來(lái)源：德思特測(cè)量測(cè)試德思特干貨丨如何使用SBench6軟件對(duì)數(shù)字化儀采集信號(hào)進(jìn)行處理？（一）——波形算術(shù)運(yùn)算與直方圖功能

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1****前言

板卡式數(shù)字化儀可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高分辨率的數(shù)據(jù)采集，并能快速傳輸?shù)接?jì)算機(jī)主機(jī)。在計(jì)算機(jī)主機(jī)中應(yīng)用的信號(hào)處理程序，可以幫助用戶(hù)獲得更多的數(shù)據(jù)，或從簡(jiǎn)單的測(cè)量中提取出極為有用的信息。

現(xiàn)代板卡式數(shù)字化儀，會(huì)有一系列軟件為其提供功能增強(qiáng)支持。比如德思特SBench 6和許多第三方程序，都包含多種信號(hào)處理功能。這些功能包括波形算術(shù)運(yùn)算、分組和滑動(dòng)平均、快速傅立葉變換（FFT）、高級(jí)濾波功能和直方圖。本文將展開(kāi)介紹上述這些功能，并提供這些處理工具的典型應(yīng)用示例。

2****模擬量運(yùn)算（波形算術(shù)運(yùn)算）

模擬量運(yùn)算包括對(duì)獲取到的波形進(jìn)行加減乘除四則運(yùn)算。這些應(yīng)用于波形的運(yùn)算可以改善信號(hào)質(zhì)量，或推導(dǎo)出其它更多有用的信息。其中一例子是使用減法運(yùn)算，將差分信號(hào)組合成具有更低共模噪聲和拾取水平的差分波形。而另一個(gè)例子則是將電流和電壓波形進(jìn)行乘積，計(jì)算瞬時(shí)功率曲線(xiàn)。

所有這些算術(shù)函數(shù)都應(yīng)用于波形的上的每一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。首先，我們假設(shè)要合成的波形具有相同的采樣點(diǎn)長(zhǎng)度。我們按照?qǐng)D1顯示的路徑，在SBench 6軟件中找到“Analog Calculation（模擬運(yùn)算）”設(shè)置項(xiàng)的位置。

圖1：SBench 6中針對(duì)每個(gè)信號(hào)的運(yùn)算處理選項(xiàng)

右鍵單擊需要參與運(yùn)算的原始通道，在彈出的選擇框中選擇“Simple Measurements（采樣點(diǎn)測(cè)量）”、“Signal Calculations（信號(hào)計(jì)算）”、“Signal Conversion（信號(hào)轉(zhuǎn)換）”和“Signal Averaging（信號(hào)平均）”會(huì)展示額外的選項(xiàng)。例如，信號(hào)計(jì)算選擇提供了模擬運(yùn)算、快速傅立葉變換（FFT）、直方圖、濾波和其他幾種函數(shù)運(yùn)算。如果選擇了模擬預(yù)算，運(yùn)算對(duì)話(huà)框會(huì)彈出，允許設(shè)置所需的算術(shù)運(yùn)算。在圖中例子中，AI-Ch0和AI-Ch1兩個(gè)原始信號(hào)將被相加。其他選項(xiàng)包括減法（SUB）、乘法（MULTI）和除法（DIV）。其他剛才提到的信號(hào)處理函數(shù)也可以用類(lèi)似的方式進(jìn)行選擇和設(shè)置。

接下來(lái)，我們會(huì)展示將波形算術(shù)運(yùn)算應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的第一個(gè)示例，那就是將一個(gè)信號(hào)組件從另一個(gè)信號(hào)中減去，以計(jì)算差分信號(hào)，如圖2所示。

圖2：使用減法功能，從兩個(gè)差分通道信號(hào)中得出差分信號(hào)

差分技術(shù)通常用于改善信號(hào)的完整性。在圖2所示的示例中，1 MHz時(shí)鐘的“P”和“N”成分（在兩個(gè)右側(cè)窗格中顯示）使用減法運(yùn)算進(jìn)行合并。得到的差分信號(hào)在中間窗格中顯示。而左側(cè)中部的“Info”窗格，則使用峰峰值和平均值兩個(gè)指標(biāo)對(duì)每個(gè)波形進(jìn)行了測(cè)量。我們很容易看出，差分信號(hào)的峰峰值接近原來(lái)的兩倍，并且平均值接近零。此外，差分成分中的共模噪聲已被消除。

第二個(gè)示例是將電壓波形與電流波形相乘，以獲得如圖3所示的瞬時(shí)功率。

圖3：使用乘法函數(shù)從開(kāi)關(guān)電源的電流及電壓波形計(jì)出算瞬時(shí)功率

原始波形是功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）上的電壓和在開(kāi)關(guān)電源的Flyback模式下FET的通過(guò)電流。這些波形的乘積表示FET瞬時(shí)消耗的功率。電流波形（右上窗格）在FET導(dǎo)通期間線(xiàn)性增加，峰值約為600 mA。FET上的電壓在導(dǎo)通期間則最小，但在關(guān)斷時(shí)升至260V的峰值。這兩個(gè)波形的乘積在左側(cè)窗格中顯示，這就是瞬時(shí)功率波形。波形體現(xiàn)了在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)顯著的功率尖峰。而平均值（5.111 W）和峰值功率（44.25 W）則顯示在左側(cè)中部的“Info”窗格中。

這些示例展現(xiàn)了使用模擬運(yùn)算從原始波形中獲取出其他重要的波形的能力和方法。

3****直方圖

我們還可以在統(tǒng)計(jì)域中查看數(shù)據(jù)。這通常用于獲知某些幅度值發(fā)生的概率，而實(shí)現(xiàn)的方式則是繪制波形幅值與其出現(xiàn)頻次的直方圖。所得的直方圖就是信號(hào)概率分布的有限記錄長(zhǎng)度估計(jì)。在德思特SBench 6軟件中，我們提供了創(chuàng)建已獲取波形直方圖的能力。圖4中顯示了一系列示例，包括正弦波，三角波和噪聲波形以及它們對(duì)應(yīng)的直方圖分布。

圖4：一些常見(jiàn)波形示例，以及它們對(duì)應(yīng)的直方圖

上面一行窗格顯示了正弦波、三角波和噪聲波的原始波形，下面一行則是對(duì)應(yīng)的直方圖。其中，直方圖的水平軸表示信號(hào)的幅度。垂直軸顯示在小范圍內(nèi)（分組）的值的數(shù)量。

每個(gè)波形的直方圖分布都是獨(dú)特的，差異與信號(hào)本身的特性有關(guān)。正弦波的直方圖分布顯示在兩端上有高峰，而中部呈鞍形。形成這種形狀的原因是正弦波的幅值在整個(gè)周期內(nèi)都在變化，且變化率（導(dǎo)數(shù)）在零交點(diǎn)處最高，在峰值處最低。如果將正弦波以均勻的時(shí)間間隔切割成小片段，那么在正峰值（直方圖的最右側(cè)峰值）和負(fù)峰值（直方圖的最左側(cè)峰值）處會(huì)有更多的樣本片段，在零交點(diǎn)（在直方圖的水平中心）處樣本最少。

三角波則具有恒定的斜率絕對(duì)值，只是斜率正負(fù)在發(fā)生變化。結(jié)果就是其直方圖具有均勻的分布，除了在兩側(cè)最極端處。峰值存在是因?yàn)樾盘?hào)發(fā)生器具有有限的帶寬，這會(huì)使得峰值波形變圓，從而使得在這一段上獲取的樣本更多。

眾所周知，噪聲信號(hào)的直方圖一般呈現(xiàn)高斯或正態(tài)分布，其原因不再贅述。高斯分布的特征在于它沒(méi)有邊界。其他分布一般有幅度限制，水平范圍是固定的。而高斯分布有很長(zhǎng)的“尾部”，理論上是可以向兩側(cè)延伸到無(wú)窮大的，但在實(shí)際儀器操作中，其“尾部”會(huì)被數(shù)字化儀的采集電平范圍所限制。

因此，直方圖也能一定程度上反映信號(hào)的問(wèn)題。它們尤其適用于顯示波形的不對(duì)稱(chēng)性（失真）和小概率發(fā)生瑕疵。圖5展示了一個(gè)帶有過(guò)零失真的正弦波信號(hào)對(duì)應(yīng)的直方圖。

圖5：帶有過(guò)零失真的正弦波信號(hào)，及其對(duì)應(yīng)的直方圖

審核編輯 黃宇