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改善數字熒光示波器垂直分辨率的N個(gè)方法（下）

作者： 時(shí)間：2017-01-12 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò ) 收藏
示波器采集模式
在泰克示波器中，“采集模式”指的是波形數據的初始表示，通常采用8位或16位分辨率。所有后續處理操作(顯示、自動(dòng)測量、光標、數學(xué)運算和應用)都基于采集模式確定的信號表示。

大多數示波器的默認采集模式是采樣模式。這是最簡(jiǎn)單的采集模式，其中普通示波器使用一個(gè)8位幅度值、以選定的采樣率、直到最大采樣率表示波形上的每個(gè)點(diǎn)，參見(jiàn)圖（中篇圖5）。


圖1.峰值檢測采集模式捕獲兩個(gè)連續采集間隔中包含的最高值和最低值。
[圖示內容：]
Interval:間隔
Displayed record points:顯示的記錄點(diǎn)
Peak Detect:峰值檢測
Screen Image:屏幕圖像



圖2.包絡(luò )采集模式捕獲多次采集中的最高記錄點(diǎn)和最低記錄點(diǎn)。
[圖示內容：]
Three acquisitions from one source:來(lái)自一個(gè)來(lái)源的三次采集
Acquisition:采集
Envelope:包絡(luò )
Screen image:屏幕圖像

在峰值檢測模式下，示波器用一對8位幅度值表示波形上的每個(gè)點(diǎn)，這對幅度值分別對應選定的一對采樣間隔期間波形的最大值和最小值。采用峰值檢測模式的數字示波器一般會(huì )以最大采樣率對信號采樣，甚至在非常低的水平標度設置下，因此可以捕獲選定采樣率下兩個(gè)點(diǎn)之間發(fā)生的快速信號變化。通過(guò)這種方式，峰值檢測模式特別適合觀(guān)察時(shí)間上相距很遠的窄脈沖，如低頻信號上的毛刺，參見(jiàn)圖1。

包絡(luò )模式與峰值檢測模式類(lèi)似，但它累積多次采集中成對的最大波形點(diǎn)和最小波形點(diǎn)，形成一個(gè)波形，顯示測量期間的最小值/最大值累積結果?？梢允褂梅逯禉z測模式，采集多個(gè)值，這些值結合在一起，構成包絡(luò )波形，參見(jiàn)圖2。

為測量低壓信號，還應考慮其它示波器采集模式。下面將更詳細地討論兩種最實(shí)用的技術(shù)：平均和HiRes。(如需與示波器有關(guān)的進(jìn)一步技術(shù)信息，請參閱泰克入門(mén)手冊03W-8605-XX《深入了解示波器》，網(wǎng)址www.tektronix.com)

圖3.平均采集模式計算多次采集中每個(gè)記錄點(diǎn)的平均值。
[圖示內容：]
Three acquisitions from one source:來(lái)自一個(gè)來(lái)源的三次采集
Acquisition:采集
Average:平均
Screen image:屏幕圖像

平均
平均模式是示波器采集系統中基本降噪信號處理技術(shù)之一。它依賴(lài)多次觸發(fā)采集重復的信號。這種模式使用兩次或兩次以上采集，逐點(diǎn)平均這些采集中的相應數據點(diǎn)，形成輸出波形。平均模式改善了信噪比，消除了與觸發(fā)不相關(guān)的噪聲，提高了垂直分辨率，可以更簡(jiǎn)便地觀(guān)察重復信號，參見(jiàn)圖3。

計算平均波形的傳統方法是把所有采集中的對應樣點(diǎn)加總，然后除以采集數量。但是，這種方法要等到采集了所需的全部N個(gè)波形之后，才能顯示平均值。這種延遲對大多數用戶(hù)是不可接受的，采集數據數量將迅速耗盡示波器的存儲容量。

AN= (1 / N) * (x0+ x1+ x2+ … + xn-1)

其中：
AN是被平均的采集中的點(diǎn)
N表示要平均的總數
xn是第n次采集中的點(diǎn)
n表示采集數量

可以改動(dòng)傳統平均算法，每次在采集另一個(gè)波形時(shí)直接顯示結果，解決顯示被平均的波形中的延遲問(wèn)題。但是，數據的存儲問(wèn)題仍然存在。穩定的平均算法是：

an= (1 / n) * (x0+ x1+ x2+ … + xn-1)

其中：
an是當前被平均的采集中的點(diǎn)
xn是新的第n次采集中的點(diǎn)
n表示采集數量

注意，為獲得具體N次采集的加總平均值，只需把示波器置入單一序列模式。在這種模式下，在n到達N時(shí)，采集會(huì )停止，被平均的波形中包含具體N個(gè)采集的波形。

泰克示波器采用指數平均算法，可以在每次采集后立即在畫(huà)面上更新結果，明顯降低要求的存儲容量。指數平均過(guò)程采用下面的公式，從新采集xn和上一個(gè)平均波形an-1中創(chuàng )建一個(gè)新平均的波形an：

an= an-1+ (1/p)*(xn– an-1) = an-1* ((p – 1) / p) + (xn/ p)

其中：
n表示采集數量
N表示要平均的總數
an是被平均的采集中的新點(diǎn)
an-1是上一個(gè)被平均的采集中的點(diǎn)
xn是新采集中的點(diǎn)
p是加權系數
如果(n小于N)，那么p = n，否則p = N

得到的被平均的波形是相同的，與使用哪種平均算法無(wú)關(guān)。但要注意，指數平均算法在計算和存儲采集的波形和被平均的波形時(shí)效率要高得多。

某些示波器結合使用上面兩種技術(shù)，計算平均值。其顯示第一個(gè)采集，對后面N-1個(gè)采集采用穩定平均，在N個(gè)采集之后則使用指數平均。

這兩種算法都隨時(shí)顯示波形中一致趨勢的影響。在低速信號中可以很容易看到這一點(diǎn)。如果信號穩定，您會(huì )看到在前N個(gè)采集期間噪聲連續下降。在N個(gè)采集后，信號仍會(huì )變化，但整體降噪或垂直分辨率不再改善。

平均技術(shù)提高了信號的垂直分辨率。這種增強能力用位衡量，是平均總數的函數。
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