大多数
示波器都配有
滤波器，通过降低采集中的总体噪声来提高信噪比 (SNR)，从而帮助改进测量。即使是基本的示波器，其输入通道信号路径中也包含一个模拟 20 MHz 低通滤波器。具有 GHz 或更好带宽的高端示波器通常提供多个输入低通滤波器，一些是模拟的，一些是数字的。噪声或增强分辨率 (ERES) 数字滤波器是数字低通滤波器，用于提高示波器交易带宽的幅度分辨率，从而提高 SNR。除了这些输入带限滤波器之外，示波器通常还包括可选的数字滤波器软件，为更复杂的滤波需求提供更通用的滤波器类型。
本文将介绍如何使用所有这些过滤工具。
输入带限和噪声滤波器
带宽大于 100 MHz 的示波器通常包含一个 20 MHz 带限滤波器，旨在减少示波器的带宽，以减少低频测量中的宽带噪声。该滤波器通常在类似于图 1所示的输入通道设置中启用。
图 1示波器的输入通道设置，其中带宽限制滤波器选择以黄色突出显示，噪声滤波器以橙色突出显示。资料阿瑟·皮尼
本例中的示波器具有 4 GHz 的全带宽以及 20 和 200 MHz 的输入带限滤波器。具有更高带宽的示波器通常提供更多带限滤波器选择。它还具有用户选择带宽的噪声滤波器设置。
这些滤波器通过减少测量带宽来提高 SNR。改进的程度取决于噪声信号的频率分布。如果噪声源是频谱平坦的高斯白噪声，则 SNR 的改进将与带宽减少的平方根成正比。因此，将带宽减少四倍将使频谱平坦的噪声信号的噪声水平降低一半。
使用带限滤波器
作为如何应用示波器滤波器的示例，让我们看一下电路卡 5 伏总线上的纹波电压，以测量由于电路负载效应而产生的纹波，并了解带限低通滤波器对测量的影响。我们将评估 20 MHz 带限滤波器（图 2）。
图 2顶部显示了在全带宽下进行的测量。较低的迹线是使用 20 MHz 带限滤波器采集的，并减少了高频噪声。资料阿瑟·皮尼
上部迹线是使用交流耦合和带有接地弹簧的高阻抗探头以全带宽采集的，以减少接地引线上的杂散拾取。低频脉冲状波形是印刷电路板上各种器件开启和关闭时由电路负载引起的纹波。该所需信号被高频噪声掩盖。使用 20 MHz 滤波器采集的波形显示高频噪声显着降低，但并未消除。20 MHz 滤波器对低频纹波分量几乎没有影响，低频纹波分量的频率非常低，低于 20 MHz。比较以高频噪声为主要成分的 2 到 4 ms 段的峰峰值幅度，滤波器将峰峰值噪声从 50.4 mV 降低到 13.1 mV。
使用变焦和快速傅立叶变换 (FFT) 更仔细地观察全带宽采集，以更仔细地观察采集的信号并评估噪声的频率分布。在全带宽下采集的信号显示了为什么 20 MHz 滤波器在信号上留下了大量噪声（图 3）。
图 3噪声波形的缩放扩展和 FFT 显示了噪声分量的更多细节。
水平扩展时间信号（从顶部开始的第二条迹线），高频噪
声表现为窄电容耦合脉冲。这些噪声分量上的快速边缘具有将进行频谱扩展的高频分量。查看 FFT（从顶部数第三条迹线），我们可以看到由这些噪声元素引起的宽频谱。此外，代表周期信号分量的频谱峰值在 15 MHz 以下具有密度。由于电路负载引起的电压变化是矩形脉冲状低频变化。在 FFT 频谱中，这些出现在左侧，低于 50 kHz。底部迹线是从 0 到大约 1 MHz 的低频分量的 FFT。20 MHz 输入带限滤波器会衰减 20 MHz 以上的噪声分量，但不会衰减其他频谱分量。
进一步降低噪声需要进一步降低测量带宽。这可以使用噪声滤波器来实现，允许用户选择六种可能的降低带宽之一。
增强分辨率噪声滤波器
噪声滤波器也称为 ERES 滤波器，因为它们增加了示波器的有效分辨率位数。这些滤波器也可通过输入通道设置使用，如图 1 所示，也可作为本示例中使用的示波器中的数学函数。ERES 滤波器处理来自所获取输入的“n”个样本，并对它们进行加权，以生成具有高斯低通频率响应的有限脉冲响应 (FIR) 滤波器。高斯低通滤波器在频域中没有旁瓣，并且在时域中不会引起过冲、下冲或振铃，从而保持信号完整性。ERES 滤波器使用六种采样长度中的任意一种：2、5、11、25、52 和 106 个抽头，以每次半比特为步长实现 0.5 至 3.0 位的分辨率增强。表 1显示了采集期间使用的每秒 100 兆样本 (MS/s) 采样率的所有六个步骤的噪声滤波器特性。
表 1针对六种可能的滤波器带宽限制设置和 100 MS/s 的采样率，噪声滤波器的抽头数量和终带宽。
ERES 噪声滤波器提供一系列低通截止频率，这些频率与滤波器中抽头的数量成比例地降低。更改采集采样率将按比例缩放截止频率，从而为截止频率提供更多选择。选择 3 位增强使用 106 个样本来实现 800 kHz 带宽。对采集信号应用 800kHz 低通滤波器的结果如图4所示。
图 4 800kHz 低通噪声滤波器消除了大部分高频噪声，从而可以详细研究由于电路负载而产生的低频纹波分量。资料阿瑟·皮尼
噪声滤波器选择的 800 kHz 消除了大部分高频噪声，并且电路负载引起的电压变化更加清晰可见。
低通滤波器可以衰减或消除高频噪声。在某些情况下，您可能希望能够分离低频和高频分量并独立研究它们。这需要同时使用高通和低通滤波器。该示波器包括一个可选的数字滤波器包，它提供各种滤波器类型和比标准噪声滤波器更广泛的截止频率。
通用数字滤波器
数字滤波器封装选项拓宽了滤波器的产品范围。它可以创建四种类型的滤波器：低通、高通、带通和带阻，如图5所示。
图 5低通（黄色迹线）、高通（红色迹线）、带通（蓝色迹线）和带阻（绿色迹线）滤波器类型的频率响应示例。资料阿瑟·皮尼
这些滤波器可以使用 FIR 或无限脉冲响应 (IIR) 拓扑创建。IIR 滤波器允许用户选择与众所周知的模拟滤波器相同的数字滤波器类型，包括巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫或逆切比雪夫，示例如图6所示。
图 6比较贝塞尔（红色迹线）、巴特沃斯（黄色迹线）、切比雪夫（蓝色迹线）和逆切比雪夫（绿色迹线）IIR 低通滤波器的幅频响应。资料阿瑟·皮尼
这些是常用的模拟滤波器类型。巴特沃斯或“平坦”滤波器在所有可用滤波器中具有平坦的幅度响应。贝塞尔滤波器以其均匀的相位响应而闻名，如下所示
频率的函数。如果您需要快的滚降，切比雪夫和逆切比雪夫滤波器对于给定的级数具有窄的过渡区域。不利的一面是，切比雪夫滤波器在通带中具有幅度纹波，而逆切比雪夫滤波器表现出平坦的通带响应，但在阻带中具有纹波。滤波器包提供对每个滤波器的截止频率、滤波器阶数、过渡宽度和阻带衰减的控制。过滤器选项包还允许用户使用定制设计的过滤器。
巴特沃斯滤波器的两个不同实例分别应用于采集的信号，以分离电源轨纹波的低频和高频分量。使用截止频率为 50 kHz 的六阶巴特沃斯低通滤波器去除高频分量。通过应用具有相同 50 kHz 截止频率的六阶巴特沃斯高通滤波器来分离低频分量。结果如图7所示。
图 7使用低通和高通滤波器分离纹波的低频和高频分量。资料阿瑟·皮尼
选择的 50 kHz 截止频率低于电源标称 61.7 kHz
开关频率，以便滤波器因电源开关而合理地衰减该频率下的信号分量。获取的信号显示在左上网格中。提取的低频分量出现在其下方的左中心网格中。左下网格显示低通滤波信号的 FFT。光标标记 61.7 kHz 开关频率，该频率比低频值衰减了 30 dB 以上。
高通滤波器输出出现在右上方的网格中。请注意，由于电路负载而产生的低频纹波消失了。该波形的缩放（显示在中间右侧网格中）显示了熟悉的噪声尖峰，但没有与负载相关的纹波。右下网格显示高通滤波纹波信号的 FFT，光标标记为 61.7 kHz。请注意，低于高通截止频率的光谱分量会被衰减。
通过分离高频和低频纹波分量，可以独立测量它们。例如，测量参数P1被设置为测量负载相关纹波的幅度。纹波幅度为 16.33 mV。还可以测量或研究高通滤波波形，以揭示高频纹波分量的来源和影响。
使用滤波器进行更准确的测量
示波器滤波器为用户提供了多种提高 SNR 的选项，以实现更准确的测量。它们可以减少高频噪声分量或有选择地分离高频和低频噪声机制，从而允许测量所选元素。FFT 等频谱分析工具有助于确定如何设置滤波器参数以获得准确的结果。
