大多數(shù)示波器都配有濾波器，通過降低采集中的總體噪聲來提高信噪比 (SNR)，從而幫助改進(jìn)測(cè)量。即使是基本的示波器，其輸入通道信號(hào)路徑中也包含一個(gè)模擬 20 MHz 低通濾波器。具有 GHz 或更好帶寬的高端示波器通常提供多個(gè)輸入低通濾波器，一些是模擬的，一些是數(shù)字的。噪聲或增強(qiáng)分辨率 (ERES) 數(shù)字濾波器是數(shù)字低通濾波器，用于提高示波器交易帶寬的幅度分辨率，從而提高 SNR。除了這些輸入帶限濾波器之外，示波器通常還包括可選的數(shù)字濾波器軟件，為更復(fù)雜的濾波需求提供更通用的濾波器類型。
　　本文將介紹如何使用所有這些過濾工具。
　　輸入帶限和噪聲濾波器
　　帶寬大于 100 MHz 的示波器通常包含一個(gè) 20 MHz 帶限濾波器，旨在減少示波器的帶寬，以減少低頻測(cè)量中的寬帶噪聲。該濾波器通常在類似于圖 1所示的輸入通道設(shè)置中啟用。

　

　　圖 1示波器的輸入通道設(shè)置，其中帶寬限制濾波器選擇以黃色突出顯示，噪聲濾波器以橙色突出顯示。資料阿瑟·皮尼
　　本例中的示波器具有 4 GHz 的全帶寬以及 20 和 200 MHz 的輸入帶限濾波器。具有更高帶寬的示波器通常提供更多帶限濾波器選擇。它還具有用戶選擇帶寬的噪聲濾波器設(shè)置。
　　這些濾波器通過減少測(cè)量帶寬來提高 SNR。改進(jìn)的程度取決于噪聲信號(hào)的頻率分布。如果噪聲源是頻譜平坦的高斯白噪聲，則 SNR 的改進(jìn)將與帶寬減少的平方根成正比。因此，將帶寬減少四倍將使頻譜平坦的噪聲信號(hào)的噪聲水平降低一半。
　　使用帶限濾波器

　　作為如何應(yīng)用示波器濾波器的示例，讓我們看一下電路卡 5 伏總線上的紋波電壓，以測(cè)量由于電路負(fù)載效應(yīng)而產(chǎn)生的紋波，并了解帶限低通濾波器對(duì)測(cè)量的影響。我們將評(píng)估 20 MHz 帶限濾波器（圖 2）。

　　圖 2頂部顯示了在全帶寬下進(jìn)行的測(cè)量。較低的跡線是使用 20 MHz 帶限濾波器采集的，并減少了高頻噪聲。資料阿瑟·皮尼
　　上部跡線是使用交流耦合和帶有接地彈簧的高阻抗探頭以全帶寬采集的，以減少接地引線上的雜散拾取。低頻脈沖狀波形是印刷電路板上各種器件開啟和關(guān)閉時(shí)由電路負(fù)載引起的紋波。該所需信號(hào)被高頻噪聲掩蓋。使用 20 MHz 濾波器采集的波形顯示高頻噪聲顯著降低，但并未消除。20 MHz 濾波器對(duì)低頻紋波分量幾乎沒有影響，低頻紋波分量的頻率非常低，低于 20 MHz。比較以高頻噪聲為主要成分的 2 到 4 ms 段的峰峰值幅度，濾波器將峰峰值噪聲從 50.4 mV 降低到 13.1 mV。
　　使用變焦和快速傅立葉變換 (FFT) 更仔細(xì)地觀察全帶寬采集，以更仔細(xì)地觀察采集的信號(hào)并評(píng)估噪聲的頻率分布。在全帶寬下采集的信號(hào)顯示了為什么 20 MHz 濾波器在信號(hào)上留下了大量噪聲（圖 3）。

　　圖 3噪聲波形的縮放擴(kuò)展和 FFT 顯示了噪聲分量的更多細(xì)節(jié)。

　　水平擴(kuò)展時(shí)間信號(hào)（從頂部開始的第二條跡線），高頻噪聲表現(xiàn)為窄電容耦合脈沖。這些噪聲分量上的快速邊緣具有將進(jìn)行頻譜擴(kuò)展的高頻分量。查看 FFT（從頂部數(shù)第三條跡線），我們可以看到由這些噪聲元素引起的寬頻譜。此外，代表周期信號(hào)分量的頻譜峰值在 15 MHz 以下具有密度。由于電路負(fù)載引起的電壓變化是矩形脈沖狀低頻變化。在 FFT 頻譜中，這些出現(xiàn)在左側(cè)，低于 50 kHz。底部跡線是從 0 到大約 1 MHz 的低頻分量的 FFT。20 MHz 輸入帶限濾波器會(huì)衰減 20 MHz 以上的噪聲分量，但不會(huì)衰減其他頻譜分量。
　　進(jìn)一步降低噪聲需要進(jìn)一步降低測(cè)量帶寬。這可以使用噪聲濾波器來實(shí)現(xiàn)，允許用戶選擇六種可能的降低帶寬之一。
　　增強(qiáng)分辨率噪聲濾波器
　　噪聲濾波器也稱為 ERES 濾波器，因?yàn)樗鼈冊(cè)黾恿耸静ㄆ鞯挠行Х直媛饰粩?shù)。這些濾波器也可通過輸入通道設(shè)置使用，如圖 1 所示，也可作為本示例中使用的示波器中的數(shù)學(xué)函數(shù)。ERES 濾波器處理來自所獲取輸入的“n”個(gè)樣本，并對(duì)它們進(jìn)行加權(quán)，以生成具有高斯低通頻率響應(yīng)的有限脈沖響應(yīng) (FIR) 濾波器。高斯低通濾波器在頻域中沒有旁瓣，并且在時(shí)域中不會(huì)引起過沖、下沖或振鈴，從而保持信號(hào)完整性。ERES 濾波器使用六種采樣長(zhǎng)度中的任意一種：2、5、11、25、52 和 106 個(gè)抽頭，以每次半比特為步長(zhǎng)實(shí)現(xiàn) 0.5 至 3.0 位的分辨率增強(qiáng)。表 1顯示了采集期間使用的每秒 100 兆樣本 (MS/s) 采樣率的所有六個(gè)步驟的噪聲濾波器特性。

　

　　表 1針對(duì)六種可能的濾波器帶寬限制設(shè)置和 100 MS/s 的采樣率，噪聲濾波器的抽頭數(shù)量和終帶寬。

　　ERES 噪聲濾波器提供一系列低通截止頻率，這些頻率與濾波器中抽頭的數(shù)量成比例地降低。更改采集采樣率將按比例縮放截止頻率，從而為截止頻率提供更多選擇。選擇 3 位增強(qiáng)使用 106 個(gè)樣本來實(shí)現(xiàn) 800 kHz 帶寬。對(duì)采集信號(hào)應(yīng)用 800kHz 低通濾波器的結(jié)果如圖4所示。

　　圖 4 800kHz 低通噪聲濾波器消除了大部分高頻噪聲，從而可以詳細(xì)研究由于電路負(fù)載而產(chǎn)生的低頻紋波分量。資料阿瑟·皮尼
　　噪聲濾波器選擇的 800 kHz 消除了大部分高頻噪聲，并且電路負(fù)載引起的電壓變化更加清晰可見。
　　低通濾波器可以衰減或消除高頻噪聲。在某些情況下，您可能希望能夠分離低頻和高頻分量并獨(dú)立研究它們。這需要同時(shí)使用高通和低通濾波器。該示波器包括一個(gè)可選的數(shù)字濾波器包，它提供各種濾波器類型和比標(biāo)準(zhǔn)噪聲濾波器更廣泛的截止頻率。
　　通用數(shù)字濾波器

　　數(shù)字濾波器封裝選項(xiàng)拓寬了濾波器的產(chǎn)品范圍。它可以創(chuàng)建四種類型的濾波器：低通、高通、帶通和帶阻，如圖5所示。

　　圖 5低通（黃色跡線）、高通（紅色跡線）、帶通（藍(lán)色跡線）和帶阻（綠色跡線）濾波器類型的頻率響應(yīng)示例。資料阿瑟·皮尼

　　這些濾波器可以使用 FIR 或無限脈沖響應(yīng) (IIR) 拓?fù)鋭?chuàng)建。IIR 濾波器允許用戶選擇與眾所周知的模擬濾波器相同的數(shù)字濾波器類型，包括巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫或逆切比雪夫，示例如圖6所示。

　　圖 6比較貝塞爾（紅色跡線）、巴特沃斯（黃色跡線）、切比雪夫（藍(lán)色跡線）和逆切比雪夫（綠色跡線）IIR 低通濾波器的幅頻響應(yīng)。資料阿瑟·皮尼
　　這些是常用的模擬濾波器類型。巴特沃斯或“平坦”濾波器在所有可用濾波器中具有平坦的幅度響應(yīng)。貝塞爾濾波器以其均勻的相位響應(yīng)而聞名，如下所示
　　頻率的函數(shù)。如果您需要快的滾降，切比雪夫和逆切比雪夫?yàn)V波器對(duì)于給定的級(jí)數(shù)具有窄的過渡區(qū)域。不利的一面是，切比雪夫?yàn)V波器在通帶中具有幅度紋波，而逆切比雪夫?yàn)V波器表現(xiàn)出平坦的通帶響應(yīng)，但在阻帶中具有紋波。濾波器包提供對(duì)每個(gè)濾波器的截止頻率、濾波器階數(shù)、過渡寬度和阻帶衰減的控制。過濾器選項(xiàng)包還允許用戶使用定制設(shè)計(jì)的過濾器。

　　巴特沃斯濾波器的兩個(gè)不同實(shí)例分別應(yīng)用于采集的信號(hào)，以分離電源軌紋波的低頻和高頻分量。使用截止頻率為 50 kHz 的六階巴特沃斯低通濾波器去除高頻分量。通過應(yīng)用具有相同 50 kHz 截止頻率的六階巴特沃斯高通濾波器來分離低頻分量。結(jié)果如圖7所示。

　　圖 7使用低通和高通濾波器分離紋波的低頻和高頻分量。資料阿瑟·皮尼
　　選擇的 50 kHz 截止頻率低于電源標(biāo)稱 61.7 kHz 開關(guān)頻率，以便濾波器因電源開關(guān)而合理地衰減該頻率下的信號(hào)分量。獲取的信號(hào)顯示在左上網(wǎng)格中。提取的低頻分量出現(xiàn)在其下方的左中心網(wǎng)格中。左下網(wǎng)格顯示低通濾波信號(hào)的 FFT。光標(biāo)標(biāo)記 61.7 kHz 開關(guān)頻率，該頻率比低頻值衰減了 30 dB 以上。
　　高通濾波器輸出出現(xiàn)在右上方的網(wǎng)格中。請(qǐng)注意，由于電路負(fù)載而產(chǎn)生的低頻紋波消失了。該波形的縮放（顯示在中間右側(cè)網(wǎng)格中）顯示了熟悉的噪聲尖峰，但沒有與負(fù)載相關(guān)的紋波。右下網(wǎng)格顯示高通濾波紋波信號(hào)的 FFT，光標(biāo)標(biāo)記為 61.7 kHz。請(qǐng)注意，低于高通截止頻率的光譜分量會(huì)被衰減。
　　通過分離高頻和低頻紋波分量，可以獨(dú)立測(cè)量它們。例如，測(cè)量參數(shù)P1被設(shè)置為測(cè)量負(fù)載相關(guān)紋波的幅度。紋波幅度為 16.33 mV。還可以測(cè)量或研究高通濾波波形，以揭示高頻紋波分量的來源和影響。
　　使用濾波器進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量
　　示波器濾波器為用戶提供了多種提高 SNR 的選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的測(cè)量。它們可以減少高頻噪聲分量或有選擇地分離高頻和低頻噪聲機(jī)制，從而允許測(cè)量所選元素。FFT 等頻譜分析工具有助于確定如何設(shè)置濾波器參數(shù)以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。