使用示波器的自定义滤波器功能助力电源纹波测试

经常使用示波器测试的工程师都知道，示波器一般是具备带宽限制功能，即低通滤波设置，可以将一台大带宽示波器变为小带宽，减小宽带噪声影响，用以测试评估低频信号情况。例如，20MHz低通滤波，就经常应用于电源纹波测试中。然而，有越来越多的电源纹波、噪声的评估等，需要用到带通滤波器功能，即将被测信号通过带通滤波器后，再来评估其指标，如带通100KHz-10MHz、5MHz-50MHz等，不同被测物或测试场景，需要不同参数的带通滤波器设置。而示波器往往不具备灵活更改参数的带通滤波器设置的。

R&S公司的RTO6、RTP、MXO系列示波器，具备丰富的数学运算（Math）功能，支持加载用户自定义的FIR滤波器文件，来对捕获到的波形通过运算进行滤波，然后将滤波后的波形显示于屏幕中。并且自动参数测量等功能依然可以用于该运算滤波器后的波形，高效完成测试。

本文以RTO6系列示波器加载2MHz-10MHz的带通滤波器举例说明其使用方法。

步骤一

使用滤波器设计软件来生成FIR滤波器文件，以便让示波器加载使用

滤波器设计软件有多种，Python、Matlab等工具都可以使用。Python的PyFDA滤波器设计工具，它带有UI界面，和滤波器频响查看等功能，使用起来比较方便，本实验以此为例。

开启PyFDA后，如图1。类型选择BANDPASS， FIR，此处设计滤波器选择Kaiser窗，N阶数设置为1000阶，也可选择其他类型例如equiripple。fs 为采样率，此处设置为100MHz，该数值需要与示波器测试使用时设置的采样率保持一致。Frequency Spec一栏中输入我们期望的带通滤波器带宽范围为2MHz和6MHz，其他参数保持默认，点击Design Filter按钮。软件计算完成后，右侧出现该滤波器的幅频相应曲线，看到其响应基本符合需求。

图1

保存该滤波器文件为csv格式，命名BPF_2M_10M_SR100M.csv，如下图2所示。

图2

步骤二

RTO6示波器加载并使用该滤波器文件

如上所述，示波器基础设置中，开启带宽限制20MHz，采样率设置为对应的100MSa/s。

将该csv文件复制到示波器硬盘任意目录下；RTO6示波器加载该csv滤波器文件，设置方式为打开Math页面在M2的公式定义里，选择Filter->User Define->选择该csv文件，使能Display开关，这时，M2窗口里的波形即为滤波后的波形，设置界面参考图3。至此，设置结束。

图3

步骤三

验证滤波器效果

为验证该滤波器的效果，我们用RTO6示波器的集成波形发生器RTO6-B6发送扫频信号给示波器通道1，频率范围为8MHz至15MHz。

如之前所述，示波器设置20MHz带宽限制，100MSa/s采样率以保证正确的滤波频率。请注意：虽然示波器可加载该带通滤波器文件，但是依然需要设置示波器的固有的低通滤波器开启，此步骤是必要的，起到抗混叠滤波作用。

参考图4 ，可以看到上方黄色波形为通道1捕获的信号。紫色斜线Track1是示波器测量出的频率vs时间的曲线，显示该扫频信号的频率变化。下方M2为带通滤波（2MHz-10MHz）后之后的最终波形。可以看到经过滤波后，M2波形只保留了8MHz-10MHz范围的波形，高于10MHz的频率信号被抑制。

从频谱角度可以更清晰的显示出滤波效果。左下方M1是通道1的频谱，扫频信号范围为8MHz-15MHz，右下方频谱M3是针对经过带通滤波后，信号频率范围是8MHz-10MHz，带通滤波器效果符合预期。

图4

补充说明：依然需要设定示波器低通带宽限制的必要性，请参考如下实验。

故意取消示波器的低通20MHz限制，示波器此时带宽达到1GHz，波形发生器输出85MHz-95MHz的扫频信号，按照我们期望的效果，经过数字运算的带通滤波器后，应该大幅度衰减该信号所有频率成分。但是参考图5，无论是滤波后的时域信号M2还是频谱M3，都不符合预期。

这是由于示波器采样率只设置100MSa/s，在采集85MHz-95MHz信号时，采样率不够而造成混叠现象，错误的将该信号频率“认为是5MHz-15MHz”，在该阶段已经出现重建波形错误了。此时再通过数学运算的带通滤波器（2MHz-10MHz），只抑制了“错误认为”的大于10MHz的成分，而其他“错误认为”的频率成分依然在滤波器的通带内而不衰减。图5中显示，M2时域滤波后波形显示出其保留下的频率成分幅度与原始信号相同，而其频谱M3显示其频率范围是5MHz-10MHz，符合上述原因分析。因此，在使用该自定义滤波功能时，依然需要设定示波器的模拟带宽限制，避免混叠现象。

图5

结语

◎示波器加载自定义FIR滤波器的方式很灵活，有效帮助工程师验证和调试信号问题，例如电源纹波等测试场景。

◎设计该滤波器文件时，可以使用多种不同的滤波器设计软件。无论使用那种设计软件，最终导出其系数存为csv文件，被示波器调用即可。

◎设计滤波器文件时，需要考虑后续使用示波器测试时设置的采样率，二者应保持一致。滤波器带宽、采样率、滤波器阶数等参数是互相关联的，在设计时综合考虑。例如带宽要求很低频率，但采样率过高会导致滤波器阶数很高，设计软件计算量太大。应该保证采样率在最高通过频率的2.5倍或以上即可。参数的选择可结合软件生成的频响曲线，选择适当参数，满足需求即可。

◎为避免可能产生的混叠现象，应该始终注意设置带宽限制，使其既符合采样率的诉求，也要满足测试需要，大于所需要的带通滤波器的截止带宽。R&S示波器不仅具备常用的20MHz、200MHz带宽限制，同样具备10KHz、100KHz、50MHz、100MHz等多种步进设置，满足不同的测试场景需求。

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