提升示波器波形質(zhì)量，要靠OFF/ENVELOPE/AVERAGE這三種算法？

提到波形算法，容易想到示波器里數(shù)學(xué)運(yùn)算功能“math”可以實(shí)現(xiàn)幾十種的算法，完全滿足應(yīng)用需要，其中有個(gè)特色算法就是實(shí)時(shí)的FFT算法，可以實(shí)時(shí)顯示頻譜，實(shí)現(xiàn)時(shí)域和頻域聯(lián)調(diào)的功能。該文談的算法主要針對(duì)測(cè)試波形做相應(yīng)的算法，提升波形質(zhì)量，分為三種：OFF，ENVELOPE，AVERAGE。

幾個(gè)概念

為了更直觀的說(shuō)明波形算法這個(gè)概念，首先貼出圖1，從圖中可以看到在數(shù)據(jù)采集通道中，內(nèi)插模式、抽取模式以及波形算法是在同一數(shù)據(jù)處理通道上，從ADC采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)內(nèi)插模式或者抽取模式后，你可以根據(jù)測(cè)試需要選擇合適的波形算法對(duì)多次采集的波形進(jìn)行算法處理，內(nèi)插模式和抽取模式可以與波形算法自由組合，選擇比較靈活。本篇以4種抽取模式與3種波形算法的組合來(lái)主要說(shuō)明波形算法的應(yīng)用。

圖1 R&S示波器數(shù)據(jù)處理通路

到這里，可能很多人會(huì)有疑惑：又是一個(gè)average，之前上一篇抽取模式短文里Hi-RESOLUTION抽取模式里也采用了average，這兩種處理方式同樣是針對(duì)同一采集數(shù)據(jù)處理的，一前一后，有什么差異?筆者在第一次見(jiàn)到這個(gè)的時(shí)候，確實(shí)存在這樣的疑問(wèn)，后續(xù)將跟大家一起分享下這兩個(gè)average的同與不同。

在《示波器的抽取模式》一文中已說(shuō)明抽取的四種模式分別為：SAMPLE，PEAK-DETECT，HI-RESOLUTION，RMS。本文所要介紹的波形算法分為如下三種：OFF，ENVELOPE，AVERAGE?？梢詫?shí)現(xiàn)的組合如下圖2所示。

圖2 抽取模式與波形算法可以實(shí)現(xiàn)的組合

示波器抽取模式是對(duì)ADC采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算，即對(duì)相鄰的N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)做相應(yīng)的算法，把N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)做算法，計(jì)算成一個(gè)點(diǎn)，以此類推到ADC采集的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，這樣可以降低波形采樣率。經(jīng)過(guò)抽取后的數(shù)據(jù)點(diǎn)組合成波形，而示波器的波形算法正是對(duì)N個(gè)連續(xù)采樣的波形采用不同的算法優(yōu)化波形質(zhì)量，更加真實(shí)的測(cè)量信號(hào)波形。

同理，示波器的內(nèi)插模式與波形算法的組合，是對(duì)ADC采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)做不同的內(nèi)插，然后把內(nèi)插后的波形采用不同的波形算法，優(yōu)化測(cè)試波形。

下面對(duì)三種波形算法定義分別作簡(jiǎn)要的介紹。

· OFF

這是最簡(jiǎn)單的一種方式，顧名思義，就是對(duì)波形不做任何處理，即關(guān)閉或者旁路波形算法，直接送到示波器后續(xù)相應(yīng)測(cè)試測(cè)量部分，并在示波器屏幕上顯示出來(lái)。

· ENVELOPE

在N個(gè)連續(xù)采樣的波形里，在時(shí)刻Ti對(duì)應(yīng)于N個(gè)波形里的最大值和最小值分別為Vimax、Vimin，則對(duì)這N個(gè)波形做ENVELOPE算法后，就是把對(duì)應(yīng)的每個(gè)Ti時(shí)刻的最大值Vimax和最小值Vimin組合成一個(gè)新的波形，這樣會(huì)有最大值組合成的一條曲線和最小值組合成的一條曲線，這兩條曲線組合成包絡(luò)，即為波形算法里的ENVELOPE的含義。

· AVERAGE

同上原理，在N個(gè)連續(xù)采樣的波形里，在時(shí)刻Ti對(duì)應(yīng)于N個(gè)波形里的幅值分別為Vi1、Vi2、Vi3、……ViN，則對(duì)這N個(gè)波形做AVERAGE算法后，在Ti時(shí)刻的幅值為V=(Vi1+Vi2+Vi3+……+ViN)/N。在其他時(shí)刻，采用類似算法，這樣在不同時(shí)刻點(diǎn)計(jì)算出來(lái)的值組合成新的波形即為通過(guò)AVERAGE波形算法計(jì)算的波形。

不同波形算法對(duì)比

結(jié)合示波器抽取模式，下面根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析對(duì)應(yīng)于不同抽取模式下，不同波形算法的優(yōu)異差異，見(jiàn)圖2。關(guān)于示波器抽取模式的分析，可以參照《示波器的抽取模式》一文。本文所測(cè)試信號(hào)為R&S示波器自帶標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)1KHz方波。3.1 SAMPLE模式

在示波器抽取模式為SAMPLE時(shí)，OFF和AVERAGE這兩種不同波形算法計(jì)算后的波形分別見(jiàn)圖3，圖4。由這三幅測(cè)試波形對(duì)比可以明顯發(fā)現(xiàn)，沒(méi)做波形算法時(shí)，波形的幅度波動(dòng)比較大，這時(shí)候在測(cè)試幅值時(shí)就會(huì)引入較大的誤差，影響測(cè)試準(zhǔn)確度。再來(lái)看看在SAMPLE抽取模式下，對(duì)波形做AVERAGE算法的測(cè)試波形，波形比較干凈，其實(shí)就是對(duì)圖3中的各個(gè)波形之間做了平均，消除了隨機(jī)誤差，采用這種算法只能對(duì)于周期波形進(jìn)行使用。

圖4 SAMPLE抽取模式下，OFF波形算法測(cè)試波形

圖5 SAMPLE抽取模式下，AVERAGE波形算法測(cè)試波形

PEAK DETECT模式

在PEAK DETECT抽取模式下，不做任何波形算法時(shí)，見(jiàn)圖6，數(shù)據(jù)抽取后兩條曲線為最大值的包絡(luò)和最小值的包絡(luò)，跟《示波器的抽取模式》一文所測(cè)波形一致。從圖7看以看出，根據(jù)波形算法的計(jì)算方式，對(duì)N個(gè)波形，在每個(gè)Ti時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的最小值和最大值分別組成包絡(luò)，即為采用ENVELOPE算法計(jì)算的兩條包絡(luò)線。通過(guò)這個(gè)算法，可以很容易分析測(cè)量信號(hào)幅值的波動(dòng)范圍，為在線測(cè)試提供判斷依據(jù)。

圖6 PEAK DETECT抽取模式下，OFF波形算法測(cè)試波形

圖7 PEAK DETECT抽取模式下，ENVELOPE波形算法測(cè)試波形3.3 HI-RESOLUTION模式

在HI-RESOLUTION模式下，對(duì)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)先做了高精度計(jì)算，在這個(gè)模式下可以達(dá)到12bit分析精度，見(jiàn)圖8，為沒(méi)有做任何波形算法的測(cè)試波形。對(duì)這樣的連續(xù)N個(gè)HI-RESOLUTION抽取的波形，再做AVERAGE算法，進(jìn)一步減少了測(cè)試幅值的隨機(jī)波動(dòng)，這樣測(cè)試出來(lái)的幅值會(huì)更加接近真實(shí)值，減少測(cè)試誤差，有圖9的測(cè)試波形可以看出，在HI-RESOLUTION抽取模式下，對(duì)比在做AVERAGE和沒(méi)做時(shí)的波形，做AVERAGE算法的測(cè)試波形比較平滑，消除隨機(jī)誤差，但是需要注意的是，這個(gè)算法只能適用在周期信號(hào)測(cè)試。

圖8 HI_RESOLUTION抽取模式下，OFF波形算法測(cè)試波形

圖9 HI_RESOLUTION抽取模式下，AVERAGE波形算法測(cè)試波形

RMS模式

在RMS抽取模式下，同理，這里分三種波形算法對(duì)RMS抽取模式的連續(xù)N個(gè)波形計(jì)算，分別得到的測(cè)試波形如圖10，圖11，圖12所示。圖10為RMS抽取模式下，不做任何波形算法的測(cè)試波形個(gè)。圖11為RMS抽取模式下，運(yùn)用AVERAGE波形算法測(cè)試的波形。圖12為RMS抽取模式下，運(yùn)用ENVELOPE波形算法的測(cè)試波形。

圖10 RMS抽取模式下，OFF波形算法測(cè)試波形

圖11 RMS抽取模式下，AVERAGE波形算法測(cè)試波形

圖12 RMS抽取模式下，ENVELOPE波形算法測(cè)試波形

結(jié)論

綜上所述，三種波形算法：OFF，AVERAGE，ENVELOP。根據(jù)測(cè)試需要，選擇不同的波形算法。一般情況下，我們示波器默認(rèn)情況為在SAMPLE抽取模式下，不做任何波形算法。那么這里也簡(jiǎn)單總結(jié)下，波形算法的應(yīng)用的使用情況。

AVERAGE波形算法，主要適用在隨機(jī)噪聲比較多的信號(hào)里，通過(guò)平均算法的計(jì)算，減少隨機(jī)誤差的影響，更加真實(shí)的測(cè)試信號(hào)幅度，只能適用于周期信號(hào)的測(cè)試。

ENVELOPE波形算法，在測(cè)試信號(hào)波形時(shí)，通過(guò)包絡(luò)波形算法，對(duì)于具有隨機(jī)噪聲這樣的信號(hào)來(lái)測(cè)試，可以看到由最大值和最小值組成的包絡(luò)反映了噪聲的輪廓，即上限和下限，可以客觀的反映噪聲的幅值大小，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

我們需要根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況來(lái)選擇波形算法，同樣對(duì)于抽取，內(nèi)插模式也一樣，選擇合適的方式。