了解 波 形

>>>波的特點

“波”可以定義為在某個時間間隔上重復(fù)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(fù)的現(xiàn)象。信號發(fā)生器通常生成以可控方式重復(fù)的電 ( 一般是電壓 ) 波。

每個完整重復(fù)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(tǒng)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(guān)：

• 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(fā)生器可以設(shè)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(fā)生的速率。頻率的單位是赫茲 (Hz)，原來稱為每秒周期數(shù)。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(shù)學上與圓周移動有關(guān)。與整個圓一樣，正弦波的一個周期會經(jīng)過 360 度。正弦波的相角描述了周期經(jīng)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(fā)生器用來優(yōu)化幾乎任何應(yīng)用的波形的構(gòu)件。此外，還有其它參數(shù)進一步定義了信號，在許多信號發(fā)生器中，這些參數(shù)也作為受控變量實現(xiàn)。

上升時間和下降時間

邊沿轉(zhuǎn)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(guān)。它們用來衡量信號邊沿從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種狀態(tài)所需的時間。在現(xiàn)代數(shù)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(zhuǎn)換前和轉(zhuǎn)換后10% 與90% 的靜態(tài)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(guān)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(zhuǎn)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(jīng)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(shù)語說明了一定周期內(nèi)事件發(fā)生的順序；脈沖的極性不影響其前沿或后沿狀態(tài)。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(shù)語是“占空比”，用來描述脈沖的高低(開/關(guān)) 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(huán)的周期是100ns，其活動的高(開) 電平持續(xù)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(fā)活動之后必須休息三秒鐘，以防止發(fā)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?！捌谩?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(shù)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(shè)兩個信號完全同相 )。差分結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(shù)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(fù)合波

正弦波

正弦波可能是最容易辯認的波形。大多數(shù) AC 電源都產(chǎn)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(shù)學函數(shù)的結(jié)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(jié)束的一個特例。圖8是正弦波和衰減正弦波推導(dǎo)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(shù)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(guān)的電壓。它通常用來測試放大器，應(yīng)能夠快速復(fù)現(xiàn)兩個電壓電平之間的轉(zhuǎn)換( 也就是前面所說的上升時間和下降時間 )。方波為數(shù)字系統(tǒng)提供了理想的計時時鐘，如計算機、無線電信器件、HDTV 系統(tǒng)等等。

矩形波的開關(guān)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(tǒng)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(guān)已經(jīng)打開、但電壓突然變化的波形?！懊}沖”與矩形波有關(guān)。與矩形波一樣，它是由先開后關(guān)或先關(guān)后開在兩個固定電壓電平之間產(chǎn)生的。脈沖本身是二進制信號，因此是在數(shù)字系統(tǒng)中傳送信息 ( 數(shù)據(jù) ) 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(gòu)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(gòu)成了一個數(shù)字碼型。圖 11 是階躍、脈沖形狀和脈沖串的實例。

注意，盡管數(shù)字數(shù)據(jù)名義上由脈沖、矩形波和方波組成， 但實際環(huán)境中的數(shù)字波形表現(xiàn)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(chǎn)生脈沖。通常情況下，這些瞬態(tài)信號會不定期地發(fā)生，必須使用“毛刺” 進行描述。數(shù)字調(diào)試的挑戰(zhàn)之一是把毛刺脈沖與有效但較窄的數(shù)據(jù)脈沖分開。某些類型的信號發(fā)生器的優(yōu)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(fù)合波

在運行的電子系統(tǒng)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(shù)其它波形會表現(xiàn)出某些不想要的失真 ( 分布式電容、串擾等電路現(xiàn)象的產(chǎn)物 ) 或故意調(diào)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(fù)合波包括：

• 模擬調(diào)制 , 數(shù)字調(diào)制 , 脈寬調(diào)制

• 正交調(diào)制信號

• 數(shù)字碼型和格式

• 偽隨機碼流和字流

信號調(diào)制

在被調(diào)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(shù)據(jù)、到視頻的任何信號。復(fù)現(xiàn)波形可能是一個挑戰(zhàn)，除非有專門配備的信號發(fā)生器。

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

圖12.幅度調(diào)制

數(shù)字調(diào)制。與其它數(shù)字技術(shù)一樣，數(shù)字調(diào)制基于兩種狀態(tài)，允許信號表示二進制數(shù)據(jù)。在幅移鍵控(ASK)中，數(shù)字調(diào)制信號導(dǎo)致輸出頻率在兩個幅度之間開關(guān)；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(guān)；在相移鍵控 (PSK) 中，載波在兩個相位設(shè)置之間開關(guān)。在 PSK 中，通過發(fā)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(fā)送相位相反的信號進行表示。

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

圖13.頻移鍵控(FSK)調(diào)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(nèi)改變頻率。頻率變化以線性方式發(fā)生， 單位為“每秒赫茲”，或以對數(shù)方式發(fā)生，單位為“每秒倍頻程”。高級掃描發(fā)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(guān)時間。信號發(fā)生器還提供與掃描同步的觸發(fā)信號，控制示波器，測量器件的輸出響應(yīng)。

正交調(diào)制。當前數(shù)字無線通信網(wǎng)絡(luò)是在正交 (IQ) 調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)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(diào)制，生成四種信息狀態(tài)。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(diào)。IQ 格式提供的信息要遠遠高于其它模擬和數(shù)字調(diào)制形式：它提高了系統(tǒng)的有效帶寬。圖15 說明了正交調(diào)制。

圖 14. 正弦波頻率掃描

圖 15. 正交調(diào)制

數(shù)字碼型和格式

數(shù)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(shù)據(jù)“字”組成。數(shù)字碼型發(fā)生器是一種信號發(fā)生器，它專門通過并行輸出為數(shù)字總線和處理器提供數(shù)據(jù)字。這些碼型中的字以穩(wěn)定的周期步調(diào)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(gòu)成數(shù)據(jù)流的周期內(nèi)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(shè)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(fā)生有效位時，波形開關(guān)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(guān)到“1”。

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

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

碼流

偽隨機碼流 (PRBS) 和偽隨機字流 (PRWS) 的存在構(gòu)成了數(shù)字計算機的天生局限：它們不能生成真正隨機的數(shù)字。但是，隨機事件在數(shù)字系統(tǒng)中可能也會帶來好處。例如，完全“干凈的”數(shù)字視頻信號在本應(yīng)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(shù)量的噪聲可以在不損害底層信息的基礎(chǔ)上，隱藏這些人工信號。

為創(chuàng)建隨機噪聲，數(shù)字系統(tǒng)會生成一條數(shù)字流，盡管這些數(shù)字遵循可以預(yù)測的數(shù)學模式，但其具有隨機效應(yīng)。這些“偽隨機”數(shù)字實際上是一個以隨機速率重 復(fù)的序列集，結(jié)果是PRBS。偽隨機字流定義了怎樣在信號發(fā)生器并行輸出中表示多條 PRBS 流。