暂态信号是电磁暂态现象的表征,其波形则是电磁暂态过程全面而直观的描述,因此通常暂态信号主要是对暂态波形而言。暂态信号的采集、测量、分析和处理在科学研究中占据重要的地位。在高电压工程中,暂态信号的种类十分繁多,如雷电波(包括全波、截断波)、高频衰减振荡,局部放电脉冲,静电放电脉冲、核电磁脉冲等,以及这些波形和工频波叠加形成的波形。相应地暂态信号的频率范围也极宽,可达数千兆赫(MHz)。
由于暂态信号的波形复杂、频率范围宽,通常又表现为连续频谱,所以对信号测量系统提出了更高的要求,不仅要求灵敏度和分辨率高、衰减小、响应时间短、匹配性好,而且还要具有很强的抗电磁干扰的能力。暂态信号处理的目的主要有两个:一是获取信号的特征量;二是消除干扰信号,提取真实的波形。
随着测试仪器和技术的不断进步,目前示波器的模拟带宽已能达400MHz以上,能够精确测量纳秒(ns)级前沿的脉冲波。随着电子技术的发展,A/D转换速度的提高和计算机软件的应用,数字化波形处理技术已经达到了很高的水平,不仅精度高,而且方法多,功能齐全。数字滤波、小波变换、人工神经网络、分形几何等方法的应用,大大拓宽了数字信号处理的领域,使暂态信号的分析和处理达到了前所未有的深度和广度。
本文以泰克公司的数字实时示波器TDS684B为例介绍了一种暂态信号测量分析系统,数字实时示波器采用数字实时(DRT)技术,实时采样率一般必须高于模拟带宽的4倍,例如两通道的400MHz的DRT示波器必须有两个单独的1GS/s的采样器,这一采样率与带宽的关系保证了描述与测量波形的置信度,波形完全实现了实时发生,实时采样。
测量系统
暂态信号的测量如图１所示：
图2 简化测量系统框图
波形处理
1．测量功能
TDS684B示波器除了可以测量任意两点间的电压、时间增量、士占空比、面积、相位外,还可进行初步的波形处理,如内插(SINX/X或线性)、包络、FFT变换,波形处理可与数据采集同步进行。TDS684B具有较高的精度和灵活的记录方式和触发方式。利用Tek公司专门为示波器开发的软件Wavestar,可以在计算机中键入命令对示波器进行显示、测量、打印等操作,也可将波形采集到计算机中进行处理。结合数学软件如Matlab可以大大拓宽波形处理的领域。
TDS系列数字存储示波器结合计算机技术和所开发的符合IEC1083-2标准要求的软件在测量领域实现了用户定义的开放式波形分析功能,该测量系统可随着软件版本的升级而不断提升系统功能,是一种“虚拟仪器”化的系统，代表了测量技术的发展方向。
2．波形处理
下面以波形面积测量为例讲述波形处理的方法。
图3是常见的单次电流脉冲信号：
图3 单次脉冲信号
表1 用WaveStar测量的数据表
用示波器或Wavestar软件可以测量A、D两点间波形面积即电流对时间的数值积分∫idt，该波形面积实际上是放电量q。用Wavestar测量的方法是File/new Data sheet/waveform Measurement建立一个测量数据表，用File/import…打开一个。CSV格式的文件，可以看到有关参数数据，包括波形面积，建立一个XTsheet表，可以看到绘制的波形。
如果要测量BC两点间的面积，即不计振荡部分，就要借助Matlab进行处理：示波器的波形信号以.CSV格式存储后，用Access打开，这时的波形数据是以X坐标，Y坐标对应排列的，找出B、C两点对应的Y坐标（YB YC∽0）及相应的采样数IB=84，IC=162（结合图形进行估计），X坐标的增量dx=1.0e-10,在Matlab中把Y坐标表达成一个矩阵Y500*1,在Matlab下输入命令:
sum=0
dx=1.0e-10
for I=84:162
temp=Y(I,1)*dx;
sum=sum+temp
end
sum
计算结果sum=4.0998e-009,即为B、C间的波形面积。
示波器的信号存储后，也可以用其它方法进行分析，比如用小波、神经网络去提取特征信号，处理方法丰富多样，在此就不一一列举了。
结论
本文简单介绍了一种暂态信号测量系统，给出了波形面积的处理方法。文章只是抛砖引玉，希望能看到更多、更深入的报道。
摘自：《国外电子测量技术(2002.1) 》
