改善數(shù)字熒光示波器垂直分辨率的N個(gè)方法（下）
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時(shí)間：2017-01-12
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在泰克示波器中，“采集模式”指的是波形數(shù)據(jù)的初始表示，通常采用8位或16位分辨率。所有后續(xù)處理操作(顯示、自動(dòng)測(cè)量、光標(biāo)、數(shù)學(xué)運(yùn)算和應(yīng)用)都基于采集模式確定的信號(hào)表示。
大多數(shù)示波器的默認(rèn)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(cè)采集模式捕獲兩個(gè)連續(xù)采集間隔中包含的最高值和最低值。
[圖示內(nèi)容：]
Interval:間隔
Displayed record points:顯示的記錄點(diǎn)
Peak Detect:峰值檢測(cè)
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(nèi)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(cè)模式下，示波器用一對(duì)8位幅度值表示波形上的每個(gè)點(diǎn)，這對(duì)幅度值分別對(duì)應(yīng)選定的一對(duì)采樣間隔期間波形的最大值和最小值。采用峰值檢測(cè)模式的數(shù)字示波器一般會(huì)以最大采樣率對(duì)信號(hào)采樣，甚至在非常低的水平標(biāo)度設(shè)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(hào)變化。通過(guò)這種方式，峰值檢測(cè)模式特別適合觀察時(shí)間上相距很遠(yuǎn)的窄脈沖，如低頻信號(hào)上的毛刺，參見(jiàn)圖1。
包絡(luò)模式與峰值檢測(cè)模式類(lèi)似，但它累積多次采集中成對(duì)的最大波形點(diǎn)和最小波形點(diǎn)，形成一個(gè)波形，顯示測(cè)量期間的最小值/最大值累積結(jié)果?？梢允褂梅逯禉z測(cè)模式，采集多個(gè)值，這些值結(jié)合在一起，構(gòu)成包絡(luò)波形，參見(jiàn)圖2。
為測(cè)量低壓信號(hào)，還應(yīng)考慮其它示波器采集模式。下面將更詳細(xì)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(qǐng)參閱泰克入門(mén)手冊(cè)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(jì)算多次采集中每個(gè)記錄點(diǎn)的平均值。
[圖示內(nèi)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(tǒng)中基本降噪信號(hào)處理技術(shù)之一。它依賴(lài)多次觸發(fā)采集重復(fù)的信號(hào)。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(yīng)數(shù)據(jù)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)便地觀察重復(fù)信號(hào)，參見(jiàn)圖3。
計(jì)算平均波形的傳統(tǒng)方法是把所有采集中的對(duì)應(yīng)樣點(diǎn)加總，然后除以采集數(shù)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(duì)大多數(shù)用戶(hù)是不可接受的，采集數(shù)據(jù)數(shù)量將迅速耗盡示波器的存儲(chǔ)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(shù)
xn是第n次采集中的點(diǎn)
n表示采集數(shù)量
可以改動(dòng)傳統(tǒng)平均算法，每次在采集另一個(gè)波形時(shí)直接顯示結(jié)果，解決顯示被平均的波形中的延遲問(wèn)題。但是，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題仍然存在。穩(wěn)定的平均算法是：
an= (1 / n) * (x0+ x1+ x2+ … + xn-1)
其中：
an是當(dāng)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(shù)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(dá)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(shù)平均算法，可以在每次采集后立即在畫(huà)面上更新結(jié)果，明顯降低要求的存儲(chǔ)容量。指數(shù)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(shù)量
N表示要平均的總數(shù)
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(quán)系數(shù)
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(shù)平均算法在計(jì)算和存儲(chǔ)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(jié)合使用上面兩種技術(shù)，計(jì)算平均值。其顯示第一個(gè)采集，對(duì)后面N-1個(gè)采集采用穩(wěn)定平均，在N個(gè)采集之后則使用指數(shù)平均。
這兩種算法都隨時(shí)顯示波形中一致趨勢(shì)的影響。在低速信號(hào)中可以很容易看到這一點(diǎn)。如果信號(hào)穩(wěn)定，您會(huì)看到在前N個(gè)采集期間噪聲連續(xù)下降。在N個(gè)采集后，信號(hào)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(hào)的垂直分辨率。這種增強(qiáng)能力用位衡量，是平均總數(shù)的函數(shù)。
評(píng)論