即使是在最好的設(shè)計中,噪音和干擾也會偷偷進(jìn)入,以降低信噪比,模糊所需的信號,損害測量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。諸如示波器和數(shù)字化儀等數(shù)字化儀器具有很多特性,可以描述、測量和減少噪音對測量的影響。
干擾信號
每一項(xiàng)測量包括感興趣的信號和一組不需要的信號,如噪音、干擾和扭曲。噪聲和干擾通常與測量的信號無關(guān).失真是一種干擾信號或與感興趣的信號有關(guān)的信號,如諧波。
噪音是一種隨機(jī)信號,用它的統(tǒng)計特征來描述.干擾包括通過串?dāng)_等過程耦合到測量系統(tǒng)中的信號。干擾信號通常是周期性的。 一個包含隨機(jī)和周期組件的干擾信號的例子,以及用于描述信號的一些工具。示波器是在周期元素上觸發(fā)的。
干擾信號包含隨機(jī)和周期分量。周期元件由10兆赫的"尖峰"組成。水平頻率(FERQ@LVL)測量參數(shù)(顯示網(wǎng)格下的P-4)讀取大約70%的信號幅度的峰值頻率,以避免噪音峰。此外,還測量了平均值、尖峰至高峰值和RMS水平。數(shù)字化儀器,包括示波器和數(shù)字化儀,有各種各樣的工具來測量像這樣的噪聲信號的特性。它們還提供了一系列分析工具,以減少這些不需要的信號元素的影響。
儀器噪音
所有的數(shù)字化儀器也增加了測量噪音。一般而言,在噪音水平低得多且不影響測量的地方選擇儀器。在測量應(yīng)用的基礎(chǔ)上,可以選擇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數(shù)字化器,使儀器噪聲保持在合理的范圍內(nèi)。
差動連接
當(dāng)減少噪音和干擾信號時,數(shù)字化儀器的輸入是開始的地方。一個很好的起點(diǎn)是使用微分連接來減少共同模式信號.許多數(shù)字化儀和一些示波器都有差動輸入,而示波器通常提供差動探針來連接被測試設(shè)備(DUT)到儀器。
差動信令用由互補(bǔ)信號驅(qū)動的兩條電線傳輸信號.當(dāng)計算出這兩條線路之間的電壓差時,消除了兩個導(dǎo)體共有的噪聲和干擾(共同模式信號)。共同模式拒絕比(CMRR)測量共同模式噪聲被抑制的程度.還要注意,差動信號也不需要地面返回.在某些情況下,這也有助于最大限度地減少干擾信號的接收。差動信號的一個例子是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)或CAN總線。
兩個CAN總線信號組件是互補(bǔ)的,當(dāng)一個從另一個中減去時,共同模式信號,如噪聲和干擾,取消。請注意,這兩個組件之間的差異是電壓擺動的兩倍于單個信號,提供了6分貝的信噪比改進(jìn)。
在差動探針或差動放大器中的差動操作可以減少兩條線路的共同噪聲,從而使電纜運(yùn)行更長。除了CANBUS之外,在RS-422、RS-485、雙絞線以太網(wǎng)和其他串行數(shù)據(jù)通信鏈接中,差動信令也很常見。
通過使用扭曲對或同軸傳輸線,可以進(jìn)一步降低差動信號中的常見模式噪聲和干擾,這些線可以提供額外的屏蔽,使干擾源不受干擾。
減少噪音和干擾的數(shù)字化儀器工具。
示波器和數(shù)字化儀可以對干擾信號進(jìn)行各種測量和分析。平均會降低隨機(jī)分量的幅值,背景減法可以從波形中去除周期分量 干擾信號出現(xiàn)在左上方的網(wǎng)格中.右前方是干擾信號的快速傅立葉變換(FFT)。垂直光譜線與周期分量有關(guān).周期性窄脈沖列具有10兆赫的基本分量,它在所有奇異諧波頻率上以接近恒定的幅值重復(fù)。隨機(jī)元素是光譜平坦的,在所有頻率上具有相等的能量,它是FFT譜的基線。右上角的網(wǎng)格上有干擾信號的直方圖。隨機(jī)成分支配著直方圖,而直方圖似乎具有鐘形的正態(tài)分布。
平均干擾信號將減少隨機(jī)噪聲分量.如果噪聲分量具有高斯分布或正態(tài)分布,則信號幅值與平均數(shù)的平方根成正比地減小。平均波形出現(xiàn)在中左網(wǎng)格;注意基線上沒有隨機(jī)分量。平均波形的FFT在中心網(wǎng)格中,從頂部向下第二。請注意,光譜線的幅值仍然是一樣的,但基線下降到大約-80DBM。由于噪音降低,直方圖的鐘形響應(yīng)要小得多。直方圖的測量范圍顯示從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。
當(dāng)從干擾波形中減去平均背景波形時,就可以消除大部分周期波形。這個過程被稱為背景減法。它工作的背景信號是穩(wěn)定的,可以觸發(fā)示波器。結(jié)果的波形出現(xiàn)在左邊的底部網(wǎng)格。該信號的FFT位于被占領(lǐng)的底部中心網(wǎng)格。請注意,它的頻譜主要是一個平面基線,幅值約為-68DBM,與原FFT的基線水平相同。在10兆赫周期信號的諧波頻率上有一些小的光譜線,這些線沒有被減法操作所取消。它們不到原來諧波幅度的10%。分離隨機(jī)分量的直方圖具有高斯形狀。由于缺乏周期性成分,其范圍小于原始直方圖。
使用真實(shí)信號的背景減法需要在應(yīng)用信號之前捕獲背景和平均值。然后從獲得的信號中減去平均背景。
弄清真正的信號
讓我們檢查降低噪音和來自獲得的信號的干擾。感興趣的信號是100千兆赫的方波,我們研究的干涉波形已經(jīng)被加入到100千赫的方波中。示波器是在100千赫方波上觸發(fā)的。FFT出現(xiàn)在右上方網(wǎng)格。頻率譜由光譜線為100千赫的方波譜組成,并隨頻率呈指數(shù)級遞減。10兆赫干擾信號提供了10兆赫的光譜線及其所有的奇異諧波,在整個FFT的范圍內(nèi)有一個統(tǒng)一的幅幅。隨機(jī)分量將FFT基線提高到大約-70DBM。
平均波形(左邊的第二個網(wǎng)格)去除隨機(jī)組件,而不是周期組件。平均信號的FFT(右側(cè)第二次)顯示100千赫和10兆赫的組件與以前一樣,但由于隨機(jī)分量的減少,FFT的基線降至大約-90dbm。平均不影響周期分量,因?yàn)樗c示波器觸發(fā)同步。
過濾可以減少噪音和干擾水平。該示波器包括20兆赫和200兆赫模擬濾波器在輸入信號路徑。它還包括六個有限脈沖響應(yīng)低通數(shù)字濾波器,稱為增強(qiáng)分辨率(Eres)噪聲濾波器。左邊的第三個格柵顯示使用Eres濾波器過濾的信號。這是一個低通濾波器,與-3分貝截止頻率16兆赫.信號似乎很清晰。濾波器的效果可以從右方濾波信號的FFT中看到。低通濾波器抑制16兆赫以上的光譜分量。當(dāng)這種方法起作用時,你必須小心,低通濾波會抑制所需信號的諧波,并且會在轉(zhuǎn)換時間影響這些測量。
Eres噪聲濾波器可用的六個帶寬隨儀器樣品率的不同而變化,限制了它們的效用。該示波器也有一個可選的數(shù)字濾波器包,提供更大范圍的濾波器類型和截止特性,允許優(yōu)化噪聲和減少干擾。
通過背景從獲得的波形中減去被過濾的波形,我們可以看到被濾波器刪除的內(nèi)容(左下方網(wǎng)格)。FFT顯示缺少10兆赫和100千赫諧波。
利用數(shù)字化儀器盡量減少噪音
在數(shù)字化儀器測量中,最大限度地減小噪聲影響的關(guān)鍵技術(shù)包括差數(shù)獲取、降低寬帶噪聲的平均、背景減法和濾波,以減少噪聲和周期性信號干擾。
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