羅德與施瓦茨示波器RTO6系列助力電源紋波測試

經(jīng)常使用示波器測試的工程師都知道，示波器一般是具備帶寬限制功能，即低通濾波設(shè)置，可以將一臺大帶寬示波器變?yōu)樾挘瑴p小寬帶噪聲影響，用以測試評估低頻信號情況。例如，20MHz低通濾波，就經(jīng)常應(yīng)用于電源紋波測試中。然而，有越來越多的電源紋波、噪聲的評估等，需要用到帶通濾波器功能，即將被測信號通過帶通濾波器后，再來評估其指標(biāo)，如帶通100KHz-10MHz、5MHz-50MHz等，不同被測物或測試場景，需要不同參數(shù)的帶通濾波器設(shè)置。而示波器往往不具備靈活更改參數(shù)的帶通濾波器設(shè)置的。

R&S公司的RTO6、RTP、MXO系列示波器，具備豐富的數(shù)學(xué)運算（Math）功能，支持加載用戶自定義的FIR濾波器文件，來對捕獲到的波形通過運算進行濾波，然后將濾波后的波形顯示于屏幕中。并且自動參數(shù)測量等功能依然可以用于該運算濾波器后的波形，高效完成測試。

步驟一

使用濾波器設(shè)計軟件來生成FIR濾波器文件，以便讓示波器加載使用

濾波器設(shè)計軟件有多種，Python、Matlab等工具都可以使用。Python的PyFDA濾波器設(shè)計工具，它帶有UI界面，和濾波器頻響查看等功能，使用起來比較方便，本實驗以此為例。

開啟PyFDA后，如圖1。類型選擇BANDPASS， FIR，此處設(shè)計濾波器選擇Kaiser窗，N階數(shù)設(shè)置為1000階，也可選擇其他類型例如equiripple。fs 為采樣率，此處設(shè)置為100MHz，該數(shù)值需要與示波器測試使用時設(shè)置的采樣率保持一致。Frequency Spec一欄中輸入我們期望的帶通濾波器帶寬范圍為2MHz和6MHz，其他參數(shù)保持默認，點擊Design Filter按鈕。軟件計算完成后，右側(cè)出現(xiàn)該濾波器的幅頻相應(yīng)曲線，看到其響應(yīng)基本符合需求。

圖1

保存該濾波器文件為csv格式，命名BPF_2M_10M_SR100M.csv，如下圖2所示。

圖2

步驟二

RTO6示波器加載并使用該濾波器文件

如上所述，示波器基礎(chǔ)設(shè)置中，開啟帶寬限制20MHz，采樣率設(shè)置為對應(yīng)的100MSa/s。

將該csv文件復(fù)制到示波器硬盤任意目錄下；RTO6示波器加載該csv濾波器文件，設(shè)置方式為打開Math頁面在M2的公式定義里，選擇Filter->User Define->選擇該csv文件，使能Display開關(guān)，這時，M2窗口里的波形即為濾波后的波形，設(shè)置界面參考圖3。至此，設(shè)置結(jié)束。

圖3

步驟三

驗證濾波器效果

為驗證該濾波器的效果，我們用RTO6示波器的集成波形發(fā)生器RTO6-B6發(fā)送掃頻信號給示波器通道1，頻率范圍為8MHz至15MHz。

如之前所述，示波器設(shè)置20MHz帶寬限制，100MSa/s采樣率以保證正確的濾波頻率。請注意：雖然示波器可加載該帶通濾波器文件，但是依然需要設(shè)置示波器的固有的低通濾波器開啟，此步驟是必要的，起到抗混疊濾波作用。

參考圖4 ，可以看到上方黃色波形為通道1捕獲的信號。紫色斜線Track1是示波器測量出的頻率vs時間的曲線，顯示該掃頻信號的頻率變化。下方M2為帶通濾波（2MHz-10MHz）后之后的最終波形。可以看到經(jīng)過濾波后，M2波形只保留了8MHz-10MHz范圍的波形，高于10MHz的頻率信號被抑制。

從頻譜角度可以更清晰的顯示出濾波效果。左下方M1是通道1的頻譜，掃頻信號范圍為8MHz-15MHz，右下方頻譜M3是針對經(jīng)過帶通濾波后，信號頻率范圍是8MHz-10MHz，帶通濾波器效果符合預(yù)期。

圖4

補充說明：依然需要設(shè)定示波器低通帶寬限制的必要性，請參考如下實驗。

故意取消示波器的低通20MHz限制，示波器此時帶寬達到1GHz，波形發(fā)生器輸出85MHz-95MHz的掃頻信號，按照我們期望的效果，經(jīng)過數(shù)字運算的帶通濾波器后，應(yīng)該大幅度衰減該信號所有頻率成分。但是參考圖5，無論是濾波后的時域信號M2還是頻譜M3，都不符合預(yù)期。

這是由于示波器采樣率只設(shè)置100MSa/s，在采集85MHz-95MHz信號時，采樣率不夠而造成混疊現(xiàn)象，錯誤的將該信號頻率“認為是5MHz-15MHz”，在該階段已經(jīng)出現(xiàn)重建波形錯誤了。此時再通過數(shù)學(xué)運算的帶通濾波器（2MHz-10MHz），只抑制了“錯誤認為”的大于10MHz的成分，而其他“錯誤認為”的頻率成分依然在濾波器的通帶內(nèi)而不衰減。圖5中顯示，M2時域濾波后波形顯示出其保留下的頻率成分幅度與原始信號相同，而其頻譜M3顯示其頻率范圍是5MHz-10MHz，符合上述原因分析。因此，在使用該自定義濾波功能時，依然需要設(shè)定示波器的模擬帶寬限制，避免混疊現(xiàn)象。

圖5 

結(jié)語

示波器加載自定義FIR濾波器的方式很靈活，有效幫助工程師驗證和調(diào)試信號問題，例如電源紋波等測試場景。

設(shè)計該濾波器文件時，可以使用多種不同的濾波器設(shè)計軟件。無論使用那種設(shè)計軟件，最終導(dǎo)出其系數(shù)存為csv文件，被示波器調(diào)用即可。

設(shè)計濾波器文件時，需要考慮后續(xù)使用示波器測試時設(shè)置的采樣率，二者應(yīng)保持一致。濾波器帶寬、采樣率、濾波器階數(shù)等參數(shù)是互相關(guān)聯(lián)的，在設(shè)計時綜合考慮。例如帶寬要求很低頻率，但采樣率過高會導(dǎo)致濾波器階數(shù)很高，設(shè)計軟件計算量太大。應(yīng)該保證采樣率在最高通過頻率的2.5倍或以上即可。參數(shù)的選擇可結(jié)合軟件生成的頻響曲線，選擇適當(dāng)參數(shù)，滿足需求即可。

為避免可能產(chǎn)生的混疊現(xiàn)象，應(yīng)該始終注意設(shè)置帶寬限制，使其既符合采樣率的訴求，也要滿足測試需要，大于所需要的帶通濾波器的截止帶寬。R&S示波器不僅具備常用的20MHz、200MHz帶寬限制，同樣具備10KHz、100KHz、50MHz、100MHz等多種步進設(shè)置，滿足不同的測試場景需求。