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示波器竟然还能这么玩?

2021-05-07 来源: YIQIFUWU宜器服务网 阅读量 :


众所周知
有屏幕的地方就有《Bad Apple》

Bad Apple.gif


但是!小普并不满足于此!

铛铛铛铛!
图形边缘检测代码.gif

这些动画是不是都很有意思呢

其实它们都是在示波器X-Y模式下完成的

XY模式下的示波器.jpg


黄五角星.png

利萨如曲线(Lissajous curve)



示波器最经典的使用是测试时域波形,反映被测信号的电压随时间的变化。但是,如果关闭时基,则将经典模式下的电压-时间显示更改为电压-电压显示,这是示波器的x-y模式。

X-Y模式具体来说,两个信号连接到两个独立的通道,其中一个被添加到垂直系统,并且第二个同步信号被施加到示波器指定的另一个通道,同时记录两个信号的电压。其中一个信号的电压作为x轴,而另一个信号作为y轴,即,这两个信号的电压值分别取为新坐标系的X和Y。这种转换产生的图像被称为利萨如图形


利萨如图形.gif

图1:利萨如曲线生成原理(以输出与输入的相位相差90度为例,此时的利萨如曲线是一个圆,且沿逆时针旋转)

 

频率,相对幅度和相位滞后两相关信号可以观察利萨如图形。为了便于理解,我们可以使用以下公式来表示生成利萨如图形的两个信号。


利萨如图形的两个信号.png




当信号频率相同时,最简单的利萨如图形就会显示在示波器上。

1、当频率、幅度相同,相位改变时:
  • p=0和2π时,利萨如图形是一个斜率为1的直线(图2)。
    这说明信号位移时,与原信号相同。
    同时,相位移为时,产生的直线斜率为-1。


1620372783769553.jpg

图2:p=0或2π


  • 相位移为π/2或3π/2时,示波器将显示一个圆形。


p=π2或3π2.jpg

图3:p=π/2或3π/2

 

  • 0到范围内相位移不取上述值时,利萨如图形则是椭圆。


p=π4.jpg

图4:p=π/4


整体来看,当两个信号频率比为1:1时,利萨如图形显示的都是椭圆,而直线和圆则是椭圆的极限情况。

2、当相位、幅度相同,频率比改变时:

对于两个不同频率的信号,将产生越来越复杂但易于识别的利萨如图形。a/B的值会对利萨如图形的外观产生很大的影响,因为a/B的比例决定了图形的叶数。以相位滞后 π/2为例,当a/b = 1:2时,水平瓣数与垂直瓣数之比为1:2。当a/b = 3:4时,产生三个水平裂片和四个垂直裂片。





ab=12左.jpg
ab=34右.jpg
图5:a/b=1:2(左)、a/b=3:4(右)


3、当相位、频率相同,幅度改变时:

A/B的比率决定了宽度与曲线高度的比率。当A/B = 2时,生成的利萨如图形的宽度是高度的两倍。相反,当A/B = 1/2时,生成的图形的高度是宽度的两倍。





AB=2左.jpg
AB=12右.jpg


图5:A/B=2(左)、A/B=1/2(右)

通常,工程师使用利萨如图形测量信号之间的频率比和相位差。然而,工程师的想象力和创造力是无限的,他们解锁了在X-Y模式下解锁了更多的利萨如图形的更有趣的方式!
1620372747701335.png

“被玩坏的”X-Y模式




例如,我们想要在示波器屏幕上显示一个笑脸


预设的笑脸图.jpg

图7:预设的笑脸图


01
边缘检测
通过CANNY算子,使用OPENCV对图像进行二值化,得到了亮度步长较强的图形。此时进行边缘检测,通过阶跃卷积获得图像中的边缘信息。如果图像中有多条边,则将所有边按顺序排序到波形表中。


02
矢量分解
将波表导入信号源,输出X、Y两个通道的同步信号,分别接入示波器两路通道,开启X-Y模式,得到图形。

本次我们使用RIGOL最新发布的DS70000系列数字示波器进行演示:


DS70000屏幕显示.gif

图8:DS70000屏幕显示(采用8bit分辨率、数字余辉功能关闭)


如图所示,屏幕上出现了一个笑脸。但是这个笑脸模糊不清、忽明忽暗,需要用示波器的一些功能对其加以调试。


03
高分辨率
数字示波器的垂直分辨率是测量将电压转换为数字量的细度的重要指标。

当示波器将模拟信号转换成数字信号时,需要对其进行量化。量化的精度取决于垂直分辨率。当垂直分辨率较高时,例如16位,电压V可以量化为V。/2 ^ 16段。模拟信号的电压被数字化后,获得的值更加准确。然而,电压只能以8位分辨率量化为V/2 ^ 8段。显然,模拟信号转换的近似误差会更大。与通常的测量工具一样,1毫米中的小直尺测量对象在50um的游标卡尺测量中不一定准确。

那么,由于测量的模拟信号是连续的,因此,在高精度示波器的计算信号上,相邻两点之间的数值差异越小,由点组成的线在示波器上显示时会更加丝滑。DS70000系列数字示波器基于RIGOL的下一代ultrvision III平台,提供高达16位的垂直分辨率。


DS70000屏幕显示采用16bit分辨率、数字余辉功能关闭.gif

图9:DS70000屏幕显示(采用16bit分辨率、数字余辉功能关闭)


当分辨率较低时(图8),由于量化噪声及高频噪声的引入,图形在屏幕上呈现模糊的量化状态;而如图9所示,在选择16bit分辨率时,图像线条的细节呈现更完美。


04
数字余辉

余辉一词来源于早期的模拟示波器,是指荧光材料在CRT上被激发后的发光,但其能量下降需要时间,因此,当电子束离开当前位置时,该位置的荧光材料不会直接停止发光,而是逐渐变暗,导致波形在屏幕上停留一段时间,然后逐渐消失。然而,现代数字示波器通过提高波形捕获率和波形的数理统计,模仿类似于模拟示波器的多级亮度显示效果,即数字余辉技术。


DS70000屏幕显示采用16bit分辨率、数字余辉功能开启.gif

图10:DS70000屏幕显示(采用16bit分辨率、数字余辉功能开启)


最终,一个完整、稳定的笑脸就出现啦!

黑滚动.gif



如要获得动画中
使用的图形边缘检测代码请点下方链接

oscWaveGen-main.zip

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