示波器使用時,環(huán)境中電磁干擾產(chǎn)生的噪聲不可避免會影響到波形采集效果,傳統(tǒng)示波器只有20M帶寬限制,缺乏靈活性,ZUS6000集成了硬件FIR濾波器,可以更好解決噪聲干擾問題。
實際測試環(huán)境中,會有這樣那樣的電磁干擾,這些會通過探頭或者其他什么途徑進入到示波器中,最后導致我們無法準確測量出自己關心的信號。這種情況怎么辦呢,有一個很自然而然的想法,就是濾波。從頻域上,把高頻的信號去掉,把有用的信號保留下來。
傳統(tǒng)示波器都會有一個20M帶寬限制功能,但很多時候20M濾波器并不能滿足所有場合,因為噪聲頻率并不會根據(jù)示波器里預設的模擬濾波器的截止頻率來產(chǎn)生。所以我們需要一種更靈活的濾波器。針對這一場景,我們推出了FIR濾波器功能,讓示波器有更靈活的噪聲抑制能力。
FIR濾波器:有限長沖擊響應濾波器,其本質是通過數(shù)字信號處理的方式來實現(xiàn)濾波器的功能。為了讓大家更好理解,我們簡單對其原理進行分享。我們先看一個最基本的滑塊濾波器代碼。
這就是一種廣義上的FIR濾波器。為什么這么說呢?我們現(xiàn)在來看一下FIR的核心公式:
FIR濾波器實際上就是把ADC采集到的數(shù)據(jù)x(n)與一個長度為M的序列h(k)進行卷積。
我們常用的滑塊濾波其實就是這種形式,只不過h(k)中所有的數(shù)值都是1/M,也就是上面代碼中的1/4。這種濾波器與標準FIR濾波器的差別在于h[k]這個序列不同。而這個h[k]序列,其實就是目標濾波器的沖擊響應。所以說FIR濾波器與滑塊濾波器沒有本質上的區(qū)別,只是他們的目標濾波器形狀不同而已。標準FIR濾波器的形狀是接近理想濾波器的。
熟悉傅里葉的同學可以很容易理解,時域相卷就是頻域相乘,這個序列h[k]其實就是特定頻域曲線的逆傅里葉變換。不熟悉傅里葉也沒關系,知道他是一個濾波器的沖激響應就可以了。
那么FIR在示波器上具體是什么效果呢?
圖1 大噪聲下的信號
圖2 硬件FIR效果展示
圖1為一個耦合了高頻噪聲的正弦波。圖2為應用硬件FIR濾波器之后的效果。可以看到,F(xiàn)IR已經(jīng)完美的將噪聲過濾掉了。而一般示波器的軟件FIR的效果,如圖3所示。
圖3 軟件FIR效果展示
可以看到它的效果很差,這是因為軟件濾波器是由CPU進行計算的,而CPU不能流水線式工作,只能對數(shù)據(jù)一幀一幀的處理,所以數(shù)據(jù)量不能太大,會有一個抽點的過程,導致最終結果不準確。而最前端的穩(wěn)定時間會出現(xiàn)在每一幀波形里,無法處理。而FGPA是流水線作業(yè)的。穩(wěn)定時間只存在與波形采集的一開始,后面就不會再出現(xiàn)了。
FIR另一個比較實用的場景是電源紋波測量。我們知道,由于電磁場的特性,當我們使用接地夾進行紋波時,不可避免的會有一部分開關噪聲耦合進入示波器。所以通常的建議是采用接地彈簧進行測量。但是這很不方便,而且很多高壓場合也做到不到用彈簧測量。
圖4 探頭感容耦合示意圖
圖5 彈簧接地示意圖
通過我們的FIR功能,可以有效的過濾到噪聲信號,甚至不需要用接地彈簧,直接用接地夾進行測量就可以。如將截止頻率設置為開關頻率的10倍以上,就可以無損的測量電源紋波信號了。