了解 波 形

>>>波的特點

“波”可以定義為在某個時間間隔上重復的變化量值的模式。波具有共同的特點，如聲波、腦電波、海浪、光波、電壓波等等。所有這些都是定期重復的現象。信號發生器通常生成以可控方式重復的電 ( 一般是電壓 ) 波。

每個完整重復的波形是一個“周期”。波形是以圖形方式表示波的活動，即隨時間變化情況。橫軸是時間，豎軸是電壓。注意， 某些儀器可以捕獲或生成電流波形、功率波形或其它波形。在本文中，我們將主要介紹傳統電壓隨時間變化的波形。

幅度 , 頻率和相位

波形有許多特點，但主要屬性與幅度、頻率和相位有關：

• 幅度：衡量波形電壓“強度”的指標。幅度在 AC信號中一直變化。信號發生器可以設置電壓范圍，如-3V到+3V。這將生成在兩個電壓值之間波動的信號，變動速率取決于波形和頻率。

• 頻率：整個波形周期發生的速率。頻率的單位是赫茲 (Hz)，原來稱為每秒周期數。頻率與波形周期 ( 或波長 ) 成反比，后者是衡量相鄰波上兩個類似波峰之間距離的指標。頻率越高，周期越短。

• 相位：在理論上，相位是波形周期相對于0度點的位置。在實踐中，相位是周期相對于參考波形或時點的位置。

圖 4. 相移 ( 也稱為延遲 ) 描述了兩個信號之間的定時差。相位通常用度表示，如圖所示，但在某些情況下用時間值表示要更合適。

正弦波可以最好地解釋相位。正弦波的電壓電平在數學上與圓周移動有關。與整個圓一樣，正弦波的一個周期會經過 360 度。正弦波的相角描述了周期經過的時間。

兩個波形可以有完全相同的頻率和幅度，但相位不同。相移也稱為延遲，描述了兩個類似的信號之間的定時差，如圖 4 所示。相移在電子器件中十分常見。

波形的幅度、頻率和相位特點是信號發生器用來優化幾乎任何應用的波形的構件。此外，還有其它參數進一步定義了信號，在許多信號發生器中，這些參數也作為受控變量實現。

上升時間和下降時間

邊沿轉換時間也稱為上升時間和下降時間，其特點通常與脈沖和方波有關。它們用來衡量信號邊沿從一種狀態轉換成另一種狀態所需的時間。在現代數字電路中，這些值通常很低，只有幾納秒、甚至更低。

圖 5. 基本脈沖特點

上升時間和下降時間都在轉換前和轉換后10% 與90% 的靜態電壓電平之間測得 ( 有時也使用20% 和80% 這兩個點 )。圖5說明了一個脈沖及與其相關的部分特點。這是在相對于進入信號頻率采樣率很高時， 示波器上看到的脈沖。在采樣率較低時，同一波形看上去要“方”得多。

在某些情況下，生成的脈沖的上升時間和下降時間必需獨立變化，如在使用生成的脈沖，測量轉換速率不對稱的放大器，或控制激光點焊槍的冷卻時間時。

脈寬

脈寬是脈沖前沿和后沿之間經過的時間。注意，“前沿”適用于正向沿或負向沿，“后沿”亦然。換句話說，這些術語說明了一定周期內事件發生的順序；脈沖的極性不影響其前沿或后沿狀態。在圖 5 中，正向沿是前沿。脈寬指標表示了前沿和后沿 50% 幅度點之間的時間。

另一個術語是“占空比”，用來描述脈沖的高低(開/關) 時間間隔。圖5中的實例表示50% 的占空比。相比之下，如果一個循環的周期是100ns，其活動的高(開) 電平持續60ns，那么其占空比為 60%。

舉一個形象的占空比實例，想象一下有一個激勵器在每次一秒鐘的突發活動之后必須休息三秒鐘，以防止發動機過熱。激勵器每四秒休息三秒，那么占空比為25%。

圖 6. 偏置電壓描述了同時包含 AC 值和 DC 值的信號中的DC 成分。

偏置

并不是所有信號的幅度變化都以接地 (0V) 參考為中心。“偏置” 電壓是電路接地和信號幅度中心之間的電壓。事實上，偏置電壓表示同時包含AC值和DC 值的信號的 DC成分，如圖6所示。

差分信號與單端信號

差分信號使用兩條互補路徑承載數量相等、但極性相反 ( 相對于接地 ) 的同一信號副本。在信號周期推進，一條路徑的正值提高時，另一條路徑的負值會以相同程度提高。例如，如果在某個時點上的信號值在一條路徑上是+1.5 V，那么在另一條路徑上的值正好是-1.5 V ( 假設兩個信號完全同相 )。差分結構特別適合抑制串擾和噪聲，而只傳送有效的信號。

單端操作是一種更加常用的結構，其中只有一條路徑外加接地。圖7說明了單端方法和差分方法。

圖 7. 單端和差分信號

>>>基本波

波形分成多種形狀和形式。大多數電子測量使用一個或多個下述波形，通常會增加噪聲或失真：

• 正弦波

• 方波和矩形波

• 鋸齒波和三角波

• 階躍和脈沖形狀

• 復合波

正弦波

正弦波可能是最容易辯認的波形。大多數 AC 電源都產生正弦波。住宅中墻上插座以正弦波的形式傳送電源。正弦波幾乎一直用于初中教學的電氣和電子原理演示中。正弦波是基本數學函數的結果，直到360度畫一條正弦曲線，可以得到一個確定的正弦波圖像。

衰減正弦波是電路從一個脈沖振蕩，然后隨著時間推移逐漸結束的一個特例。圖8是正弦波和衰減正弦波推導得出的信號實例。

圖8.正弦波和衰減正弦波

方波和矩形波

方波和矩形波是位于所有數字電子器件核心的基本形式，另外它們還有別的用途。方波是以相等的時間間隔在兩個固定電壓電平之間開關的電壓。它通常用來測試放大器，應能夠快速復現兩個電壓電平之間的轉換( 也就是前面所說的上升時間和下降時間 )。方波為數字系統提供了理想的計時時鐘，如計算機、無線電信器件、HDTV 系統等等。

矩形波的開關特點與方波類似，但正如前面“占空比” 中所說，其高低時間間隔長度不等。圖9說明了方波和矩形波實例。

圖9.方波和矩形波

鋸齒波和三角波

鋸齒波和三角波的幾何形狀與它們的名字非常象。鋸齒波在每個周期中緩慢均勻地上升到峰值，然后迅速下降。三角波的上升時間和下降時間比較對稱。這些波形通常用來控制系統中的其它電壓，如模擬示波器和電視。圖10是鋸齒波和三角波實例。

圖10.鋸齒波和三角波

階躍和脈沖形狀

“階躍”是電源開關已經打開、但電壓突然變化的波形。“脈沖”與矩形波有關。與矩形波一樣，它是由先開后關或先關后開在兩個固定電壓電平之間產生的。脈沖本身是二進制信號，因此是在數字系統中傳送信息 ( 數據 ) 的基本工具。脈沖可能表示穿過計算機的一個信息比特。一起傳送的脈沖集合構成了一個脈沖串。同步的一組脈沖串 ( 可以以并行方式傳輸或以串行方式傳輸) 構成了一個數字碼型。圖 11 是階躍、脈沖形狀和脈沖串的實例。

注意，盡管數字數據名義上由脈沖、矩形波和方波組成， 但實際環境中的數字波形表現出更圓的角和更斜的邊沿。

有時，電路異常事件會自然而然地產生脈沖。通常情況下，這些瞬態信號會不定期地發生，必須使用“毛刺” 進行描述。數字調試的挑戰之一是把毛刺脈沖與有效但較窄的數據脈沖分開。某些類型的信號發生器的優勢之一是能夠在脈沖串中任何地方增加毛刺。

圖11.階躍、脈沖和脈沖串形狀

>>>復合波

在運行的電子系統中，波形很少會象上面介紹的課本中所示的實例那樣。某些時鐘和載波信號很純，但大多數其它波形會表現出某些不想要的失真 ( 分布式電容、串擾等電路現象的產物 ) 或故意調制。某些波形甚至可能會包括正弦波、方波、階躍和脈沖等要素。

復合波包括：

• 模擬調制 , 數字調制 , 脈寬調制

• 正交調制信號

• 數字碼型和格式

• 偽隨機碼流和字流

信號調制

在被調制信號中，幅度、相位和 / 或頻率變化把低頻信息嵌入到高頻的載波信號中。得到的信號可以傳送從語音、到數據、到視頻的任何信號。復現波形可能是一個挑戰，除非有專門配備的信號發生器。

模擬調制。幅度調制 (AM) 和頻率調制 (FM) 最常用于廣播通信中。調制信號隨載波幅度和 /或頻率變化。在接收端，解調電路理解幅度和 /或頻率變化，從載波中提取內容。相位調制 (PM)調制載波波形的相位、而不是頻率，以嵌入內容。圖12說明了模擬調制實例。

圖12.幅度調制

數字調制。與其它數字技術一樣，數字調制基于兩種狀態，允許信號表示二進制數據。在幅移鍵控(ASK)中，數字調制信號導致輸出頻率在兩個幅度之間開關；在頻移鍵控 (FSK) 中，載波在兩個頻率 ( 中心頻率和偏置頻率 ) 之間開關；在相移鍵控 (PSK) 中，載波在兩個相位設置之間開關。在 PSK 中，通過發送與以前信號相位相同的信號，來提供比特“0”，而比特“1”則通過發送相位相反的信號進行表示。

脈寬調制 (PWM) 是另一種常用的數字格式；它通常用于數字音頻系統中。顧名思義，它只適用于脈沖波形。通過 PWM，調制信號導致脈沖的活動脈寬 ( 前面介紹的占空比 ) 變化。圖 13 說明了數字調制實例。

圖13.頻移鍵控(FSK)調制

頻率掃描

測量電子器件的頻率特點要求“掃描”正弦波，其會在一段時間內改變頻率。頻率變化以線性方式發生， 單位為“每秒赫茲”，或以對數方式發生，單位為“每秒倍頻程”。高級掃描發生器支持掃描序列，并可以選擇開始頻率、保持頻率、停止頻率和相關時間。信號發生器還提供與掃描同步的觸發信號，控制示波器，測量器件的輸出響應。

正交調制。當前數字無線通信網絡是在正交 (IQ) 調制技術基礎上構建的。兩個載波是同相 (I)波形和正交相位 (Q)波形，其中 Q波形相對于“I”波形整整延遲 90度，這兩個波形進行調制，生成四種信息狀態。兩個載波組合在一起，通過一條通道傳輸，然后在接收端分開和解調。IQ 格式提供的信息要遠遠高于其它模擬和數字調制形式：它提高了系統的有效帶寬。圖15 說明了正交調制。

圖 14. 正弦波頻率掃描

圖 15. 正交調制

數字碼型和格式

數字碼型由多條同步的脈沖流組成，脈沖流由寬 8位、12 位、16 位或 16 位以上的數據“字”組成。數字碼型發生器是一種信號發生器，它專門通過并行輸出為數字總線和處理器提供數據字。這些碼型中的字以穩定的周期步調傳輸，每個周期中每個位的活動取決于選擇的信號格式。格式影響著構成數據流的周期內部的脈沖寬度。

下面的列表概括了最常用的格式。在前三種格式解釋中，我們假設周期從二進制“0”值開始，即低邏輯電壓電平。

• 非歸零 (NRZ)：在周期中發生有效位時，波形開關到“1”，并保持這個值，直到下一個周期邊界。

• 延遲非歸零 (DNRZ)：與 NRZ類似，但波形在指定延遲時間后開關到“1”。

• 歸零(RZ)：在存在有效位時，波形開關到“1”，然后在同一周期內開關回到“0”。

• 歸一 (R1)：事實上是 RZ的倒數。與這一列表中的其它格式不同，R1假設周期從“1”開始，然后在位有效時開關到“0”，然后在周期結束前開關回到“1”。

碼流

偽隨機碼流 (PRBS) 和偽隨機字流 (PRWS) 的存在構成了數字計算機的天生局限：它們不能生成真正隨機的數字。但是，隨機事件在數字系統中可能也會帶來好處。例如，完全“干凈的”數字視頻信號在本應平 滑的表面可能有討厭的鋸齒線和明顯的輪廓。增加控制數量的噪聲可以在不損害底層信息的基礎上，隱藏這些人工信號。

為創建隨機噪聲，數字系統會生成一條數字流，盡管這些數字遵循可以預測的數學模式，但其具有隨機效應。這些“偽隨機”數字實際上是一個以隨機速率重 復的序列集，結果是PRBS。偽隨機字流定義了怎樣在信號發生器并行輸出中表示多條 PRBS 流。