示波器的硬件帶寬限制和高低通數(shù)字濾波功能

示波器的作用是把肉眼看不見的電信號(hào)變換成看得見的圖像，越優(yōu)秀的示波器肯定越能還原信號(hào)真實(shí)的樣子，我們肯定不希望看到的信號(hào)是被“美顏”過的。然而，在實(shí)際測(cè)量中，硬件電路中的噪聲是無法避免的，有的時(shí)候噪聲甚至比我們實(shí)際需要測(cè)量的信號(hào)還要大，這大大加大了我們測(cè)量和分析信號(hào)的障礙。因此，如何有效地去除噪聲，盡量讓示波器只顯示我們需要觀察和分析對(duì)信號(hào)就顯得尤為重要。

帶寬限制就是一個(gè)很好的辦法。打開示波器的通道菜單，我們可以看到帶寬這一欄，有“全”、“高通”、“低通”以及“20M”。其中的“20M”就是通過硬件進(jìn)行帶寬限制，使信號(hào)中高于20MHz頻率的成分進(jìn)行衰減。上圖是一臺(tái)300MHz帶寬的示波器測(cè)量的信號(hào)，下圖就是打開20M硬件帶寬限制以后的波形。

可以看到打開20M帶寬限制以后，波形要細(xì)了很多，信號(hào)中很多高頻的成分被衰減了。

由于模擬濾波器電路相對(duì)數(shù)字濾波器更復(fù)雜，而且如果要過濾不同的頻率段，用的器件也要增加，因此往往示波器一般只內(nèi)置一種20M濾波。而數(shù)字濾波可以通過FPGA可編程硬件實(shí)現(xiàn)，可以對(duì)不同頻帶的諧波進(jìn)行衰減，精度和可靠性也更高。

如下圖就是通過低通20M數(shù)字濾波以后得出的波形，可以看到，相對(duì)模擬硬件濾波波形更加的平滑。

那么既然數(shù)字濾波有那么多優(yōu)點(diǎn)，為什么示波器還是內(nèi)置了一個(gè)20M都模擬濾波器呢？這里要注意的是，模擬濾波器可以消除示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中信號(hào)發(fā)生的混疊，而數(shù)字濾波只能濾除基帶內(nèi)的噪聲，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生混疊的信號(hào)是無能為力的。也就是說，如果噪聲的頻率高于采樣率，此時(shí)通過數(shù)字濾波是無法處理的。

我們利用示波器的快速傅里葉變換（FFT）功能，再來帶大家更直觀地觀察下高低通數(shù)字濾波的威力。

如上圖是全帶寬下對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行FFT后的圖，可以看到，紅色直方圖中，第一條直線是信號(hào)的直流成分，第二條直線是信號(hào)的基波，接下去的直線是信號(hào)的諧波成分。

當(dāng)我們將示波器設(shè)置為低通15KHz時(shí)，意味著示波器只允許低于15KHz頻率的信號(hào)成分通過，示波器會(huì)將大于15KHz頻率的信號(hào)成分進(jìn)行衰減，可以看到直方圖后面的直線大大的減少了。黃色信號(hào)也變得更加的細(xì)。

當(dāng)我們將低通數(shù)字濾波設(shè)置為1KHz時(shí)（也就是基波的頻率），由于大量諧波成分的丟失，可以看到黃色的方波已經(jīng)衰減成了正弦波，直方圖中的諧波直線也只剩下6條。由此也可見，低通濾波只能衰減設(shè)置的頻率的諧波成分，而不是真正的濾除設(shè)置的頻率的諧波成分。