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示波器的噪聲來源 如何用示波器減小波形噪聲

2020年03月15日 16:40 ? 次閱讀

在學習如何使用示波器來減小噪聲之前,我們先來了解下示波器的噪聲是怎么來的。

許多剛從模擬示波器轉到使用數字示波器的人可能會抱怨,說他新買的示波器測出來的波形還不如自己那臺老式的模擬示波器清晰,甚至懷疑自己買到的示波器是不是壞的。那么,真的是示波器壞了嗎?

要知道,示波器的作用是還原真實的信號,性能越高的示波器,越能觀察到信號的更多細節,而這些細節往往是發現異常問題的關鍵。在實際使用過程中,周圍環境中的干擾是實實在在存在的,噪聲不可能被完全地消除。事實上,示波器的帶寬越高,采集到的噪聲信號就會越多。低性能示波器的靈敏度很低,在選擇無視這部分干擾的同時,也漏過了很多信號本身的有用信息,從而無法進行有效正確的分析。

許多因素都會影響示波器上波形的顯示,我們所看到的信號肯定不是100%完整的真實信號,它和我們所用的探頭類型,測量方式,是否接地,以及各種示波器設置都有關聯,比如垂直檔位設置,存儲深度、實時采樣率的大小,采樣的方式,示波器的帶寬,顯示的模式(如余暉顯示)等等。

當示波器采集信號的能力越接近真實,屏幕上就越可能會出現噪聲干擾,那么我們是不是對這些噪聲就束手無策了呢?當然不是,新一代的高性能示波器,對于信號提供了更多樣的處理方式,下面我們就來一一了解:

條件垂直檔位,盡量使波形占滿屏幕

很多使用示波器的人可能都有一個“壞習慣”,就是測量多個信號的時候,為了避免各個信號重疊顯示影響觀察,就會調節垂直檔位,把各個信號縮小顯示。實際上,受垂直分辨率等因素影響,波形是越占滿整個屏幕,就越精準的,同時也可以減小噪聲信號,而且示波器廠家標注的直流增益精度(一般是1-2%)也都是指波形在滿屏的情況下的精度。

可以看到,即使在其他條件相同的情況下,不同的垂直檔位測量出來的數值亦是不同的,波形越占滿屏幕,測量的值就越精準。

選用合適的探頭

1X無源探頭的輸入無衰減,輸入阻抗基本不計,加上示波器內部本身的1MΩ,總輸入阻抗也就為1 MΩ;10X高阻無源探頭的輸入阻抗一般為9MΩ,示波器內部的輸入阻抗為1MΩ,總輸入阻抗為10MΩ。對于10X探頭,信號從測試點到示波器器采樣點處有一個10倍衰減,示波器采樣到的電壓幅度是實際被測電壓幅度的1/10。不同衰減倍數的探頭測量的范圍也不同。

采樣率、存儲深度(記錄長度)對信號的影響

當波形的記錄時長固定時,采樣率和存儲深度是一次函數關系:采樣率 = 存儲深度 ÷ 波形記錄時長

采樣率決定了示波器采集信號多少的能力,而存儲深度決定了示波器一屏幕最多可以存儲多少信號數據??梢韵胂?,存儲深度如果太低,大多數的信號信息都沒法被顯示出來,自然波形只會嚴重失真,更談不上精準了。

比如我們測試一個方波信號,在其它條件相同只改變存儲深度的情況下,可以看到28K存儲深度時,實時采樣率是2KSa/s,原本的方波已經變成了鋸齒波,波形都變形,已經談不上精準了。而且根據奈奎斯特采樣定理,實時采樣率和被測信號頻率也有關。當存儲深度設置為28M的時候,實時采樣率為2MSa/s,方波依然是方波。

使用高低通帶寬限制

之前說過,同樣的信號在模擬示波器里看起來可能更“干凈”,一方面也是因為模擬示波器的帶寬低,從而無法捕捉到很多高頻的噪聲導致,但這并不意味著真實中這些噪聲信號不存在。同樣的,數字示波器通過高低通帶寬限制功能,也能達到減小噪聲的效果。

這里最常用的應該就是“20M”了,即低通20M,僅允許 20MHz 以下頻率的信號通過,20MHz 以上的信號被有效衰減。對付高頻信號噪音十分有效。

使用平均采樣模式

使用平均采樣模式可平均多個采集結果,以減少所顯示信號中的隨機或無關噪聲。平均多個 采樣結果需要穩定的觸發。 平均的數目可在平均采樣模式后的選擇框內進行設定,可設為 2、4、8、16、32、64、128、 256 共八個量級。 平均數目越高,顯示的波形對波形變化的響應就越慢。必須在波形對變化的響應速度與信號上所顯示噪聲的降低程度之間進行折衷。

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