意，只有你能訪問數(shù)字低通濾波器的輸入和輸出端時這個功能才能實現(xiàn)。圖2顯示了具體實現(xiàn)過程。
圖2：從輸入信號(C1，頂部曲線)中減去低通濾波后的波形(中間F1曲線)形成的信號就具有高通特性，如數(shù)學(xué)曲線F2(底部曲線)的頻譜所示。
輸入信號曲線C1是一個很窄的脈沖。數(shù)學(xué)曲線F1(中心曲線)使用示波器的ERES數(shù)字濾波器對C1信號進行濾波。從輸入信號中減去濾波器曲線后形成的信號就只有較高頻率的成分。曲線F2執(zhí)行減法操作，同時完成高通信號的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。
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只對具有特定形狀或測量參數(shù)的信號進行平均
能夠根據(jù)波形模板或參數(shù)化測量提供通過/失敗測試、并能將滿足通過/失敗標準的波形存儲到內(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。要啟用這項功能，首先要根據(jù)波形模板和/或處于目標極限內(nèi)的測量參數(shù)輸入通過/失敗標準。針對通過的測試，要將波形存儲到內(nèi)部的存儲器中。啟動平均功能對該內(nèi)存中的內(nèi)容進行平均。結(jié)果是只有滿足測試標準的波形才會加到平均內(nèi)容中。圖3顯示了這樣一個完整的過程。
圖3：只對波形模板中包含的那些波形進行有選擇的平均。通道1曲線(C1)與模板不匹配，紅色圓圈指出了位于模板外的區(qū)域。最終接受的曲線被存儲在內(nèi)存曲線M1中，整個曲線都位于模板之內(nèi)。數(shù)學(xué)曲線F1顯示的累加平均曲線只是將落入模板中的波形進行了平均累加。
通過/失敗測試是通過完全落入模板內(nèi)的波形(藍色顯示)的一種測試。滿足通過標準的波形被存儲在內(nèi)存M1中，并增加到功能曲線F1中的平均曲線中。不滿足標準的波形會被丟棄，永遠不會出現(xiàn)在平均曲線中。
通過使用排它型觸發(fā)器只捕獲異常事件來尋找間歇性事件
智能或先進的觸發(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)事件進行觸發(fā)。這種觸發(fā)器就是排它型觸發(fā)器，它可以用來只對異常事件進行觸發(fā)，如圖4所示。在這個例子中，示波器被設(shè)置為只對寬度超過48±0.8ns的脈沖進行觸發(fā)。在遇到寬度為52.6ns的大脈沖發(fā)生之前這種觸發(fā)器是不會觸發(fā)的。因為示波器只對寬度超過標稱值為48ns的脈沖進行觸發(fā)，因此不存在刷新速率的問題。平時它就處于"等待"狀態(tài)，直到異常脈沖寬度出現(xiàn)。
圖4：只對脈沖寬度超過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的大脈沖時才被觸發(fā)，所有正常的48ns寬度脈沖都被示波器所忽略。
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將趨勢函數(shù)和觸發(fā)器延時用作自定時數(shù)據(jù)記錄器
趨勢圖是按采集的順序顯示的被測參數(shù)值圖形。圖5就是這樣一個例子。例子中采用靈敏度為39μV/℃的熱探頭測量振蕩器的內(nèi)部溫度。與此同時獲得在單個周期內(nèi)得出的頻率。每個趨勢中的100次測量都是經(jīng)過100次采集得到的。觸發(fā)源是振蕩器的輸出。正常情況下這會導(dǎo)致示波器以其標稱刷新率進行觸發(fā)。為了防止發(fā)生這種現(xiàn)象，并且在兩次測量之間設(shè)置已知的延時，可以使用觸發(fā)器延時功能。使用觸發(fā)器延時功能可以將兩次采集之間的時間設(shè)為10秒，因此總的測量間隔是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秒時間內(nèi)采集到的內(nèi)部溫度(曲線F2)和振蕩器輸出頻率(曲線F1)的趨勢圖，它反映了振蕩器的熱響應(yīng)特性。
解調(diào)幅度調(diào)制信號
幅度調(diào)制(調(diào)幅)信號的包絡(luò)檢測方法需要對信號進行峰值檢測。峰值檢測可以通過整合絕對值數(shù)學(xué)函數(shù)和這種示波器中稱被增強分辨率(ERES)的數(shù)字低通濾波器來實現(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顯示了一個例子。左上邊的曲線是待采集的調(diào)幅信號。絕對值數(shù)學(xué)函數(shù)的應(yīng)用如左下邊的曲線所示，絕對值提供全波整流效果。
圖6：從調(diào)幅信號中提取調(diào)制包絡(luò)的步驟。絕對值用于''''檢測''''信號。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)組合用于對絕對值進行低通濾波，形成如右上邊曲線所示的調(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小于載波頻率。
右下方格子中的曲線是輸入調(diào)幅信號的覆蓋縮放曲線，提取出的包絡(luò)顯示了該過程的保真性。接下來就可以直接對提取出的包絡(luò)進行測量和進一步分析。
檢測頻率、相位和脈寬調(diào)制的信號
許多中檔示波器都具有軌跡或時間趨勢功能，可以根據(jù)被測時序參數(shù)的周期性變化產(chǎn)生波形。軌跡功能在時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)信號的一種方法。圖7顯示了使用時間間隔誤差(TIE)參數(shù)的軌跡解調(diào)調(diào)相(PM)波形的一個例子。
圖7：使用TIE參數(shù)軌跡可以繪制出PM波形每個周期的瞬時相位與時間的關(guān)系圖，從而實現(xiàn)對調(diào)相信號的解調(diào)。
TIE是跨越波形的閾值與跨越理想位置的閾值之間的時間差。實際上它就是信號的瞬時相位。因此TIE軌跡顯示了載波相位的周期性變化，可以用來產(chǎn)生相位變化在時間上與原始調(diào)制載波同步的波形。圖中的垂直刻度是時間單位，通過簡單的調(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，脈沖寬度軌跡可以產(chǎn)生PWM解調(diào)。
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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)測量時非常有用。大多數(shù)示波器的FFT沒有提供這個功能，但它們提供最高或最大數(shù)學(xué)函數(shù)，與FFT結(jié)合起來就可以保持FFT中每個頻率單元點發(fā)生的最大幅度。圖8提供了該功能的一個例子。
圖8：紅色曲線F2(中心)顯示了掃頻正弦波FFT中的每個頻率的峰值或最大值。曲線F1(底部)是沒有應(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)輸入正弦波在整個頻率范圍內(nèi)掃描時，曲線F2中顯示的最高(或最大)函數(shù)將保持FFT中每個頻率單元點的峰值幅度，因此允許用戶看到每個頻點的最大響應(yīng)。
計算單位為V2/Hz的波形功率譜密度
示波器FFT用對數(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等線性單位的功率譜密度。通過使用少量的FFT和重新調(diào)整數(shù)學(xué)函數(shù)運算就可以完成線性刻度的功率譜密度測量。圖9顯示了這種測量的FFT設(shè)置。FFT輸出類型被設(shè)為平方量級，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，詳見圖9中FFT設(shè)置的報告。
圖9：曲線C1是捕獲到的頻帶受限的噪聲信號。曲線F3是線性垂直刻度單位為V2/Hz的功率譜密度。參數(shù)P7讀取功率譜密度曲線下方的面積，并與時間波形的均方值進行比較，后者是以參數(shù)P8中的曲線C1的標準偏差平方值計算的。
這種示波器將FFT讀作峰值，因此我們還必須將這個值轉(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FFT幅度值乘以5×10-6。結(jié)果曲線如圖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的標準偏差。這個值在參數(shù)P8中進行了平方，是輸入信號的均方幅度。參數(shù)P7讀出功率譜密度曲線(F3)下方的面積為23.3mV2。它也報告均方幅度--在本例中從FFT得出的值為23.28mV2，用于確認這個過程。
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使用縮放選通式FFT比較頻譜分量
偶爾你可能需要對捕獲波形的一小部分執(zhí)行FFT。這種情況通常是有疑問波形在時間上發(fā)生變化時發(fā)生的。大多數(shù)示波器允許你通過FFT控制中的選通功能或在捕獲波形縮放基礎(chǔ)上計算FFT來選通FFT過程。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持續(xù)時間的倒數(shù)。由于選通部分短于整個波形，分辨率帶寬將增加，F(xiàn)FT頻率分辨率將降低。圖10顯示了對一個線性正弦掃描波形進行選通式FFT分析的例子。正弦波的頻率在10ms掃描時長內(nèi)從1MHz變化到80MHz(左上邊的曲線M1)。
在437μs和1.42ms點采集了兩個時長為5μs的縮放波形(左中是曲線Z1，左下是Z2)。整個波形的FFT(右上的F1)顯示在整個掃描范圍內(nèi)具有統(tǒng)一的幅度。Z1和Z2的FFT顯示了掃描過程中在所選時點的頻率。
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5μs縮放波形顯示了作為時間函數(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)用可以讓你擴展這種通用儀器的用途。你為示波器支付了大筆費用，你應(yīng)該充分發(fā)揮它的價值。幸運的是，上述這些技巧有助于你做到這一點。
