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谁说做硬件的玩不转数学:大神教你用示波器解微分方程

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发表于 2019-9-25 13:56:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
微积分方程拉开了现代数学和现代物理的但我,必须不能让各位一脸懵逼的出去。
微分的解释在书上说的很详细,各种啪啪啦啦的描述,我可以详细的把他们摘录下来。但这明显有违我的初衷,因为我摘录下来很多人也看不懂,包括我自己。但从各种书刊论文的字里行间中我隐约地看出两个字符,那就是dy/dx
我们可以认为一个函数在某一点的微分方程解就是该点的Y向量除以该点的X向量。
1.      
导数微分的描述为dy/dx。
2.      
3.      
微分,实质还是极限。
4.      
示波器可以极快的分割波形的X和Y向量,所以可以用示波器来验证波形的微分方程解。
我选用FreeTest的示波器来做详解。大家也可以称它为"牛顿.莱布尼兹.示波器"。
1.jpg
Freetest无线示波器
5 U4 ]& T3 [1 s2 {& P) j
3 {6 G( P; i+ A+ g: U# n7 h1 A' k
SIN的微分解
先来上一个基础的sin(a)波形。这个大家应该都知道微分方程解是cos(a)。什么?你不知道,那就假装知道吧,给我一个台阶下。
2.jpg
示波器内置的数学运算

  E2 o! e2 F; N0 Q
: O& V. ^: Z3 Y; a8 l2 x
图中,蓝色波形是采集的sin正弦波信号,红色是经过示波器微分处理后的cos信号。
详细的数学求解公式来一波。学霸的往下看,和我一样是学渣的直接跳过看结果。
<sin的微分求解过程开始>
(sina)'=lim(b->0)[sin(a+b)-sina]/b
因为sin(a+b)=sinacosb+cosasinb
这里b无穷小,有cosb=1.
于是lim(b->0)[sin(a+b)-sina]/b
=lim(b->0)[cosasinb]/b
当b无穷小,有sinb/b=1.所以
lim(b->0)[sin(a+b)-sina]/b =cosa
<sin的微分求解过程完成>
结论:和示波器显示的完全一样,cos(a)。
直线的微分解
我们知道常量的微分解是0,那么,直线的微分解呢?
3.jpg
测量直线波形并求微分(三角波的一个斜率)

/ L6 E1 ?+ F+ ]* M+ i7 w( z

2 Q. g! W  q. B8 J
结论:直线的微分方程是一个常量。
这个的求解过程我就不发出来了,怕被各位嘲笑。
三角波的微分解
三角波是由两条直线组成,按照直线的微分是一个常量的描述,那么三角波的微分就应该是两个不同的常量间隔组成。来,上图验证下。
4.jpg
三角波及其微分运算结果
# @; {- n% s4 G( c

1 G1 h, j7 G2 U: h- T8 }6 L, h
结论:三角波的微分是个方波。
方波的微分解
方波可以认为是常量加跃变合成的波形,按照"微分,实质还是极限"这个定义来看,常量部分应该是0,然后上升沿部分应该是个正脉冲,下降沿部分应该是个负脉冲。
5.jpg
方波及其微分运算结果
+ o$ c& A# h1 t

# W; ?, X# H& s: Q1 {; k
结论:上面的推论是正确的。
指数的微分解
指数函数稍微复杂点。
6.jpg
指数函数及其微分运算结果

- s; e" E% Z$ P. _& i  u

1 s( ^' d6 w% r: ^" c& k
我们排除跃迁部分,单看一个周期的指数函数。可以发现,红色微分波形其实也是一个指数函数,但变化幅度没有原本指数变化的快。
结论:指数函数的微分解为(a^x)'=a^xlna。
洛伦兹脉冲
高斯线型和洛伦兹线型是常用在光谱中描述峰形状的曲线。
洛伦兹线型函数的简单形式为:L=1/(1+x^2)。
7.jpg

7 c) H4 Z6 p: w! m" K8 z
- A# a- \, {1 c: J  M) Z/ P! T5 u
如上图所示。但微分方程我暂时不会解。
调频正弦波
8.jpg
结论:调频正弦波的微分解是个调频余弦波。这个大家可以尝试着思考下。

* Q* P5 c2 D# Y8 L+ J

0 S0 @2 O1 S8 ]! |0 V4 H
我们再来看几个方程式比较复杂的波形,这个我就不简述他们的求解过程了。
辛克脉冲
9.jpg

; ~+ S, \1 j3 O
  U! R. s' \6 m( J( }多级合成波
10.jpg

* }9 E5 H$ ~. ]+ R8 O; V8 G
- C2 q8 X0 i6 P噪声
11.jpg
/ v- L5 U. J6 Q# S

( a5 ^9 ], p" x$ ?
噪声其实是最复杂的方程组集合,当然其微分解也必然是各种方程组的集合。结果,看起来就又是一个噪声了。
-----------------
最后,看看使用的设备是什么:
12.jpg
13.jpg
泰思科技的无线示波器
. n$ a0 J* O0 N9 G. A2 R' n) [
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