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示波器的抽取(Decimation)模式

2014-10-31 14:13| 编辑:电工学习网| 查看: 9278| 评论: 0|原作者: 李星

1 背景

示波器作为电子设计、测试及调试过程中必不可少的测试工具,可以帮助工程师更准,更快,更方便地定位和解决问题,被誉为“工程师的眼睛”。   执着追求更加真实的反映电路中实际信号波形。

随着待测信号速率越来越快,测试精度越来越高,数字示波器相对于模拟示波器的优势愈加明显。采样率无疑成为一个关注的焦点,因为这关系到能否真实还原信号波形。在实际测试中,我们必须时刻关注采样率,保证过采样,避免出现由于欠采样引起波形失真甚至不能还原真实信号波形。

对于一个示波器来说(以R&S公司示波器RTO1024说明),核心器件是采样率为10G/S的单核ADC。在实际使用示波器时,我们会受到示波器第一关系式的限制,见式1:

               采样率×采样时间=采样率×时基×10=存储深度 ----------------------------(式1)

对于每台示波器,它的存储深度是一定的,那么我们在使用示波器过程中,随着所要测试的信号的时基不同,对应的采样率也不一样,这时就特别要关注避免欠采样。在示波器数据处理过程中,显示出波形的采样率的变化通过插值和抽取的方式来实现的。这里有个关系式可以判断插值和抽取的适用情况,见下表1所示。下面分别就插值和抽取做简单的探讨。

表1 不同采样率对比

 RTO1024:FADC=10G/S   工作模式  说明
F<FADC 实时抽取采样 对10G/S采样点按照采样保持,峰值检测,高分辨率,RMS方式抽取
F=FADC 实时采样 实时采样,采样率为10G/S
F>FADC  实时插值采样 在10G/S采样点之间按照线性,正弦,采样保持方式插值

2 基本原理

降低波形采样率以去掉过多数据的过程称为信号的“抽取”。提高波形采样率以增加数据的过程称为信号的“插值”。本篇着重讨论数据抽取对测试波形和采样率的影响。

2.1 信号的抽取

设X(n)=x(t)|t=nTs,欲使采样率Fs降低M倍,将x(n)中每M个点中抽取一个,依次组成一个新的序列y(n),即

则可推算出抽取后信号采样周期T=MTs。

抽取框图见图1所示:

图1 信号抽取示意图(M=3),(a)为原始信号,(c)为抽取后信号

通过对信号数据抽取后,采样率降低,F=Fs/M。为了保证能够还原出信号波形,必须要求抽取后的采样率大于两倍信号最高频率f,即必须要保证过采样,见式2。

                   F=Fs/M >2f  --------------------------------------------------------(式2)

2.2 信号的插值

在示波器的ADC采样率不足以清楚的捕获到信号细节,这时需要更高的采样率真实还原采集信号细节部分。插值这个方式的应用可以完美解决这一点,在ADC实际采样点之间插入特定算法计算的虚拟采样点,以此等效提高信号采样率。在R&S示波器中,你可以通过三种方式实现采样率的提升,分别是线性插值(line),正弦插值(sinx/x),采样保持插值(sample),后续再做详细介绍。

3 示波器采样率

针对R&S示波器RTO1024,其ADC的固定硬件采样率为10G/S,通过不同的抽取方式降低采样点数量,分别为SAMPLE,PEAK DETECT,HI-RES,RMS方式。而且可以实现同一通道同一波形以三种不同的抽取方式同时显示。在实际使用过程中,我们根据实际情况选择不同的抽取方式进行测试。
根据示波器第一关系式,示波器能够自动识别当前所处的的采样模式,判断标准是跟ADC的是固定采样率10G/S做比较。如果当前实时采样率低于或等于10G/S时,则自动工作在实时模式,如果当前实时采样率高于10G/S,则可以自动打开分辨率加强功能:插值。如果使用抽取模式,在采样率低于10G/S时,四种抽取模式可以供选择:SAMPLE,PEAK DETECT,HI-RES,RMS。

因此,可以看出,我们对示波器的灵活设置,可以提高或者降低示波器实际采样率,满足我们实际测试需求。下面我们就RTO1024示波器的四种抽取方式,来分别说明抽取对测试的影响。

4 抽取方式

抽取模式减少从ADC采集的数据点,以此达到降低采样率。在抽取模式下,分辨率加强功能自动关闭。RTO示波器总共可以支持四种抽取方式,对ADC采集的数据做相应的抽取处理,其它数据全部丢弃,这样来实现降低采样率。下面分别从这四种抽取方式进行说明,以示波器上校准信号(1KHz方波)作为测试源。

4.1 Sample

所谓“sample”,就是采样保持,跟ADC数据离化过程是一样。这是通用的默认抽取方式,在ADC采集的数据点里面,以N个点为一组,从这N个点里取出第一个点,作为新的波形数据里面的采样点,N个点里的其他采样点全部丢弃。通过抽取出来的这些点拟合成一个波形,如下图3所示。采用sample抽取方式测试波形如下图4所示,这和一个低采样率的ADC采集的波形数据是一样的。

图3 Sample 抽取示意图


图4 Sample抽取方式下1KHz方波信号

4.2 Peak Detect

所谓“peak detect”,就是峰值检测,类似于包络显示。在ADC采集的数据点里面,以N个点为一组,如图3示意图,从这N个点里取出最大值和最小值这两个点作为作为新的波形数据里面的采样点,N个点里的其它采样点全部丢弃。通过抽取出来的这些点拟合成一个波形。采用peak detect抽取方式测试波形,如下图5所示,整个数据采样点的最大值和最小值拟合成两条曲线构成包络。


图5 Peak Detect抽取方式下1KHz方波信号

4.3 Hi Resolution

所谓“Hi-Resolution”,是指在ADC采集的数据点里面,以N个点为一组,对这N个点取平均值,以这个平均值作为新采样波形的采样点,如图6示意图所示,这样可以减小因原始波形上叠加的噪声干扰引起的误差,在垂直方向上有更高的精度分辨率。采用Hi-Resolution抽取方式测试的波形,如下图7所示。


图6 Hi-Resolution 抽取示意图


图7 Hi-Resolution抽取方式下1KHz方波信号

4.4 RMS
所谓“RMS”,是指在ADC采集的数据点里面,以N个点为一组,如图6示意图所示,对这N个点取RMS(均方根值),以这个均方根值作为新采样波形的采样点。它反映了测试信号波形的瞬时功率。采用RMS抽取方式测试的波形,如下图8所示。

图8 RMS抽取方式下1KHz方波信号

针对这四种抽取方式的差异,如下图9和图10分别测试了不同抽取模式下测试1KHz方波的波形。从图9,图10的三种不同抽取方式测试波形对比可以看出,Peak Detect抽取测试波形的最大最小值包络,便于分析测试波形的过冲范围等。Sample抽取相对于RMS和Hi-Resolution抽取模式,测试波形上明显存在很多噪声,垂直分辨率也没有RMS和Hi-Resolution抽取模式高。


图9 Sample/Peak Detect/RMS抽取方式对比

图10 Sample/Peak Detect/Hi-Resolution抽取方式对比

5 结论

综上所述,示波器在使用过程中,我们首先要确认示波器当前是否工作在过采样模式下,这是前提。R&S示波器的四种抽取模式会降低波形采样率是基于能够保证过采样前提下实现的。这四种抽取模式分别对应于特定的测试环境下会取得比较好的测试分析结果。

·  Sample,这是通用的默认抽取模式,是纯粹的降采,不做任何数据处理。

·  Peak Detect,峰值检测,类似于测试波形包络,对于测试波形过冲幅度,最大值,最小值比较有利。

·  Hi-Resolution,在测试叠加噪声的信号时比较有效,高分辨抽取模式能够有效去除噪声干扰,提高信号幅度测试分辨率。

·  RMS,主要用于电源信号功率测试,在对信号采样点做均方根算法时,能真实反映实际信号测试,消除信号平均值造成的误差。

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