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2019年10月28日 | 如何用模拟偏置实现Pico示波器分辨率最大化

2019-10-28 来源：eefocus

　　1 模拟偏置

　　模拟偏置，也称为DC偏置，是一个非常有用的功能，大多数示波器都具有该功能。如果运用得当，可以避免小信号测试时垂直分辨率的丢失的问题。

　　模拟偏置给输入的信号加上一个直流偏置电压，如果输入信号超出了示波器ADC的测量范围，加上偏置电压之后，能将信号调节到示波器的范围内。

　　图1 超出范围的信号

　　图 2 通过模拟偏置将信号调节至示波器的测量范围内

　　2典型应用：LVDS

　　2.1 LVDS信号特征

　　LVDS(低压差分信号)，如图3所示，两组相位相反的差分信号，信号特征如下：

　　峰峰值：350mV

　　共模电压偏置：1.2V

　　高压：1.2V+0.5*350mV=1.375V

　　低压：1.2V+0.5*350mV=1.025V

　　该测试用的是PicoScope 6404B示波器， 4通道，500MHz，8位分辨率。信号是仿真的LVDS信号

　　图 3 LVDS信号

　　2.2 无模拟偏置时观察信号

　　图3 中显示一个仿真的LVDS信号，我们选择±2V的测量范围，这个是能测试到该信号的最灵敏的测试范围。虽然示波器有一个8位的分辨率，即划分为256个可分辨的电压等级，但是很明显该信号占了很小的一部分：350mV/4V，仅仅占了22个可分辨电压等级。这个量化级数仅仅相当于22log2≈4.5 位，即ADC的8位分辨率，该信号只使用了4.5位。

　　放大该信号，表现出低分辨率的特征：

　　该条件下，我们测量的量化噪声是16mV. 正如预期的那样，该值接近于ADC的理论量化电平：4V/256≈15.6mV。

　　图 4 示波器±2V量程下采集的LVDS信号

　　图 5 放大的LVDS信号

　　2.3 用模拟偏置测量信号

　　在PicoScope 软件中，每个通道有一个下拉菜单，显示了该通道的所有设置。我们能够设置DC 偏置电压为-1.2V，相当于移除该信号的共模电压。

　　应用-1.2V 模拟偏置下 2V测量范围下的测试波形(图7)。

　　既然信号的对地电压在175mV左右，我们可以将示波器的量程设置为±200mV的量程，该量程灵敏度更高(图8)。此时信号在400mV的测量范围内占据350mV, 等效于在256个量化等级中占用了224个量化等级。因此我们可以计算出等效位数224log2≈7.8位，即8位分辨率，该信号使用了7.8位。比之前不用模拟偏置时多用了3位。这可以使我们将信号的测量精度提高到10倍。

　　放大该信号，发现与图5中的信号相比，该信号的分辨率大大提高(图9)。

　　该测试方法下，量化噪声在1.58mV左右。该测试范围下ADC最小分辨电压 400mV/256 ≈1.56mV。此时，跟直接在±2V范围下测试相比，信号误差降低差不多10倍。

　　图 6通道设置对话框

图 7 模拟偏置下的信号

　　图8 ±200mV 量程下的偏置信号

　　图 9 ±200mV放大的偏置信号

　　交流耦合

　　当示波器没有直流偏置功能，或者直流偏置电压不够时，也可以通过输入端的交流耦合来移除DC电压。当然，只有具有一个稳定DC分量的信号才可以采用这种方法，例如测量直流供电电源的纹波电压。但是直流电源的纹波信号并不是完全对称的，因此没有一个稳定的平均电压，所以平均基线会上下波形，所以想要精确测量是不太可能的。

　　首先，这里有一个用交流耦合测试的成功案例：一个10V的直流信号上叠加正弦纹波(图10)。放大该信号，表现出ADC分辨率不高的效应(图11)。通过交流耦合移除DC偏置，从而可以让我们可以选择一个更加灵敏的测量量程。现在我们几乎用了示波器的全分辨率(图12)。

　　如果用相同的方法，即交流耦合，测试LVDS信号，如果是稳定的数据流，那么结果是可以的接受的。但是，如果在长时间稳定电平上出现一个偶发数据，那么AC耦合电容将开始充电，产生一个无法预测的偏置电压，随着时间而消退(图13)。方法波形，显示一个单独的脉冲，但是我们不能做任何DC测量，因为没有固定的参考地。

　　图10 10V rail with ripple

　　图11 分辨率不够时，采集到的纹波

　　图12 交流耦合时采集到的纹波信号

　　图 13 交流耦合下的LVDS偶发脉冲测试

　　结论

　　本文用一个低压差分信号为例，讲述了如何用Pico示波器的模拟偏置功能将仪器的灵敏度提高到原来的10倍，这意味着将垂直测量分辨率提高了10倍。同时，也介绍了交流耦合在测量稳定波形，例如电源供电电平上的纹波信号和串行数据流时对垂直分辨率利用率的提高也是非常有用的。

模拟偏置示波器分辨率最大化

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