趋势和跟踪：介绍两个实用的示波器诊断工具

shuszhao

示波器的跟踪（track）和趋势（trend）特性添加了两个数学测量功能，可用于深入了解测量数据的意义。这两个功能可以让示波器执行如下任务：数据记录、探测测量值之间的函数关系、识别出长数据记录中的异常情况，甚至可以解调角度调制或脉宽调制信号。

示波器的跟踪（track）和趋势（trend）特性添加了两个数学测量功能，可用于深入了解测量数据的意义。趋势是所测量参数的数值顺序展示图，以测量事件数作为水平方向的数值。跟踪是测量参数值与时间的关系图。这两个功能可以让示波器执行如下任务：数据记录、探测测量值之间的函数关系、识别长数据记录中的异常情况，甚至可以解调角度调制或脉宽调制信号。
无论趋势还是跟踪都基于示波器的测量参数，大多数示波器都可以提供约25个测量参数，其中包括频率、幅值，以及升/降时间。示波器持续跟踪这些测量值并使用它们来显示参数值的统计信息，当然也可以将这些数值绘制为趋势和/或跟踪图。
图1是如何使用趋势或跟踪功能的示例。所获取的迹线（trace，上部网格中黄色所示）是脉宽调制（PWM）信号。参数P1逐周期测量所采集波形上的脉宽。参数统计包括脉宽最小值（2.698ns）和最大值（49.3ns）脉宽，以及所有测量值的平均值和标准偏差。采集的波形有100个周期（100k采样），每个周期的脉宽都记录在统计数据报告中。
底部迹线（蓝色）是脉宽测量的趋势。它包含这100个脉宽测量值，按照被测顺序排列。迹线上的每个点代表一个值。趋势图中值的数量通常是用户可选的，一般以1-2-5的级数来衡量，从2到1,000,000可选。此例中，趋势图和源波形是同步的，因为100个值的趋势图长度恰与源波形的周期数匹配，但情况并非总是如此。

                               
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图1：源自脉宽调制波形的脉宽趋势和跟踪。

中心迹线（橙色）是脉宽的跟踪。该波形包含与采集波形相同的100k个点。对每个测量值进行升采样（upsampled，即加大采样率）以匹配源波形每个周期的持续时间。跟踪图始终与源波形同步。
由于跟踪功能具有时间同步特性，因此可以使用它来解调PWM波形信号。通过跟踪参数频率，也可以使用它来解调调频（FM）或调相（PM）信号。


数据记录

趋势功能非常适合数据记录。我们来看看图2中的测量数据。

                               
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图2：数据记录示例记录了RMS线电压和室温的变化。触发迟滞（hold-off）用于每隔5秒读一次数。

顶部迹线是RMS线电压的趋势。触发迟滞用于在每次测量之间插入5s延迟。顶部往下数的第二条迹线是热电偶输出趋势。数学迹线F4（顶部往下数的第三条迹线）对热电偶输出进行滤波，并重新以摄氏度进行数值标度。整个图中记录了2000次测量，每次间隔5秒，时长2.7小时。
当空调系统开启时，线电压下降，然后温度稍微下降。整个过程呈现周期性变化。这可通过交叉关联原始趋势波形进行验证，在底部迹线中有显示。在相关功能中清楚地显示出周期性，大约每252次测量或每20分钟循环一次。


使用跟踪进行解调

在某些应用中，解调角度调制信号很有帮助。例如，在测量锁相环（PLL）的频率响应时，可以使用跟踪功能查看PLL输入和输出处的相位变化。图3显示了PLL频率响应测量。

                               
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图3：使用时间间隔误差跟踪来解调相位调制输入并输出到PLL。

任何器件的频率响应都可以通过使用阶跃函数激励来测量，差分该阶跃响应并对该响应进行快速傅立叶变换（FFT）。在图3中，左上方的迹线是PLL输入：66.67MHz的正弦波，在波形的中点有一个2弧度的相位阶跃。测量参数P1测量的是波形的时间间隔误差（TIE）。TIE测量波形边沿或阈值交叉点的测量位置与该边缘的理想位置之间的时差。TIE本质上是信号的瞬时相位。图3左侧顶部往下数的第二条迹线显示了PLL输入的TIE跟踪。TIE跟踪解调了相位调制输入。输入波形中心的相位阶跃显而易见。
右上方的迹线是PLL的输出。测量PLL输出的TIE并使用跟踪来解调相位，可以看到PLL对相位阶跃的影响。请参见图3右侧顶部往下数的第二条迹线。跟踪功能可以查看PLL输入和输出的相位变化，提供了源迹线中不明显的相位变化的视图，这很重要，因为PLL是相位敏感器件。
通常使用脉冲函数作为输入信号来测量信号的频率响应。差分该阶跃响应产生脉冲响应。第三组迹线分别显示了解调的PLL输入和输出信号，分别在图3的左侧和右侧。
图3中左下方的迹线显示了PLL的脉冲响应FFT。请注意，这是个基本平坦的响应。在右下方的迹线中，PLL输出脉冲响应FFT显示了PLL的频率响应。从技术上讲，频率响应是输出与输入FFT的复数比，但由于输入在频谱上是平坦的，输出频谱接近PLL的频率响应。


趋势还是跟踪？

趋势是数据记录的不二之选。趋势迹线仅包含每个测量值的一个点，因此存储效率很高。如果需要执行时间相关的操作（例如FFT或对迹线的滤波），跟踪是必需的。若拟将异常测量读数追溯回源迹线，跟踪也很有用，因为跟踪与源迹线保持时间同步。跟踪完成这一工作的代价是在该函数中使用更多采样。
趋势和跟踪功能可让你查看单个参数测量的历史记录。通过对波形进行一系列测量，可以使用示波器的数学和分析工具来深入了解关于被测过程的信息，从而可以大大缩短故障排除和调试时间。

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