示波器的波形算法

1 背景

我們在前兩篇文章中介紹了示波器的波形抽取模式和內插模式，用戶可以根據需要提高或者降低波形採樣率，更好地還原信號。這篇文章我們將討論示波器如何針對多次採集的波形通過適當算法產生新的波形，獲得特別的應用價值。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201702/338119.htm

提到波形算法，容易想到示波器裡數學運算功能「math」可以實現幾十種的算法，完全滿足應用需要，其中有個特色算法就是實時的FFT算法，可以實時顯示頻譜，實現時域和頻域聯調的功能。該文談的算法主要針對測試波形做相應的算法，提升波形質量，分為三種：OFF，ENVELOPE，AVERAGE。

2 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據採集通道中，內插模式、抽取模式以及波形算法是在同一數據處理通道上，從ADC採集的數據經過內插模式或者抽取模式後，你可以根據測試需要選擇合適的波形算法對多次採集的波形進行算法處理，內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用。

圖1 R&S示波器數據處理通路

到這裡，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裡Hi-RESOLUTION抽取模式裡也採用了average，這兩種處理方式同樣是針對同一採集數據處理的，一前一後，有什麼差異？筆者在第一次見到這個的時候，確實存在這樣的疑問，後續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。可以實現的組合如下圖2所示。

圖2 抽取模式與波形算法可以實現的組合

示波器抽取模式是對ADC採集的數據點進行分析計算，即對相鄰的N個數據點做相應的算法，把N個數據點做算法，計算成一個點，以此類推到ADC採集的所有數據點，這樣可以降低波形採樣率。經過抽取後的數據點組合成波形，而示波器的波形算法正是對N個連續採樣的波形採用不同的算法優化波形質量，更加真實的測量信號波形。

同理，示波器的內插模式與波形算法的組合，是對ADC採集的數據點做不同的內插，然後把內插後的波形採用不同的波形算法，優化測試波形。

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，即關閉或者旁路波形算法，直接送到示波器後續相應測試測量部分，並在示波器屏幕上顯示出來。

· ENVELOPE

在N個連續採樣的波形裡，在時刻Ti對應於N個波形裡的最大值和最小值分別為Vimax、Vimin，則對這N個波形做ENVELOPE算法後，就是把對應的每個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，即為波形算法裡的ENVELOPE的含義。

· AVERAGE

同上原理，在N個連續採樣的波形裡，在時刻Ti對應於N個波形裡的幅值分別為Vi1、Vi2、Vi3、……ViN，則對這N個波形做AVERAGE算法後，在Ti時刻的幅值為V=（Vi1+Vi2+Vi3+……+ViN）/N。在其他時刻，採用類似算法，這樣在不同時刻點計算出來的值組合成新的波形即為通過AVERAGE波形算法計算的波形。

3 不同波形算法對比

結合示波器抽取模式，下面根據實際測試結果分析對應於不同抽取模式下，不同波形算法的優異差異，見圖2。關於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R&S示波器自帶標準信號1KHz方波。