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暫態(tài)信號(hào)是電磁暫態(tài)現(xiàn)象的表征,其波形則是電磁暫態(tài)過(guò)程全面而直觀的描述,因此通常暫態(tài)信號(hào)主要是對(duì)暫態(tài)波形而言。暫態(tài)信號(hào)的采集、測(cè)量、分析和處理在科學(xué)研究中占據(jù)重要的地位。在高電壓工程中,暫態(tài)信號(hào)的種類十分繁多,如雷電波(包括全波、截?cái)嗖?、高頻衰減振蕩,局部放電脈沖,靜電放電脈沖、核電磁脈沖等,以及這些波形和工頻波疊加形成的波形。相應(yīng)地暫態(tài)信號(hào)的頻率范圍也極寬,可達(dá)數(shù)千兆赫(MHz)。
由于暫態(tài)信號(hào)的波形復(fù)雜、頻率范圍寬,通常又表現(xiàn)為連續(xù)頻譜,所以對(duì)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)提出了更高的要求,不僅要求靈敏度和分辨率高、衰減小、響應(yīng)時(shí)間短、匹配性好,而且還要具有很強(qiáng)的抗電磁干擾的能力。暫態(tài)信號(hào)處理的目的主要有兩個(gè):一是獲取信號(hào)的特征量;二是消除干擾信號(hào),提取真實(shí)的波形。
隨著測(cè)試儀器和技術(shù)的不斷進(jìn)步,目前示波器的模擬帶寬已能達(dá)400MHz以上,能夠精確測(cè)量納秒(ns)級(jí)前沿的脈沖波。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,A/D轉(zhuǎn)換速度的提高和計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用,數(shù)字化波形處理技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高的水平,不僅精度高,而且方法多,功能齊全。數(shù)字濾波、小波變換、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分形幾何等方法的應(yīng)用,大大拓寬了數(shù)字信號(hào)處理的領(lǐng)域,使暫態(tài)信號(hào)的分析和處理達(dá)到了前所未有的深度和廣度。
本文以泰克公司的數(shù)字實(shí)時(shí)示波器TDS684B為例介紹了一種暫態(tài)信號(hào)測(cè)量分析系統(tǒng),數(shù)字實(shí)時(shí)示波器采用數(shù)字實(shí)時(shí)(DRT)技術(shù),實(shí)時(shí)采樣率一般必須高于模擬帶寬的4倍,例如兩通道的400MHz的DRT示波器必須有兩個(gè)單獨(dú)的1GS/s的采樣器,這一采樣率與帶寬的關(guān)系保證了描述與測(cè)量波形的置信度,波形完全實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)發(fā)生,實(shí)時(shí)采樣。
測(cè)量系統(tǒng)
暫態(tài)信號(hào)的測(cè)量如圖１所示：
圖2 簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)框圖
波形處理
1．測(cè)量功能
TDS684B示波器除了可以測(cè)量任意兩點(diǎn)間的電壓、時(shí)間增量、士占空比、面積、相位外,還可進(jìn)行初步的波形處理,如內(nèi)插(SINX/X或線性)、包絡(luò)、FFT變換,波形處理可與數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行。TDS684B具有較高的精度和靈活的記錄方式和觸發(fā)方式。利用Tek公司專門為示波器開發(fā)的軟件Wavestar,可以在計(jì)算機(jī)中鍵入命令對(duì)示波器進(jìn)行顯示、測(cè)量、打印等操作,也可將波形采集到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。結(jié)合數(shù)學(xué)軟件如Matlab可以大大拓寬波形處理的領(lǐng)域。
TDS系列數(shù)字存儲(chǔ)示波器結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和所開發(fā)的符合IEC1083-2標(biāo)準(zhǔn)要求的軟件在測(cè)量領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了用戶定義的開放式波形分析功能,該測(cè)量系統(tǒng)可隨著軟件版本的升級(jí)而不斷提升系統(tǒng)功能,是一種“虛擬儀器”化的系統(tǒng)，代表了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。
2．波形處理
下面以波形面積測(cè)量為例講述波形處理的方法。
圖3是常見的單次電流脈沖信號(hào)：
圖3 單次脈沖信號(hào)
表1 用WaveStar測(cè)量的數(shù)據(jù)表
用示波器或Wavestar軟件可以測(cè)量A、D兩點(diǎn)間波形面積即電流對(duì)時(shí)間的數(shù)值積分∫idt，該波形面積實(shí)際上是放電量q。用Wavestar測(cè)量的方法是File/new Data sheet/waveform Measurement建立一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)表，用File/import…打開一個(gè)。CSV格式的文件，可以看到有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，包括波形面積，建立一個(gè)XTsheet表，可以看到繪制的波形。
如果要測(cè)量BC兩點(diǎn)間的面積，即不計(jì)振蕩部分，就要借助Matlab進(jìn)行處理：示波器的波形信號(hào)以.CSV格式存儲(chǔ)后，用Access打開，這時(shí)的波形數(shù)據(jù)是以X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)對(duì)應(yīng)排列的，找出B、C兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)（YB YC∽0）及相應(yīng)的采樣數(shù)IB=84，IC=162（結(jié)合圖形進(jìn)行估計(jì)），X坐標(biāo)的增量dx=1.0e-10,在Matlab中把Y坐標(biāo)表達(dá)成一個(gè)矩陣Y500*1,在Matlab下輸入命令:
sum=0
dx=1.0e-10
for I=84:162
temp=Y(I,1)*dx;
sum=sum+temp
end
sum
計(jì)算結(jié)果sum=4.0998e-009,即為B、C間的波形面積。
示波器的信號(hào)存儲(chǔ)后，也可以用其它方法進(jìn)行分析，比如用小波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去提取特征信號(hào)，處理方法豐富多樣，在此就不一一列舉了。
結(jié)論
本文簡(jiǎn)單介紹了一種暫態(tài)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，給出了波形面積的處理方法。文章只是拋磚引玉，希望能看到更多、更深入的報(bào)道。
摘自：《國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)(2002.1) 》
