示波器解決方案之噪聲太大，信號測不準(zhǔn)，怎么辦

示波器使用時，環(huán)境中電磁干擾產(chǎn)生的噪聲不可避免會影響到波形采集效果，傳統(tǒng)示波器只有20M帶寬限制，缺乏靈活性，是德HD3系列集成了硬件FIR濾波器，可以更好解決噪聲干擾問題。

實際測試環(huán)境中，會有這樣那樣的電磁干擾，這些會通過探頭或者其他什么途徑進(jìn)入到示波器中，最后導(dǎo)致我們無法準(zhǔn)確測量出自己關(guān)心的信號。這種情況怎么辦呢，有一個很自然而然的想法，就是濾波。從頻域上，把高頻的信號去掉，把有用的信號保留下來。

傳統(tǒng)示波器都會有一個20M帶寬限制功能，但很多時候20M濾波器并不能滿足所有場合，因為噪聲頻率并不會根據(jù)示波器里預(yù)設(shè)的模擬濾波器的截止頻率來產(chǎn)生。所以我們需要一種更靈活的濾波器。針對這一場景，我們推出了FIR濾波器功能，讓示波器有更靈活的噪聲抑制能力。

FIR濾波器：有限長沖擊響應(yīng)濾波器，其本質(zhì)是通過數(shù)字信號處理的方式來實現(xiàn)濾波器的功能。為了讓大家更好理解，我們簡單對其原理進(jìn)行分享。我們先看一個最基本的滑塊濾波器代碼。

這就是一種廣義上的FIR濾波器。為什么這么說呢？我們現(xiàn)在來看一下FIR的核心公式：

FIR濾波器實際上就是把ADC采集到的數(shù)據(jù)x(n)與一個長度為M的序列h(k)進(jìn)行卷積。

我們常用的滑塊濾波其實就是這種形式，只不過h(k)中所有的數(shù)值都是1/M，也就是上面代碼中的1/4。這種濾波器與標(biāo)準(zhǔn)FIR濾波器的差別在于h[k]這個序列不同。而這個h[k]序列，其實就是目標(biāo)濾波器的沖擊響應(yīng)。所以說FIR濾波器與滑塊濾波器沒有本質(zhì)上的區(qū)別，只是他們的目標(biāo)濾波器形狀不同而已。標(biāo)準(zhǔn)FIR濾波器的形狀是接近理想濾波器的。

熟悉傅里葉的同學(xué)可以很容易理解，時域相卷就是頻域相乘，這個序列h[k]其實就是特定頻域曲線的逆傅里葉變換。不熟悉傅里葉也沒關(guān)系，知道他是一個濾波器的沖激響應(yīng)就可以了。

那么FIR在示波器上具體是什么效果呢？

圖1 大噪聲下的信號

圖2  硬件FIR效果展示

圖1為一個耦合了高頻噪聲的正弦波。圖2為應(yīng)用硬件FIR濾波器之后的效果?？梢钥吹?，F(xiàn)IR已經(jīng)將噪聲過濾掉了。而一般示波器的軟件FIR的效果，如圖3所示。

圖3  軟件FIR效果展示

可以看到它的效果很差，這是因為軟件濾波器是由CPU進(jìn)行計算的，而CPU不能流水線式工作，只能對數(shù)據(jù)一幀一幀的處理，所以數(shù)據(jù)量不能太大，會有一個抽點的過程，導(dǎo)致最終結(jié)果不準(zhǔn)確。而最前端的穩(wěn)定時間會出現(xiàn)在每一幀波形里，無法處理。而FGPA是流水線作業(yè)的。穩(wěn)定時間只存在與波形采集的一開始，后面就不會再出現(xiàn)了。

FIR另一個比較實用的場景是電源紋波測量。我們知道，由于電磁場的特性，當(dāng)我們使用接地夾進(jìn)行紋波時，不可避免的會有一部分開關(guān)噪聲耦合進(jìn)入示波器。所以通常的建議是采用接地彈簧進(jìn)行測量。但是這很不方便，而且很多高壓場合也做到不到用彈簧測量。

圖4  探頭感容耦合示意圖

圖5  彈簧接地示意圖

通過我們的FIR功能，可以有效的過濾到噪聲信號，甚至不需要用接地彈簧，直接用接地夾進(jìn)行測量就可以。如將截止頻率設(shè)置為開關(guān)頻率的10倍以上，就可以無損的測量電源紋波信號了。

圖6  被噪聲干擾的電源文波信號 

圖7  濾波噪聲后的電源紋波信號 

另一常見的情況是這樣的，波形不是標(biāo)準(zhǔn)的一個波形，而是有很多諧波分量，這就導(dǎo)致觸發(fā)不穩(wěn)定，因為一個周期里有多個上升沿，就造成波形看上去會一直抖。如圖8所示。 

圖8  觸發(fā)不穩(wěn)場景 

但是這個信號確實是真實的信號，又不能過濾掉，怎么能讓他觸發(fā)穩(wěn)定的？我們可以將FIR的結(jié)果不作為顯示源，而只作為觸發(fā)源，設(shè)置合適的截止頻率將諧波過濾掉，從而讓觸發(fā)穩(wěn)定，又不影響波形原來的樣子，如圖9所示。 

圖9  觸發(fā)穩(wěn)定場景 

是德HD3系列系列示波器，具有強大的硬件FIR功能，截止頻率可以靈活配置，具有實時性，準(zhǔn)確性等特點，同時配備12位垂直分辨率，讓您可以輕松的從大噪聲環(huán)境下獲取準(zhǔn)確的真實信號，并且具有很好的精度和準(zhǔn)確度。

我們的優(yōu)勢：是德、泰克、日置、固緯、艾德克斯、普源、同惠、鼎陽、安柏等。