کاهش نویز اسیلوسکوپ | ۳ روش ساده برای داشتن سیگنال تمیزتر

نویز یکی از مشکلات رایج هنگام طراحی مدارهای الکترونیکی و مشاهده یا اندازه‌گیری سیگنال‌ها با اسیلوسکوپ است. این نویز می‌تواند از منابع مختلفی در داخل یا خارج از مدار ایجاد شود و باعث شود سیگنال اصلی که قصد بررسی آن را دارید، به‌وضوح دیده نشود.

وقتی Trace یا رد سیگنال روی نمایشگر اسیلوسکوپ تحت تأثیر نویز قرار می‌گیرد، تشخیص جزئیات سیگنال موردنظر دشوارتر می‌شود. به همین دلیل، یکی از اقدامات مهم هنگام کار با اسیلوسکوپ، کنترل نویز و رسیدن به یک شکل موج تمیزتر است.

در بسیاری از اسیلوسکوپ‌ها قابلیت‌هایی برای کاهش اثر نویز وجود دارد. در این مقاله سه روش کاربردی را بررسی می‌کنیم:

• Bandwidth Limit Filter یا فیلتر محدودکننده پهنای باند
• Average Acquisition Mode یا حالت میانگین‌گیری
• Math Filter یا فیلتر ریاضی

هرکدام از این روش‌ها به شکل متفاوتی به کاهش نویز کمک می‌کنند.

کاهش نویز با Bandwidth Limit Filter

Bandwidth (پهنای باند) یکی از پارامترهای مهم در کار با اسیلوسکوپ است. قابلیت Bandwidth Limit Filter پهنای باند اسیلوسکوپ را به فرکانسی که انتخاب می‌کنید محدود می‌کند.

در این حالت، فرکانس‌های بالاتر از سطح انتخاب‌شده تضعیف می‌شوند یا به‌طور کامل از مسیر اندازه‌گیری حذف می‌شوند.

این محدودسازی روی مسیرهای مختلف دستگاه اثر می‌گذارد، از جمله:

• Trigger (تریگر)
• مسیر Acquisition یا دریافت داده
• مسیر نمایش سیگنال

به همین دلیل، استفاده از Bandwidth Limit Filter یکی از ساده‌ترین روش‌هایی است که می‌توان برای کاهش نویز موجود در سیگنال به کار برد.

اسیلوسکوپ‌ها معمولاً تعداد محدودی گزینه برای تعیین Bandwidth Limit دارند و یکی از رایج‌ترین گزینه‌ها 20 MHz است.

بنابراین، زمانی که بخش فرکانس بالاتر سیگنال برای اندازه‌گیری موردنظر شما اهمیت ندارد، استفاده از قابلیت محدودکننده پهنای باند می‌تواند نمایش سیگنال را از نویزهای فرکانس بالاتر پاک‌تر کند.

پیشنهاد می‌کنیم برای کسب اطلاعات بیشتر درباره‌ی این موضوع مقاله‌ی پهنای باند و نرخ نمونه‌برداری در اسیلوسکوپ را مطالعه بفرمایید.

کاهش نویز با Average Acquisition Mode

روش دوم برای کاهش نویز اسیلوسکوپ استفاده از Average Acquisition Mode یا حالت میانگین‌گیری Acquisitionها است.

نویز معمولاً در Acquisitionهای مختلف رفتاری تصادفی دارد. ممکن است در یک بار دریافت داده مقدار نویز در یک جهت و در بار بعدی در جهت دیگری ظاهر شود.

به همین دلیل، هنگامی که تعداد کافی Acquisition با یکدیگر میانگین‌گیری شوند، بخش‌های تصادفی نویز می‌توانند یکدیگر را خنثی کنند و شکل موج اصلی واضح‌تر دیده شود.

در حالت Average Acquisition، داده‌های دو یا چند Acquisition مورد استفاده قرار می‌گیرند و نقاط متناظر شکل موج به‌صورت Point-by-Point با یکدیگر میانگین‌گیری می‌شوند.

اما یک شرط مهم وجود دارد:

برای استفاده از Average Acquisition Mode، سیگنال باید تکرارشونده باشد.

این حالت در تمام تنظیمات Time/Division قابل استفاده است.

یک مثال از تأثیر Average Mode

در مثال ارائه‌شده، یک شکل موج سینوسی دارای نویز به ورودی اسیلوسکوپ اعمال شده است.

وجود نویز باعث می‌شود شکل موج روی صفحه به‌صورت ضخیم و نامشخص دیده شود و Trace تمیزی نداشته باشیم.

پس از فعال‌کردن Average Acquisition Mode روی همان سیگنال، شکل موج بسیار واضح‌تر و تمیزتر نمایش داده می‌شود.

این مثال به‌خوبی نشان می‌دهد که برای یک سیگنال تکرارشونده، میانگین‌گیری چند Acquisition می‌تواند اثر نویز تصادفی را کاهش دهد.

برای کسب اطلاعات بیشتر می‌توانید مقاله‌ی مبانی اسیلوسکوپ | آشنایی با شکل موج‌ها را مطالعه بفرمایید.

کاهش نویز با Math Filter یا FilterVu

روش سوم استفاده از فیلترهای ریاضی یا Math Filter است.

برخی اسیلوسکوپ‌ها امکان استفاده از فیلترهای Post-processing را فراهم می‌کنند. این فیلترها پس از دریافت سیگنال به کار می‌روند و می‌توانند فرکانس‌های مشخصی از نویز را از سیگنال حذف کنند.

مزیت این روش، امکان کنترل بیشتر روی فرکانس‌های نویزی است که کاربر قصد فیلترکردن آن‌ها را دارد.

اسیلوسکوپ‌های Tektronix MSO/DPO2000B دارای قابلیتی با نام FilterVu هستند.

FilterVu به‌عنوان یک Variable Low-Pass Filter یا فیلتر پایین‌گذر متغیر عمل می‌کند و امکان اعمال یک فرکانس Low-Pass مشخص روی Acquisition نمایش‌داده‌شده را فراهم می‌کند.

مثال FilterVu روی یک سیگنال 10 kHz

برای نمایش عملکرد این قابلیت، یک شکل موج سینوسی نویزی با فرکانس 10 kHz به اسیلوسکوپ اعمال شده است.

به دلیل وجود نویز، مقدار فرکانسی که دستگاه اندازه‌گیری می‌کند ثابت نیست و بین 6 kHz تا 18 kHz تغییر می‌کند.

پس از اعمال FilterVu و تنظیم فرکانس Variable Noise Filter، مقدار اندازه‌گیری‌شده به فرکانس سیگنال موردنظر نزدیک می‌شود.

کنترل نویز همیشه یکی از چالش‌های اندازه‌گیری سیگنال با اسیلوسکوپ است. وقتی نویز روی Trace قرار می‌گیرد، پیدا کردن بخش موردنظر سیگنال یا انجام اندازه‌گیری دقیق‌تر دشوارتر می‌شود.

سه قابلیتی که در این مقاله بررسی کردیم، هرکدام رویکرد متفاوتی دارند:

• Bandwidth Limit Filter با محدودکردن پهنای باند، فرکانس‌های بالاتر از محدوده انتخاب‌شده را تضعیف یا حذف می‌کند.
• Average Acquisition Mode از میانگین‌گیری چند Acquisition برای کاهش اثر نویز تصادفی در سیگنال‌های تکرارشونده استفاده می‌کند.
• Math Filter یا FilterVu نیز امکان فیلترکردن فرکانس‌های نویزی را از طریق یک فیلتر پایین‌گذر متغیر فراهم می‌کند.

بنابراین، هنگام مشاهده یک شکل موج نویزی، قبل از اینکه نتیجه اندازه‌گیری را تحلیل کنید، بررسی این قابلیت‌ها در اسیلوسکوپ می‌تواند به شما کمک کند سیگنال موردنظر را واضح‌تر مشاهده کنید.