示波器用于波形重建的DSP濾波技術(shù)
波形重建濾波用來(lái)在兩個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)之間“插入”數(shù)學(xué)運(yùn)算點(diǎn)。插入的數(shù)據(jù)點(diǎn)可提高較快時(shí)基下的波形測(cè)量精度和使波形更接近真實(shí)。等效/重復(fù)采樣，也是一種透過(guò)插入點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)的波形重建技術(shù)，但它的應(yīng)用場(chǎng)合有限，僅對(duì)嚴(yán)格重復(fù)的波形有效；對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)變化的應(yīng)用場(chǎng)合，不能使用等效采樣。必須在一次采集完成一個(gè)完整的波形捕獲，因此只能選擇軟件的方法重建波形。
簡(jiǎn)單的波形重建，采用線性插補(bǔ)濾波器。盡管這類濾波器將改善測(cè)量分辨率、精度和顯示質(zhì)量，但更精確的內(nèi)插技術(shù)是sin(x)/x 波形內(nèi)差濾波技術(shù)，這是一種對(duì)稱濾波器。
過(guò)去，帶寬較低的示波器一般具有高斯類型的滾降特點(diǎn)，2中的綠色曲線(底部)所示。果您使用這種高斯類型的低速滾降濾波器處理速度非常快的信號(hào)，由于高于–3dB帶寬的信號(hào)很多，超過(guò)Nyquist頻率之上的頻率成分(在本中用陰影區(qū)域表示)會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。果被測(cè)對(duì)象基波頻率接近或超過(guò)Nyquist頻率，混疊會(huì)使得顯示的周期性波形看上去會(huì)像沒(méi)有觸發(fā)一樣，波形的測(cè)量誤差會(huì)呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。在輸入信號(hào)的基波頻率低于Nyquist頻率，但信號(hào)諧波高于Nyquist頻率時(shí)，您可能會(huì)在示波器顯示屏上看到邊沿“搖擺”的波形。為此，安捷倫在傳統(tǒng)上一直把具有高斯?jié)L降特點(diǎn)、帶寬較低的實(shí)時(shí)示波器的帶寬限定為取樣速率的?，也就是Nyquist頻率的? ，目的是濾除高于Nyquist的諧波成分。
對(duì)某些帶寬在2 GHz - 6 GHz之間的帶寬較高的實(shí)時(shí)示波器，硬件滾降特點(diǎn)開始接近理論磚墻濾波器。在大多數(shù)示波器測(cè)量中，這是一種希望實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。這類硬件濾波器稱為高階大平坦濾波器，通過(guò)這類硬件濾波器，大多數(shù)帶內(nèi)頻率以小衰減傳送，而大多數(shù)帶外頻率則被明顯衰減。在高階大平坦響應(yīng)時(shí)，示波器帶寬開始接近Nyquist極限。安捷倫建議對(duì)具有高階大平坦響應(yīng)的示波器，示波器帶寬應(yīng)限定在不大于取樣速率的0.4倍。換句話說(shuō)，為保證使用sin(x)/x濾波的波形重建技術(shù)的有效性和精確性，以20 GSa/s速率取樣的示波器的帶寬不得超過(guò)8 GHz。
在示波器中采用sin(x)/x 軟件內(nèi)插濾波器有什么缺點(diǎn)呢？果輸入信號(hào)在前期有頻段限制，或果示波器的硬件適當(dāng)?shù)叵拗屏薔yquist頻率之上的取樣頻率成分，那么其問(wèn)題可以降到小。但是果輸入信號(hào)具有超過(guò)系統(tǒng)帶寬的明顯高的頻率成分，那么sin(x)/x濾波技術(shù)的問(wèn)題之一是對(duì)重建的波形可能會(huì)出現(xiàn)軟件生成的下沖和過(guò)沖，這種影響在本質(zhì)上是一種Gibbs現(xiàn)象。軟件生成的過(guò)沖通常隱藏在實(shí)際輸入信號(hào)中固有的過(guò)沖及示波器的硬件濾波技術(shù)所產(chǎn)生的過(guò)沖中。由于下沖通常在信號(hào)中實(shí)際并不存在，因此示波器用戶通常會(huì)懷疑sin(x)/x濾波技術(shù)的有效性。但在測(cè)量帶外信號(hào)時(shí)，與未校正的硬件導(dǎo)致的誤差相比，軟件導(dǎo)致的誤差(下沖)可能只是小巫見(jiàn)大巫。
記住，測(cè)量帶外信號(hào)意味著您正在試捕獲頻率成分超過(guò)示波器指定帶寬功能的信號(hào)，因此測(cè)得結(jié)果中可能包括由于硬件限制導(dǎo)致的明顯誤差成分。例，果您試測(cè)量邊沿速率為20 ps (10% - 90%)的輸入信號(hào)，6 GHz示波器會(huì)產(chǎn)生70 ps左右的測(cè)量結(jié)果(10% - 90%)， 250%的測(cè)量誤差。盡管軟件濾波產(chǎn)生的下沖和過(guò)沖可能會(huì)擾亂視覺(jué)，但與硬件導(dǎo)致的過(guò)沖及經(jīng)常被忽視的邊沿速率測(cè)量誤差相比，這些現(xiàn)象只是很小的誤差來(lái)源。
為降低軟件導(dǎo)致的下沖，示波器設(shè)計(jì)人員可以采用sin(x)/x 內(nèi)插濾波技術(shù)，而不校正采集的帶外波形的相位，結(jié)果是濾波后的波形有很大的過(guò)沖和很小的下沖時(shí)，盡管這感覺(jué)可能比較舒服，但幅度測(cè)量和邊沿速率測(cè)量的精度會(huì)惡化。因此，就快速上升沿和下降沿的測(cè)量而言，使用線性相位校正的DSP濾波技術(shù)的測(cè)量結(jié)果為精確。(本文后面將更詳細(xì)地討論相位校正濾波技術(shù)。)
好的方法是盡力忽略下沖現(xiàn)象，把快速邊沿脈沖開始前的這種“擺動(dòng)”看作實(shí)時(shí)示波器采用正確D
SP濾波器的一種標(biāo)志，這種技術(shù)可以精確地表示帶外信號(hào)的整體特點(diǎn)。也可以把下沖信號(hào)看成一種標(biāo)志，表明您應(yīng)該使用更高帶寬的實(shí)時(shí)示波器，或者使用高帶寬取樣示波器，Agilent 86100C。果不可能進(jìn)行重復(fù)取樣，而且合適的高帶寬實(shí)時(shí)示波器尚未面世，那么您可能必需接受，實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果是當(dāng)前實(shí)時(shí)取樣和濾波技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的好結(jié)果。
前所述，sin(x)/x DSP濾波會(huì)明顯改善測(cè)量分辨率和精度，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)時(shí)取樣間隔 (1/取樣速率)。通過(guò)安捷倫20 GSa/s 54855A示波器，在單次采集中使用sin(x)/x濾波時(shí)，增量時(shí)間測(cè)量精度可以改進(jìn)到+/-7 ps (峰值)。在某些情況下，使用sin(x)/x濾波技術(shù)會(huì)影響吞吐量，換句話說(shuō)，濾波器導(dǎo)致示波器顯示屏更新速度太慢。但是，由于使用sin(x)/x濾波可以增強(qiáng)精度，因此所有缺點(diǎn)顯得都不那么重要。
目前，所有主要實(shí)時(shí)示波器廠商都允許用戶決定是否使用sin(x)/x濾波技術(shù)。這種工作模式是安捷倫示波器是一種默認(rèn)選項(xiàng)，但用戶可以選擇其它選項(xiàng)。
按照結(jié)構(gòu)和性能不同分類
①普通示波器。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶較窄，掃描線性差，僅用于觀察波形。
②多用示波器。頻帶較寬，掃描線性好，能對(duì)直流、低頻、高頻、超高頻信號(hào)和脈沖信號(hào)進(jìn)行定量測(cè)試。借助幅度校準(zhǔn)器和時(shí)間校準(zhǔn)器，測(cè)量的準(zhǔn)確度可達(dá)±5%。
③多線示波器。采用多束示波管，能在熒光屏上同時(shí)顯示兩個(gè)以上同頻信號(hào)的波形，沒(méi)有時(shí)差，時(shí)序關(guān)系準(zhǔn)確。
④多蹤示波器。具有電子開關(guān)和門控電路的結(jié)構(gòu)，可在單束示波管的熒光屏上同時(shí)顯示兩個(gè)以上同頻信號(hào)的波形。但存在時(shí)差，時(shí)序關(guān)系不準(zhǔn)確。
⑤取樣示波器。采用取樣技術(shù)將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬低頻信號(hào)進(jìn)行顯示，有效頻帶可達(dá)GHz級(jí)。
⑥記憶示波器。采用存儲(chǔ)示波管或數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)，將單次電信號(hào)瞬變過(guò)程、非周期現(xiàn)象和超低頻信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間保留在示波管的熒光屏上或存儲(chǔ)在電路中，以供重復(fù)測(cè)試。
⑦數(shù)字示波器。內(nèi)部帶有微處理器，外部裝有數(shù)字顯示器，有的產(chǎn)品在示波管熒光屏上既可顯示波形，又可顯示字符。被測(cè)信號(hào)經(jīng)模一數(shù)變換器（A/D變換器）送入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，通過(guò)鍵盤操作，可對(duì)捕獲的波形參數(shù)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行加、減、乘、除、求平均值、求平方根值、求均方根值等的運(yùn)算，并顯示出答案數(shù)字。
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