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暫態(tài)信號是電磁暫態(tài)現(xiàn)象的表征,其波形則是電磁暫態(tài)過程全面而直觀的描述,因此通常暫態(tài)信號主要是對暫態(tài)波形而言。暫態(tài)信號的采集、測量、分析和處理在科學研究中占據(jù)重要的地位。在高電壓工程中,暫態(tài)信號的種類十分繁多,如雷電波(包括全波、截斷波)、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。相應地暫態(tài)信號的頻率范圍也極寬,可達數(shù)千兆赫(MHz)。
由于暫態(tài)信號的波形復雜、頻率范圍寬,通常又表現(xiàn)為連續(xù)頻譜,所以對信號測量系統(tǒng)提出了更高的要求,不僅要求靈敏度和分辨率高、衰減小、響應時間短、匹配性好,而且還要具有很強的抗電磁干擾的能力。暫態(tài)信號處理的目的主要有兩個:一是獲取信號的特征量;二是消除干擾信號,提取真實的波形。
隨著測試儀器和技術的不斷進步,目前示波器的模擬帶寬已能達400MHz以上,能夠精確測量納秒(ns)級前沿的脈沖波。隨著電子技術的發(fā)展,A/D轉(zhuǎn)換速度的提高和計算機軟件的應用,數(shù)字化波形處理技術已經(jīng)達到了很高的水平,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、分形幾何等方法的應用,大大拓寬了數(shù)字信號處理的領域,使暫態(tài)信號的分析和處理達到了前所未有的深度和廣度。
本文以泰克公司的數(shù)字實時示波器TDS684B為例介紹了一種暫態(tài)信號測量分析系統(tǒng),數(shù)字實時示波器采用數(shù)字實時(DRT)技術,實時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示波器必須有兩個單獨的1GS/s的采樣器,這一采樣率與帶寬的關系保證了描述與測量波形的置信度,波形完全實現(xiàn)了實時發(fā)生,實時采樣。
測量系統(tǒng)
暫態(tài)信號的測量如圖１所示：
圖2 簡化測量系統(tǒng)框圖
波形處理
1．測量功能
TDS684B示波器除了可以測量任意兩點間的電壓、時間增量、士占空比、面積、相位外,還可進行初步的波形處理,如內(nèi)插(SINX/X或線性)、包絡、FFT變換,波形處理可與數(shù)據(jù)采集同步進行。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,可以在計算機中鍵入命令對示波器進行顯示、測量、打印等操作,也可將波形采集到計算機中進行處理。結(jié)合數(shù)學軟件如Matlab可以大大拓寬波形處理的領域。
TDS系列數(shù)字存儲示波器結(jié)合計算機技術和所開發(fā)的符合IEC1083-2標準要求的軟件在測量領域?qū)崿F(xiàn)了用戶定義的開放式波形分析功能,該測量系統(tǒng)可隨著軟件版本的升級而不斷提升系統(tǒng)功能,是一種“虛擬儀器”化的系統(tǒng)，代表了測量技術的發(fā)展方向。
2．波形處理
下面以波形面積測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：
圖3 單次脈沖信號
表1 用WaveStar測量的數(shù)據(jù)表
用示波器或Wavestar軟件可以測量A、D兩點間波形面積即電流對時間的數(shù)值積分∫idt，該波形面積實際上是放電量q。用Wavestar測量的方法是File/new Data sheet/waveform Measurement建立一個測量數(shù)據(jù)表，用File/import…打開一個。CSV格式的文件，可以看到有關參數(shù)數(shù)據(jù)，包括波形面積，建立一個XTsheet表，可以看到繪制的波形。
如果要測量BC兩點間的面積，即不計振蕩部分，就要借助Matlab進行處理：示波器的波形信號以.CSV格式存儲后，用Access打開，這時的波形數(shù)據(jù)是以X坐標，Y坐標對應排列的，找出B、C兩點對應的Y坐標（YB YC∽0）及相應的采樣數(shù)IB=84，IC=162（結(jié)合圖形進行估計），X坐標的增量dx=1.0e-10,在Matlab中把Y坐標表達成一個矩陣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
計算結(jié)果sum=4.0998e-009,即為B、C間的波形面積。
示波器的信號存儲后，也可以用其它方法進行分析，比如用小波、神經(jīng)網(wǎng)絡去提取特征信號，處理方法豐富多樣，在此就不一一列舉了。
結(jié)論
本文簡單介紹了一種暫態(tài)信號測量系統(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、更深入的報道。
摘自：《國外電子測量技術(2002.1) 》
