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信号发生器波形基础知识科普

发布时间:2021-03-12             西安安泰仪器维修中心    531

波形特点
“波”可以定义为在某个时间间隔上重复的变化量值的模式。波具有共同的特点,如声波、脑电波、海浪、光波、电压波等等。所有这些都是定期重复的现象。
信号发生器通常生成以可控方式重复的电( 一般是电压) 波。每个完整重复的波形是一个“周期”。波形是以图形方式表示波的活动,即随时间变化情况。电压波形是典型的Cartesian图,横轴是时间,竖轴是电压。注意,某些仪器可以捕获或生成电流波形、功率波形或其它波形。在本文中,我们将主要介绍传统电压随时间变化的波形。
幅度, 频率和相位
波形有许多特点,但主要属性与幅度、频率和相位有关:
幅度:衡量波形电压“强度”的指标。幅度在 AC信号中一直变化。信号发生器可以设置电压范围,如-3 V 到+3 V。这将生成在两个电压值之间波动的信号,变动速率取决于波形和频率。
频率:整个波形周期发生的速率。频率的单位是赫兹(Hz),原来称为每秒周期数。频率与波形周期( 或波长) 成反比,后者是衡量相邻波上两个类似波峰之间距离的指标。频率越高,周期越短。

相位:在理论上,相位是波形周期相对于 0 度点的位置。在实践中,相位是周期相对于参考波形或时点的位置


图4. 相移( 也称为延迟) 描述了两个信号之间的定时差。相位通常用度表示,如图所示,但在某些情况下用时间值表示要更合适。
正弦波可以最好地解释相位。正弦波的电压电平在数学上与圆周移动有关。与整个圆一样,正弦波的一个周期会经过360 度。正弦波的相角描述了周期经过的时间。
两个波形可以有完全相同的频率和幅度,但相位不同。相移也称为延迟,描述了两个类似的信号之间的定时差,如图4 所示。相移在电子器件中十分常见。波形的幅度、频率和相位特点是信号发生器用来优化几乎任何应用的波形的构件。此外,还有其它参数进一步定义了信号,在许多信号发生器中,这些参数也作为受控变量实现。
上升时间和下降时间
边沿转换时间也称为上升时间和下降时间,其特点通常与脉冲和方波有关。它们用来衡量信号边沿从一种状态转换成另一种状态所需的时间。在现代数字电路中,这些值通常很低,只有几纳秒、甚至更低。


图5. 基本脉冲特点

上升时间和下降时间都在转换前和转换后10% 与90% 的静态电压电平之间测得( 有时也使用20% 和80% 这两个点)。图5 说明了一个脉冲及与其相关的部分特点。这是在相对于进入信号频率采样率很高时,示波器上看到的脉冲。在采样率较低时,同一波形看上去要“方”得多。在某些情况下,生成的脉冲的上升时间和下降时间必需独立变化,如在使用生成的脉冲,测转换速率不对称的放大器,或控制激光点焊枪的冷却时间时。
脉宽
脉宽是脉冲前沿和后沿之间经过的时间。注意,“前沿”适用于正向沿或负向沿,“后沿”亦然。换句话说,这些术语说明了一定周期内事件发生的顺序;脉冲的极性不影响其前沿或后沿状态。在图5 中,正向沿是前沿。脉宽指标表示了前沿和后沿50% 幅度点之间的时间。
另一个术语是“占空比”,用来描述脉冲的高低( 开/关) 时间间隔。图5 中的实例表示50% 的占空比。相比之下,如果一个循环的周期是100 ns,其活动的高( 开) 电平持续60 ns,那么其占空比为60%。

举一个形象的占空比实例,想象一下有一个激励器在每次一秒钟的突发活动之后必须休息三秒钟,以防止发动机过热。激励器每四秒休息三秒,那么占空比为25%。


图6. 偏置电压描述了同时包含AC 值和DC 值的信号中的DC 成分。


图7. 单端和差分信号

偏置
并不是所有信号的幅度变化都以接地(0 V) 参考为中心。“偏置” 电压是电路接地和信号幅度中心之间的电压。事实上,偏置电压表示同时包含AC 值和DC值的信号的DC 成分,如图6 所示。
差分信号与单端信号
差分信号使用两条互补路径承载数量相等、但极性相反( 相对于接地) 的同一信号副本。在信号周期推进,一条路径的正值提高时,另一条路径的负值会以相同程度提高。例如,如果在某个时点上的信号值在一条路径上是+1.5 V,那么在另一条路径上的值正好是-1.5V ( 假设两个信号完全同相)。差分结构特别适合抑制串扰和噪声,而只传送有效的信号。

单端操作是一种更加常用的结构,其中只有一条路径外加接地。图7 说明了单端方法和差分方法。


图8. 正弦波和衰减正弦波图

方波和矩形波
基本波
波形分成多种形状和形式。大多数电子测量使用一个或多个下述波形,通常会增加噪声或失真:
正弦波
方波和矩形波
锯齿波和三角波
阶跃和脉冲形状
复合波
正弦波
正弦波可能是最容易辩认的波形。大多数AC 电源都产生正弦波。住宅中墙上插座以正弦波的形式传送电源。正弦波几乎一直用于初中教学的电气和电子原理演示中。正弦波是基本数学函数的结果,直到360 度画一条正弦曲线,可以得到一个确定的正弦波图像。
衰减正弦波是电路从一个脉冲振荡,然后随着时间推移逐渐结束的一个特例。图8 是正弦波和衰减正弦波推导得出的信号实例。
方波和矩形波
方波和矩形波是位于所有数字电子器件核心的基本形式,另外它们还有别的用途。方波是以相等的时间间隔在两个固定电压电平之间开关的电压。它通常用来测试放大器,应能够快速复现两个电压电平之间的转换( 也就是前面所说的上升时间和下降时间)。方波为数字系统提供了理想的计时时钟,如计算机、无线电信器件、HDTV 系统等等。

矩形波的开关特点与方波类似,但正如前面“占空比”中所说,其高低时间间隔长度不等。图9 说明了方波和矩形波实例。


图10. 锯齿波和三角波图


11. 阶跃、脉冲和脉冲串形状锯齿波和三角波

锯齿波和三角波的几何形状与它们的名字非常象。锯齿波在每个周期中缓慢均匀地上升到峰值,然后迅速下降。三角波的上升时间和下降时间比较对称。这些波形通常用来控制系统中的其它电压,如模拟示波器和电视。图10 是锯齿波和三角波实例。
阶跃和脉冲形状
“阶跃”是电源开关已经打开、但电压突然变化的波形。“脉冲”与矩形波有关。与矩形波一样,它是由先开后关或先关后开在两个固定电压电平之间产生的。脉冲本身是二进制信号,因此是在数字系统中传送信息( 数据) 的基本工具。脉冲可能表示穿过计算机的一个信息比特。一起传送的脉冲集合构成了一个脉冲串。同步的一组脉冲串( 可以以并行方式传输或以串行方式传输) 构成了一个数字码型。图11 是阶跃、脉冲形状和脉冲串的实例。
注意,尽管数字数据名义上由脉冲、矩形波和方波组成,但实际环境中的数字波形表现出更圆的角和更斜的边沿。

有时,电路异常事件会自然而然地产生脉冲。通常情况下,这些瞬态信号会不定期地发生,必须使用“毛刺”进行描述。数字调试的挑战之一是把毛刺脉冲与有效但较窄的数据脉冲分开。某些类型的信号发生器的优势之一是能够在脉冲串中任何地方增加毛刺。


图12. 幅度调制图


13. 频移键控(FSK) 调制

复合波
在运行的电子系统中,波形很少会象上面介绍的课本中所示的实例那样。某些时钟和载波信号很纯,但大多数其它波形会表现出某些不想要的失真( 分布式电容、串扰等电路现象的产物) 或故意调制。某些波形甚至可能会包括正弦波、方波、阶跃和脉冲等要素。
复合波包括:
模拟调制 , 数字调制 , 脉宽调制
正交调制信号
数字码型和格式

伪随机码流和字流

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