示波器的作用是把看不见的电信号转换成看得见的图像。 越优秀的示波器,越能恢复信号的真实面貌。 我们不想看到的信号一定是在“美颜”上度过的。 但是,在实际测量中,硬件电路中的噪声是不可避免的,噪声可能大于实际需要测量的信号,这就加大了信号测量和分析的障碍。 因此,如何有效地去噪,尽量让示波器只显示我们需要观察和分析的内容对信号来说尤为重要。
带宽限制是个好方法。 打开示波器的通道菜单,可以看到带宽栏。 有“完全”、“高通”、“低通”还有“20M”。 其中“20M”是指通过硬件进行频带限制,使信号中频率高于20MHz的分量衰减。 上图是用300MHz频带的示波器测量的信号。 下图为打开20M硬件带宽限制后的波形。
可以看出,当接通20M的频带限制时,波形变得相当细,信号中的许多高频分量衰减了。
由于模拟滤波器电路比数字滤波器更复杂,并且在尝试对不同频带进行滤波时使用的设备也增加,所以示波器中往往仅内置一种20M滤波器。 数字滤波器可以用FPGA可编程硬件实现,可以衰减不同频带的谐波,精度和可靠性也更高。
下图为低通20M数字滤波后得到的波形,与模拟硬件滤波波形相比更加平滑。
那么,数字滤波器有很多优点,为什么示波器内置20M都模拟滤波器呢? 应当注意的是,模拟滤波器可以去除在示波器的模数转换期间在信号中发生的混叠,而数字滤波器可以仅去除基带中的噪声,并且对于已经发生混叠的信号是无能的也就是说,如果噪声的频率高于采样率,则此时数字滤波器无法处理。
利用示波器的快速傅立叶变换(FFT )功能,试着更直观地观察高低通数字滤波器的威力。
上图所示为全带宽下对方波信号的FFT,在红色直方图中,可以看到第一直线为信号的直流成分,第二直线为信号的基波,下一直线为信号的高次谐波成分。
可以看出,将示波器设定为低通15KHz意味着示波器只能通过频率小于15KHz的信号分量,示波器衰减了15KHz以上的频率的信号分量,直方图后面的直线大幅减少。 黄色的信号也更细。
可以看到,如果将低通滤波设置为1KHz (即基波频率),则会丢失很多谐波分量,因此黄色方波衰减为正弦波,直方图中只剩下6条谐波直线。 由此可以看出,低通滤波器只能使所设置的频率的高次谐波分量衰减,不能实际对所设置的频率的高次谐波分量进行滤波。
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那么,数字滤波器有很多优点,为什么示波器内置20M都模拟滤波器呢? 应当注意的是,模拟滤波器可以去除在示波器的模数转换期间在信号中发生的混叠,而数字滤波器可以仅去除基带中的噪声,并且对于已经发生混叠的信号是无能的也就是说,如果噪声的频率高于采样率,则此时数字滤波器无法处理。
利用示波器的快速傅立叶变换(FFT )功能,试着更直观地观察高低通数字滤波器的威力。
上图所示为全带宽下对方波信号的FFT,在红色直方图中,可以看到第一直线为信号的直流成分,第二直线为信号的基波,下一直线为信号的高次谐波成分。
可以看出,将示波器设定为低通15KHz意味着示波器只能通过频率小于15KHz的信号分量,示波器衰减了15KHz以上的频率的信号分量,直方图后面的直线大幅减少。 黄色的信号也更细。
可以看到,如果将低通滤波设置为1KHz (即基波频率),则会丢失很多谐波分量,因此黄色方波衰减为正弦波,直方图中只剩下6条谐波直线。 由此可以看出,低通滤波器只能使所设置的频率的高次谐波分量衰减,不能实际对所设置的频率的高次谐波分量进行滤波。