降低顯示信號噪聲的常用方法

噪聲是一種無處不在的常見問題。幾乎處理電路的每個人都要用一定的時間處理噪聲，要么找到噪聲來源修復(fù)它，要么減少噪聲對測量的影響。噪聲來自于各種各樣的地方，包括設(shè)計內(nèi)部來源或外部來源，噪聲可能會淹沒測試信號。您可能在測量低壓(mV)信號方面正碰到麻煩，如在雷達傳輸或心臟監(jiān)測儀中，噪聲會使您很難找到信號的實際電壓。噪聲可能使抖動增加，從而很難進行精確分析。因此，要對低電壓信號進行準(zhǔn)確測量，不僅要保證示波器本身的低噪聲，而且還需要簡單精確的測量手段。

而示波器的低噪聲設(shè)計也一直被追捧，不僅因為低噪聲的重要性，同時還包含其技術(shù)挑戰(zhàn)的難度。示波器設(shè)計中要考慮到許多因素，只有方方面面都做到精益求精，才能把產(chǎn)品做得像一件精美的藝術(shù)品。泰克示波器提供了相應(yīng)的功能和工具，幫助您處理噪聲。本篇內(nèi)容分為兩部分，本文將首次披露泰克示波器低噪聲設(shè)計細(xì)節(jié)，以及示波器中常用的測量工具。

低噪聲設(shè)計

一、低噪聲前置放大器的設(shè)計

眾所周知，示波器的模擬前端，包含衰減電路、緩沖電路和放大器電路都會引入噪聲。這也是示波器的本底噪聲的重要來源。通常都會將模擬前端的設(shè)計作為評價示波器噪聲的表現(xiàn)的重要指標(biāo)。泰克MSO6采用了全新設(shè)計的前端放大器Tek061，在較小的伏特/格設(shè)置上實現(xiàn)了非常好的噪聲性能。因此在放大小信號觀察細(xì)節(jié)時，Tek061的優(yōu)秀表現(xiàn)讓我們脫穎而出。

二、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計

當(dāng)前使用的數(shù)字示波器中，ADC的量化噪聲是示波器噪聲另一來源。MSO6采用了世界上速度最快的新型12位ADC轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部運行速率達25GS/s，每通道采樣率要比以前的同類示波器高出25%。12位實現(xiàn)了4096種垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換電平，分辨率比采用8位ADC的示波器高出16 倍。每條ADC通道基于交織連續(xù)接近寄存器(SAR)結(jié)構(gòu)，基于該ADC的TEK049平臺性能可以最高實現(xiàn)了100 GS/s的總吞吐量。這樣就把通道中大量的后端噪聲分散到更大的帶寬上，采用合適的濾波器濾除噪聲，實現(xiàn)精確測量。

三、晶體振蕩器的選擇

MSO6采用的恒溫晶體振蕩器實現(xiàn)了一流的鎖相環(huán)ASIC，時鐘路徑的噪聲非常低。采用的時基精度為±20ppb（在校準(zhǔn)時, 25℃環(huán)境溫度, 在任意 ≥1 ms 間隔上）。實現(xiàn)了產(chǎn)生的時鐘精度非常高，相位噪聲非常低。這么低的相位噪聲，使我們的客戶能夠更準(zhǔn)確地進行時間測量。

四、信號通路的設(shè)計

差分路徑設(shè)計不易受來自其他內(nèi)部源的串?dāng)_影響。信號通常以單端方式進入示波器。所有單端信號都在RF屏蔽之下，使用共面波導(dǎo)傳送，使其與其他外部噪聲源隔開。而一旦信號經(jīng)過前置放大器，那么它會很快變成差分信號，然后才能脫離屏蔽區(qū)域。接地的共面波導(dǎo)是RF設(shè)計常用的一種路徑選擇技術(shù)。選擇一條路徑，然后在該路徑的兩側(cè)放上接地層，從電路板到接地將過孔縫合，這可以防止信號受到任何其他外部噪聲源的耦合影響。

另外，MSO6還特別注意內(nèi)部屏蔽，尤其是前端，因為這才是真正的焦點。因此，Tek061前端放大器實現(xiàn)全包圍的屏蔽層覆蓋，這樣既有助于實現(xiàn)優(yōu)異的噪聲性能，又有助于實現(xiàn)通道隔離，這也是這一代產(chǎn)品優(yōu)于上一代產(chǎn)品的地方。實際上，與其他競爭對手的任何其他產(chǎn)品相比，我們的通道間隔離度都是非常好的。從低噪聲Tek061前置放大器入手，然后防止內(nèi)部的所有其他噪聲源。我們研制出這種RF屏蔽，并特別注意其他通道的串?dāng)_，儀器內(nèi)部其他噪聲源，比如采集內(nèi)存，噪聲可能會很大，因此我們必須把它與采集內(nèi)存屏蔽開。電源的距離要盡可能遠(yuǎn)，確保電源的噪聲非常低。

五、電源的設(shè)計

干凈的電源是數(shù)字電路穩(wěn)定工作的前提，電源的紋波和噪聲都會影響電源供應(yīng)的質(zhì)量，MSO6特別注重低噪聲電源的設(shè)計，對電源信號進行了包含頻譜分析在內(nèi)的大量分析，對不同的雜散信號進行了詳細(xì)的頻域分析，然后著力解決掉這些問題。

降低顯示的信號上的噪聲幾種常用方法

首先需要對信號進行穩(wěn)定觸發(fā)，一旦獲得穩(wěn)定觸發(fā)，可以進一步在示波器上調(diào)節(jié)噪聲顯示。有多種工具可以完成這一點：帶寬限制濾波器、平均采集模式、HiRes采集模式。

1. 帶寬限制濾波器

帶寬限制濾波器把示波器的帶寬降低到選擇的頻率。也就是說，高于選定頻率的頻率將從觸發(fā)路徑及采集和顯示路徑中衰減或完全去掉。帶寬限制濾波器不僅可以用來保持穩(wěn)定觸發(fā)，還可以用來降低示波器上顯示的噪聲數(shù)量。使用帶寬限制濾波器是降低示波器中噪聲的最簡單的方式之一，如果所有不想要的噪聲頻率都高于固定截止頻率，那么特別適合使用帶寬限制濾波器。但是，它也會去掉可能發(fā)生的高速毛刺信號。

2. 平均采集模式

平均采集模式進行若干個完整的采集，逐點進行平均，獲得采集中每個時間樣點的平均電壓。用戶可以調(diào)節(jié)平均選項，包括的采集數(shù)量。噪聲在采集過程中一般是隨機的，有時上升，有時下降。這些隨機變化在數(shù)量足夠多的采集中平均時，它們將抵消，在屏幕上產(chǎn)生穩(wěn)定的信號。當(dāng)然，為利用平均采集模式，您的波形必須是重復(fù)的，不重復(fù)的波形或單次事件不能平均。

平均采集模式會降低各類不相關(guān)的信號和隨機噪聲，即使頻率非常低。此外，它適用于所有示波器時間/格設(shè)置。由于必須采集多個波形，才能創(chuàng)建一個平均后的波形，因此在輸入信號變化或前面板旋鈕變化時，顯示畫面更新速度可能會很慢，這意味著可能會漏掉偶發(fā)的毛刺。但是，相對于帶寬限制濾波器，在某些應(yīng)用中，平均采集模式的效果要更好，因為可以使用示波器的全部帶寬，捕獲高頻重復(fù)事件。

3. HiRes采集模式

泰克示波器包括HiRes采集模式，這種模式與平均采集模式類似，因為它使用平均消除噪聲。HiRes在每個采集上執(zhí)行矩形平均，平均采集一個波形內(nèi)的多個相鄰樣點，產(chǎn)生一個平均后的樣點。這會降低高頻噪聲，因為平均可以抵消噪聲引起的電壓高速變化。它還會降低采樣率，因為它把多個樣點轉(zhuǎn)換成一個樣點。因此，HiRes采集模式只適用于較慢的時間/格設(shè)置，在這種情況下，示波器仍有足夠的采樣率測量被測信號。

與平均采集模式不同，HiRes采集模式可以用于不重復(fù)的波形和單次波形上。此外，由于只需采集一個波形，HiRes采集模式在輸入或前面板設(shè)置變化后顯示更新速度要快得多。把時間上相鄰的多個樣點結(jié)合在一起，還減少了在較低時間/格設(shè)置上產(chǎn)生假信號的機會。

4. DSP濾波器

另外，示波器提供了后處理DSP濾波器，從信號中去掉某些頻率的噪聲。可以全面控制濾波頻率。盡管這些濾波器可能會很靈活，但它們通常會很慢，只適合單次或更新速率較低的顯示。它們可能會在您不知道的情況下，濾掉感興趣的重要毛刺或異常事件。