利用雙通道示波器展示傳輸線(xiàn)行為的方法

摘要：本文采用創(chuàng)新方法，通過(guò)雙通道示波器測(cè)量出傳輸線(xiàn)上的駐波，從而利用受控的移動(dòng)圖像展現(xiàn)信號(hào)在傳輸線(xiàn)中的真實(shí)情況。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/248900.htm

關(guān)鍵詞：雙通道示波器；Arduino；駐波比；數(shù)字合成

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.015

引言

過(guò)去，采用一種稱(chēng)為“勒謝爾線(xiàn)”的真實(shí)物理傳輸線(xiàn)裝置展示駐波現(xiàn)象，需要費(fèi)很大的勁才能測(cè)量出相應(yīng)的波形。尤其是，這種測(cè)量方法本身會(huì)干擾波形的形狀，而且不可能獲得瞬間的可視波形。

如今有一種創(chuàng)新的方法，可利用雙通道示波器測(cè)量出傳輸線(xiàn)上的駐波。眾所周知，示波器的特性之一是：當(dāng)掃描與顯示波形不同步但接近其頻率或它的分頻頻率，波形表現(xiàn)為在屏幕上移動(dòng)。如果掃描頻率高于波形頻率或它的分頻頻率，波形則向右側(cè)移動(dòng)；如果掃描頻率低于波形頻率或它的分頻頻率，波形向左側(cè)移動(dòng)。如果將一個(gè)頻率低于掃描頻率的波形加至雙通道示波器的某個(gè)通道，再將一個(gè)頻率高于掃描頻率的波形加至另一個(gè)通道，兩個(gè)波形將表現(xiàn)為相互反方向移動(dòng)。實(shí)際上，這兩個(gè)波形可表示傳輸線(xiàn)上的正向波和反射波。如果，將示波器切換至Add模式，示波器上將顯示單個(gè)波形，這個(gè)波形就代表了駐波。

產(chǎn)生一個(gè)有意義的波形顯示需要一些頻率精確的正弦波，精確頻率的正弦波利用直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)。我們采用頻率大約為400Hz來(lái)演示，因?yàn)闉榱艘曈X(jué)效果以及便于截取屏幕。產(chǎn)生三個(gè)波形：399Hz、401Hz正弦波和一個(gè)400Hz階梯波，用于示波器的同步（觸發(fā)）。每個(gè)正弦波波的頻率和示波器掃描觸發(fā)頻率差1Hz，這樣能清晰模擬出傳輸線(xiàn)上1Hz頻率的信號(hào)。盡管示波器觸發(fā)頻率為400Hz，但掃描速度可設(shè)定為400Hz的分頻，所以可觀(guān)察到每個(gè)波形的多個(gè)周期。

1 顯示

圖1所示為兩個(gè)正弦波在示波器雙跟蹤模式下的顯示。

箭頭表示波形在屏幕上的運(yùn)動(dòng)方向。這個(gè)演示最好是在一個(gè)老式模擬示波器上效果更好。數(shù)字示波器的顯示可能會(huì)“跳動(dòng)”地很厲害，取決于其刷新頻率。然而，有一種方法數(shù)字示波器在這類(lèi)演示中要比模擬示波器有優(yōu)勢(shì)，我們將在下文討論。

圖2所示為將示波器切換至Add模式后得到的駐波。

同樣，在靜態(tài)圖片中很難看出效果。圖中可看到5個(gè)節(jié)點(diǎn)（始終為0電壓的點(diǎn)）。在節(jié)點(diǎn)之間，波形從其負(fù)值（極限）振蕩至正極限。本例中，正向和反射波相等，所以傳輸線(xiàn)必定為開(kāi)路或短路。如果左邊是端接，那它必定短路了，因?yàn)橛幸粋€(gè)節(jié)點(diǎn)在哪。VSWR是駐波的最大幅度與最小幅度之比。由于最小幅值為零，所以VSWR為無(wú)窮大。

通過(guò)改變示波器其中一個(gè)通道的增益，可模擬出其它端接情況。圖3中，將回波幅值（上方通道）減小一半，與之對(duì)應(yīng)的端接情況既非開(kāi)路亦非短路，也不是傳輸線(xiàn)的特征阻抗。

形成的駐波圖案如圖4所示。

波形中無(wú)節(jié)點(diǎn)（零電壓點(diǎn)）。如箭頭所示，最大和最小波形幅值的比值為2比1，即VSWR為2：1。

2 直接數(shù)字合成

為獲得穩(wěn)定的顯示，就必須產(chǎn)生準(zhǔn)確的頻率。這里的“穩(wěn)定”表示節(jié)點(diǎn)的水平位置或者駐波圖案的最大或最小位置在屏幕上不移動(dòng)。一種實(shí)現(xiàn)辦法，采用具有數(shù)控振蕩器（NCO）2的DDS。NCO采用一個(gè)16位計(jì)數(shù)器，稱(chēng)之為相位累加器，來(lái)實(shí)現(xiàn)。FCLOCK（圖5）為一個(gè)固定的時(shí)鐘頻率遞增量，F(xiàn)cw為調(diào)制量或頻率控制量。FCLOCK遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于波形頻率。

將相位累加器的高8位的值和正弦查找表（LUT）對(duì)應(yīng)，然后將查找值發(fā)送至DAC。相位累加器中的值可認(rèn)為對(duì)應(yīng)的是一個(gè)圓上的某一個(gè)點(diǎn)；調(diào)制量定義為繞圓周的“步長(zhǎng)”。調(diào)制量越大，繞圓周旋轉(zhuǎn)的越快，因此輸出的頻率也越高。產(chǎn)生的頻率由下式給出：

本演示使用Maxim？ MAX5715 4通道12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）的三個(gè)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)，由Arduino？ Uno板上的Atmel？ AVR處理器驅(qū)動(dòng)。Arduino是一個(gè)開(kāi)放的軟硬件平臺(tái)，對(duì)于基于AVR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，非常方便。Maxim DAC通過(guò)SPI（串行外設(shè)接口）很容易和Arduino相連，AVR硬件支持SPI接口，Arduino軟件庫(kù)自帶SPI驅(qū)動(dòng)。運(yùn)行Arduino 庫(kù)中的SPI程序初始化AVR SPI硬件。也提供現(xiàn)存的SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦颍俣忍词褂谩?/p>

三個(gè)相位累加器采用16的位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器遞增是通過(guò)一個(gè)中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，中斷程序由處理器中的一個(gè)定時(shí)器來(lái)觸發(fā)。每32μs （1/31.25kHz）中斷一次。利用LUT將兩個(gè)相位累加器值（生成F1和F3）轉(zhuǎn)換為正弦值并然后送給DAC的兩個(gè)通道。將第三個(gè)相位累加器（生成F2）的兩個(gè)最高有效位發(fā)送至第三個(gè)DAC通道，產(chǎn)生一個(gè)4節(jié)拍的示波器觸發(fā)信號(hào)。通過(guò)改變觸發(fā)電平，可選擇想要駐波的相位去進(jìn)行開(kāi)路或短路端接仿真。

Arduino SPI庫(kù)中的數(shù)據(jù)傳輸程序太慢，導(dǎo)致中斷程序的運(yùn)行時(shí)間超過(guò)了中斷周期。因此，改用直接寫(xiě)至AVR SPI硬件的代碼。

中斷程序代碼：

Arduino和MAX5715之間的連接如圖6所示。

MAX5715焊接在適配器電路板上，然后連接至Arduino Uno 樣板“shield”（圖7）（“Shields”是為Arduino系統(tǒng)提供各種附加功能的電路板）。

4 數(shù)字示波器上的顯示

如上所述，該演示在模擬示波器上效果最佳，因?yàn)楦鶕?jù)數(shù)字示波器的刷新率不同，顯示可能發(fā)生跳動(dòng)。但數(shù)字示波器模擬長(zhǎng)余輝顯示的能力能夠非常好地顯示駐波圖案，如圖8所示。

5 總結(jié)

通常使用示波器的目的是獲得不移動(dòng)的顯示，而本文利用受控的移動(dòng)圖像展現(xiàn)信號(hào)在傳輸線(xiàn)中的真實(shí)情況。