示波器如何處理有噪聲的信號(hào)？

噪聲是一種無(wú)處不在的常見(jiàn)問(wèn)題。幾乎處理電路的每個(gè)人都要用一定的時(shí)間處理噪聲，要么找到噪聲來(lái)源修復(fù)它，要么減少噪聲對(duì)測(cè)量的影響。
噪聲可能來(lái)自無(wú)窮無(wú)盡的來(lái)源，包括設(shè)計(jì)內(nèi)部來(lái)源或外部來(lái)源，噪聲會(huì)擋住感興趣的信號(hào)。您可能在測(cè)量低壓(mV)信號(hào)方面正碰到麻煩，如在雷達(dá)傳輸或心臟監(jiān)測(cè)儀中。噪聲會(huì)使您很難找到信號(hào)的實(shí)際電壓，可能會(huì)提高抖動(dòng)，很難進(jìn)行定時(shí)測(cè)量。您可能需要干凈的沒(méi)有噪聲的軌跡，把重點(diǎn)放在設(shè)計(jì)中預(yù)計(jì)的信號(hào)上。干凈的軌跡可以用于報(bào)告和文檔，清楚地顯示設(shè)計(jì)運(yùn)行情況。
您的示波器提供了相應(yīng)的功能和工具，幫助您處理噪聲。本應(yīng)用指南將回顧常用的示波器功能，以在測(cè)量過(guò)程中降低噪聲，包括只有泰克MSO2000 和DPO2000系列示波器上才提供的創(chuàng)新工具。通過(guò)FilterVuTM 可變低通濾波器，您可以從信號(hào)中濾掉不想要的噪聲，同時(shí)仍直到示波器的全部帶寬，捕獲意想不到的毛刺，使您把重點(diǎn)放在感興趣的信號(hào)上，而不會(huì)漏掉關(guān)鍵的高頻事件。
使用示波器測(cè)量有噪聲的信號(hào)
要求穩(wěn)定觸發(fā)
在分析信號(hào)前，您需要穩(wěn)定的顯示，如果信號(hào)有噪聲，穩(wěn)定的顯示可能是一個(gè)問(wèn)題，進(jìn)而很難創(chuàng)建穩(wěn)定觸發(fā)。大多數(shù)示波器擁有多種功能，幫助您解決這個(gè)問(wèn)題。
通常情況下，創(chuàng)建穩(wěn)定觸發(fā)的第一步是測(cè)試哪種觸發(fā)耦合模式效果最好。泰克許多示波器提供了高頻(HF)抑制、低頻(LF)抑制和噪聲抑制觸發(fā)耦合選項(xiàng)，每種選項(xiàng)都可以用來(lái)為信號(hào)創(chuàng)建穩(wěn)定觸發(fā)。
HF Reject 在觸發(fā)路徑上執(zhí)行低通濾波，力圖忽略任何高頻不穩(wěn)定性或噪聲。LF Reject 在觸發(fā)路徑上執(zhí)行高通濾波，力圖防止低頻信號(hào)產(chǎn)生噪聲。Noise Reject提高要求的觸發(fā)粘滯值，防止隨機(jī)噪聲導(dǎo)致觸發(fā)。可能很難預(yù)測(cè)這些模式怎樣影響您的特定信號(hào)，在必要時(shí)逐個(gè)試試，以保持穩(wěn)定觸發(fā)。
大多數(shù)示波器中的觸發(fā)系統(tǒng)還提供觸發(fā)釋抑控制。這種控制只允許在用戶指定的延遲定時(shí)器之后觸發(fā)。如果信號(hào)是重復(fù)的，試著調(diào)節(jié)觸發(fā)釋抑，忽略某些假觸發(fā)。
如果觸發(fā)仍不穩(wěn)定，大多數(shù)示波器提供了一個(gè)帶寬限制濾波器，使信號(hào)傳送通過(guò)低通濾波器。低通濾波器一般只提供幾種頻率設(shè)置，通常不低于20MHz。對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，如調(diào)試電源問(wèn)題，這種設(shè)置可能不夠低。試試不同的帶寬設(shè)置，直到實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定觸發(fā)。
降低顯示的信號(hào)上的噪聲
一旦獲得穩(wěn)定觸發(fā)，可以進(jìn)一步在示波器上調(diào)節(jié)噪聲顯示。有多種工具可以完成這一點(diǎn)：帶寬限制濾波器(如前所述)、平均采集模式、HiRes 采集模式和FilterVu 低通濾波器，F(xiàn)ilterVu 低通濾波器是泰克MSO/DPO2000 系列示波器上提供的一種新功能。

帶寬限制濾波器
帶寬極限濾波器把示波器的帶寬降低到選擇的頻率。也就是說(shuō)，高于選定頻率的頻率將從觸發(fā)路徑及采集和顯示路徑中衰減或完全去掉。帶寬限制濾波器不僅可以用來(lái)保持穩(wěn)定觸發(fā)，還可以用來(lái)降低示波器上顯示的噪聲數(shù)量。
使用帶寬限制濾波器是降低示波器中噪聲的最簡(jiǎn)單的方式之一，如果所有不想要的噪聲頻率都高于固定截止頻率，那么特別適合使用帶寬限制濾波器。但是，它也會(huì)去掉可能發(fā)生的任何高速毛刺。
示波器提供的帶寬限制設(shè)置一般非常有限，標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)包括250MHz和20MHz。
平均采集模式
平均采集模式進(jìn)行若干個(gè)完整的采集，逐點(diǎn)進(jìn)行平均，獲得采集中每個(gè)時(shí)間樣點(diǎn)的平均電壓。用戶可以調(diào)節(jié)平均包括的采集數(shù)量。噪聲在采集之間一般是隨機(jī)的，有時(shí)上升，有時(shí)下降。這些隨機(jī)變化在數(shù)量足夠多的采集中平均時(shí)，它們將抵消，在屏幕上產(chǎn)生穩(wěn)定的信號(hào)。為利用平均采集模式，您的波形必須是重復(fù)的。不重復(fù)的波形或單次事件不能平均。
平均采集模式會(huì)降低各類不相關(guān)的信號(hào)和隨機(jī)噪聲，即使頻率非常低。此外，它適用于所有示波器時(shí)間/ 格設(shè)置。
由于必須采集多個(gè)波形，才能創(chuàng)建一個(gè)平均后的波形，因此在輸入信號(hào)變化或前面板旋鈕變化時(shí)，顯示畫(huà)面更新速度可能會(huì)很慢。這意味著可能會(huì)漏掉偶發(fā)的毛刺。
在某些應(yīng)用中，平均采集模式要優(yōu)于帶寬限制濾波器，因?yàn)榭梢允褂檬静ㄆ鞯娜繋挘东@高頻重復(fù)事件。

降低噪聲：帶寬限制濾波器和平均采集模式

默認(rèn)采集和小的電壓正弦波顯示畫(huà)面。注意信號(hào)的噪聲為30mV。

帶寬限制濾波器設(shè)為20 MHz。注意噪聲數(shù)量已經(jīng)大大減少。這表明部分噪聲量大于20 MHz，但仍有部分頻率較低的噪聲。

平均32 次的平均采集模式。注意正弦波非常干凈，幾乎沒(méi)有噪聲。平均可以去掉所有頻率的隨機(jī)噪聲。

HiRes 采集模式
某些示波器包括HiRes 采集模式，這種模式與平均采集模式類似，因?yàn)樗褂闷骄肼暋iRes 在每個(gè)采集上執(zhí)行矩形波串平均，平均采集的一個(gè)波形內(nèi)的多個(gè)相鄰樣點(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)平均后的樣點(diǎn)。這會(huì)降低高頻噪聲，因?yàn)槠骄梢缘窒肼曇鸬碾妷焊咚僮兓Ｋ€降低采樣率，因?yàn)樗讯鄠€(gè)樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換成一個(gè)樣點(diǎn)。因此，HiRes 采集模式只適用于較慢的時(shí)間/ 格設(shè)置，在這種情況下，示波器仍有足夠的采樣率表示被測(cè)信號(hào)。
與平均采集模式不同，HiRes 采集模式可以用于不重復(fù)的波形和單次波形上。此外，由于只需采集一個(gè)波形，HiRes 采集模式在輸入或前面板設(shè)置變化后顯示更新速度要快得多。把時(shí)間上相鄰的多個(gè)樣點(diǎn)結(jié)合在一起，還減少了在較低時(shí)間/格設(shè)置上產(chǎn)生假信號(hào)的機(jī)會(huì)。
由于HiRes采集模式是低通濾波的一種，您可能會(huì)漏掉信號(hào)上的高速毛刺。HiRes 采集模式將使部分高頻噪聲通過(guò)，可能會(huì)使信號(hào)形狀和邊沿位置模糊。一般不會(huì)指明HiRes 采集模式中去掉哪些頻率。
HiRes采集模式可能會(huì)從顯示中減少部分有假信號(hào)的頻率；由于HiRes 低通濾波器的頻率選擇度差，可能仍會(huì)存在部分有假信號(hào)的頻率。

降低噪聲：平均采集模式和HiRes 采集模式

DSP 濾波器
某些示波器提供了后處理DSP 濾波器，從信號(hào)中去掉某些頻率的噪聲。可以全面控制濾波頻率。盡管這些濾波器可能會(huì)很靈活，但它們通常會(huì)很慢，只適合單次或更新速率較低的顯示。它們可能會(huì)在您不知道的情況下，濾掉感興趣的重要毛刺或異常事件。
FilterVuTM 可變低通濾波
泰克MSO/DPO2000 系列示波器提供了一種強(qiáng)大的功能— FilterVuTM 可變低通濾波，幫助從信號(hào)中濾掉不想要的噪聲。FilterVu 允許選擇應(yīng)用到顯示的采集中的低通濾波頻率。除低通濾波后的軌跡外，可以使用不明顯的背景軌跡，在干凈的濾波后的波形下顯示峰值檢測(cè)(min/max 采樣)的原始采集，防止漏掉任何意想不到的高頻毛刺或高幅度噪聲(參見(jiàn)圖1)。

圖1. 通過(guò)FilterVu可變低通濾波器，干凈的濾波后的波形下顯示了背景軌跡，背景軌跡顯示了峰值檢測(cè)的原始采集。

可以從前面板上調(diào)節(jié)低通濾波截止頻率，控制希望降低的噪聲量。濾波頻率讀數(shù)允許檢定信號(hào)上有哪些頻率的噪聲，而不必設(shè)置麻煩的FFT(快速傅立葉變換)。這種調(diào)節(jié)甚至可以用于采集的后的單次波形，進(jìn)而可以認(rèn)真地檢測(cè)信號(hào)。
作為采集流程的一部分，F(xiàn)ilterVu可以快速更新HiRes采集模式顯示，擁有后處理DSP濾波器的靈活性和控制功能，同時(shí)保持背景圖像，顯示高頻毛刺和噪聲幅度。
峰值檢測(cè)背景軌跡直到示波器的帶寬捕獲信號(hào)的峰值漂移，即使是單次波形也不例外。這意味著在以最低的時(shí)間/格設(shè)置檢測(cè)信號(hào)時(shí)，可以以最快時(shí)間/格設(shè)置捕獲的任何毛刺仍能顯示。

Reducing Noise with FilterVuTM Variable Low-Pass Filter

FilterVu捕獲開(kāi)關(guān)模式電源的開(kāi)機(jī)功率。注意屏幕左面小的負(fù)尖峰。FilterVu的毛刺捕獲功能顯示了這個(gè)尖峰(用紅色圈住)。其它示波器可能會(huì)漏掉這個(gè)毛刺。

總結(jié)
噪聲是所有電氣設(shè)計(jì)和調(diào)試工作中無(wú)處不在的極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。在本應(yīng)用指南中，我們討論了用來(lái)降低、了解和檢定測(cè)量噪聲的部分示波器工具。泰克MSO2000和DPO2000 系列示波器中的FilterVu 低通濾波器增加了一種強(qiáng)大靈活的工具，而引發(fā)的代價(jià)非常低，使您能夠更好地處理設(shè)計(jì)中的噪聲問(wèn)題。