提升示波器波形質(zhì)量，要靠OFF/ENVELOPE/AVERAGE這三種算法？

提到波形算法，容易想到示波器里數(shù)學(xué)運(yùn)算功能“math”可以實(shí)現(xiàn)幾十種的算法，完全滿足應(yīng)用需要，其中有個特色算法就是實(shí)時的FFT算法，可以實(shí)時顯示頻譜，實(shí)現(xiàn)時域和頻域聯(lián)調(diào)的功能。該文談的算法主要針對測試波形做相應(yīng)的算法，提升波形質(zhì)量，分為三種：OFF，ENVELOPE，AVERAGE。

幾個概念

為了更直觀的說明波形算法這個概念，首先貼出圖1，從圖中可以看到在數(shù)據(jù)采集通道中，內(nèi)插模式、抽取模式以及波形算法是在同一數(shù)據(jù)處理通道上，從ADC采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)插模式或者抽取模式后，你可以根據(jù)測試需要選擇合適的波形算法對多次采集的波形進(jìn)行算法處理，內(nèi)插模式和抽取模式可以與波形算法自由組合，選擇比較靈活。本篇以4種抽取模式與3種波形算法的組合來主要說明波形算法的應(yīng)用。

圖1 RS示波器數(shù)據(jù)處理通路

到這里，可能很多人會有疑惑：又是一個average，之前上一篇抽取模式短文里Hi-RESOLUTION抽取模式里也采用了average，這兩種處理方式同樣是針對同一采集數(shù)據(jù)處理的，一前一后，有什么差異？筆者在第一次見到這個的時候，確實(shí)存在這樣的疑問，后續(xù)將跟大家一起分享下這兩個average的同與不同。

在《示波器的抽取模式》一文中已說明抽取的四種模式分別為：SAMPLE，PEAK-DETECT，HI-RESOLUTION，RMS。本文所要介紹的波形算法分為如下三種：OFF，ENVELOPE，AVERAGE?？梢詫?shí)現(xiàn)的組合如下圖2所示。

圖2 抽取模式與波形算法可以實(shí)現(xiàn)的組合

示波器抽取模式是對ADC采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算，即對相鄰的N個數(shù)據(jù)點(diǎn)做相應(yīng)的算法，把N個數(shù)據(jù)點(diǎn)做算法，計(jì)算成一個點(diǎn)，以此類推到ADC采集的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，這樣可以降低波形采樣率。經(jīng)過抽取后的數(shù)據(jù)點(diǎn)組合成波形，而示波器的波形算法正是對N個連續(xù)采樣的波形采用不同的算法優(yōu)化波形質(zhì)量，更加真實(shí)的測量信號波形。

同理，示波器的內(nèi)插模式與波形算法的組合，是對ADC采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)做不同的內(nèi)插，然后把內(nèi)插后的波形采用不同的波形算法，優(yōu)化測試波形。

下面對三種波形算法定義分別作簡要的介紹。

· OFF

這是最簡單的一種方式，顧名思義，就是對波形不做任何處理，即關(guān)閉或者旁路波形算法，直接送到示波器后續(xù)相應(yīng)測試測量部分，并在示波器屏幕上顯示出來。

· ENVELOPE

在N個連續(xù)采樣的波形里，在時刻Ti對應(yīng)于N個波形里的最大值和最小值分別為Vimax、Vimin，則對這N個波形做ENVELOPE算法后，就是把對應(yīng)的每個Ti時刻的最大值Vimax和最小值Vimin組合成一個新的波形，這樣會有最大值組合成的一條曲線和最小值組合成的一條曲線，這兩條曲線組合成包絡(luò)，即為波形算法里的ENVELOPE的含義。

· AVERAGE

同上原理，在N個連續(xù)采樣的波形里，在時刻Ti對應(yīng)于N個波形里的幅值分別為Vi1、Vi2、Vi3、……ViN，則對這N個波形做AVERAGE算法后，在Ti時刻的幅值為V=（Vi1+Vi2+Vi3+……+ViN）/N。在其他時刻，采用類似算法，這樣在不同時刻點(diǎn)計(jì)算出來的值組合成新的波形即為通過AVERAGE波形算法計(jì)算的波形。

不同波形算法對比

結(jié)合示波器抽取模式，下面根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果分析對應(yīng)于不同抽取模式下，不同波形算法的優(yōu)異差異，見圖2。關(guān)于示波器抽取模式的分析，可以參照《示波器的抽取模式》一文。本文所測試信號為RS示波器自帶標(biāo)準(zhǔn)信號1KHz方波。3.1 SAMPLE模式

在示波器抽取模式為SAMPLE時，OFF和AVERAGE這兩種不同波形算法計(jì)算后的波形分別見圖3，圖4。由這三幅測試波形對比可以明顯發(fā)現(xiàn)，沒做波形算法時，波形的幅度波動比較大，這時候在測試幅值時就會引入較大的誤差，影響測試準(zhǔn)確度。再來看看在SAMPLE抽取模式下，對波形做AVERAGE算法的測試波形，波形比較干凈，其實(shí)就是對圖3中的各個波形之間做了平均，消除了隨機(jī)誤差，采用這種算法只能對于周期波形進(jìn)行使用。

圖4 SAMPLE抽取模式下，OFF波形算法測試波形

圖5 SAMPLE抽取模式下，AVERAGE波形算法測試波形

PEAK DETECT模式

在PEAK DETECT抽取模式下，不做任何波形算法時，見圖6，數(shù)據(jù)抽取后兩條曲線為最大值的包絡(luò)和最小值的包絡(luò)，跟《示波器的抽取模式》一文所測波形一致。從圖7看以看出，根據(jù)波形算法的計(jì)算方式，對N個波形，在每個Ti時刻，對應(yīng)的最小值和最大值分別組成包絡(luò)，即為采用ENVELOPE算法計(jì)算的兩條包絡(luò)線。通過這個算法，可以很容易分析測量信號幅值的波動范圍，為在線測試提供判斷依據(jù)。

圖6 PEAK DETECT抽取模式下，OFF波形算法測試波形

圖7 PEAK DETECT抽取模式下，ENVELOPE波形算法測試波形3.3 HI-RESOLUTION模式

在HI-RESOLUTION模式下，對采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)先做了高精度計(jì)算，在這個模式下可以達(dá)到12bit分析精度，見圖8，為沒有做任何波形算法的測試波形。對這樣的連續(xù)N個HI-RESOLUTION抽取的波形，再做AVERAGE算法，進(jìn)一步減少了測試幅值的隨機(jī)波動，這樣測試出來的幅值會更加接近真實(shí)值，減少測試誤差，有圖9的測試波形可以看出，在HI-RESOLUTION抽取模式下，對比在做AVERAGE和沒做時的波形，做AVERAGE算法的測試波形比較平滑，消除隨機(jī)誤差，但是需要注意的是，這個算法只能適用在周期信號測試。

圖8 HI_RESOLUTION抽取模式下，OFF波形算法測試波形

圖9 HI_RESOLUTION抽取模式下，AVERAGE波形算法測試波形

RMS模式

在RMS抽取模式下，同理，這里分三種波形算法對RMS抽取模式的連續(xù)N個波形計(jì)算，分別得到的測試波形如圖10，圖11，圖12所示。圖10為RMS抽取模式下，不做任何波形算法的測試波形個。圖11為RMS抽取模式下，運(yùn)用AVERAGE波形算法測試的波形。圖12為RMS抽取模式下，運(yùn)用ENVELOPE波形算法的測試波形。

圖10 RMS抽取模式下，OFF波形算法測試波形

圖11 RMS抽取模式下，AVERAGE波形算法測試波形

圖12 RMS抽取模式下，ENVELOPE波形算法測試波形

結(jié)論

綜上所述，三種波形算法：OFF，AVERAGE，ENVELOP。根據(jù)測試需要，選擇不同的波形算法。一般情況下，我們示波器默認(rèn)情況為在SAMPLE抽取模式下，不做任何波形算法。那么這里也簡單總結(jié)下，波形算法的應(yīng)用的使用情況。

AVERAGE波形算法，主要適用在隨機(jī)噪聲比較多的信號里，通過平均算法的計(jì)算，減少隨機(jī)誤差的影響，更加真實(shí)的測試信號幅度，只能適用于周期信號的測試。

ENVELOPE波形算法，在測試信號波形時，通過包絡(luò)波形算法，對于具有隨機(jī)噪聲這樣的信號來測試，可以看到由最大值和最小值組成的包絡(luò)反映了噪聲的輪廓，即上限和下限，可以客觀的反映噪聲的幅值大小，為產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

我們需要根據(jù)實(shí)際測試情況來選擇波形算法，同樣對于抽取，內(nèi)插模式也一樣，選擇合適的方式。