传感器和角色广泛用于从国防/航空航天到医疗设备，机器人技术，生物技术和其他应用的各种电子产品。本文提供了使用几种特定类型的传感器查看和测试信号，该技术适用于所有类型的传感器。

数字示波器是查看，测量，表征和排除传感器产生的电信号故障的极佳仪器，示波器的采样率反映了模数转换器（ADC）测量信号大小的频率。为了更好地了解信号形状，您希望示波器提供许多采样点，以“绘制”信号幅度随时间变化的点状图。存储器长度也很重要，因为更长的存储器允许示波器提供跨越感兴趣信号持续时间的大量采样点。最后，由于信号形状绘制在屏幕上，因此显示显然是查看信号的重要工具。但是，还有其他考虑因素。其中之一是使用显示屏放大和查看信号重要细节的能力。

在图1中，数字示波器的通道1捕获传感器（力传感器）的输出，该传感器检测到短暂（约1毫秒）的尖锐冲击产生的脉冲。通道2显示了另一个传感器（加速度计）的输出，该传感器位于距原始撞击点约1米处。此时，原始的短而尖锐的脉冲已转换为较低的振幅，但持续的振铃时间更长。工程师仅需使用可视工具，就可以将光标置于两个波形上，以测量原始冲击与所发射振铃的第一个实际峰值之间的时间延迟。

                                                            图1：C1显示力传感器的输出，C2是加速度计的输出。C1（峰值最高的黄色迹线）检测到突然的尖脉冲。

图右下角的红色框概述了从光标中读出的内容。在此示例中，通道1上的高峰值为215 usc（相对于示波器的触发时间测量），通道2上的第一个较大的负向峰值为1.455 ms。这在两个传感器的事件之间给出了1.240毫秒的“增量t”。通过使用数字示波器中最简单的查看工具-缩放功能，工程师可以获得更好的视图-以及更准确的测量结果。
在图2中，合并范围有两个网格。顶部的网格是采集的波形和光标。在下部网格上是波形前部的缩放。由于光标已放置在波形的最前面，因此它们也会显示在缩放上。您可能会注意到的第一件事是，光标的视觉位置不完全位于通道1峰值的顶部或通道2峰值的底部。缩放除了可以使用户更清楚地看到信号的细节外，还可以更精确地放置光标。

                                                                        图2：与图1相同的信号，但是下面的网格显示了两个信号的缩放比例。

在图3中，光标已重新放置，并且示波器显示出两个传感器的峰值之间经过的时间更精确的测量为1.260毫秒。

                                                                                          图3：缩放视图使用户可以直观地看到信号的更多细节，还可以更准确地放置光标

简单数学-以实际单位读取光标输出
传感器将对“现实世界”活动（温度，加速度等的变化）的检测转换为电信号。为了更好地理解传感器在说什么，通常将以伏特为单位的信号转换为描述传感器已检测到的真实单位的好主意。这是一个简单的数学公式y = mx + b，其中x是传感器读数，单位是伏特，m是转换为实际单位的因子，b是存在的任何偏移量。计算结果y是一个数字，描述了现实世界中正在发生的事情。

例如，如果在前面的示例中使用的加速度计每10 G加速度具有一个伏特的输出，则从“伏特”到“ G's”的转换为y = 10x。最上面的迹线是来自传感器输出的电压波形。它是安装在风扇主体上的加速度计。底部波形具有完全相同的形状，但是此波形中的所有数字都大十倍，并且第二个波形的单位是“重力”而不是“伏特”。上部波形的峰峰值幅度的度量为5.25毫伏。底部波形为52.5毫米重力。最上面的迹线是来自传感器输出的电压波形。它是安装在风扇主体上的加速度计。底部波形具有完全相同的形状，但是此波形中的所有数字都大十倍，并且第二个波形的单位是“重力”而不是“伏特”。上部波形的峰峰值幅度的度量为5.25毫伏。底部波形为52.5毫米重力。

                                                                                    图4：来自传感器的电压波形（顶部波形）被重新缩放为物理单位（底部波形）

将波形重新缩放为传感器检测到的物理单位的能力还使数字示波器能够执行更高级的数学运算，这些运算对传感器的实际功能具有有用的意义。测量加速度的传感器正在测量速度的数学导数。速度是位置的导数。因此，如果示波器的波形显示一段时间内加速度计的输出，则示波器可以积分该波形，以获得一个新的波形，该波形显示传感器在同一时间段内经历的瞬间速度。如果需要，示波器可以积分速度波形以显示位置随时间的变化。当然，示波器可能不会知道“重力”的定义。是32英尺/秒2的地球标准，因此可能需要再次使用重新缩放功能。图5显示了用于双重积分的数学设置示例。

                                                                                                         图5：在传感器的输出上执行数学运算很容易。

数学分析的另一种常见类型是查看传感器读数的频域视图。如果传感器的读数值显示某种重复结构，或者用户怀疑存在某种干扰传感器运行的噪声源，则尤其如此。在这种情况下，传感器信号的FFT可以指示噪声源。对于图1-3中所示的加速度计信号，示波器用户可能会很了解振铃的频谱。对于冲击点和传感器之间的不同类型的耦合（即保护材料），振铃行为将有所不同。如果我们对图4所示的示例进行FFT，频谱将深入了解风扇的物理抖动。图6显示了使用与图4中所示相同的信号进行的这种频率分析的设置。示波器的通道1捕获了连接到风扇主体的传感器的输出。这是上部轨迹。数学设置将显示重新缩放，然后是FFT。重新缩放的目的是计算参数P2-重新缩放的数学轨迹的“最大值”。这是传感器检测到的最大加速度5.5009毫米重力。

                                                                                    图6：使用傅立叶变换从连接到风扇主体的加速度计中查找传感器读数的频谱分量

可以在电压随时间变化的迹线或重新缩放的迹线上执行FFT。两条迹线具有相同的形状和相同的光谱分量。在此示例中，FFT的峰值为120 Hz，如光标向屏幕图像右下方所示。一旦用户具有所需的数学设置，就可以关闭数学菜单，以便可以使用屏幕的整个查看区域来检查采集的波形和FFT。如图7所示。

                                                                                                        图7：与图6相同的信号，但FFT设置菜单已关闭。

测试信号参数是否符合规格
大多数产品必须满足某些规格，或者在受到特定刺激时应以指定的方式做出响应。数字示波器可以极大地帮助测试关键信号特性或记录产品对特定刺激的响应。所有数字示波器都测量信号参数-一些示波器比其他示波器进行更多的测量，并且进行更复杂的测量。图4、6和7显示了一些峰峰值和最大信号偏移的基本参数测量。示波器还可以测量信号上升时间，下降时间，过冲，脉冲宽度，信号两个边沿之间的间隔，一个信号上的边沿到另一个信号上的边沿到达之间的时间以及其他许多参数。

有时，用户只是希望示波器测量屏幕上显示的采集参数。但是在其他情况下，有必要通过多次迭代来测试设备的运行情况，以证明目标参数始终在规格范围内。在图8中，上方曲线显示了来自加速度计的电压波形。较低的迹线是使用物理单位（重力）的“重新缩放”波形。该示例同样适用于工程师想要测试某些关键信号特性的任何类型的传感器。在此特定示例中，示波器已采集238次波形采集（底部附近的“ num”参数是采集次数）。但是在其他情况下，有必要通过多次迭代来测试设备的运行情况，以证明目标参数始终在规格范围内。

在图8中，上方曲线显示了来自加速度计的电压波形。较低的迹线是使用物理单位（重力）的“重新缩放”波形。该示例同样适用于工程师想要测试某些关键信号特性的任何类型的传感器。

在此特定示例中，示波器已采集238次波形采集（底部附近的“ num”参数是采集次数）。但是在其他情况下，有必要通过多次迭代来测试设备的运行情况，以证明目标参数始终在规格范围内。在图8中，上方曲线显示了来自加速度计的电压波形。较低的迹线是使用物理单位（重力）的“重新缩放”波形。该示例同样适用于工程师想要测试某些关键信号特性的任何类型的传感器。在此特定示例中，示波器已采集238次波形采集（底部附近的“ num”参数是采集次数）。该示例同样适用于工程师想要测试某些关键信号特性的任何类型的传感器。在此特定示例中，示波器已采集238次波形采集（底部附近的“ num”参数是采集次数）。该示例同样适用于工程师想要测试某些关键信号特性的任何类型的传感器。在此特定示例中，示波器已采集238次波形采集（底部附近的“ num”参数是采集次数）。

                                                                                                   图8：上方的轨迹是来自传感器的电压信号。在它下面是使用物理单位的重新缩放的轨迹。

参数“ mean”，“ sdev”和“ pkpk”是在重新缩放的轨迹上计算的。参数统计是238次信号采集的结果。统计信息下方的绿色形状表示参数测量值分布的形状
对于每次采集，示波器都会计算传感器的平均值，标准偏差（与平均值的均方根差）和峰峰值输出。表格顶部的“值”是屏幕上最新采集的参数值。其他统计参数基于所有238次采集。屏幕底部的绿色形状是“ histicons”（图标），这些图标显示每个参数分布的缩略图大小视图。“平均值” P1和峰峰值P3参数具有类似高斯的分布（高斯形状，但不是真正的高斯分布，因为物理测量不会扩展到无穷大）。sdev参数P2是瑞利分布。如果要测试传感器或执行器以使其在最坏的情况下承受压力，则带有统计信息的参数将非常有用。特别是，“最大”和“最小”将显示一组测试中传感器性能的最坏情况极端值-与您要管理的数量一样多。“最大值”和“最小值”还将显示是否由于掉落或其他罕见现象而出现间歇性的非常高或非常低的读数。Histicon形状也非常有用。在大多数情况下，参数分布的预期形状是已知的-例如，带有一些噪声的中心值通常会产生类似高斯的形状。如果示波器显示出参数值分布的某种意外形状，则通常是解决问题的很好的线索。您可能会看到指示某些正弦调制的histicon形状，或可能存在两个相互竞争的过程（直方图中只有两个峰的两个峰）或其他类型的意外现象。并非所有示波器都提供使用参数统计信息或历史记录的功能。图9显示了设置菜单，用于选择要计算的参数以及是否显示参数统计信息和历史记录。

                                                                                                                 图9：设置参数测量的方法，如图8所示。

用户可以选择六个参数进行测量。可以“检查”统计数据和历史记录以显示它们
选中一个复选框即可轻松打开参数统计信息和历史记录。
高级数学-过滤信号以获得更高的精度
许多类型的传感器以比现代数字示波器的采样速率慢得多的速率改变其输出值。在这种情况下，过采样可用于获得传感器值的更精确测量。举一个极端的例子，如果传感器的输出是直流电，则只需要一个样本即可测量电压。一个以上的样本超采样。示波器的ADC具有整数步长。对于一个八位示波器，ADC可能有256个输出代码。假设来自传感器的假设直流电压对应于100.5 ADC计数。由于没有ADC的一半计数，因此一个样本将是100或101个计数。实际上，即使传感器信号的DC电平上的噪声为零，来自示波器前端放大器的噪声也可能会将读数推至99或102个计数。如果将示波器设置为捕获100个直流电压样本，则平均值可能接近100.5。多余的计数用于“平均”噪声并获得更好的垂直分辨率。图10显示了在捕获传感器信号时使用增强分辨率（ERES）添加2.5位分辨率的示例。

                                                                                         图10：增强分辨率用于减少噪声并提高垂直分辨率。

请注意，在红色框中已设置了ERES噪声滤波器，该滤波器将分辨率提高了2.5位，但代价是带宽减少。较低的迹线是在全带宽下捕获的信号。较高的迹线（显然具有较低的噪声）是ERES视图
ERES是线性有限脉冲响应（FIR）滤波器。如果示波器用户想测量传感器信号的某些缓慢变化的特性，并希望减少传感器信号中的噪声（并减少示波器的前端噪声），则增强分辨率是一种有用的工具。但是用户需要记住，他可能已经消除了真实信号的某些部分-超出ERES滤波器带宽的信号内容。

 责任编辑：本文转自贤集网,原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_470039.html
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