DSO中的内插技术 (数字示波器重要功能的使用)

高端DSO中的内插实现方案差异

我们设计了上一节中应用的试验，演示了内插有效性与信号频率成分和示波器采样率相关，但负面效应进一步演示了内插算法实现方案中的重要差异。

示波器之间的其它重要差异是内插规则。

所有力科DSO都提供了SinX内插模式。在力科全系列X-Stream DSO上，可以通过通道设置菜单控制内插，每条通道支持不同的内插选择。在以前的力科示波器型号上，则通过演算曲线提供SinX内插。

WaveMaster在通道设置菜单中提供了两种内插选择：Linear或SinX。这种描述的用词实际上是不恰当的，因为选择线性内插实际上是没有内插。选择SinX内插会导致示波器在采集的每个实际样点之间生成9个额外的点，从而使采样率提高10倍。在默认状态下会选择线性(或无)内插。力科的策略是在不知道输入信号时，在默认状态下应关闭内插，示波器应默认只使用采集的波形点。

显示画面可以设置成只显示点或直线。在选择点时，将只显示波形点，包括任何内插的点。在选择直线时，会在每个波形点之间画一条直线，仅包括显示画面上内插的点。

下表详细介绍了在WaveMaster上怎样应用内插及怎样显示波形的规则。


安捷伦和泰克的内插功能明显不同。

泰克示波器提供了两种波形内插选项：Linear和SinX，但与力科实现方案不同，线性内插会实际内插额外的点。在默认情况下会启动SinX内插。在波形生成中是否实际使用内插取决于时基设置和请求的点数。基本上，泰克把采集时间周期除以采样周期，如果这个数值小于请求的点数，那么它会内插，生成请求的数量。不管波形中是否内插点，泰克示波器似乎都在内部测量中使用SinX内插。泰克提供三种显示样式：点、矢量(直线)和放大的样点。在波形生成中，唯一使内插失效的方式是使用放大样点显示模式。

安捷伦允许关闭或打开SinX内插，允许在显示模式中使用点或直线。与泰克一样，安捷伦的判断基于是否内插时基设置，在低于500 ps/div的时间/格设置时内插最多16个额外的点，在高于50 ns/div时不内插额外的点。如果显示样式选择直线，那么将在各点之间划直线，甚至包括内插的点。这与力科实现方案类似，但这些直线也出现在余辉曲线中，力科从不会把直线放在余辉曲线中。



下表比较了示波器的行为：

现在，读者应该很想知道不同操作的原因。我猜想部分原因可能是示波器之间的硬件限制。此外，由于内插对处理不敏感，因此有人试图在大的波形中降低内插令更新速率下降的影响，这进一步提高了参与竞争的示波器的复杂程度。

注1 部分专用测量采用线性内插之外的内插技术

在这方面，力科WaveMaster之所以能够实现简单操作，是因为其X-Stream?架构是为异常高效地处理大量的数据设计的。WaveMaster有效使用2.53 GHz工作频率的Pentium 4处理器，这是示波器中使用的最强大的处理引擎。

功能差异的另一个原因源自力科和其它示波器厂商的基本理念差异。安捷伦和泰克主要根据time/div设置改变内插行为。在采集时间周期变大时，这两种竞争的示波器都抵制内插。换句话说，在采样时间周期变大时，内插改善的采样率会下降。由于较大的time/div设置一般会降低用户获得的波形特点信息，因此除非使用放大，否则这一行为传达的基本信息是：除非要查看精细的特性，否则波形采集中不需要更高的分辨率和精度。力科严肃地看待这类仪器行为。我们认为，波形分析中的测量结果不应依赖于目前在屏幕上看到的东西。

这里，time/div设置成2.5 ns/div，点数设置成500。泰克示波器确定不需要使用内插。但如果放大波形，它会在很大程度上内插放大曲线。

显然，泰克示波器对内部测量采用SinX内插，而不管使用的示波器设置是什么。

安捷伦示波器，20 GS/s、100 ps/div、启动SinX内插。正弦波看上去很好，测量精度很高。

时基设置成200 ns/div，以采集大量的样点。由于采集时间较长，屏幕上的正弦波视图是模糊的。在这种设置下，测量中显示了?，表示示波 器不能进行正确测量。只有设置缩放演算曲线显示了问题来源：示波器已经停止内插。示波器确定在较长的时间采集中不需要内插。

小结

在使用DSO时，波形点内插是一种重要实用的算法。可以采用两种内插算法，即SinX内插和实用程度较低的线性内插。

在采样率是最高频率信号成分的10倍时，线性内插的效果非常好。在采样率至少是最高频率成分的三倍时，SinX内插的效果非常好。

有一种简单的方法，确定采用的内插策略的有效性。在不同示波器厂商之间，示波器的内插性能差异很大。在各种示波器运行条件下，示波器在什么时候执行内插及内插效果有着很大的差异。

力科WaveMaster示波器提供了最简单、最一致的内插性能，SinX内插使采样率有效改善了10倍。

力科WaveMaster DSO体现了示波器用户应明确指定SinX内插的原则，在默认状态下，SinX内插是关闭的，在指定SinX内插时，示波器会在实际样点之间一直内插9个额外的样点，而不管其它示波器设置如何，如time/div。