去除示波器和数字化仪中的噪声和干扰

即使在最佳设计中，噪声和干扰也会潜移默化地降低信噪比(SNR)、掩盖所需信号并影响测量精度和可重复性。示波器和数字化仪等数字化仪器集成了许多功能，用于表征、测量和减少噪声对测量的影响。

干扰信号

每次测量都包括感兴趣的信号和一系列不需要的信号，例如噪声、干扰和失真。噪声和干扰通常与被测信号无关。失真是与感兴趣信号相关的干扰信号，如谐波。

噪声是一种随机信号，由其统计特征来描述。干扰包括通过串扰等过程耦合到测量系统中的信号。干扰信号通常具有周期性。图1显示了包含随机性分量和周期性分量的干扰信号示例，以及一些用于表征信号的工具。示波器是在周期性分量上触发的。

图1：具有随机性分量和周期性分量的干扰信号示例。(来源：Arthur Pini)

干扰信号包含随机性和周期性两种分量。周期性分量由10MHz“尖峰”组成。电平频率(freq@lvl)测量参数(显示器栅格下方的P4)读取的尖峰频率是在信号幅度70%的位置，以避免噪声峰值的影响。此外，还测量了平均值、峰峰值和均方根电平。数字化仪器(包括示波器和数字化仪)有多种工具来测量此类噪声信号的特征。它们还提供了一系列分析工具来减少这些不需要的信号分量的影响。

仪器噪声

所有数字化仪器也都会给测量带来噪声。一般情况下，应选择噪声水平低得多且不会影响测量的仪器。根据测量应用，可选择8位或12位分辨率的示波器和8位至16位或更高幅度分辨率的数字化仪，以将仪器噪声控制在合理范围内。

差分连接

在减少噪声和干扰信号时，应从数字化仪器的输入开始。使用差分连接来减少共模信号是一个很好的起点。许多数字化仪和一些示波器都有差分输入，而示波器通常提供差分探头，用于将被测设备(DUT)连接到仪器。

差分信号使用两根由互补信号驱动的导线来传输信号。当计算两条线之间的电压差时，两个导体所共有的噪声和干扰(共模信号)将被消除。共模抑制比(CMRR)用于衡量共模噪声被抑制的程度。还要注意的是，差分信号也不需要接地回路。在某些情况下，这也有助于最大限度地减少干扰信号的拾取。图2所示的控制器局域网(CAN总线)就是差分信号的一个例子。

图2：从CAN总线的两个差分信号分量(左侧)以及由此产生的差分信号可以看出，共模噪声有所降低。(来源：Arthur Pini)

CAN总线的两个信号分量是互补的，从一个分量减去另一个分量后，共模信号(如噪声和干扰)就会抵消。需要注意的是，两个分量之间的差值是单个信号电压摆幅的两倍，从而使信噪比(SNR)提高了6dB。

差分探头或差分放大器中的差分操作可降低两条线路共有的噪声，从而支持更长的电缆运作。除CAN总线外，差分信号在RS-422、RS-485、双绞线以太网和其他串行数据通信链路中也很常见。

使用双绞线或同轴电缆可通过提供额外的屏蔽来进一步降低差分信号中的共模噪声和干扰，从而避免外界干扰源的影响。

数字化仪器工具可减少噪声和干扰

示波器和数字化仪可以对干扰信号执行多种测量和分析。平均处理可以减小随机性分量的幅度，而背景减法技术则可以从波形中去除周期性分量。图3显示了使用这些工具对图1所示干扰信号进行的分析。

图3：使用平均处理和背景减法技术分离干扰信号的随机性和周期性分量。(来源：Arthur Pini)

干扰信号出现在左上方栅格中。右边是干扰信号的快速傅里叶变换(FFT)。垂直谱线与周期性分量相关。周期性窄脉冲序列的基频为10MHz，并且在其所有奇次谐波频率上出现幅度接近恒定的谱线。随机性分量在频谱上是平坦的，在所有频率上都具有相同的能量，表现为FFT频谱的基线。右上方的栅格是干扰信号的直方图。随机性分量在直方图中占主导地位，直方图呈钟形正态分布。

对干扰信号进行平均处理可减小随机性噪声分量。如果噪声分量呈高斯或正态分布，则信号幅度的减小将与平均值的平方根成正比。平均波形显示在中间左侧栅格中——注意基线上没有随机性分量。平均波形的FFT位于中间栅格中，从上往下第二格。请注意，谱线的幅度仍然相同，但基线下降至约-80dBm。由于噪声降低，直方图的钟形响应要小得多。直方图的量程测量是从最大峰值幅度到最小谷值幅度之间的差值，即峰峰值幅度。

从获取的干扰波形中减去平均背景波形，可消除大部分周期性波形。此过程称为背景减法。它适用于背景信号稳定的情况，示波器可以从背景信号中触发。由此产生的波形显示在左侧底部栅格中。此信号的FFT显示在占用的底部中心栅格中。请注意，其频谱主要是幅度约为-68dBm的平坦基线，与原始FFT中的基线水平相同。在10MHz周期性信号的谐波频率处有一些小的谱线，未被减法操作消除。它们不到原始谐波幅度的百分之十。分离出的随机性分量的直方图呈高斯形状。由于没有周期性分量，其范围低于原始直方图。

使用背景减法处理真实信号时，应在应用信号之前采集背景并求取平均值。随后，从采集的信号中减去平均背景。

清理真实信号

让我们来看看如何通过具体方法减少采集信号的噪声和干扰。如图4左上方栅格所示，感兴趣的信号是100kHz方波。

图4：使用平均法和滤波法降低100kHz方波的噪声和干扰。(来源：Arthur Pini)

我们所研究的干扰波形已添加到100kHz方波中。示波器在100kHz方波上触发。FFT显示在右上方栅格中。频谱由方波频谱组成，其谱线出现在100kHz处，并在其所有奇次谐波处重复出现，且其幅度随频率呈指数下降。10MHz干扰信号在10MHz处及其所有奇次谐波处产生谱线，在整个FFT范围内具有均匀的幅度。随机性分量将FFT基线提高到约-70dBm。

平均波形(左下方第二个栅格)可去除随机性分量，但不能去除周期性分量。平均信号的FFT(右下方第二格)显示100kHz和10MHz分量与之前一样，但由于随机性分量的减少，FFT的基线降至约-90dBm。平均化处理不会影响周期性分量，因为它与示波器触发器同步。

滤波可以降低噪声和干扰水平。此示波器在输入信号路径中包含20MHz和200MHz模拟滤波器。它还包括六个有限脉冲响应低通数字滤波器，称为增强分辨率(ERES)噪声滤波器。左下方第三个栅格显示的是使用ERES滤波器滤波的信号。这是一个-3dB截止频率为16MHz的低通滤波器。信号看起来相当干净。从右侧滤波信号的FFT可以看出滤波器的效果。低通滤波器抑制了16MHz以上的频谱分量。这虽然有效，但必须小心，低通滤波会抑制所需信号的谐波，从而影响转换时间等测量结果。

ERES噪声滤波器的六个可用带宽随仪器采样率的变化而变化，从而限制了其实用性。该示波器还配有一个可选的数字滤波器套件，可提供更多的滤波器类型和截止特性，从而优化噪声和干扰的降低。

通过从采集的波形中减去滤波后的波形，我们可以看到被滤波器去除的波形(左下方栅格)。FFT(右下方栅格)显示了缺失的10MHz和100kHz谐波。

利用数字化仪器最大限度地减少噪声的影响

使用数字化仪器测量时，将噪声影响降至最低的关键技术包括差分采集、平均化以降低宽带噪声、背景减法以及采用滤波降低噪声和周期性信号干扰。

（原文刊登于EE Times姊妹网站EDN，参考链接：Combating noise and interference in oscilloscopes and digitizers，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年2月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。