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為什么示波器波形放大之后會(huì)有鋸齒?
發(fā)布時(shí)間:2017-07-13 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】常用示波器的工程師都會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象,當(dāng)示波器停止采樣時(shí),將原來的波形垂直放大后會(huì)存在鋸齒狀,這是什么原因呢?這里跟跟大家一起剖析一下。
一、臺(tái)階波形
本文以ZDS4054Plus示波器為測(cè)試工具,圖 1 如所示波形是在 200mv/div 檔位下采樣的,波形相對(duì)平穩(wěn)。停止采樣后,如果將垂直檔位調(diào)至 50mv/div,則波形出呈現(xiàn)嚴(yán)重的鋸齒狀,如圖 2 所示。為此很多人感到疑惑,為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象?
圖1 原信號(hào)波形
圖2 放大后波形
二、原因闡述
1、運(yùn)行狀態(tài)下
當(dāng)示波器處于【Run】時(shí),示波器模擬前端會(huì)根據(jù)不同的垂直檔位,始終會(huì)將信號(hào)的幅度調(diào)理到 ADC合適的范圍內(nèi),再進(jìn)行量化,所以運(yùn)行狀態(tài)下的波形放大,不會(huì)存在鋸齒現(xiàn)象。
l在 200mv/div 的檔位下,垂直分辨率(25 LSB/div)為 8mv
l在 50mv/div 的檔位下,垂直分辨率(25 LSB/div)為 2mv
垂直檔位越小,分辨率越高,則采集到的波形測(cè)量精度就越高,這個(gè)就是推薦波形盡量鋪滿格子的原因。
2、停止?fàn)顟B(tài)下
在停止?fàn)顟B(tài)下波形不進(jìn)行采集,也就是停止?fàn)顟B(tài)無論垂直檔位怎么變化,仍然會(huì)保持停止時(shí)(200mv/div)的垂直精度 8mv,所以當(dāng)把波形的垂直方向放大 4 倍時(shí)(50mv/div),那么采樣點(diǎn)與采樣點(diǎn)之間的垂直距離就會(huì)變大,當(dāng)然這僅僅只是進(jìn)行數(shù)字化放大,示波器此時(shí)會(huì)進(jìn)行插值保持,插值保持下波形會(huì)以階梯的形式連接,這也是產(chǎn)生鋸齒的原因。
圖3 插值保持
三、理解誤區(qū):插值保持與插值算法有關(guān)么?
前面我們提到了插值保持,那么有的工程師可能就會(huì)想到,會(huì)不會(huì)是由于插值算法的原因?qū)е铝瞬ㄐ畏糯蠛蟪霈F(xiàn)了鋸齒狀呢?畢竟線性插值是以點(diǎn)的方式連接,出現(xiàn)鋸齒狀也很正常。答案是否定的,下面從原理層來分析一下。
首先解釋一下何謂插值算法,對(duì)于很多示波器都會(huì)有不同的插值模式,常見的分為正弦插值和線性插值,在實(shí)際使用過程中,如果示波器ADC的采樣率不足以恢復(fù)真實(shí)信號(hào),我們需選擇不同的插值方式進(jìn)行測(cè)試分析:
1、正弦插值
正弦內(nèi)插是示波器默認(rèn)的插值方式,也是最常用的插值方式。通過正弦內(nèi)插的方式,能夠比較準(zhǔn)確和平滑地還原真實(shí)波形信號(hào)。利用曲線來連接樣點(diǎn),通用性更強(qiáng)。這種方法彎曲信號(hào)波形,使之產(chǎn)生比純方波和脈沖更為現(xiàn)實(shí)的普通波形。如圖4所示為采樣正弦插值的方式,觀察到的放大后的波形。
圖4 正弦插值
3、線性插值
線性內(nèi)插是最簡(jiǎn)單的插值方式,計(jì)算量最小。在ADC的相鄰采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)之間按照線性多項(xiàng)式的計(jì)算方式插入一個(gè)計(jì)算值,插入的這個(gè)點(diǎn)為相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)連線上的值。如下圖5所示位采用線性內(nèi)插方式測(cè)試波形,是通過點(diǎn)與點(diǎn)之間的直接連接形成的波形,細(xì)節(jié)上能夠
看到類似于鋸齒波的形狀,這種插值方式局限于直邊緣的信號(hào)。
圖5 線性插值
通過這兩種插值方式對(duì)比,大家會(huì)發(fā)現(xiàn)正弦內(nèi)插利用曲線連接采樣點(diǎn),線性內(nèi)插通過點(diǎn)與點(diǎn)之間的連接形成波形,大家可能會(huì)傾向于線性插值的原因形成了放大之后的鋸齒狀。需要注意的是:插值算法是在ADC采樣時(shí)進(jìn)行的,當(dāng)采樣停止后,示波器才會(huì)進(jìn)行插值保持,插值保持下采樣點(diǎn)之間會(huì)以階梯的形式連接,因此示波器停止下的放大只是單純的數(shù)字化放大,是示波器插值保持的結(jié)果,這與使用何種插值算法完全無關(guān)。
四、總結(jié)
因此無論前面采用的是何種插值方式,采樣停止后放大的波形都會(huì)以鋸齒狀呈現(xiàn)出來,這是插值保持的原因,也是完全正常的。因此,我們?cè)谟^測(cè)波形的時(shí)候一定要讓波形盡量鋪滿整個(gè)屏幕,如果波形出現(xiàn)了鋸齒,也要清楚鋸齒的原因來自于哪里。
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