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示波器测量噪声的两种方法

2017-11-18 14:46:47 freeTest 泰思科技 点击数:

使用示波器测量信号噪声的两种方法比较

示波器测量信号波形噪声的常用方法有两种。

  1. 采用余晖叠加的方法。

  2. 采用峰峰值的方法。

我们先来简单了解下噪声。噪声就是信号在产生或传输过程中叠加的无用甚至是有害的干扰信号。噪声具有随机性和无限频率谱的特点,最典型的噪声就是高斯白噪声。

  1. 热噪声,既热源产生的噪声,比如cpu,功放等。

  2. 电噪声,特别是开关电源、交流电源或寄生电源产生的噪声。

  3. 耦合噪声,主要是电容,电感或其它器件耦合出来的噪声。

噪声的测量可以用于评估信号源和传输链路的质量。

干货!噪声的两种测量方法+电子工程师的一些感言

示波器默认的工作模式是样本采样模式(部分示波器是均值采样模式)。何为样本采样?举个例子就是:若示波器的时间窗口设置为1秒一帧,而一帧有1000个点,那么采集器就会每隔1ms采集一个点。即便示波器在1ms可以采集到1万个点,它也只会将最开始的那一个点显示。

那么示波器是如何测量噪声信号的呢。

我们以掺杂了普通随机噪声脉冲噪声的两种情景做一个分析。

干货!噪声的两种测量方法+电子工程师的一些感言

选用的是一台手持式的无线示波器

先准备一台自身噪声系数偏低的示波器。我选用的是一台手持式的无线示波器。

【随机噪声】

干货!噪声的两种测量方法+电子工程师的一些感言

原始信号是个方波信

原始信号是个方波信号,在线缆的传输中叠加了700mv的高斯随机噪声。

现在我们用两种方法分别测量下它的噪声情况。

余晖叠加模式

余晖叠加的原理是:将样本模式下采样的波形一帧一帧的不断叠加,最后形成一个在视觉下的叠影效果。也可以理解为它是周期信号波形在空间坐标系下的叠合。

干货!噪声的两种测量方法+电子工程师的一些感言

叠加后的波形

从图中可以分析出,噪声的幅度大约在750mv范围内,并且噪声的能量强度由内到外不断衰弱且与时间轴无关。

余晖模式测量噪声的优点:

  1. 可以直观的展现出噪声的能量分布。

  2. 可以分析出噪声的时间相关特性。

余晖模式测量噪声的缺点:

  1. 只适合于周期性波形。

  2. 无法完全界定噪声的上下限。

峰峰值测量模式

峰峰值测量的原理是:若示波器的实际采样间隔为m秒,示波器以最大的采样率工作,并在2m秒内采集了n个数据点。示波器将这n个数据点中的最大值和最小值作为2m秒内的两个数据点。

峰峰值模式下示波器采集的都是信号的上限和下限。

干货!噪声的两种测量方法+电子工程师的一些感言

峰峰值模式下的波形

从图中可以分析出,噪声的上下限基本都在750mv内,但有少量的尖峰脉冲。

峰峰值模式测量噪声的优点:

  1. 可以完全测量出噪声的上下限范围。

  2. 可以显示出高频尖峰脉冲。

  3. 适用于非周期信号。

峰峰值模式测量噪声的缺点:

  1. 无法观察出噪声的能量分布范围。

经过上面的对比分析。余晖叠加具有统计意义上的测量效果,能非常直观展现噪声在时间和空间轴上的分布情况。峰峰值模式具有筛选意义上的测量效果,可以准确界定噪声的幅值范围。

余晖叠加适用于随机噪声的初步分析。峰峰值模式适用于更加精准的噪声测量。

下面我们再以一组叠加了高频脉冲噪声的方波来分析。

【高频脉冲噪声】

干货!噪声的两种测量方法+电子工程师的一些感言

方波夹杂了周期性的脉冲尖峰

方波夹杂了周期性的脉冲尖峰。脉冲幅值大概也是1V。

余晖叠加

干货!噪声的两种测量方法+电子工程师的一些感言

余晖模式下采集的波形

噪声在时间轴上明显不一致,即噪声具有特定的时间特性。但无法正确的知道噪声的具体细节和幅度。

峰峰值测量模式

干货!噪声的两种测量方法+电子工程师的一些感言

峰峰值模式下采集的波形

很明显的显示出了噪声的幅度范围,并且负轴上的噪声幅值要明显高于正轴上的幅值。同时,这种模式下还展现出了方波在每个下降沿下都具有很尖锐的脉冲。

【小结】

两种测量模式各有优缺点,实际情况下我们都会配合着来使用。即使用余晖观察噪声的分布和时空特性,再用峰峰值模式来计算噪声的幅度和发现脉冲噪声。

除了以上两种常用的方法外。还可以通过傅里叶FFT变换来观察噪声的频率谱和测量信号的信噪比。这个我后面再单独来发文来分析描述。

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【写在后面】

实验室在电子科技从业人员的心里有着特殊的地位,它是技术的摇篮;也是自己挥洒汗水的地方。

同时,不同的公司或单位拥有的实验室档次也不一样;也许你不认为你工作所在的地方称得上实验室,但里面的确会发生很多的故事,也给自己提供了很多的帮助;就是这样一个地方,默默的为每一位电子工程师提供了宝贵的经验,也引导这我们思考自己的工作素养,还有一个淳朴技术人员的世界观。

每一个真心喜爱电子的人都希望能有一个自己的实验室,哪怕仅仅一张凌乱的桌子,一堆破旧的电子垃圾。拥有、创造、思考及提高;这就是实验室对每个人神秘的吸引。就像下面那位老电子工程师的工作桌的图片,我仿佛有点理解了信仰的含义。

干货!噪声的两种测量方法+电子工程师的一些感言

DJ也是一个电子工程师,工作许多年;也渐渐开始思考自己的职业,自己的目的和人生。也希望在今后的日子里能跟更多的志同道合的朋友一起讨论技术,讨论人生;也希望能在大家匆忙的工作与生活中能带来一点放松,还有那么一点心照不宣的认同感。

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