電子測試測量儀器之八充分利用示波器分辨率的秘訣
直流偏置也叫模擬偏置它是PicoScope示波器中一項重要的功能如果用的好它能讓你的示波器發(fā)揮最優(yōu)測試性能在測量小信號時候獲得最佳的垂直分辨率物盡其用
直流偏置的工作原理是在輸入信號上疊加以一個直流電壓如果信號原本超過了示波器的模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC量程這個偏置可以把信號調(diào)整回來適應ADC的輸入范圍
超出量程的信號和經(jīng)過直流偏置調(diào)整回來
典型應用LVDS信號
LVDS Low-Voltage Differential Signaling 用一對差分線纜來傳輸兩種相位相反的信號標稱的電壓如下
幅度 350mV 峰峰值
共模偏置 1.2V
高電平1.2V + 0.5 x 350mV = 1.375V
低電平 1.2V – 0.5 x 350mV = 1.025V
LVDS的正負極性信號V 和 V-
注本測試中使用的示波器型號是Pico便攜示波器6404D4通道500MHz示波器 8bit分辨率使用被測信號是自行模擬產(chǎn)生的LVDS信號
不使用直流偏置會怎么樣
接下來的一張圖顯示了一個仿真的LVDS信號 差分信號的一半我們選擇了±2V的量程這是能完整采集整個信號的最小量程了（最大可能的靈敏度）縱然示波器有8bit的分辨率相當于256個電壓差級信號只占到整個量程的很小一部分準確地說是4V中的350mV, 或者22個電壓差級 這說明我們只用了 log22/log2 ≈ 4.5bit 的ADC分辨率還有3.5bit完全浪費了
仿真的LVDS信號
這時候把信號放大就能很明顯地看到低分辨率的惡果我們用游標量了一下噪聲測量出來是16mV接近一個ADC的電壓差級4V / 256 = 15.6mV
使用直流偏置的結(jié)果
在Pic便攜示波器 軟件里面每個通道都有一個下拉菜單我們設置相應通道的DC偏置為-1.2V以抵消輸入信號的共模直流電平（設置如圖5）
pico便攜示波器通道設置對話框
圖7則是經(jīng)過直流偏置調(diào)整以后的信號現(xiàn)在它的幅度范圍是175mV對地我們因此可以把示波器量程設置得更小更加靈敏到±200mV的時候信號還不會飽和（圖6）
加入直流偏置后的信號
現(xiàn)在示波器使用的是400mV的量程捕獲350mV的電壓相當于256個量化等級中用了224級因此我們相當于用了log 224/ log2 = 7.8bit的分辨率相比于之前的設置多用了3bit的分辨率精度提高了接近10倍
用更小的量程±200mV測量偏置的后的信號
現(xiàn)在再放大波形可以看到明顯的分辨率提升（圖8）用游標測量噪聲發(fā)現(xiàn)是1.58mV仍然是差不多1個量化差級（400mV / 256 ≈ 1.56mV）但是這一次噪聲相對于被測電壓就小的多了只有十分之一
局部放大信號觀察噪聲
使用交流耦合又如何
有些示波器沒有直流偏置功能或者偏置的電壓范圍太小有時候可以使用AC耦合的方式來消除直流偏置這種方式只能在信號的直流分量非常穩(wěn)定的時候起作用如果直流供電的信號有紋波例如本案例中的LVDS信號效果就不會很好了因為這個信號和電源不同它沒有直流穩(wěn)壓因此不具備一個穩(wěn)定的平均電壓直流分量會隨著數(shù)據(jù)碼型上下漂動導致測量結(jié)果很不準確
這里首先展示一個使用AC交流耦合的成功案例1個10V電壓上面的正弦紋波同樣是直接采集有效信號所占量程比例很小
10V 電壓紋波
放大看開紋波的波形分辨率很差
如果我們用AC耦合的方式去除直流然后選擇一個更加靈敏的量程我們就充分利用了示波器的最大分辨率（圖11）
AC耦合模式下的紋波
但是如果同樣方法套用在LVDS波形上在數(shù)據(jù)流平穩(wěn)的時候結(jié)果尚能接受如果突發(fā)性的數(shù)據(jù)包隨機出現(xiàn)或者經(jīng)過一段較長的時間沒有任何數(shù)據(jù)這時候示波器輸入端的隔直電容開始充電導致出現(xiàn)一個大小不定的直流漂移它會緩慢變化過很久才完全消失
使用AC耦合方式測量的LVDS信號
我們可以放大看波形里面的每個單獨脈沖但是沒有辦法測量電壓參數(shù)因為沒有一個固定的參考地電平可用
總結(jié)
本次的應用案例中針對一種典型的低電平信號LVDS使用Pico便攜示波器的直流偏置功能能夠很十倍地提高測量的靈敏度也就是10倍地提高了垂直測量的分辨率而對比之下AC耦合方式在穩(wěn)定的波形中尚且可用如電源紋波測試而在串行信號碼流信號的測試中就捉襟見肘了
