Работа с зашумленным сигналом

Автор: Тревор Смит

Введение

Шум является широкораспространенной классической проблемой. Практически всем, кто работает с электронными схемами, приходится уделять время борьбе с шумом – либо ис-кать и устранять его источники, либо пытаться снизить его влияние на результаты измере-ний. Число источников шума огромно – шумы могут возникать внутри схемы или поступать извне, маскируя собой полезные сигналы. Возможно вам приходилось сталкиваться с про-блемами измерения низковольтных сигналов (порядка нескольких мВ), таких как сигналы радара или электрокардиографа.
Шум может затруднить измерение истинного напряжения сигнала и может увеличить джиттер, затрудняя измерение временных характеристик. В других случаях вам нужно по-лучить чистую кривую для включения ее в отчет, чтобы четко продемонстрировать работу схемы.

Осциллограф имеет множество средств и функций, которые могут помочь в борьбе с шу-мами. В данной статье описываются общие функции осциллографов, которые могут сни-зить шум во время измерения, включая новейшее средство, представленное только в ос-циллографах серии Tektronix MSO2000 и DPO2000. Перестраиваемый фильтр нижних частот FilterVu™ позволяет отфильтровать нежелательный шум, не лишая вас возможности регистрировать непериодические выбросы в полной полосе осциллографа, что позволяет сосредоточиться на полезном сигнале и не пропустить высокочастотные составляющие.

осциллограф серии MSO2000

Применение осциллографа для измерения зашумленных сигналов
Нужна стабильная синхронизация
Прежде чем анализировать сигнал, нужно получить стабильное изображение, что может быть проблематично, если шумы мешают стабильной синхронизации. Большинство ос-циллографов могут предложить несколько возможных решений этой проблемы.

Как правило, первым шагом на пути к стабильной синхронизации является проверка ре-жимов связи по входу синхронизации и выяснение, какой из них работает лучше. Многие осциллографы Tektronix предлагают режимы связи с подавлением высоких частот (ВЧ), подавлением низких частот (НЧ) и с подавлением шума, каждый из которых можно ис-пользовать для получения стабильной синхронизации.

В режиме подавления высоких частот в тракт синхросигнала включается ФНЧ, который рассчитан на подавление всех высокочастотных выбросов или шумов. В режиме подавле-ния низких частот в тракт синхросигнала включается ФВЧ, который подавляет все низко-частотные сигналы, которые могут вызвать ложное срабатывание синхронизации. В режиме подавления шума увеличивается гистерезис синхронизации, предотвращая запуск от случайных шумовых сигналов. Предсказать влияние этих режимов на конкретный сигнал достаточно трудно; попытайтесь испробовать каждый из них и выяснить, что работает лучше.

Кроме того, системы синхронизации многих осциллографов позволяют управлять задержкой срабатывания. Эта функция задерживает запуск на указанное пользователем время. Если ваш сигнал имеет периодический характер, попробуйте отрегулировать задержку так, чтобы избежать ложных срабатываний.

Если синхронизация по-прежнему нестабильна, многие осциллографы предлагают ограничить полосу, пропуская сигнал через ФНЧ. ФНЧ имеет обычно минимальный набор настроек и, как правило, его частота среза не опускается ниже 20 МГц. Во многих случаях, например, при отладке источников питания, такая частота может оказаться недостаточно низкой. Попробуйте добиться стабильной синхронизации, изменяя полосу пропускания.

Снижение зашумленности отображаемого сигнала
Добившись стабильной синхронизации, можно попытаться дополнительно улучшить изо-бражение на экране осциллографа. Для этого можно использовать несколько функций: ограничение полосы (описано выше), режим захвата с усреднением, режим захвата с высоким разрешением и перестраиваемый фильтр нижних частот FilterVu – новую функцию осциллографов серии Tektronix MSO/DPO2000.

Ограничение полосы
В этом режиме полоса пропускания осциллографа ограничивается полосой частот полез-ного сигнала. Это значит, что частоты выше установленного предела будут подавляться или полностью исключаться из тракта синхронизации, а также из трактов захвата и ото-бражения сигнала. Режим ограничения полосы можно использовать не только для получе-ния стабильной синхронизации, но и для уменьшения зашумленности сигнала, отображае-мого на экране осциллографа.

Применение режима ограничения полосы является простейшим способом подавления шу-мов и прекрасно работает, если все нежелательные шумы расположены на частотах, пре-вышающих частоту среза фильтра. Однако в этом режиме могут исчезнуть и все высоко-частотные выбросы.

Обычно осциллографы предлагают весьма ограниченные возможности регулировки полосы пропускания – в большинстве случаев частоту среза можно установить равной 250 МГц или 20 МГц.

Режим захвата с усреднением
В режиме захвата с усреднением выполняется несколько полных захватов, а затем проис-ходит поточечное усреднение для получения среднего напряжения в момент каждой вы-борки. Число захватов, участвующих в усреднении, выбирается пользователем. Шум, как правило, изменяется от выборки к выборке случайным образом и может оказаться как больше, так и меньше. При усреднении этих случайных величин по достаточно большому числу выборок они взаимно уничтожаются, создавая на экране стабильный сигнал. Для того чтобы воспользоваться режимом захвата с усреднением, полезный сигнал должен быть периодическим. Непериодические сигналы или однократные события усреднять нельзя.

Режим захвата с усреднением подавляет все некоррелированные события и случайный шум, даже на очень низких частотах. Причем он работает для всех скоростей развертки осциллографа.
Поскольку для создания одной усредненной осциллограммы нужно захватить несколько образцов сигнала, скорость реакции изображения на изменение входного сигнала или на поворот рукоятки на передней панели может упасть. Это значит, что редкие выбросы, ско-рее всего, будут пропущены.

В некоторых случаях режим захвата с усреднением предпочтительней ограничения полосы, поскольку при этом сохраняется полная полоса пропускания осциллографа для захвата периодических высокочастотных событий.

Режим захвата с высоким разрешением
Некоторые осциллографы имеют режим захвата с высоким разрешением, который подобен режиму захвата с усреднением, поскольку также пользуется усреднением для подавления шумов. В режиме захвата с высоким разрешением выполняется усреднение в интервале для каждого захвата, то есть, для создания одной усредненной точки усредняется несколько соседних выборок в пределах каждой захваченной осциллограммы. Это приводит к снижению высокочастотного шума, поскольку усреднение подавляет вызванные шумом быстрые флуктуации напряжения. Также в этом режиме снижается частота дискретизации, поскольку насколько выборок сливаются в одну. В результате режим захвата с высоким разрешением работает только для медленных разверток, когда осциллограф имеет достаточный запас частоты дискретизации для отображения измеряемого сигнала.

В отличие от режима захвата с усреднением, режим захвата с высоким разрешением может использоваться для непериодических и однократных сигналов. И поскольку в этом режиме нужно захватить всего одну осциллограмму, режим захвата с высоким разрешением обеспечивает значительно большую скорость обновления изображения. Кроме того, объединение соседних выборок снижает вероятность наложения спектров при медленной развертке.

Поскольку режим захвата с высоким разрешением является разновидностью фильтра ниж-них частот, вы можете пропустить высокочастотные выбросы сигнала. Кроме того, режим захвата с высоким разрешением пропускает некоторый высокочастотный шум, который может исказить форму сигнала и положения фронтов. И, как правило, информация о том, какие частоты были подавлены, в режиме захвата с высоким разрешением отсутствует.

Режим захвата с высоким разрешением может подавить некоторые нежелательные часто-ты, однако другие частоты могут остаться в связи с недостаточной частотной селективностью этого метода.

Цифровые фильтры
Некоторые осциллографы предлагают последующую обработку сигнала с помощью циф-рового сигнального процессора (DSP), которая позволяет вырезать из сигнала определен-ные шумовые частоты. При этом вы можете полностью контролировать фильтруемую час-тоту. И хотя эти фильтры обладают достаточной гибкостью, зачастую они медленны и подходят только для однократного захвата или медленных разверток. К тому же они могут отфильтровать интересные и важные выбросы или аномалии, а вы об этом даже не уз-наете.

Перестраиваемый фильтр нижних частот FilterVu™
Осциллографы серии Tektronix MSO/DPO2000 предлагают новую мощную функцию, пе-рестраиваемый фильтр нижних частот FilterVu™, которая позволяет отфильтровать неже-лательный шум. FilterVu позволяет выбрать частоту среза ФНЧ, через который будет про-ходить отображаемый сигнал. Но, несмотря на фильтрацию, вы будете застрахованы от потерь высокочастотных выбросов или сильного шума за счет ненавязчивой фоновой ос-циллограммы, отображающей обнаруженные пиковые значения сигнала (режим удержания мин./макс.) под чистой отфильтрованной осциллограммой.

Частоту среза ФНЧ можно настраивать с передней панели, что позволяет контролировать степень подавления шума. Отображаемое значение частоты среза позволяет оценить спектр шума без применения трудоемкого быстрого преобразования Фурье (FFT). Причем эту настройку можно выполнять даже для однократных осциллограмм после захвата, что позволяет тщательно исследовать полезный сигнал.

Кроме того, FilterVu предлагает столь же высокую скорость обновления изображения, как и режим захвата с высоким разрешением, обеспечивая гибкость и контроль, свойственные последующей цифровой обработке, и сохраняя фоновое изображение, на котором видны высокочастотные выбросы и сильные шумы.
Полученная с помощью пикового детектора фоновая кривая регистрирует выбросы сигна-ла в полной полосе пропускания осциллографа, даже для однократных осциллограмм. Это значит, что любые выбросы, которые можно захватить с максимальной скоростью раз-вертки, будут все-таки видны при исследовании сигнала с минимальной скоростью раз-вертки.

Подобно режиму захвата с высоким разрешением, фильтр FilterVu™ доступен не для всех скоростей развертки. С ускорением развертки диапазон перестройки фильтра сужается. На самой быстрой развертке фильтр отключается совсем, поскольку ФНЧ работает за счет со-кращения числа выборок сигнала. Во многих режимах развертки осциллограф работает с пониженной частотой дискретизации, поэтому возникает множество лишних точек. Когда осциллограф работает с максимальной частотой дискретизации или близко к этой частоте, лишних точек образуется меньше и возможности фильтрации FilterVu сокращаются. Для снижения шумов на максимальных скоростях развертки лучше использовать режим захва-та с усреднением.

FilterVu можно применять к периодическим, непериодическим и однократным сигналам. Свойственный ему широкий диапазон перестройки частоты среза позволяет удалить дос-таточную часть шума, не оказывая существенного влияния на полезный сигнал. Аналогично режиму ограничения полосы, FilterVu может фильтровать низкие частоты (менее 1 МГц), но в отличие от режима захвата с высоким разрешением он не пропускает нежелательные верхние частоты, которые могут маскировать полезный сигнал. А благодаря фоновому изображению, полученному с помощью пикового детектора, которое защищает вас от потери важных выбросов, FilterVu является прекрасной заменой режима захвата с высоким разрешением.

Кроме того, FilterVu может снизить эффекты наложения спектров. При минимальной час-тоте фильтрации для каждой скорости развертки через фильтр проникает не более 1% вы-сокочастотных составляющих, которые могут вызвать наложение спектров, если частота установлена на минимум, масштабирование выключено и выполняется захват. При этом подавляются только перекрывающиеся частоты, а не полезный сигнал.

Заключение
Шум представляет собой постоянную и сложную проблему, присутствующую практиче-ски во всех электронных схемах. В данной статье обсуждаются некоторые функции осциллографов, которые можно использовать для оценки влияния шумов и их снижения во время измерения. Фильтр нижних частот FilterVu в осциллографах серии Tektronix MSO2000 и DPO2000 представляет собой мощный и гибкий инструмент с минимальным числом компромиссов, позволяющий эффективнее решать проблемы, связанные с шумом.

Детальную информацию о серии DPO/MSO2000 вы можете получить в официального представителя Tektronix Inc. компании ООО "НВП Оракул" www.oracul.kiev.ua, (044) 576-4991, 360-2265