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
要求穩定觸發
在分析信號前，您需要穩定的顯示，如果信號有噪聲，穩定的顯示可能是一個問題，進而很難創建穩定觸發。大多數示波器擁有多種功能，幫助您解決這個問題。
通常情況下，創建穩定觸發的第一步是測試哪種觸發耦合模式效果最好。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耦合選項，每種選項都可以用來為信號創建穩定觸發。
HF Reject 在觸發路徑上執行低通濾波，力圖忽略任何高頻不穩定性或噪聲。LF Reject 在觸發路徑上執行高通濾波，力圖防止低頻信號產生噪聲。Noise Reject提高要求的觸發粘滯值，防止隨機噪聲導致觸發。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，以保持穩定觸發。
大多數示波器中的觸發系統還提供觸發釋抑控制。這種控制只允許在用戶指定的延遲定時器之后觸發。如果信號是重復的，試著調節觸發釋抑，忽略某些假觸發。
如果觸發仍不穩定，大多數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，直到實現穩定觸發。
降低顯示的信號上的噪聲
一旦獲得穩定觸發，可以進一步在示波器上調節噪聲顯示。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，FilterVu 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定觸發，還可以用來降低示波器上顯示的噪聲數量。
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。用戶可以調節平均包括的采集數量。噪聲在采集之間一般是隨機的，有時上升，有時下降。這些隨機變化在數量足夠多的采集中平均時，它們將抵消，在屏幕上產生穩定的信號。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的毛刺。
在某些應用中，平均采集模式要優于帶寬限制濾波器，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。注意噪聲數量已經大大減少。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 在每個采集上執行矩形波串平均，平均采集的一個波形內的多個相鄰樣點，產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合在一起，還減少了在較低時間/格設置上產生假信號的機會。
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。

可以從前面板上調節低通濾波截止頻率，控制希望降低的噪聲量。濾波頻率讀數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)。這種調節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，FilterVu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
噪聲是所有電氣設計和調試工作中無處不在的極具挑戰性的問題。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，而引發的代價非常低，使您能夠更好地處理設計中的噪聲問題。