改善数字荧光示波器垂直分辨率的N个方法（下）

示波器采集模式
在泰克示波器中，“采集模式”指的是波形数据的初始表示，通常采用8位或16位分辨率。所有后续处理操作(显示、自动测量、光标、数学运算和应用)都基于采集模式确定的信号表示。

大多数示波器的默认采集模式是采样模式。这是最简单的采集模式，其中普通示波器使用一个8位幅度值、以选定的采样率、直到最大采样率表示波形上的每个点，参见图（中篇图5）。


图1.峰值检测采集模式捕获两个连续采集间隔中包含的最高值和最低值。
[图示内容：]
Interval:间隔
Displayed record points:显示的记录点
Peak Detect:峰值检测
Screen Image:屏幕图像


图2.包络采集模式捕获多次采集中的最高记录点和最低记录点。
[图示内容：]
Three acquisitions from one source:来自一个来源的三次采集
Acquisition:采集
Envelope:包络
Screen image:屏幕图像

在峰值检测模式下，示波器用一对8位幅度值表示波形上的每个点，这对幅度值分别对应选定的一对采样间隔期间波形的最大值和最小值。采用峰值检测模式的数字示波器一般会以最大采样率对信号采样，甚至在非常低的水平标度设置下，因此可以捕获选定采样率下两个点之间发生的快速信号变化。通过这种方式，峰值检测模式特别适合观察时间上相距很远的窄脉冲，如低频信号上的毛刺，参见图1。

包络模式与峰值检测模式类似，但它累积多次采集中成对的最大波形点和最小波形点，形成一个波形，显示测量期间的最小值/最大值累积结果。可以使用峰值检测模式，采集多个值，这些值结合在一起，构成包络波形，参见图2。

为测量低压信号，还应考虑其它示波器采集模式。下面将更详细地讨论两种最实用的技术：平均和HiRes。(如需与示波器有关的进一步技术信息，请参阅泰克入门手册03W-8605-XX《深入了解示波器》，网址www.tektronix.com)

图3.平均采集模式计算多次采集中每个记录点的平均值。
[图示内容：]
Three acquisitions from one source:来自一个来源的三次采集
Acquisition:采集
Average:平均
Screen image:屏幕图像

平均
平均模式是示波器采集系统中基本降噪信号处理技术之一。它依赖多次触发采集重复的信号。这种模式使用两次或两次以上采集，逐点平均这些采集中的相应数据点，形成输出波形。平均模式改善了信噪比，消除了与触发不相关的噪声，提高了垂直分辨率，可以更简便地观察重复信号，参见图3。

计算平均波形的传统方法是把所有采集中的对应样点加总，然后除以采集数量。但是，这种方法要等到采集了所需的全部N个波形之后，才能显示平均值。这种延迟对大多数用户是不可接受的，采集数据数量将迅速耗尽示波器的存储容量。

AN= (1 / N) * (x0+ x1+ x2+ … + xn-1)

其中：
AN是被平均的采集中的点
N表示要平均的总数
xn是第n次采集中的点
n表示采集数量

可以改动传统平均算法，每次在采集另一个波形时直接显示结果，解决显示被平均的波形中的延迟问题。但是，数据的存储问题仍然存在。稳定的平均算法是：

an= (1 / n) * (x0+ x1+ x2+ … + xn-1)

其中：
an是当前被平均的采集中的点
xn是新的第n次采集中的点
n表示采集数量

注意，为获得具体N次采集的加总平均值，只需把示波器置入单一序列模式。在这种模式下，在n到达N时，采集会停止，被平均的波形中包含具体N个采集的波形。

泰克示波器采用指数平均算法，可以在每次采集后立即在画面上更新结果，明显降低要求的存储容量。指数平均过程采用下面的公式，从新采集xn和上一个平均波形an-1中创建一个新平均的波形an：

an= an-1+ (1/p)*(xn– an-1) = an-1* ((p – 1) / p) + (xn/ p)

其中：
n表示采集数量
N表示要平均的总数
an是被平均的采集中的新点
an-1是上一个被平均的采集中的点
xn是新采集中的点
p是加权系数
如果(n小于N)，那么p = n，否则p = N

得到的被平均的波形是相同的，与使用哪种平均算法无关。但要注意，指数平均算法在计算和存储采集的波形和被平均的波形时效率要高得多。

某些示波器结合使用上面两种技术，计算平均值。其显示第一个采集，对后面N-1个采集采用稳定平均，在N个采集之后则使用指数平均。

这两种算法都随时显示波形中一致趋势的影响。在低速信号中可以很容易看到这一点。如果信号稳定，您会看到在前N个采集期间噪声连续下降。在N个采集后，信号仍会变化，但整体降噪或垂直分辨率不再改善。

平均技术提高了信号的垂直分辨率。这种增强能力用位衡量，是平均总数的函数。

增强的分辨率= 0.5 log2(N)

其中：N表示要平均的总数。

表1说明了波形平均提供的理想的分辨率增强功能。

表1.由于平均算法增强的垂直分辨率。