示波器如何處理有噪聲的信號？

噪聲是一種無處不在的常見問題。幾乎處理電路的每個人都要用一定的時間處理噪聲，要么找到噪聲來源修復它，要么減少噪聲對測量的影響。
噪聲可能來自無窮無盡的來源，包括設計內(nèi)部來源或外部來源，噪聲會擋住感興趣的信號。您可能在測量低壓(mV)信號方面正碰到麻煩，如在雷達傳輸或心臟監(jiān)測儀中。噪聲會使您很難找到信號的實際電壓，可能會提高抖動，很難進行定時測量。您可能需要干凈的沒有噪聲的軌跡，把重點放在設計中預計的信號上。干凈的軌跡可以用于報告和文檔，清楚地顯示設計運行情況。
您的示波器提供了相應的功能和工具，幫助您處理噪聲。本應用指南將回顧常用的示波器功能，以在測量過程中降低噪聲，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FilterVuTM 可變低通濾波器，您可以從信號中濾掉不想要的噪聲，同時仍直到示波器的全部帶寬，捕獲意想不到的毛刺，使您把重點放在感興趣的信號上，而不會漏掉關鍵的高頻事件。
使用示波器測量有噪聲的信號
要求穩(wěn)定觸發(fā)
在分析信號前，您需要穩(wěn)定的顯示，如果信號有噪聲，穩(wěn)定的顯示可能是一個問題，進而很難創(chuàng)建穩(wěn)定觸發(fā)。大多數(shù)示波器擁有多種功能，幫助您解決這個問題。
通常情況下，創(chuàng)建穩(wěn)定觸發(fā)的第一步是測試哪種觸發(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，每種選項都可以用來為信號創(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，力圖防止低頻信號產(chǎn)生噪聲。Noise Reject提高要求的觸發(fā)粘滯值，防止隨機噪聲導致觸發(fā)。可能很難預測這些模式怎樣影響您的特定信號，在必要時逐個試試，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器之后觸發(fā)。如果信號是重復的，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)示波器提供了一個帶寬限制濾波器，使信號傳送通過低通濾波器。低通濾波器一般只提供幾種頻率設置，通常不低于20MHz。對許多應用來說，如調(diào)試電源問題，這種設置可能不夠低。試試不同的帶寬設置，直到實現(xiàn)穩(wěn)定觸發(fā)。
降低顯示的信號上的噪聲
一旦獲得穩(wěn)定觸發(fā)，可以進一步在示波器上調(diào)節(jié)噪聲顯示。有多種工具可以完成這一點：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，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保持穩(wěn)定觸發(fā)，還可以用來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置一般非常有限，標準選項包括250MHz和20MHz。
平均采集模式
平均采集模式進行若干個完整的采集，逐點進行平均，獲得采集中每個時間樣點的平均電壓。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的，有時上升，有時下降。這些隨機變化在數(shù)量足夠多的采集中平均時，它們將抵消，在屏幕上產(chǎn)生穩(wěn)定的信號。為利用平均采集模式，您的波形必須是重復的。不重復的波形或單次事件不能平均。
平均采集模式會降低各類不相關的信號和隨機噪聲，即使頻率非常低。此外，它適用于所有示波器時間/ 格設置。
由于必須采集多個波形，才能創(chuàng)建一個平均后的波形，因此在輸入信號變化或前面板旋鈕變化時，顯示畫面更新速度可能會很慢。這意味著可能會漏掉偶發(fā)的毛刺。
在某些應用中，平均采集模式要優(yōu)于帶寬限制濾波器，因為可以使用示波器的全部帶寬，捕獲高頻重復事件。

降低噪聲：帶寬限制濾波器和平均采集模式

默認采集和小的電壓正弦波顯示畫面。注意信號的噪聲為30mV。

帶寬限制濾波器設為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，幾乎沒有噪聲。平均可以去掉所有頻率的隨機噪聲。

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，因為它使用平均消除噪聲。HiRes 在每個采集上執(zhí)行矩形波串平均，平均采集的一個波形內(nèi)的多個相鄰樣點，產(chǎn)生一個平均后的樣點。這會降低高頻噪聲，因為平均可以抵消噪聲引起的電壓高速變化。它還降低采樣率，因為它把多個樣點轉(zhuǎn)換成一個樣點。因此，HiRes 采集模式只適用于較慢的時間/ 格設置，在這種情況下，示波器仍有足夠的采樣率表示被測信號。
與平均采集模式不同，HiRes 采集模式可以用于不重復的波形和單次波形上。此外，由于只需采集一個波形，HiRes 采集模式在輸入或前面板設置變化后顯示更新速度要快得多。把時間上相鄰的多個樣點結(jié)合在一起，還減少了在較低時間/格設置上產(chǎn)生假信號的機會。
由于HiRes采集模式是低通濾波的一種，您可能會漏掉信號上的高速毛刺。HiRes 采集模式將使部分高頻噪聲通過，可能會使信號形狀和邊沿位置模糊。一般不會指明HiRes 采集模式中去掉哪些頻率。
HiRes采集模式可能會從顯示中減少部分有假信號的頻率；由于HiRes 低通濾波器的頻率選擇度差，可能仍會存在部分有假信號的頻率。

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很靈活，但它們通常會很慢，只適合單次或更新速率較低的顯示。它們可能會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大的功能— FilterVuTM 可變低通濾波，幫助從信號中濾掉不想要的噪聲。FilterVu 允許選擇應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(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(參見圖1)。

圖1. 通過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)允許檢定信號上有哪些頻率的噪聲，而不必設置麻煩的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，進而可以認真地檢測信號。
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，同時保持背景圖像，顯示高頻毛刺和噪聲幅度。
峰值檢測背景軌跡直到示波器的帶寬捕獲信號的峰值漂移，即使是單次波形也不例外。這意味著在以最低的時間/格設置檢測信號時，可以以最快時間/格設置捕獲的任何毛刺仍能顯示。

Reducing Noise with FilterVuTM Variable Low-Pass Filter

FilterVu捕獲開關模式電源的開機功率。注意屏幕左面小的負尖峰。FilterVu的毛刺捕獲功能顯示了這個尖峰(用紅色圈住)。其它示波器可能會漏掉這個毛刺。

總結(jié)
噪聲是所有電氣設計和調(diào)試工作中無處不在的極具挑戰(zhàn)性的問題。在本應用指南中，我們討論了用來降低、了解和檢定測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大靈活的工具，而引發(fā)的代價非常低，使您能夠更好地處理設計中的噪聲問題。