如何用模拟偏置实现Pico示波器分辨率最大化

zierchinawh · 发表于 2018-3-27 15:13:12

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如何用模拟偏置实现Pico示波器分辨率最大化

------上海子尔

一、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。

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图1 超出范围的信号

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图2 通过模拟偏置将信号调节至示波器的测量范围内

二、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。

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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。

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图4 示波器±2V量程下采集的LVDS信号

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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。

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图6通道设置对话框

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图7 模拟偏置下的信号

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图8 ±200mV 量程下的偏置信号

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图9 ±200mV放大的偏置信号

三、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。

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