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1 模擬偏置 模擬偏置，也稱為DC偏置，是一個非常有用的功能，大多數示波器都具有該功能。如果運用得當，可以避免小信號測試時垂直分辨率的丟失的問題。 模擬偏置給輸入的信號加上一個直流偏置電壓，如果輸入信號超出了示波器ADC的測量范圍，加上偏置電壓之后，能將信號調節到示波器的范圍內。 圖1 超出范圍的信號 圖 2 通過模擬偏置將信號調節至示波器的測量范圍內 2典型應用：LVDS 2.1 LVDS信號特征 LVDS(低壓差分信號)，如圖3所示，兩組相位相反的差分信號，信號特征如下： 峰峰值：350mV 共模電壓偏置：1.2V 高壓：1.2V+0.5*350mV=1.375V 低壓：1.2V+0.5*350mV=1.025V 該測試用的是PicoScope 6404B示波器， 4通道，500MHz，8位分辨率。信號是仿真的LVDS信號 圖 3 LVDS信號 2.2 無模擬偏置時觀察信號 圖3 中顯示一個仿真的LVDS信號，我們選擇±2V的測量范圍，這個是能測試到該信號的最靈敏的測試范圍。雖然示波器有一個8位的分辨率，即劃分為256個可分辨的電壓等級，但是很明顯該信號占了很小的一部分：350mV/4V，僅僅占了22個可分辨電壓等級。這個量化級數僅僅相當于22log2≈4.5 位，即ADC的8位分辨率，該信號只使用了4.5位。 放大該信號，表現出低分辨率的特征： 該條件下，我們測量的量化噪聲是16mV. 正如預期的那樣，該值接近于ADC的理論量化電平：4V/256≈15.6mV。 圖 4 示波器±2V量程下采集的LVDS信號 圖 5 放大的LVDS信號 2.3 用模擬偏置測量信號 在PicoScope 軟件中，每個通道有一個下拉菜單，顯示了該通道的所有設置。我們能夠設置DC 偏置電壓為-1.2V，相當于移除該信號的共模電壓。 應用-1.2V 模擬偏置下 2V測量范圍下的測試波形(圖7)。 既然信號的對地電壓在175mV左右，我們可以將示波器的量程設置為±200mV的量程，該量程靈敏度更高(圖8)。此時信號在400mV的測量范圍內占據350mV, 等效于在256個量化等級中占用了224個量化等級。因此我們可以計算出等效位數224log2≈7.8位，即8位分辨率，該信號使用了7.8位。比之前不用模擬偏置時多用了3位。這可以使我們將信號的測量精度提高到10倍。 放大該信號，發現與圖5中的信號相比，該信號的分辨率大大提高(圖9)。 該測試方法下，量化噪聲在1.58mV左右。該測試范圍下ADC最小分辨電壓 400mV/256 ≈1.56mV。此時，跟直接在±2V范圍下測試相比，信號誤差降低差不多10倍。 圖 6通道設置對話框 圖 7 模擬偏置下的信號 圖8 ±200mV 量程下的偏置信號 圖 9 ±200mV放大的偏置信號 交流耦合 當示波器沒有直流偏置功能，或者直流偏置電壓不夠時，也可以通過輸入端的交流耦合來移除DC電壓。當然，只有具有一個穩定DC分量的信號才可以采用這種方法，例如測量直流供電電源的紋波電壓。但是直流電源的紋波信號并不是完全對稱的，因此沒有一個穩定的平均電壓，所以平均基線會上下波形，所以想要精確測量是不太可能的。 首先，這里有一個用交流耦合測試的成功案例：一個10V的直流信號上疊加正弦紋波(圖10)。放大該信號，表現出ADC分辨率不高的效應(圖11)。通過交流耦合移除DC偏置，從而可以讓我們可以選擇一個更加靈敏的測量量程�，F在我們幾乎用了示波器的全分辨率(圖12)。 如果用相同的方法，即交流耦合，測試LVDS信號，如果是穩定的數據流，那么結果是可以的接受的。但是，如果在長時間穩定電平上出現一個偶發數據，那么AC耦合電容將開始充電，產生一個無法預測的偏置電壓，隨著時間而消退(圖13)。方法波形，顯示一個單獨的脈沖，但是我們不能做任何DC測量，因為沒有固定的參考地。 圖10 10V rail with ripple 圖11 分辨率不夠時，采集到的紋波 圖12 交流耦合時采集到的紋波信號 圖 13 交流耦合下的LVDS偶發脈沖測試 結論 本文用一個低壓差分信號為例，講述了如何用Pico示波器的模擬偏置功能將儀器的靈敏度提高到原來的10倍，這意味著將垂直測量分辨率提高了10倍。同時，也介紹了交流耦合在測量穩定波形，例如電源供電電平上的紋波信號和串行數據流時 對垂直分辨率利用率的提高也是非常有用的。 |
