波形和信號分析

今天幾乎所有的消費產品都有電子電路。無論產品是簡單還是復雜，如果它包括電子元件，設計、驗證和調試過程都需要示波器來分析使產品栩栩如生的眾多電信號。

示波器基礎

到底什么是示波器？很簡單，示波器是一種診斷儀器，可以繪制電信號圖。這個簡單的圖表可以告訴您有關信號的許多信息，例如：

信號的時間和電壓值。

振蕩信號的頻率。

由信號表示的電路的“運動部件”。

信號的特定部分相對于其他部分出現的頻率。

是否有故障組件使信號失真。

多少信號是直流電 (DC) 或交流電 (AC)。

信號中有多少是噪聲以及噪聲是否隨時間變化3002

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示波器的圖表

在最基本的層面上，示波器的電信號圖顯示了信號如何隨時間變化（圖 2）：

圖 2：顯示波形的 X、Y 和 Z 分量。

顯示器的強度或亮度有時稱為 Z 軸。在數字熒光示波器 (DPO) 中，Z 軸可以通過顯示器的顏色分級來表示（圖 3）。

圖 3：具有 Z 軸強度分級的兩個偏移時鐘模式。

信號完整性的意義

示波器的一個主要優點是它能夠準確地重建信號。信號的重構越好，信號的完整性就越高。這是考慮信號完整性的一種方法。示波器類似于捕獲信號圖像的相機，然后您可以觀察和解釋。幾個關鍵問題是信號完整性的核心：

當你拍照時，它是否準確地反映了實際發生的事情？

圖片是清晰還是模糊？

您每秒可以拍攝多少張準確的照片？

示波器的不同系統和性能有助于其提供盡可能高的信號完整性。探頭還會影響測量系統的信號完整性。

本入門手冊可幫助您了解所有這些元素，以便您可以選擇和使用適合您應用的示波器。在開始評估示波器之前，您需要了解波形和波形測量的基礎知識。

本章介紹了這些信息。這是讓示波器為您工作的基礎。

了解波形和波形測量

隨時間重復的模式的通用術語是波浪。聲波、腦波、海浪

和電壓波都是重復的模式。一個示波器測量電壓波形。波形是波的圖形表示。

諸如振動、溫度之類的物理現象或諸如電流或功率之類的電氣現象可以通過傳感器轉換為電壓。波的一個周期是波中重復的部分。電壓波形在橫軸上表示時間，在縱軸上表示電壓。

波形形狀揭示了關于信號的大量信息。每當您看到波形高度發生變化時，您就知道電壓發生了變化。任何時候只要有一條平坦的水平線，您就知道在這段時間內沒有變化。

直線、對角線表示線性變化；電壓以穩定的速率上升或下降。波形上的銳角表示突變。圖 4 顯示了常見的波形。

圖 4：常見波形

圖 5 顯示了常見波形的來源，例如電源插座、計算機、汽車和電視。

圖 5：常見波形的來源

波浪的類型

您可以將大多數波分為以下類型：

正弦波。

方波和矩形波。

鋸齒波和三角波。

步進和脈沖形狀。

周期性和非周期性信號。

同步和異步信號。

復雜的波。

接下來，我們將研究每種類型的波。

正弦波

正弦波是基本波形有幾個原因。它具有和諧的數學特性“€??它與您可能在三角學課上學習過的正弦形狀相同。

墻上插座中的電壓隨正弦波變化。信號發生器的振蕩器電路產生的測試信號通常是正弦波.

大多數交流電源都會產生正弦波（AC 表示交流電，盡管電壓也會交替變化；DC 表示直流電，這意味著穩定的電流和電壓，例如電池產生的。）阻尼正弦波是一種特殊情況，您可以在一個振蕩的電路中看到，但隨著時間的推移逐漸減弱。

方波和矩形波

方波是另一種常見的波形。基本上，方波是一種定期打開和關閉（或變高變低）的電壓。它是用于測試放大器的標準波。好的放大器以最小的失真增加方波的幅度。

電視、收音機和計算機電路經常使用方波作為定時信號。矩形波與方波類似，只是高低時間間隔不等長。在分析數字電路時，這一點尤為重要。

鋸齒波和三角波

鋸齒波和三角波由設計用于線性控制電壓的電路產生，例如模擬示波器的水平掃描或電視的光柵掃描。

這些波的電壓電平之間的轉換以恒定速率變化。這些過渡稱為斜坡。

步進和脈沖形狀

很少或非周期性出現的階躍和脈沖等信號稱為單脈沖或瞬態信號。

階躍表示電壓的突然變化，類似于打開電源開關時看到的電壓變化。

脈沖表示電壓的突然變化，類似于您打開電源開關然后再次關閉時看到的電壓變化。脈沖可能代表通過計算機電路傳輸的一位信息，也可能是電路中的故障或缺陷。

一起傳播的脈沖集合形成一個脈沖序列。計算機中的數字組件使用脈沖相互通信。這些脈沖可以是串行數據流的形式，或者可以使用多條信號線來表示并行數據總線中的一個值。脈沖在 X 射線、雷達和通信設備中也很常見。

周期性和非周期性信號

重復信號稱為周期信號，而不斷變化的信號稱為非周期信號。靜止圖像類似于周期性信號，而電影類似于非周期性信號。

同步和異步信號

當兩個信號之間存在時序關系時，這些信號稱為同步信號。計算機內部的時鐘、數據和地址信號是同步信號的示例。

異步信號是不存在時序關系的信號。由于觸摸計算機鍵盤上的鍵的行為與計算機內部的時鐘之間不存在時間相關性，因此這些信號被認為是異步的。

復波

一些波形結合了正弦波、方波、階躍和脈沖的特性來產生復雜的波形。信號信息可以以幅度、相位和/或頻率變化的形式嵌入。

例如，雖然圖 6 中的信號是普通的復合視頻信號，但它是由嵌入在低頻包絡中的許多周期的高頻波形組成的。

在此示例中，了解步驟的相對級別和時間關系非常重要。要查看此信號，您需要一個示波器，它可以捕獲低頻包絡并以強度分級的方式混合高頻波，以便您可以將它們的整體組合視為可以直觀解釋的圖像。

數字熒光示波器 (DPO) 最適合查看復雜的波形，例如圖 6 中所示的視頻信號。它們的顯示器提供了必要的出現頻率信息或強度分級，這對于了解波形的真實情況至關重要正在做。

一些示波器可以以特殊方式顯示某些類型的復雜波形。例如，電信數據可以顯示為眼圖或星座圖：

圖 6：NTSC 復合視頻信號是復合波的一個示例。

電信數字數據信號可以在示波器上顯示為一種特殊類型的波形，稱為眼圖。該名稱來自于波形與一系列眼睛的相似性（圖 7）。

當來自接收器的數字數據被采樣并應用于垂直輸入時，會產生眼圖，而數據速率用于觸發水平掃描。眼圖顯示一位或單位間隔的數據，所有可能的邊緣轉換和狀態疊加在一個綜合視圖中。

圖 7：622 Mb/s 串行數據眼圖。

星座圖是由數字調制方案（例如正交幅度調制或相移鍵控）調制的信號的表示。

星座圖。

波形測量

許多術語用于描述您使用示波器進行的測量類型。接下來，我們將看看一些最常見的測量和術語。

頻率和周期

如果一個信號重復，它就有一個頻率。頻率以赫茲 (Hz) 為單位，是信號在一秒鐘內重復的次數。這也稱為每秒周期數。

重復信號也有一個周期，即信號完成一個周期所需的時間。

周期和頻率互為倒數，因此：

圖 8：正弦波的頻率和周期。

電壓

電壓是電路中兩點之間的電勢量或信號強度。通常，這些點之一是接地或零伏，但并非總是如此。您可能想要測量波形從最大峰值到最小峰值的電壓，稱為峰峰值電壓。

振幅

幅度是電路中兩點之間的電壓量。幅度通常是指從地面測量的信號的最大電壓，或零伏。圖 9 所示的波形具有 1 V 的幅度和 2 V 的峰峰值電壓。

圖 9：正弦波的幅度和度數。

階段

通過查看正弦波可以最好地解釋相位。正弦波的電壓電平基于圓周運動。假設一個圓有 360°，一個正弦波的一個周期有 360°，如圖 10 所示。

使用度數，當您想描述經過了多少周期時，可以參考正弦波的相位角.

相移描述了兩個在其他方面相似的信號之間的時序差異。圖 10 中標有“電流”的波形？？據說與標有“電壓”的波形相差 90°？？因為波在它們的周期中到達相似的點，恰好相隔 1/4 個周期（360°/4 = 90°）。相移在電子產品中很常見。

圖 10：相移。

使用數字示波器進行波形測量

數字示波器具有使波形測量變得容易的功能。它們具有前面板按鈕和基于屏幕的菜單，您可以從中選擇全自動測量。這些包括幅度、周期、上升/下降時間等等。

許多數字示波器還提供平均值和 RMS 計算、占空比和其他數學運算。自動測量顯示為屏幕上的字母數字讀數。通常，這些讀數比直接標尺解釋可能獲得的更準確。

全自動波形測量示例