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万用示波表 | 数字示波器 | 模拟示波器 | 虚拟示波器 |
波形示波器 | 信号发生器 | 函数发生器 |
预触发和后触发
在第一章中我们谈到,每次时基扫描都是由一个触发事件启动的。这样一来我们就只通用性研究观察触发时刻以后的信号变化情况。
触发位置
具有预触发或后触发延迟能力的示波器必须具有某种方法来控制延迟时间的大小,这可以用触发位置控制机构来完成。这个控制机构可以舍不得触发位置在屏幕上或者在采集记录中移动。
毛刺捕捉
图29所示的是一个带有快速的毛刺或尖峰的失真正弦波。产生这种波形的原因可能是由于其它电路的干扰,也可能是由于连线离被测系统过近的缘故。这些毛刺常常会引起系统发生误动作。那么,我们能用示波器来发现这些毛刺吗?
如果我们使用模拟示波器来观察,只有当毛刺信号是重复性的并且和主信号(即这个例子中的正弦波)同步时,我们才能看到毛刺信号。或者,如果我们的运气好,出现了很多的毛刺的朦胧形象。
示波器上的峰值检测功能是通过硬件(模拟)峰值检测器的方法或者快速采样的方法来实现的,模拟峰值检测器是一个专门的硬件电路,它以电容上电压的形式存贮信号的峰值,这种缺点是速度比较慢,它通常只能存贮宽度大于几个微秒且具有相当幅度的毛刺。
滚动模式
至此,我们已经知道DSO能用和模拟示波器类似的方式显示波形,从触发事件开始,标波器采集信号的采样点,并将其存于采集在储器中的连续位置中。一旦新的数据已将存储器的最后一个单元填满以后,采集过程既告结束,示波器就将采集存储器中的波形数据复制到显示存储器中去在此时期示波器不再采集新的数据,就像模拟示波器在时基复位期间不能显示波形扫迹一样。
由于有了这种滚动模式,我们就可以用示波器来代替图表记录仪来显示慢变化的现象,诸如化学过程、电池的充放电周期或温度对系统性能的影响等。
显示放大
在模拟示波器中,可以将进基放大10倍,以便详细观察信事情的细节。在DSO中显示的波形可以按大小不同的步进值放大,通常进基放大按2的幂次倍数放大,即按x2,x4,x8,x16,等倍数放大。
特殊的触发方式
DSO的存贮功能使它成为捕捉十分罕见、甚至于只发生一次的信号,例如单次事件或者系统闭锁等情况的极为有用的工具。为捕捉这些信号就要求示波器具有各种各样的触发方式去探测这些特殊的条件,以便启动波形采集。这实惠这一目的,只有边缘触发方式往往是不够的,为此又开发了若干附加的触动发能力。我们在此讨论其中的几种。
—图形触发
在逻辑硬件电路各,信号是由许多并行的线来传送的,整个硬件的瞬时状态则是由在给定时刻时这些线上的状态来表示的。为了识别硬件状态,就需要有一种仪器来检测这些线的状态。使用图形触发功能可以监视多条,例如4条线的状态,当探测到用户规定的图形(例如HHLH)或字时,示波器就被触发。由于图形触妇的设计是和数字逻辑配合使用的,因此,可以用来监视各条线的状态是为高(H)、低(L)、或者任意(X)。
—状态触发
逻辑硬件通常是围绕着一个中央时钟系统来构成的。其中的所有硬件都在时钟系统的指令之下来存贮其输入信号,因此我们的测试仪器也应依据同样的原则工作。当使用状态触发时。输入信号怕自理方法和图形触发时一样,只不过一在要把其中的一个输入信号当作时钟信号。如果示波器在时钟上升沿或下降沿时存贮的其余三条线的输入字和用户规定的触发定一致,则示波器新触发。
—毛刺触发
使用毛刺触发时,能引起系统误动作的窄脉冲,如毛刺、类峰等可以引起示波器触发。
—时间限定触发
这种触发方式使得示波器在满足一定的时间长度要求的条件下,可以按上述任何一种方式触发。这种时间长度要求可以是要注某一最小时间长度(如果时间长于某值则为有效),要求某一最大时间长度或者要求某一个从最小值到最大值的时间范围。时间限定触发对于按照系统不能满足正常工作条件来触发以对系统进行检测时非常肜的。还可有用这种触方式来探测连续工作信号发生的中断现象。
—事件延迟
这种触发方式使示波器多个信号的情况来触发,而其中的一个入号,用来延迟采集的超始点。触发周期是由一个主信号,通常为多个信号通道之一启动的。接收到主触发信号以后,示波器就开始检查第二个信号(这也可能还是那个主触发信号,但取不同的电平),并对这个信号上的触发事件进行计数,当达到预先规定的触发事件数时,示波器就开始采集波形,见图33。
典型应用实例为串行数据线、控制系统及机械环境等。
—N次周期
这种功能可以用来从输入信号中选出每个第N次出现的波形,然后将这种选出的信号加到正常触发系统来使示波器触发。当一个信号受到它的谐波的影响而失真,也就是说这个信号是周期性的但其各个周期并不完全相同,这种情况下,N次周期触发方式特别有用。例如,其一系统按一固定频率运行,但是每过12个脉冲,脉冲宽度就变得宽一些。这时可以选择“N=周期=12”,这样示波器就只对这些变宽的脉冲作出响应,引起触发。
波形存贮
被测信号的波形形存入存储器以后,可以将其复制到所谓的后备存储器或寄存器中,供以后进行分析或作参考及比较的目的使用,DSO中通常装有多个这种存储器可以按扫迹存储器的方式设置,这时示波器多通道采集的每一条扫迹将分别存贮,也可将后务存储器设置为记录存储器,这时示波器将多通道采集所有数据同时存贮了所有有关的时间信息。
显示算法,内插和点连接
我们在DSO屏幕上看到的波形是由存储器中的采样点重建出来的信号波形。这时示波器在屏幕上显示出这些采样点,并在这些采样点之间画出连线,这种波形显示的工作可以按几种方法来作,最简单的方法是在各个采样点之间用直线连接,这种京都我为线性内差,只要各采样点之间告得很近,例如每格50个采样点,用这种方法就能获得足够的重建波形,如果在信号跳变沿前后都采集了采样点,那么用这种方法就可以观察领事的沿,如果将显示的波形在水平方向放大,使得采集的采样点之间的距离变大,那么示波器屏幕上信号波形的亮度就会降低,所以,示波器是通过计算出内插的或显示的采样值来保持屏幕上显示的采样点数足够高,当屏幕上的波形在水平方向放大得很大时,在屏幕上显示出一条通过各采样点的连续的曲线就比在采点之间用直线连接要好得多,为此可用使用正弦内插法。采用这种方法时,在屏幕上将各个采集的采样点用幅度和频率均为可变的最佳正弦拟合曲线连接直来。采用了内插的方法以后,既使当屏幕上每格的采样点数较少时也能得到和模拟示波器显示波形类似的自然平滑的重建波形。
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。
—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。
—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。
—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。
—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”。
—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。
—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。
—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。
—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。
—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例子。
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。
打印机、绘图仪,硬考贝
在很多现场测试的场合,工程技术人员都需要获得某种形式的测量结果的硬拷贝,以便以后作为参考资料使用,或者设备报告发生错误动作时都需要查看以往的资料。
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