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信號有延遲怎么辦?—示波器XY模式(李薩如圖形)的原理與應用

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ID:621124 發表于 2019-10-29 13:47 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
李薩如(Lissajous)曲線(又稱利薩茹圖形、利薩茹圖形或鮑迪奇(Bowditch)曲線)是兩個沿著互相垂直方向的正弦振動的合成的軌跡。
借由使用李薩如圖形可以測量出兩個信號的頻率比與差。在電工、無線電技術中,常利用示波器來觀察利薩如圖形,并用以測定頻率或相位差。
在示波器的應用中,李薩如圖形(XY模式)就是在X軸和Y軸上輸入不同信號(通常同頻異相),把他們有機的疊加起來所形成的一種圖形。兩個連續信號疊加的李薩如圖形是一個閉合的曲線。通過對波形的觀察,可以比較出兩組波的差異,在已知一組波的相關數據的情況下可以得出另一組波的相關數據,根據這些數據又可以得出與那一組波的相關的一些數據等,從而求出所需數據,如求頻率,電阻,電阻的變化情況,容抗阻抗,電壓大小等。
本文以泰思電子科技的無線示波器(F28M6D)來實際測量不同特征下的波形的李薩如圖形。
1.jpg
相位差為93度的三角波與正弦波的李薩如波形合成
上圖測試的是同頻同幅度相位差為93度的三角波與正弦波的李薩如波形合成,由圖可以直觀看出X方向是正弦波的輪廓,而Y方向是三角波的輪廓。
李薩如圖形的matlab描述:plot(cha, chb);。其中cha是A路通道波形數據矩陣,chb是B路波形的數據矩陣。
2.jpg
同相位下的兩組正弦波的李薩如圖
上圖為同幅同頻同相位下的兩組正弦波的李薩如圖,顯然是一條45度的直線。
下面我們來看下不同參數(頻率,幅度,相位)下的兩個正弦波信號的李薩如圖形的輪廓。
1、幅度對李薩如圖形的影響。
3.jpg
上圖所示的兩組信號振幅比為500/160。
籠統的說,振幅之比Ax/Ay就等于Y方向的寬度比上X方向上的寬度,根據這個寬度的變化就可以發現振幅的變化,進而推出影響輸入信號振幅的一些東西的變化,比如電壓大小。如果兩個信號是在電路中,就可以得出兩塊電壓之比,進而求電阻值,再根據相位差的關系,還可以求出容抗阻抗之類的東西。
2、頻率對李薩如圖形的影響。
4.jpg
上圖是頻率比是2/1。
5.jpg
頻率比是2/3
上圖是頻率比是2/3。
由上面的圖形可知在T時間內,X方向和Y方向都經過了幾個完整的周期,之后又重頭開始,和剛開始時一樣。
李薩如圖形本身還具有一個特點,圖形邊界與水平方向的交點和豎直方向的交點的比等于fy/fx,如上圖,因為圖形的最低點即為Y方向信號的波谷,圖形最左端與豎直的交點即為X方向信號的波谷,在一個李薩如圖形周期T內,有幾個交點,則對應X方向和Y方向信號就經歷了多少個周期,正好與fy/fx相吻合。可以根據圖形的交點狀況,確定出信號的頻率大小。
3、不同頻率和不同振幅下的李薩如圖形。
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振幅比為1/2,頻率比為2/5
上圖兩組信號振幅比為1/2,頻率比為2/5。
顯然不同振幅和不同頻率下的李薩如圖形是可以反饋在水平垂直寬度比和交點數量上的。
4、相位對李薩如圖形的影響。
7.jpg
上圖為兩組信號頻率比1/2且相位不同的圖。
8.jpg
上圖為兩組信號頻率比1/3頻率下不同相位的圖。
兩個信號的初相位不同不會對李薩如圖形的周期和交點造成影響,但是會對圖形的形狀
產生影響。
可以根據相位差求出很多東西。其原理如下: 在頻率比確定情況下,改變初位相,可得到兩類曲線形狀:一類是有兩個端點的放, 另一類是連續的封閉的圖形曲線。對開放曲線,合運動質點在端點處改變其運動方向,所以在端點處質點的運動速度為零。而連續的封閉的圖形曲線,則不存在質點改變運動方向的點,即不存在速度為零的點因此對應的曲線封閉與否,可由曲線上是否存在速度為零的點而判定。這可以作為一種曲線封閉與否的判定方法,也可以求出在頻率比確定情況下封閉或開放的曲線的初位相。
9.jpg
不同頻率不同相位下的李薩如圖形
上圖所示為不同頻率不同相位下的李薩如圖形。
5、利用示波器的李薩如圖形功能測量信號相位差的一個實例
我們知道同一個信號源經過不同的傳輸鏈路,由于不同鏈路間的容抗等不一致最終會導致波形之間產生一定的相位差。準確的測量出波形間的相位差在評定鏈路的性能具有很重要的意義。
使用FreeTest無線示波器測量相位的過程。
準備:
a、 FreeTest F28M6D示波器
b、 便攜式信號源,可以輸出兩路可調相信號
c、 相關線材
步驟:
1、 接上兩路信號,點擊自動設置獲取穩定的波形。
2、 開啟均值模式(comulative 128),這樣可以剔除掉波形在傳輸過程中疊加的高斯白噪聲。
3、 開啟XY模式(即李薩如圖)即可顯示出穩定的相位。
10.jpg
兩路波形輸出為49度相位差的信號
兩路波形輸出為49度相位差的信號。
11.jpg
剔除隨機噪聲污染
設置均值模式剔除隨機噪聲污染。
PS:在不做平均的時候,得到的李薩如圖形可能會有輕微跳動,測的相位角變化較快;注意兩路需要求得相同均值,則所測相位也是多次平均后結果;這樣的測量結果還是比較準確的。
12.jpg
開啟XY模式
開啟XY模式。
如上所示兩路波形的相位差:49度。
小結:
80/90的年齡層工程師中,大家首先接觸的李薩如圖形大都在模擬示波器,就是那種熒光屏的設備。原理是調制兩路信號作為陰極射線管的XY兩軸偏移量,這樣就實現了上述李莎如圖形的展現原理。而在后面的示波器中,無論是泰克的還是國產的知名品牌,入門級產品均沒有這個功能;原因有兩個:一是這個功能只能看到形狀,不直觀,應用場合較小,對于他們來說,沒必要占用本身處理能力有限的CPU資源;二是在高端產品提供這個可以作為拉開價格的噱頭。
其實在現有的數據信號處理器的解析能力已經可以比較精準的測得相位角,上述案例的示波器就是將底層的信號采樣及算法運算部分放到里示波器設備來處理,而這個李薩如圖形的計算則是集成到了手機上面,以現在的移動處理器性能;計算相位角真實綽綽有余。


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