如何使用Pico示波器的滤波功能

shuang

何时，何地，为何和如何？

在本文中，你可以发现很多Pico示波器的特性和技术，可以揭示隐藏信号。在下面这个典型的案例中，我们正在测试窄带氧化锆氧传感器。

测试程序捕捉的波形和从这种组件捕捉的预期结果在过去都已经被很好地记录下来了。以其特有的从0.1 V到0.9 V变化的正弦波形。（看到你的PicoScope软件中的指导测试菜单：汽车>传感器>氧传感器>氧化锆）。

没有被记录的是这样一个信号在发动机舱的恶劣环境下的脆弱性，发动机舱有着高频开关组件辐射EMI（电磁干扰）。上图展示了一个典型的噪声诱导的氧传感器信号，这儿可以看到急剧上升/下降的峰值和混杂在其中的正弦信号。

你所用来捕捉氧传感器信号的工具决定了可以看到多少噪声。讽刺的是，很多预算工具的带宽很低所以不能接受高频噪声。这有利于像氧传感器信号这样的信号，但是对CAN，喷射和点火信号这样的信号上是不利的。这样的工具将会向技术员呈现一份只揭露了关于条件信号一半事实的虚假报告。

事实上噪声能对氧传感器代码或发射错误负责吗? 在噪声自身之内可能就有点火或喷射信号峰值的迹象，部件的磨损，相邻电缆的摩擦或者是氧传感器加热元件/发动机接地出现短接而带来的灭弧作用。

如果屏幕上没有显示真实的信号，你要如何知道呢？

从根本上讲，像氧传感器这样无动力的传感器有着很高的输出阻抗，这使得传感器和布线倾向于接受噪声。在PCM内信号将会被滤波，但是可以同时看到未滤波和已滤波的版本至关重要，因为二者的对比可以帮助揭示预计噪声和PCM里什么影响了看到的信号。

在这里Pico提到一个短语是关于任何数据采集的，那就是“捕捉毛刺信号”意思是说你在屏幕上看到的信号是没有经过调节的真实信号的一个真实反映。技术人员用这个数据来评估噪声，然后在他们的处置中实现一个Pico示波器特性的数字来处理信号，使滤波成为可行。

在深入到滤波(降低信号噪声)之前，我们必须确保我们的Pico示波器通过Pico蓝色USB线连接到个人电脑或笔记本电脑,而不是一个通用的USB电缆。Pico蓝色USB电缆质量保证每个插头的终止,改善接地，更优越的线芯可以保证最小的功率损耗,优越的数据传输和正确接地。当心质量差的售后市场笔记本电脑充电器,因为这些可能会引入噪声。

Pico示波器本身和我们精心筛选提供的测试引线都可以避免接收噪音,但是不能对汽车线束有同样保证。大部分车辆很少有信号是经过筛选的(为了降低成本)，并且敏感信号电线旁边常常运行着的携带辐射噪声的信号电缆，像用于喷油器的。

发动机舱中未屏蔽的导线有可能从其他噪声源接收噪声，如头顶的灯、电动升降电机、焊机和架空电缆等。相比于使用很好的屏蔽电缆，使用便宜的未屏蔽的电缆，然后在PCM中过滤掉噪声对汽车制造商来说更便宜！因此，这使我们的工作变得更加困难,因为我们必须找出什么是正常的噪音和什么是不正常的。

假设所有以上的问题都被考虑到并处理好,我们现在有大量的选项来过滤像氧传感器信号一样臭名昭著的信号。

让我们从头开始吧，在捕捉之前。

地面参考测量

测试引线地线必须连接到电池的负极。这是因为我们使用的Pico示波器的同轴电缆插头是共同接地的(所有BNC终端连接到另一个,比如PicoScope 4423,4223,3423和3223),我们的测量信号是参照地面接地的。

微分测量

在用新的PicoScope 4425或PicoScope4225测量传感器信号(如氧传感器)时，连接我们的测试引线地线到氧传感器的选项是可行的，并且通常有助于减少信号上的噪声。这里我们将微分测量应用于氧传感器接地，这可以部分地屏蔽掉EMI（通过PCM），因此可以得到更加干净的信号。

所有PicoScope可接受的氧传感器连接          PicoScope4225和4425可选择的氧传感器连接   

硬件滤波器

对于那些有幸使用新的PicoScope 4225和4425的客户，它增加了一个设置应用于捕捉之前的电线，通过硬件滤波器（带宽限制器）的形式来阻止高频噪声。

这个过滤器在信号通过示波器并处理之前将不接收超过20 kHz噪声。实际上我们将选取的示波器通道带宽范围转换到从20 MHz到20 kHz。

使用硬件滤波器的优点是,它允许您使用一个较低的输入范围来捕捉信号。

考虑到氧传感器中的我们感兴趣的信号电压为0.1 V至0.9 V，但现存的噪声可能超过50 V。为了包含噪声选择50 V刻度将导致0.1 V至0.9 V信号的低分辨率。

有观点认为，对于绝大多数汽车信号(除了那些需要高频噪声测量的,如CAN,FlexRay和点火/喷射信号的捕捉)可以不再使用硬件滤波。这一点对电流钳尤其正确，因为它不会检测到超过20 kHz的信号，它的频率太高不会隐藏任何我们关心的问题(最大电流钳带宽是20 kHz)。

激活硬件滤波器

连接到PicoScope 4225或4425，选择工具>偏好>选项>点击标有Show Analog Options的方框并点击确认。现在就可以在通道选项菜单中激活硬件滤波并在您所选择的通道中把所有输入的信号带宽限制在20 kHz。

简单说说如何聪明地使用硬件滤波器：

在捕捉到信号后硬件滤波器不能关闭来揭示原始信号。与软件滤波器不同，如低通滤波器和数学通道,可以在捕获后应用或关闭。

对于PicoScope 7软件激活硬件过滤功能的使用方法，如下图：

下面的例子是使用氧化锆氧传感器捕获的引导测试:

未经硬件滤波的氧传感器信号

经硬件滤波的氧传感器信号

在一些高频噪声(20 kHz以上)进入到Pico示波器之前我们就立即结束噪声。记住:硬件滤波器只和使用新的PicoScope 4225和4425的用户有关,但从这儿起,下面所写的一切和所有Pico示波器都有关。

软件滤波器（使用通道选项中的低通滤波或者使用数学通道）

就像所有的测量方式，确保正确的设置至关重要，如电压范围、时基和屏幕上相关的样本数量（最小为500kS）。

对于一个0.1到0.9V的信号选择±1V刻度可能是最好的，然而，噪声级可能超过了这个限制的电压范围（电压峰值经常会超过20V！）。因此我们选择±20V的电压刻度。

为了在这之后成功地应用滤波数学通道，PicoScope要保证所有的出现在信号上噪声在示波器的电压范围内，这很重要。我们的数学通道滤波选项是通过取整个波形上成千上万的点的电压值并以这个为基础计算来工作的。当数学通道过滤器试图适用于一个无限的数值(超量程)时就会发生超量程(在±1 V刻度上出现20 V峰值的情况)，因而产生一个错误的波形。

考虑到我们已经给一个事实上只有选择1 V的信号选择了±20 V刻度,调整垂直缩放功能放大5倍(x5)，那么就变成了±4 V范围。现在我们可以两全其美,更好地解决1 V信号,同时防止由电压峰值产生的超量程条件。

在通道选项菜单中激活低通滤波选项

这种类型的滤波器的优点是使用起来简单快捷，同时可以应用不同水平的低通滤波，还可以监测滤波器对所捕获波形的影响。注意过分滤波会使原始波形变得面目全非!

记住低通滤波(使用通道选项菜单)可以在捕获后应用,所以不仅可以在诊断中使用,还可以在远离混乱的车间回顾保存的捕获波形时使用。

点击相关的通道选择(1)按钮,出现低通滤波选框。把光标移动到选框中(2)，并确保对输入信号使用100 Hz的低通滤波器。

对于PicoScope 7软件激活低通过滤功能的使用方法，如下图：

下面，在我们的氧传感器例子中，选取100Hz作为低通滤波需求的水平:

这种类型的滤波器的缺点是我们不能过滤缓慢时基框架下的信号(脉串型),所以我们需要停止捕获,然后通过滚动波形缓存来查看过滤的波形。

激活一个叫做显示最后波形的隐藏功能,可以在屏幕上保留过滤的波形的同时一边绘制新的波形。这将允许技术人员在屏幕上连续不断地查看传感器的操作,而不是等待原波形绘制好之后示波器才能暂停显示过滤后的信号。技术员将可以持续的观察过滤信号，而不必停止捕获和滚动波形缓冲区。

选择工具> 偏好> 采样> 选中标有显示前一个波形缓冲区的选框。

下面我们可以看到使用显示前一个波形缓冲区的功能,可以同时看到过滤和未过滤的信号。左边是新的未过滤的原信号，右边是过滤后的信号。

数学通道选项可以替代通道选项菜单中的低通滤波。

使用数学通道来实现低通滤波

虽然这个类型的滤波器需要更长的时间来启动，但它有一个明显的优点是可以同时观察过滤后和未过滤的信号。

在新建一个低通数学通道之前，关闭低通滤波和显示前一个波形缓冲区功能。现在你操作的是一个未滤波的氧传感器信号（20V刻度，垂直缩小x5，时基控制500 ms/div并关闭显示前一个波形缓冲区功能）。

新建一个合并了低通滤波的数学通道将会复制你的传感器信号，但是移除了其中的高频信号（100Hz以上）。只允许100Hz以下的低频信号通过。

这是一个非常简单的过程，并且创建之后就会存进您的数学通道数据库，可以用来以后的的信号测量，如氧传感器的。

选择工具>数学通道>新建>Next>高级>Filters>选择低通滤波符号file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps331E.tmp.jpg。

公式框内将会出现“LowPass（）”。点击你需要的通道字母可以在公式中添加通道，在通道字母和公式括弧之间输入“，100”就完成了公式。整个数学通道公式就是“LowPass（A，100）”，那么一个100Hz的低通滤波器就应用到了A通道上。

点击Next可以选择您的数学通道的颜色和名称，选择Next并勾上忽略自动范围选择。输入您的数学通道的电压范围“-2V到+2V”，选择Next并点击Finish。选择您新创建的数学通道的选框，从而显示你原先捕捉到的信号的过滤信号。

现在就完成了捕捉原始氧传感器信号和添加的滤波数学通道的设置，技术人员可以同时监测过滤后和未过滤的信号。

再一次说明，低通滤波（使用数学通道）可以在捕捉后使用，所以不仅可以在诊断中使用,还可以在远离混乱的车间回顾保存的捕获波形时使用。 对于氧传感器信号数学通道充当一个替代滤波器，当连接如曲轴传感器等需要移除高频点火噪声的高频传感器时有着非常明显的好处。一个典型的公式例子LowPass(A,5000)表示应用5 kHz的低通到通道A上的曲轴信号。

请查收下面的PicoScope文件包含一个使用通道选项菜单和数学通道100 Hz低通滤波器的100 Hz低通滤波器。显示前一波形缓冲区选项和硬件滤波器都需要手动选择。

Download accompanying PSDATA file

请记住,上面的信息仅作为指南,不需要为每个传感器实现。随着你使用Pico示波器的经验的增加,你会发现只是简单地激活一个低通滤波器(通过通道选项)±2 V范围就足够从你所捕获的信号中获得你需要信息。

这是你的选择，就像上面的信息强调的，当你在挑战受到电磁干扰(噪声)的低电压低频信号时，你可以有丰富的处理手段。