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1 模擬偏置 模擬偏置，也稱(chēng)為DC偏置，是一個(gè)非常有用的功能，大多數(shù)示波器都具有該功能。如果運(yùn)用得當(dāng)，可以避免小信號(hào)測(cè)試時(shí)垂直分辨率的丟失的問(wèn)題。 模擬偏置給輸入的信號(hào)加上一個(gè)直流偏置電壓，如果輸入信號(hào)超出了示波器ADC的測(cè)量范圍，加上偏置電壓之后，能將信號(hào)調(diào)節(jié)到示波器的范圍內(nèi)。 圖1 超出范圍的信號(hào) 圖 2 通過(guò)模擬偏置將信號(hào)調(diào)節(jié)至示波器的測(cè)量范圍內(nèi) 2典型應(yīng)用：LVDS 2.1 LVDS信號(hào)特征 LVDS(低壓差分信號(hào))，如圖3所示，兩組相位相反的差分信號(hào)，信號(hào)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(cè)試用的是PicoScope 6404B示波器， 4通道，500MHz，8位分辨率。信號(hào)是仿真的LVDS信號(hào) 圖 3 LVDS信號(hào) 2.2 無(wú)模擬偏置時(shí)觀察信號(hào) 圖3 中顯示一個(gè)仿真的LVDS信號(hào)，我們選擇±2V的測(cè)量范圍，這個(gè)是能測(cè)試到該信號(hào)的最靈敏的測(cè)試范圍。雖然示波器有一個(gè)8位的分辨率，即劃分為256個(gè)可分辨的電壓等級(jí)，但是很明顯該信號(hào)占了很小的一部分：350mV/4V，僅僅占了22個(gè)可分辨電壓等級(jí)。這個(gè)量化級(jí)數(shù)僅僅相當(dāng)于22log2≈4.5 位，即ADC的8位分辨率，該信號(hào)只使用了4.5位。 放大該信號(hào)，表現(xiàn)出低分辨率的特征： 該條件下，我們測(cè)量的量化噪聲是16mV. 正如預(yù)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(hào) 圖 5 放大的LVDS信號(hào) 2.3 用模擬偏置測(cè)量信號(hào) 在PicoScope 軟件中，每個(gè)通道有一個(gè)下拉菜單，顯示了該通道的所有設(shè)置。我們能夠設(shè)置DC 偏置電壓為-1.2V，相當(dāng)于移除該信號(hào)的共模電壓。 應(yīng)用-1.2V 模擬偏置下 2V測(cè)量范圍下的測(cè)試波形(圖7)。 既然信號(hào)的對(duì)地電壓在175mV左右，我們可以將示波器的量程設(shè)置為±200mV的量程，該量程靈敏度更高(圖8)。此時(shí)信號(hào)在400mV的測(cè)量范圍內(nèi)占據(jù)350mV, 等效于在256個(gè)量化等級(jí)中占用了224個(gè)量化等級(jí)。因此我們可以計(jì)算出等效位數(shù)224log2≈7.8位，即8位分辨率，該信號(hào)使用了7.8位。比之前不用模擬偏置時(shí)多用了3位。這可以使我們將信號(hào)的測(cè)量精度提高到10倍。 放大該信號(hào)，發(fā)現(xiàn)與圖5中的信號(hào)相比，該信號(hào)的分辨率大大提高(圖9)。 該測(cè)試方法下，量化噪聲在1.58mV左右。該測(cè)試范圍下ADC最小分辨電壓 400mV/256 ≈1.56mV。此時(shí)，跟直接在±2V范圍下測(cè)試相比，信號(hào)誤差降低差不多10倍。 圖 6通道設(shè)置對(duì)話框 圖 7 模擬偏置下的信號(hào) 圖8 ±200mV 量程下的偏置信號(hào) 圖 9 ±200mV放大的偏置信號(hào) 交流耦合 當(dāng)示波器沒(méi)有直流偏置功能，或者直流偏置電壓不夠時(shí)，也可以通過(guò)輸入端的交流耦合來(lái)移除DC電壓。當(dāng)然，只有具有一個(gè)穩(wěn)定DC分量的信號(hào)才可以采用這種方法，例如測(cè)量直流供電電源的紋波電壓。但是直流電源的紋波信號(hào)并不是完全對(duì)稱(chēng)的，因此沒(méi)有一個(gè)穩(wěn)定的平均電壓，所以平均基線會(huì)上下波形，所以想要精確測(cè)量是不太可能的。 首先，這里有一個(gè)用交流耦合測(cè)試的成功案例：一個(gè)10V的直流信號(hào)上疊加正弦紋波(圖10)。放大該信號(hào)，表現(xiàn)出ADC分辨率不高的效應(yīng)(圖11)。通過(guò)交流耦合移除DC偏置，從而可以讓我們可以選擇一個(gè)更加靈敏的測(cè)量量程�，F(xiàn)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(cè)試LVDS信號(hào)，如果是穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流，那么結(jié)果是可以的接受的。但是，如果在長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定電平上出現(xiàn)一個(gè)偶發(fā)數(shù)據(jù)，那么AC耦合電容將開(kāi)始充電，產(chǎn)生一個(gè)無(wú)法預(yù)測(cè)的偏置電壓，隨著時(shí)間而消退(圖13)。方法波形，顯示一個(gè)單獨(dú)的脈沖，但是我們不能做任何DC測(cè)量，因?yàn)闆](méi)有固定的參考地。 圖10 10V rail with ripple 圖11 分辨率不夠時(shí)，采集到的紋波 圖12 交流耦合時(shí)采集到的紋波信號(hào) 圖 13 交流耦合下的LVDS偶發(fā)脈沖測(cè)試 結(jié)論 本文用一個(gè)低壓差分信號(hào)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(lái)的10倍，這意味著將垂直測(cè)量分辨率提高了10倍。同時(shí)，也介紹了交流耦合在測(cè)量穩(wěn)定波形，例如電源供電電平上的紋波信號(hào)和串行數(shù)據(jù)流時(shí) 對(duì)垂直分辨率利用率的提高也是非常有用的。 |
