使用數(shù)字示波器之傳感器和執(zhí)行器測(cè)試

1、TELEDYNE LECROYEverywhereyoulook'Teledy neLeCroy Corporati onTesti ng Sen sors & Actors Using Digital Oscilloscopespage | 1 of 7Teledy neLeCroy Corporati onTesti ng Sen sors & Actors Using Digital Oscilloscopespage | # of 7概要傳感器和執(zhí)行器目前被廣泛應(yīng) 用于各種電子產(chǎn)品中，涵蓋國(guó) 防/航天，醫(yī)療電子，機(jī)器人， 生物科技等等領(lǐng)域的應(yīng)用。這 篇文章以幾種

2、典型的傳感器和 執(zhí)行器的測(cè)試方法為例進(jìn)行介 紹，但其中所應(yīng)用的測(cè)試方案 適用于其他類型的傳感器和執(zhí) 行器，以供廣大工程師朋友參 考。APPLICATION BRIEF使用數(shù)字示波器之傳感器和執(zhí)行器測(cè)試傳感器在此處定義為能夠探測(cè)來(lái)自外部的激勵(lì)量（位移，壓力，溫度等）并 能夠?qū)⒅D(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換器。輸出的電信號(hào)通常為電壓，但 也可以是電流、頻率或相位信號(hào)。執(zhí)行器被定義為能夠接收傳感器輸岀信號(hào)（或不直接接收），并且采取相應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)字示波器目前被認(rèn)為 是能夠?qū)鞲衅鬏敵龅碾娦盘?hào)進(jìn)行觀察，測(cè)量，標(biāo)定和調(diào)試的最佳儀器。當(dāng) 然也能夠檢測(cè)執(zhí)行器的輸入信號(hào)。相信很多研發(fā)和測(cè)試工程師手頭都擁

3、有至 少一臺(tái)數(shù)字示波器。本篇文章先從簡(jiǎn)單的幾種典型傳感器輸出信號(hào)的測(cè)試實(shí) 例開(kāi)始，逐漸深入到其他復(fù)雜的測(cè)試方法，來(lái)展現(xiàn)使用數(shù)字示波器進(jìn)行傳感 器和執(zhí)行器測(cè)試的強(qiáng)大功能。最后為即將開(kāi)展項(xiàng)目的工程師提岀一些數(shù)字示 波器選型方面的建議。示波器上觀察工具的使用通常在進(jìn)行傳感器或執(zhí)行器測(cè)試時(shí)，工程師想要做的第一件事是觀察波形的 形態(tài)是否正確，是否合乎基本標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)，示波器基本的帶寬，采樣率，存 儲(chǔ)深度和顯示特性就會(huì)展現(xiàn)出來(lái)。擁有足夠的帶寬意味著示波器（和探頭系 統(tǒng)）能夠快速準(zhǔn)確地響應(yīng)波形的快速變化。如果示波器和探頭的帶寬不夠， 波形一定會(huì)失真。對(duì)于“究竟多大的帶寬是足夠的？”，請(qǐng)參看本文的最后 一部分描

4、述。示波器的采樣率反映了ADC能夠以多快的速率進(jìn)行模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換。如果想要得到被采集信號(hào)的良好波形，我們希望示波器能夠采集到更 多的采樣點(diǎn)用以連成一條幅值vs.時(shí)間的曲線。更長(zhǎng)的存儲(chǔ)深度同樣重要。它決定了我們能夠在一定的時(shí)間長(zhǎng)度下，是否能夠一次采集到更多得采 樣點(diǎn)用以描述我們感興趣的信號(hào)部分。最后，示波器的顯示方式對(duì)于我們觀 察波形更為重要，因?yàn)樗械男畔⒆罱K是要顯示在屏幕上的，因此，各種顯 示和縮放工具的使用也是我們考慮的重要方面。圖1中的通道1捕獲的是一路壓力傳感器采集的瞬時(shí)壓力尖峰（約1ms ）。通道2顯示的是一路加速度傳感器的輸岀，分布在之前壓力輸岀點(diǎn)大概1m的位置。在此壓力點(diǎn)，原始的壓

5、力尖峰已經(jīng)變?yōu)榉递^低但是長(zhǎng)時(shí)間的震蕩信號(hào)。使用觀察工具，工程師可以通過(guò)放置游標(biāo)的方式測(cè)量壓力尖峰值與之后第一個(gè)傳導(dǎo)振鈴信號(hào)的負(fù)脈沖峰值圖1: C1顯示的是壓力傳感器的輸岀信號(hào)、C2是加速度傳感器的輸岀信號(hào)，C1 （帶有尖峰的黃色波形）檢測(cè)到尖峰脈沖。C2顯示為一段時(shí)間 的延遲和長(zhǎng)時(shí)間的振鈴。屏幕右下角顯示岀了游標(biāo)的讀數(shù)信息。在上圖的例子中通道1的峰值在215US （相對(duì)于波形的觸發(fā)位置），通道 2中第一個(gè)負(fù)脈沖尖峰在1.455ms處。兩游標(biāo)時(shí)間差值“deltat值'為1.240ms。進(jìn)一步，工程師可以通過(guò)簡(jiǎn)單的放大波形工具進(jìn)行更加精確的游標(biāo)測(cè)量。圖2中，屏幕中顯示有兩個(gè)柵格。上面的一

6、個(gè)柵格顯示的是采集到的波形和放置的游標(biāo)。下面的柵格是原始波形前 面一部分放大的波形。由于游標(biāo)放置的位置在放大波形的范圍之內(nèi)，所以游標(biāo)同時(shí)也顯示在下面的柵格中。我們看 到游標(biāo)的位置在放大的波形中可以清楚看到，它沒(méi)有精確的被放置在C1的峰值頂端和 C2的峰值底端。因此放大波形的作用不僅僅是能夠讓我們更清楚得看到波形的細(xì)節(jié)，更重要的是能幫助我們更加精確地使用例如游標(biāo)這種觀 察測(cè)量的工具。Teledy neLeCroy Corporati onTesti ng Sen sors & Actors Using Digital Oscilloscopespage | 3 of 7i2ri40il

7、1041-li amFit 說(shuō)価# TfiWlH憶 Irictr山氏世 iMSiffi Nalfi 陽(yáng)酬出 l-NHirt Me®Figure 2 : The same signals as Figure 1 but now the lower grid shows zooms of both signals. Note the zoom shows the cursors that were placed using a v iew of the total signal are not quite on the sensor peaks1h11A11I1Lf.J4rri/f-f?

8、1?1'! il1 11，, x, *r*1i , i/i -i i ii|Mi fn-ii1F1IEE7I9 ":別怖即曲Stop 師DmV 1D.D JMI- EJt F洞DW )J= yiSuT 弊 1 ?4Dm$ ：| 1.4mt W.I BOE HeClgS.aDntfffiKJlLflSD.DFtffflh巧他曲UdnfVDt預(yù)陰曲LL工儷LIP嗣耐r"1耶他T4EL5IYV r1.9血竝uWmW匈OLUntV00 mw*2 J mV -H.SmV -K.TmV圖3中的游標(biāo)位置進(jìn)行了重新的修正，能夠更精確地測(cè)量?jī)蓚€(gè)尖峰之間的時(shí)間差為1.260ms1314

9、/2D1110:41Figure 3: The zoom view allows the user to see more details of the signal visually and also to place cursors more accurately-fJt 11 111)11ildl.rr r- ；.i y! 1 . . _. 亠 - _' i 門L 'WMHFqa：T.:1 .*! 'Ee!汀旳冋F turrorr Mmirr 勖"rrahls iJTMm Hrtpm呻 TDEVI.DnWoftl9 EQSQl $O0rW*3h rQDp

10、sft!”13 24 nW -261 mv 0-Z0.WITW|LI.L mV lr rnfv島 ：測(cè)月；初葉 旳.SfinWM.O mXYd*Kfl応5 20碼 -1M.£ m7 ”1血詢Teledy neLeCroy Corporati onTesti ng Sen sors & Actors Using Digital Oscilloscopespage | 5 of 7數(shù)學(xué)計(jì)算-從游標(biāo)中讀取真實(shí)的物理單位 傳感器接受的是“真實(shí)世界”的活動(dòng)變化（外界的溫度，加速度等），輸岀的是電信號(hào)。如果能夠?qū)鞲衅鬏攲绲碾娦盘?hào)（通常為電壓和電流），單位是V，轉(zhuǎn)化為原始的測(cè)量單位（如溫

11、度，壓力單位），這樣能幫助我們更好地理解被測(cè)量。當(dāng)然，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程也非常簡(jiǎn)單，使用公式y(tǒng) = mx+b，其中x是傳感器的電壓讀數(shù)，m是轉(zhuǎn)換系數(shù),b轉(zhuǎn)換中存在的偏置量，由此計(jì)算岀的結(jié)果就是傳感器所反映的真實(shí)的物理世界的測(cè)量量。例如，在前面例子中我們用到的加速度計(jì)，輸岀的 1V電壓值代表10G加速度值，因此轉(zhuǎn)換公式y(tǒng)=10x。在示波器中這種轉(zhuǎn)換過(guò)程成為“ Rescale ”。電壓波形通過(guò)數(shù)學(xué)公式“Rescale ”被重新定標(biāo)為原始的物理值量。圖4中舉例說(shuō)明。上面柵格的波形是一個(gè)傳感器的輸岀量，這是一個(gè)被放置在風(fēng)扇葉片上的加速度計(jì)。下面柵格的波形有著同樣地波形，但是幅值 是上面波形的10倍，單位是g

12、而不再是V。測(cè)量參數(shù)的峰峰值，上面柵格曲線為5.25mV，下面一條曲線為52.5mG。MraxumPl.pkpk4Cl)MaLlB5.25 HIVsiaiuE*2.flOmrdrF700 uv nflsl 2LI.LI rnsj'dKP2.pkph|MMhJ52.5 mgPS:-90 mV5 COMB 25M9JS 曰兩 POSUhflEourcelOperaterlI RBKale-SjmmaryreatHliEiQCI)Acljonis Tor Irsee WanClasaFir&1mul|lDlV&F100000WDCrrerndel unitsIhgrtHtT0

13、 0 mgDulpLt urrts12M 32011 116:38 PttFigure 4: The voltage waveform from a sensor (top waveform) is rescaled intophysical units (bottom waveform)高級(jí)數(shù)學(xué)公式除了使用Rescale函數(shù)可以將傳感器輸岀的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成真實(shí)的物理信號(hào)之外，數(shù)字示波器還有很多高級(jí)函數(shù)可 以幫我們更好得理解傳感器的采集量。例如一個(gè)加速度傳感器采集的加速度信號(hào)是速度量的數(shù)學(xué)函數(shù)，速度量又是 位移量的函數(shù)。所以我們只需要使用示波器采集到傳感器輸出的一段時(shí)間內(nèi)加速度信號(hào)，將此信號(hào)進(jìn)

14、行積分運(yùn)算， 即可得到相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的速度信號(hào)，同樣我們可以再次積分得到位移信號(hào)。圖5顯示了在示波器上進(jìn)行二次積分的實(shí)例。TrSte Cl ftSaurcelSuEfti 坷Atliortsbi |j«e MalhME35UIB-LabelZQpm121111011 1tt30：21甲旳 t龍nfliK TlEEtjmwg Titggpr Dlgrpljy tiRK iHmwurtitflflp? HghJ.G * mr*2J IntegralFigure 5:方便的數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算操作，允許經(jīng)行雙函數(shù)計(jì)算。* y * v耳打MlHDraAi:血松SCOrrWtlk5D.0mWBk20.0

15、 nW-5 90 mftf1mV盯引SdODmai'dhHwihfWiZjwm ICId*5Emu hp If byHim add1 OfHDOOHefFd * be 曲悶爬d hthEs v-ertcd2 91 7005 UV5h Audo Scale onFind Sew3 5e&p changvOnce!5 Mnitjk R|n卩 5 5(frW 1D0kS 2Q0kSJs Ed. PnilM另一種常用的數(shù)學(xué)分析是對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行頻域變換。如果我們發(fā)現(xiàn)傳感器輸出的信號(hào)中包含有重復(fù)的信號(hào)分量或者測(cè)試工程師懷疑傳感器的信號(hào)可能被其他的噪聲源干擾，在此種情況下，使用示波器中的

16、FFT變換能夠給我們指明干擾的來(lái)源。對(duì)于圖3所示的加速度信號(hào)，測(cè)試工程師往往關(guān)心信號(hào)中振鈴的頻譜圖。振鈴信號(hào)的形狀可能會(huì)根據(jù)傳感器的沖擊點(diǎn)和傳感器之間耦合方式的不同會(huì)有所變化，我們對(duì)于圖4中的加速度信號(hào)做 FFT之后發(fā)現(xiàn)此處的振鈴其實(shí)是一個(gè)風(fēng)扇葉片的抖動(dòng)。圖6是在示波器上進(jìn)行 FFT分析的設(shè)置。MuasuivPl.plWCl P2:ma»；WaUiJ刪呃5.1JIT1V5 5009 mgmpjpiai1SODmWdh MOCfiflAlrdTOO |iV0MSCCHz'dnJL-4r-t5.刷®牡訓(xùn)3-QGourtel,OpevalDriCir Resale-mU

17、FFT|9in£|ie dul啊附Actions ftrlrace wslhSummasFFIIrrscalalAtiftwiini zoom?0 GmsfiJhf5 00 MS 25W&= EQ護(hù)Slop R no mV12H 3011 :：21：05PHFigure 6: FFT設(shè)置方法圖4的通道1采集了一個(gè)在風(fēng)扇葉片上的傳感器輸岀信號(hào)，上面柵格的曲線是時(shí)域信號(hào)，下面柵格是FFT之后的頻譜圖，數(shù)學(xué)函數(shù)設(shè)置是先進(jìn)行了Rescale計(jì)算，然后計(jì)算 FFT，計(jì)算Rescale的目的是計(jì)算參數(shù)P2 Rescale 曲Teledy neLeCroy Corporati onTest

18、i ng Sen sors & Actors Using Digital Oscilloscopespage | 7 of 7線的最大值，探測(cè)到的最大值傳感器輸岀是5.5009mgTeledy neLeCroy Corporati onTesti ng Sen sors & Actors Using Digital Oscilloscopespage | # of 7File VertkEl Tlmebase Trlngpr Dlspflsy CTjrenrs MejsurE Matli 酣呂lyslg Lfllltle? H旳3.20 mVai !=!：5fl| BmWrdr

19、W2 0D nW腳700.0 id?0 O mVdhrLI1.027 mWIT &703 pV 324 UV細(xì) bus；TiEt On2(J0niVWII如OffMflAc-tmns for trace Q1variable OamBndwiCflTiDC5ODU.DOtJflPg 曲 AHrtiLabel *1Pre-Froce-SBlng伽電nq1 sweepInlfpclahonUne# +15 b(t高級(jí)數(shù)學(xué)函數(shù)-濾波器增加精確度 許多類型的傳感器，它們的輸出值都屬于緩變信號(hào)，變化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前的數(shù)字示波器的采樣率。這種情況下， 可以使用過(guò)采樣技術(shù)來(lái)增加測(cè)量值的精確度。例如，

20、傳感器的輸岀如果是直流DC電平，則只需要一個(gè)采樣點(diǎn)來(lái)采 集，多于一個(gè)采樣點(diǎn)都屬于過(guò)采樣。示波器的ADC都是采用整數(shù)級(jí)的量化步長(zhǎng)，例如8位的ADC的量化級(jí)別是2 5 6級(jí)，傳感器的輸岀如果正好落在10 0和10 1之間(eg.100. 5)，在這中情況下就會(huì)產(chǎn)生量化誤差，前端放大器產(chǎn)生的噪聲也會(huì)將測(cè)量值的誤差擴(kuò)大至9 9至10 2范圍內(nèi)。如果示波器捕獲10 0個(gè)采樣點(diǎn)的DC輸岀值，那么10 0個(gè)點(diǎn)的平均值就 會(huì)非常接近10 0.5，所以過(guò)采樣的意義就在于可以平均掉量化噪聲和前置放大器的噪聲以獲取更高的垂直分辨 率，圖10所示是使用示波器的ERES模式，將垂直分辨率提高2. 5bitoUS mV1

21、0 0 kSEdgnPm盹ki= gge&rns 歩=-issiems屮33C33PWIFigure 7:增強(qiáng)分辨率模式可以用來(lái)增加示波器的垂直分辨率，上圖的垂直分辨率增加了 2.5bit，噪聲明顯更小。ERES 是一個(gè)線性有限沖擊響應(yīng)濾波器 FIR ，如果示波器用戶想要測(cè)量的是一個(gè)緩變的傳感器信號(hào)，并且想要濾除 傳感器中的噪聲的話(包括示波器前端的噪聲)，那么增強(qiáng)分辨率是一個(gè)非常有用的工具。但是用戶必須清楚的 是， ERES 會(huì)濾除掉信號(hào)中的一部分真實(shí)成分 即 ERES 濾波器截止頻率以上的頻率成分。選擇最適合您的測(cè)試工具 許多工程師的實(shí)驗(yàn)室里都是數(shù)臺(tái)示波器 而且隨著測(cè)試需求的不斷提

22、升，還需要從示波器廠商采購(gòu)更多更加先進(jìn)的 測(cè)試儀器。不同品牌不同規(guī)格的示波器所能夠完成的功能也不盡相同，例如觀察信號(hào)、測(cè)量參數(shù)、歸檔操作和生成 報(bào)告等等功能。如何能夠選擇一臺(tái)最適合測(cè)試需求應(yīng)用的示波器，我們需要考量?jī)x器的幾個(gè)基本方面：首先，選購(gòu)什么樣的示波器取決于我們想要測(cè)什么和如何測(cè)。可能有時(shí)候并不需要進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，我們僅僅需要能 夠觀察信號(hào)的示波器就足夠了，或者僅僅是需要最基本的測(cè)量功能。但是，如果想要定量得分析待測(cè)器件的參數(shù)指 標(biāo)，或者根據(jù)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行故障診斷，則需要更多得測(cè)量功能。比如， LeCroy 的 WaveAce 系列示波器僅提供了基 本的 32 種參數(shù)測(cè)量工具，可以對(duì)波形進(jìn)行簡(jiǎn)單的+, -, x, / 和 FFT 。與 WaveAce 相同的價(jià)格區(qū)間內(nèi)，其他廠商也提供了 11 至 23 中測(cè)量參數(shù)，這些功能對(duì)于基礎(chǔ)應(yīng)用也足夠了。但是如果想要測(cè)量?jī)赏ǖ乐g的相位差( Ch1 Edge to Ch2 Edge )那么你就真的需要一臺(tái) WaveAce 了。如果我們還有進(jìn)一步的需求，比如要根據(jù)信號(hào)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化 分析參數(shù)的柱狀圖表，或者是想要進(jìn)行高級(jí)的數(shù)學(xué)分析，如積分等，這些功能在 WaveAce 上已經(jīng)不能夠?qū)崿F(xiàn)了， 可以選擇功能更加全面的 WaveSurfer 系列，在 WaveSurfer 上我們就可以進(jìn)行諸如串行解