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LOTO虚拟示波器软件功能演示之——FIR数字滤波 [复制链接]

LOTO虚拟示波器软件功能演示之——FIR数字滤波

本文章介绍一下LOTO示波器新出的功能——FIR数字滤波的功能

在此之前我们先来了解一下带通滤波和带阻滤波。我们都知道每个信号是不同频率不同幅值正弦波的线性叠加,为了方便直接得观察到这种现象,就有了频谱分析(FFT),频谱分析就是将信号中不同频率不同幅值的正弦波表示出来。频谱分析的横坐标是频率,纵坐标是幅值,这样就可以在频谱分析中看出组成一个信号的多个正弦波的性质(频率和幅值)。如图1,上部分是时域的波形,下部分是频域中的波形。带阻滤波和带通滤波针对的是频域下的频率,如果要将某个频率范围内的信号去除掉,我们就要用到带阻滤波,只需在FIR数字滤波界面输入要去除的频率范围,点击SET,便会将这一频率范围内的波形去除掉。带通滤波则相反,它会留住在所选频率范围内的信号。即让频率范围内的信号通过不被滤除,所以称它为带通滤波。

图片1.png

1.信号的时域波形和频域波形

现在我们来看在LOTO示波器OSCA02上位机上如何使用FIR数字滤波功能。在上位机右边会有一个绿色的FIR按键,如图2。右击之后会弹出一个调试窗口,窗口右侧第一行数据是当前采样率,下一行是FFT采样点数,然后是频率的分辨率,如图3。Band-Pass是带通滤波设置框,Fl是允许通过信号的最低频率,FU是允许通过信号的最高频率。Band-Stop是带阻滤波设置框,F1是要滤除信号的最低频率,F2是滤除信号的最高频率,在F1-F2频率范围内的信号都会被滤除掉。

  

 

 

 

         图片2.png

2.FIR按键位置        

    图片3.png                   

 3.数字滤波调试窗口

FIR数字滤波功能默认不开启的。现在我们举个简单的例子在通道A上输入一个1KHZ的标准方波,启用滤波功能。

带通滤波可以将Fl默认成零其实就是一个低通滤波,它只限制上限频率然后如果反过来Fu选择很大,比带宽还高 ,那它就是一个高通滤波两个频率都选,它就是带通滤波这可以涵盖三种情况

现在这是1KHZ的方波,默认用带通滤波,上限频率设成1兆,然后A、B通道都选上,点击set就开始滤波了但是这是一个低通滤过从直流一直到一兆1000k)的频率范围内的信号都保留,比一兆高的频率信号,滤除掉了。现在波形没什么变化其实是因为原来的信号本身只有1k,而滤波保留了0-1兆范围内的信号,所以看不出来太多效果那我们将上限频率选为10k,滤波后的波形如图4所示,上限频率选为2K,滤波后的波形如图5所示,完全变成正弦波了,一个方波,当我们把它的低通设到只有2k以内的频率可以通过的话它就是一个正弦波

 

图片4.png

4.低通上限频率为10K的滤波波形

图片5.png

5.低通上限频率为2K的滤波波形

现在我们将上限频率设的高一些,设到40k400k分比对应下图

图片6.png

6.上限频率是40K的滤波波形

图片7.png

7.上限频率是400K的滤波波形

那针对上面测的这个现象,我们可以用一个教学视频演示视频演示一下https://www.bilibili.com/video/BV1He411x7XT?from=search&seid=14215701365664195673我们现在来看这个视频

刚开始是一个正弦波,这是一个基波上面滤波的顺序是反过来的, 可以看到,它叠加了另一个正弦波的时候叠加了三次谐波的时候叠加了五次谐波

9次11次它的谐波多了以后会越来越逼近方波

数字滤波有一个作用是滤波,去掉噪声 另一个是去掉一个信号里面特定的频率成分还有一种是带宽限制就是示波器上用的带宽限制

关于去除噪声我们现在举个例子故意输入一个有噪声的波形它本来是一个纯净的正弦波,可能在环境中受影响或者是它的地受到干扰也有可能是电磁辐射总之它会有一个很高的噪声 我们以前处理这种噪声我们用高分辨率模式就好选高分辨率模式可以起到滤波的作用。现在是峰峰值模式,该模式下的波形是最真实的样子我们现在利用FIR数字滤波功能滤掉信号中的杂波。

打开FIR按键,我们看数字滤波,首先要选一些参数, 但是我们并不知道选什么参数,我们只知道原始信号的频率是1KHZ,上面叠加了一些别的频率的噪声。此时我们可以借助FFT功能 ,打开频谱分析,你可以看到B通道黄色这边会有一个1k的基波它为什么会有噪声呢?我们看到后面在不同的频率点上会有一些干扰,为了方便观察,我们用对数轴,如图8.

图片8.png

8. 频谱分析的对数显示

可以看到,大概从56k开始,到327k 这些就是叠加在原始信号上面的高频噪声那我要去滤波的话我们可以选择在20k的位置20k以后的所有的频谱分量我们全部不要,因为这些我们认为是噪声。那做一个20k的低通滤波就好了,带通滤波从0-20K,点击设置,我们会发现噪声都滤掉了,如图9.

图片9.png

9. 低通滤波示意图

这就是能测到的杂波分量的滤波,但是对于示波器测不到的杂波信号怎样处理呢?下面我们来讨论带宽限制,我们选一个时间档位,这时候,采率是12.5兆,根据香农采样定理,6兆以上的信号我是测到的但是6兆以上的噪声有可能会对原始信号有影响那我其实就把带宽限制到6兆,就会有一个0-6兆的低通滤波,保证在能测到的信号范围内进行分析。这样就可以做到带宽限制台式的示波器的带宽限制可能只有几个选项二十兆的带宽限制或一百兆的带宽限制我们LOTO示波器可以用FIR数字滤波的功能选不同的带宽系数

现在我们来看带阻滤波的功能,打开FFT频谱分析,我们明确地知道噪声的范围,大概是600K到5000K之间,如图10所示,那我就用带阻滤波600k到5000K之间的信号滤掉

图片10.png

10. 带阻滤波操作示意图

这就是带阻滤波,把想要去除的频率范围内的信号滤掉。滤波后的波形如图11

图片11.png

11. 带阻滤波效果图

再来看最后一个例子,如图12,像这个波形峰峰值模式和高分辨率模式都会显示所有的噪声和尖刺

图片12.png

   12 . 多种频率混合的信号

先看一下这个信号频谱分析,有个300k的正弦波上面又叠加了一个600k左右的正弦波一个1.2兆的正弦波, 然后又有一个2.5兆的正弦波低频还有一个5k的正弦波, 通过频谱分析,我们知道这个信号是这么多不同频率不同幅值的正弦波叠加而来的如果我们本来发出的是一个300k的正弦波但是其他的这些干扰噪声并不是我们想要的,这样我们就设置一个带通滤波,只保留300k附近的比如我们设置带通滤波从100k到500k之间你就会发现这就是一个300k的正弦波,其他的都是干扰,如图13.

图片13.png

   13. 带通滤波示意图

带通滤波和带阻滤波可以组合着启用,带通里面可以有一段是带阻的可以根据波形的频谱的特性,来选择搭配进行数字滤波

还有一个新功能是谐波失真度,假如说A通道加了一个2k的正弦波,打开频谱分析,它会在这儿自动的算它的各个频率分量然后把这个点开,如图14.它就会算总谐波失真度总谐波失真度,是来描述正弦波标不标准失真的程度有多少一般1%以下的基本上是ok的

图片14.png

   14.总谐波失真度演示

这个波形的总谐波失真度是在1%以下,表示失真在可以接收的范围内。

 

 

 

本视频讲解连接:

https://www.bilibili.com/video/BV1Nv41117Fb

 


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这种虚拟示波器和电脑联机就是一般的USB口?

能测高压不


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