【经验】一文详解如何利用示波器的硬件带宽限制和高低通数字滤波功能有效去除测量信号噪声

2023-10-01 Micsig官网
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示波器的作用是把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像,越优秀的示波器肯定越能还原信号真实的样子,我们肯定不希望看到的信号是被“美颜”过的。然而,在实际测量中,硬件电路中的噪声是无法避免的,有的时候噪声甚至比我们实际需要测量的信号还要大,这大大加大了我们测量和分析信号的障碍。因此,如何有效地去除噪声,尽量让示波器只显示我们需要观察和分析对信号就显得尤为重要。本文中Micsig将为大家解析如何利用示波器的硬件带宽限制和高低通数字滤波功能有效去除测量信号噪声。


带宽限制就是一个很好的办法。打开示波器的通道菜单,我们可以看到带宽这一栏,有“全”、“高通”、“低通”以及“20M”。其中的“20M”就是通过硬件进行带宽限制,使信号中高于20MHz频率的成分进行衰减。上图是一台300MHz带宽的示波器测量的信号,下图就是打开20M硬件带宽限制以后的波形。


可以看到打开20M带宽限制以后,波形要细了很多,信号中很多高频的成分被衰减了。


由于模拟滤波器电路相对数字滤波器更复杂,而且如果要过滤不同的频率段,用的器件也要增加,因此往往示波器一般只内置一种20M滤波。而数字滤波可以通过FPGA可编程硬件实现,可以对不同频带的谐波进行衰减,精度和可靠性也更高。


如下图就是通过低通20M数字滤波以后得出的波形,可以看到,相对模拟硬件滤波波形更加的平滑。


那么既然数字滤波有那么多优点,为什么示波器还是内置了一个20M的模拟滤波器呢?这里要注意的是,模拟滤波器可以消除示波器模数转换过程中信号发生的混叠,而数字滤波只能滤除基带内的噪声,对于已经发生混叠的信号是无能为力的。也就是说,如果噪声的频率高于采样率,此时通过数字滤波是无法处理的。


Micsig利用示波器的快速傅里叶变换(FFT)功能,再来带大家更直观地观察下高低通数字滤波的威力。

如上图是全带宽下对方波信号进行FFT后的图,可以看到,红色直方图中,第一条直线是信号的直流成分,第二条直线是信号的基波,接下去的直线是信号的谐波成分。


当我们将示波器设置为低通15kHz时,意味着示波器只允许低于15kHz频率的信号成分通过,示波器会将大于15kHz频率的信号成分进行衰减,可以看到直方图后面的直线大大的减少了。黄色信号也变得更加的细。


当我们将低通数字滤波设置为1kHz时(也就是基波的频率),由于大量谐波成分的丢失,可以看到黄色的方波已经衰减成了正弦波,直方图中的谐波直线也只剩下6条。由此也可见,低通滤波只能衰减设置的频率的谐波成分,而不是真正的滤除设置的频率的谐波成分。


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