消除示波器和数字仪的噪音和干扰

即使是在最好的设计中,噪音和干扰也会偷偷进入,以降低信噪比,模糊所需的信号,损害测量的准确性和重复性。诸如示波器和数字化仪等数字化仪器具有很多特性,可以描述、测量和减少噪音对测量的影响。

干扰信号

每一项测量包括感兴趣的信号和一组不需要的信号,如噪音、干扰和扭曲。噪声和干扰通常与测量的信号无关.失真是一种干扰信号或与感兴趣的信号有关的信号,如谐波。

噪音是一种随机信号,用它的统计特征来描述.干扰包括通过串扰等过程耦合到测量系统中的信号。干扰信号通常是周期性的。 一个包含随机和周期组件的干扰信号的例子,以及用于描述信号的一些工具。示波器是在周期元素上触发的。

干扰信号包含随机和周期分量。周期元件由10兆赫的"尖峰"组成。水平频率(FERQ@LVL)测量参数(显示网格下的P-4)读取大约70%的信号幅度的峰值频率,以避免噪音峰。此外,还测量了平均值、尖峰至高峰值和RMS水平。数字化仪器,包括示波器和数字化仪,有各种各样的工具来测量像这样的噪声信号的特性。它们还提供了一系列分析工具,以减少这些不需要的信号元素的影响。

仪器噪音

所有的数字化仪器也增加了测量噪音。一般而言,在噪音水平低得多且不影响测量的地方选择仪器。在测量应用的基础上,可以选择8位或12位分辨率的示波器和8位至16位或更高幅度分辨率的数字化器,使仪器噪声保持在合理的范围内。

差动连接

当减少噪音和干扰信号时,数字化仪器的输入是开始的地方。一个很好的起点是使用微分连接来减少共同模式信号.许多数字化仪和一些示波器都有差动输入,而示波器通常提供差动探针来连接被测试设备(DUT)到仪器。

差动信令用由互补信号驱动的两条电线传输信号.当计算出这两条线路之间的电压差时,消除了两个导体共有的噪声和干扰(共同模式信号)。共同模式拒绝比(CMRR)测量共同模式噪声被抑制的程度.还要注意,差动信号也不需要地面返回.在某些情况下,这也有助于最大限度地减少干扰信号的接收。差动信号的一个例子是控制器区域网络或CAN总线。

两个CAN总线信号组件是互补的,当一个从另一个中减去时,共同模式信号,如噪声和干扰,取消。请注意,这两个组件之间的差异是电压摆动的两倍于单个信号,提供了6分贝的信噪比改进。

在差动探针或差动放大器中的差动操作可以减少两条线路的共同噪声,从而使电缆运行更长。除了CANBUS之外,在RS-422、RS-485、双绞线以太网和其他串行数据通信链接中,差动信令也很常见。

通过使用扭曲对或同轴传输线,可以进一步降低差动信号中的常见模式噪声和干扰,这些线可以提供额外的屏蔽,使干扰源不受干扰。

减少噪音和干扰的数字化仪器工具。

示波器和数字化仪可以对干扰信号进行各种测量和分析。平均会降低随机分量的幅值,背景减法可以从波形中去除周期分量 干扰信号出现在左上方的网格中.右前方是干扰信号的快速傅立叶变换(FFT)。垂直光谱线与周期分量有关.周期性窄脉冲列具有10兆赫的基本分量,它在所有奇异谐波频率上以接近恒定的幅值重复。随机元素是光谱平坦的,在所有频率上具有相等的能量,它是FFT谱的基线。右上角的网格上有干扰信号的直方图。随机成分支配着直方图,而直方图似乎具有钟形的正态分布。

平均干扰信号将减少随机噪声分量.如果噪声分量具有高斯分布或正态分布,则信号幅值与平均数的平方根成正比地减小。平均波形出现在中左网格;注意基线上没有随机分量。平均波形的FFT在中心网格中,从顶部向下第二。请注意,光谱线的幅值仍然是一样的,但基线下降到大约-80DBM。由于噪音降低,直方图的钟形响应要小得多。直方图的测量范围显示从最大峰值幅值到最小谷幅值或最高峰至最高峰幅值的幅值。

当从干扰波形中减去平均背景波形时,就可以消除大部分周期波形。这个过程被称为背景减法。它工作的背景信号是稳定的,可以触发示波器。结果的波形出现在左边的底部网格。该信号的FFT位于被占领的底部中心网格。请注意,它的频谱主要是一个平面基线,幅值约为-68DBM,与原FFT的基线水平相同。在10兆赫周期信号的谐波频率上有一些小的光谱线,这些线没有被减法操作所取消。它们不到原来谐波幅度的10%。分离随机分量的直方图具有高斯形状。由于缺乏周期性成分,其范围小于原始直方图。

使用真实信号的背景减法需要在应用信号之前捕获背景和平均值。然后从获得的信号中减去平均背景。

弄清真正的信号

让我们检查降低噪音和来自获得的信号的干扰。感兴趣的信号是100千兆赫的方波,我们研究的干涉波形已经被加入到100千赫的方波中。示波器是在100千赫方波上触发的。FFT出现在右上方网格。频率谱由光谱线为100千赫的方波谱组成,并随频率呈指数级递减。10兆赫干扰信号提供了10兆赫的光谱线及其所有的奇异谐波,在整个FFT的范围内有一个统一的幅幅。随机分量将FFT基线提高到大约-70DBM。

平均波形(左边的第二个网格)去除随机组件,而不是周期组件。平均信号的FFT(右侧第二次)显示100千赫和10兆赫的组件与以前一样,但由于随机分量的减少,FFT的基线降至大约-90dbm。平均不影响周期分量,因为它与示波器触发同步。

过滤可以减少噪音和干扰水平。该示波器包括20兆赫和200兆赫模拟滤波器在输入信号路径。它还包括六个有限脉冲响应低通数字滤波器,称为增强分辨率(Eres)噪声滤波器。左边的第三个格栅显示使用Eres滤波器过滤的信号。这是一个低通滤波器,与-3分贝截止频率16兆赫.信号似乎很清晰。滤波器的效果可以从右方滤波信号的FFT中看到。低通滤波器抑制16兆赫以上的光谱分量。当这种方法起作用时,你必须小心,低通滤波会抑制所需信号的谐波,并且会在转换时间影响这些测量。

Eres噪声滤波器可用的六个带宽随仪器样品率的不同而变化,限制了它们的效用。该示波器也有一个可选的数字滤波器包,提供更大范围的滤波器类型和截止特性,允许优化噪声和减少干扰。

通过背景从获得的波形中减去被过滤的波形,我们可以看到被滤波器删除的内容(左下方网格)。FFT显示缺少10兆赫和100千赫谐波。

利用数字化仪器尽量减少噪音

在数字化仪器测量中,最大限度地减小噪声影响的关键技术包括差数获取、降低宽带噪声的平均、背景减法和滤波,以减少噪声和周期性信号干扰。