【導讀】現有示波器的一些非傳統應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，你應該充分發揮它的價值。本文總結了十個可能令你驚奇的示波器應用。其中任何一個應用你都會發現非常有用。
目前的中檔示波器具有的功能實際上比大多數工程師曾用過的要多。本文總結了十個可能令你驚奇的示波器應用。其中任何一個應用你都會發現非常有用。
使用示波器的快速邊沿功能和數學運算實現頻率響應測試
頻率響應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備的脈沖響應。然后運用快速傅里葉變換(FFT)功能獲得頻率響應。圖1顯示了獲得輸入信號的頻率響應和37MHz低通濾波器的頻率響應的過程步驟。
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。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)數學函數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，只有你能訪問數字低通濾波器的輸入和輸出端時這個功能才能實現。圖2顯示了具體實現過程。
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，如數學曲線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。數學曲線F1(中心曲線)使用示波器的ERES數字濾波器對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。低通響應跌至最大響應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的信號進行平均
能夠根據波形模板或參數化測量提供通過/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，首先要根據波形模板和/或處于目標極限內的測量參數輸入通過/失敗標準。針對通過的測試，要將波形存儲到內部的存儲器中。啟動平均功能對該內存中的內容進行平均。結果是只有滿足測試標準的波形才會加到平均內容中。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域。最終接受的曲線被存儲在內存曲線M1中，整個曲線都位于模板之內。數學曲線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，永遠不會出現在平均曲線中。
通過使用排它型觸發器只捕獲異常事件來尋找間歇性事件
智能或先進的觸發器可以根據寬度、周期或占空比等選定的波形特征進行觸發。有幾家制造商的產品還能根據處于范圍之內或范圍之外的智能觸發事件進行觸發。這種觸發器就是排它型觸發器，它可以用來只對異常事件進行觸發，如圖4所示。在這個例子中，示波器被設置為只對寬度超過48±0.8ns的脈沖進行觸發。在遇到寬度為52.6ns的大脈沖發生之前這種觸發器是不會觸發的。因為示波器只對寬度超過標稱值為48ns的脈沖進行觸發，因此不存在刷新速率的問題。平時它就處于"等待"狀態，直到異常脈沖寬度出現。
圖4：只對脈沖寬度超過48±0.8ns范圍的脈沖觸發的排它型觸發器。因此示波器只在遇到52.6ns的大脈沖時才被觸發，所有正常的48ns寬度脈沖都被示波器所忽略。
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將趨勢函數和觸發器延時用作自定時數據記錄器
趨勢圖是按采集的順序顯示的被測參數值圖形。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部溫度。與此同時獲得在單個周期內得出的頻率。每個趨勢中的100次測量都是經過100次采集得到的。觸發源是振蕩器的輸出。正常情況下這會導致示波器以其標稱刷新率進行觸發。為了防止發生這種現象，并且在兩次測量之間設置已知的延時，可以使用觸發器延時功能。使用觸發器延時功能可以將兩次采集之間的時間設為10秒，因此總的測量間隔是1000秒。再用參數化數學調整函數將溫度傳感器的電壓讀數轉換為攝氏度。
圖5：在1000秒時間內采集到的內部溫度(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特性。
解調幅度調制信號
幅度調制(調幅)信號的包絡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學函數和這種示波器中稱被增強分辨率(ERES)的數字低通濾波器來實現。這樣能使精確地提取調制包絡形狀變得非常容易。圖6顯示了一個例子。左上邊的曲線是待采集的調幅信號。絕對值數學函數的應用如左下邊的曲線所示，絕對值提供全波整流效果。
圖6：從調幅信號中提取調制包絡的步驟。絕對值用于''''檢測''''信號。ERES濾波可以消除高頻載波，從而產生干凈的調制包絡。
稀疏函數和ERES函數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制包絡。
稀疏函數能夠有選擇地減少采集波形的采樣率，因此有助于設定作為采樣率函數的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幅信號的覆蓋縮放曲線，提取出的包絡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進行測量和進一步分析。
檢測頻率、相位和脈寬調制的信號
許多中檔示波器都具有軌跡或時間趨勢功能，可以根據被測時序參數的周期性變化產生波形。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聯在一起。這樣就提供了解調調頻(FM)、調相(PM)或脈寬調制(PWM)信號的一種方法。圖7顯示了使用時間間隔誤差(TIE)參數的軌跡解調調相(PM)波形的一個例子。
圖7：使用TIE參數軌跡可以繪制出PM波形每個周期的瞬時相位與時間的關系圖，從而實現對調相信號的解調。
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，可以用來產生相位變化在時間上與原始調制載波同步的波形。圖中的垂直刻度是時間單位，通過簡單的調整操作很容易轉換為相位。同樣，頻率參數軌跡可以顯示調頻載波的調制信號，脈沖寬度軌跡可以產生PWM解調。
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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測量時非常有用。大多數示波器的FFT沒有提供這個功能，但它們提供最高或最大數學函數，與FFT結合起來就可以保持FFT中每個頻率單元點發生的最大幅度。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)是沒有應用最高或最大值的FFT。F2描述符盒子顯示了最高功能的設置。
當輸入正弦波在整個頻率范圍內掃描時，曲線F2中顯示的最高(或最大)函數將保持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。
計算單位為V2/Hz的波形功率譜密度
示波器FFT用對數形式的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和重新調整數學函數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設置。FFT輸出類型被設為平方量級，以便用垂直單位V2顯示FFT。轉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)和所選加權函數的有效噪聲帶寬ENBW的乘積，詳見圖9中FFT設置的報告。
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。歸一化是用重新調整數學函數完成的，在本例中是將每個FFT幅度值乘以5×10-6。結果曲線如圖9中的F3所示，讀取的 功率譜密度的單位是V2/Hz。參數P2是輸入波形C1的標準偏差。這個值在參數P8中進行了平方，是輸入信號的均方幅度。參數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行FFT。這種情況通常是有疑問波形在時間上發生變化時發生的。大多數示波器允許你通過FFT控制中的選通功能或在捕獲波形縮放基礎上計算FFT來選通FFT過程。記住，不管是哪種情況，FFT分辨率帶寬都將被確定為選通信號持續時間的倒數。由于選通部分短于整個波形，分辨率帶寬將增加，FFT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具有統一的幅度。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的頻率的差別。
本文小結
現有示波器的一些非傳統應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，你應該充分發揮它的價值。幸運的是，上述這些技巧有助于你做到這一點。
