如何正确使用示波器的X-Y显示

X-Y显示，也称为散点图或交叉图，提供了在一条迹线基础上绘制另一条迹线的方法。这种类型的示图可以用来比较两个波形并展示它们之间的关系。第三个参数，例如出现频率，可以将其作为颜色或强度的变化添加到该二维图中。

可以找到许多有关X-Y显示模式的经典和现代应用，包括从用于测量相位或频率比的经典李萨如图，一直到现代正交通信系统中的状态转换图。X-Y示图可以显示两个变量之间是否存在关系。如果存在关系，还可以显示关系是线性的还是非线性的以及关系的方向。本文将介绍其中的一些应用。

李萨如图

X-Y显示的经典应用就是李萨如图，即两个正弦波相互绘制在一起。对于相同频率的正弦波，该图用于测量正弦波之间的相位差。使用现代示波器则更容易，只需使用一个测量参数读取，即可获得两信号间的相位差。如果正弦波的频率不同，还可以确定它们的频率比，如图1所示。

图1：两个谐波相关的正弦波X-Y示图，在本例中水平峰值数与垂直峰值数之比，表示输入信号频率比为2比5。

该图显示两个输入信号的频率之间的关系是2比5。而实际测得的频率分别是1MHz和2.5MHz。

曲线跟踪器

借助示波器和任意波形发生器(AWG)，可以使用X-Y示图来表征半导体器件的V-I特性。图2显示了对硅二极管的测量结果。

图2：基于AWG产生的12个电压值以及流经硅二极管的电流所形成的V-I曲线。

将AWG产生的电压幅度从-5V依次增加到+5V的12个脉冲信号施加到二极管上。使用示波器的序列模式获取二极管两端的电压和通过二极管的电流，每个序列段一个脉冲。测量得到的电压和电流参数汇总在趋势图中，每个点有一个参数值。电压加到X-Y显示的水平输入轴上，刻度为1伏特/格，而电流加到垂直轴上，每格12.4毫安。生成的X-Y示图显示了二极管的V-I特性。对于像匹配元件之类的事情来说，这种快速测试很有用。

正交信号测量

正交信号生成功能采用两个相位相差90°的信号，来生成相位可变的信号。正交相加的两个信号定义了一个具有幅度和相位的矢量。输入信号的幅度决定了矢量的两个属性。由X-Y光标支持的X-Y示图允许查看和测量由正交输入信号生成的矢量相位和幅度，如图3所示。

图3：两个正交信号的X-Y示图显示了矢量(信号的平方和)的相位迹线。X-Y光标可以读取矢量幅度(半径)和相位(角度)以及笛卡尔坐标值。

X-Y显示允许可视化由两个指数加权射频脉冲的平方和所定义的旋转矢量跟踪路径。X-Y光标读取相对于X正轴的矢量幅度(半径)和相位，以及通道1和2中源采样点的电压。这些光标读数会跟踪X-Y、X-T和Y-T波形图。这意味着任何光标测量矢量的源分量是被同时测量的。401mV矢量幅度的X分量是349.6mV，而Y分量为196.9mV。此信息在使用正交信号生成的应用中非常有用，例如雷达和数字通信应用，因为可以很容易地追溯到这些矢量参数的误差源。

X-Y显示也可以提供余辉显示，从而保留图中被覆盖的多条迹线。余辉显示功能使用强度或颜色显示所显像素的出现频率。图4展示了一个16QAM信号的同相(I)和正交(Q)分量以及在Q分量基础上显示I分量的X-Y状态转换图。这个X-Y显示中使用的是单色余辉。

图4：以单色余辉所呈现的X-Y示图。其中，状态转换图的数据状态显示为加亮点，而多个过渡的相位路径显示得更亮。

状态转换图显示了每条转换路径末尾的数据状态，并标记了数据状态之间的路径。波形在每个数据状态上花费的时间，比在转换路径上花费的时间要多，因此数据状态在X-Y示图上显示为更亮的点。45、135、225和315度的四个相位状态以两个不同的矢量幅度被写入两次，看起来也更亮。因此，余辉图提供了有关此测量的附加信息，包括更清楚地显示重叠矢量。

与功率相关的X-Y测量

X-Y显示可用于功率开关器件的测量。图5绘制了功率FET上的电压与电流的关系，以确保器件工作在其安全工作区域(SOA)内。

图5：用于测量功率FET工作区域(SOA)的X-Y示图，图中绘制了漏极电流与漏源电压之间的关系。“通过/失败”测试将X-Y示图与模板进行比较，红色圆圈表示失败。

跨FET的漏源电压(VDS)应用于水平轴，漏极电流应用于垂直轴。X-Y示图的垂直部分表示FET处于导通状态，当电流增加时，VDS几乎是恒定的。水平环显示FET关闭、电流为零和电压振荡的时间。中间的迹线代表器件处于耗散功率时的开关转换过程。该测试可以验证是否超过器件的电压、电流和功率极限值。

蓝色区域是“通过/失败”模板，用于监视测量结果。X-Y迹线不应与模板相交。如果相交，则表示测试失败，并用红色圆圈标记为失败。此外，“通过/失败”测试有几个响应选项，包括硬件和软件，用于指示针对响应操作的测试状态。

另一个与功率相关的X-Y测量是测量电感器件的磁性。图6显示了测得的电感器磁滞曲线。

图6：将磁通密度绘制为磁场强度函数的磁滞曲线图。

磁滞图的输入是磁场强度和磁通密度。磁场强度由流经电感的电流计算得出，而磁通密度由所加电压的积分得到。本文所用示波器有一个用于功率测量的软件选项，能够基于已知的线圈几何形状(横截面积和磁路长度)、电压和电流完成这些计算。磁滞回线内的面积就是每个周期内的能量损失，通常被称为磁滞损耗。

机械测量

X-Y示图还可用于分析机械设备。这需要适当的传感器将机械参数转换为成比例的电信号。发动机的压力-容积图就是一个很好的机械设备X-Y示图实例，如图7所示。

图7：将压力绘制为内燃机气缸容积的函数的X-Y示图。

压力值由连接气缸火花塞的压力传感器读取。容积则由旋转编码器根据测量的曲柄角度计算得到。两种传感器都利用了示波器的重缩放功能，允许以标准的压力和体积单位进行测量，本例为帕斯卡和升。PV图中有两个环。上面较大的一个代表做功冲程，下面一个是排气冲程。发动机每个循环周期产生的机械功与PV图环路内的面积成正比。做功冲程为正功，排气冲程为负功。

小结

很明显，X-Y显示是一种可以用来解释测量结果的非常有用的工具。它可以帮助设计师比较信号，显示所绘变量之间的关系，并以图形方式显示正交输入的矢量幅度和相位。它还可以提供循环过程中能量贡献或损失的信息。这是工程师学习数字示波器双踪应用时应牢记的一款工具。

(参考原文：Using oscilloscope X-Y displays ）

本文为《电子工程专辑》2022年9月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅