改善數(shù)字熒光示波器垂直分辨率的N個(gè)方法（中）

處理大的DC偏置
注：在涉及大的電壓時(shí)，驗(yàn)證最大電壓完全位于測(cè)試系統(tǒng)“絕對(duì)”或“非破壞”最大輸入技術(shù)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)對(duì)人身安全和設(shè)備可靠性至關(guān)重要。此外，為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，非常重要的一點(diǎn)是信號(hào)要一直位于標(biāo)稱工作范圍內(nèi)(如位于有源探頭的線性范圍或動(dòng)態(tài)范圍內(nèi))。

接地附近的低電平測(cè)量極具挑戰(zhàn)性，而測(cè)量位于大DC偏置上的低壓AC信號(hào)則要困難得多。在涉及大的電壓時(shí)，非常重要的一點(diǎn)是驗(yàn)證最大電壓完全位于測(cè)試系統(tǒng)的最大輸入技術(shù)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。

最簡(jiǎn)單的技術(shù)是使用參考地電平的探頭采集整個(gè)信號(hào)，然后試圖測(cè)量AC成分。這種技術(shù)不允許AC信號(hào)測(cè)量全面利用測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，信噪比會(huì)很差。但是，有些信號(hào)處理技術(shù)可以在一定程度上改善測(cè)量分辨率，本文后面將討論這些技術(shù)。

另一種技術(shù)是在示波器輸入上采用AC耦合(或“DC阻塞”)。通過插入一個(gè)與輸入信號(hào)串聯(lián)的電容器，AC耦合特別適合從輸入信號(hào)中去掉DC成分，只要信號(hào)沒有失真，如把有源探頭驅(qū)動(dòng)到最大量程之上。此外，盡管電容器會(huì)阻塞DC信號(hào)，它仍只會(huì)在一定程度上衰減低頻信號(hào)。最后，AC耦合可能并不能在所有示波器輸入端接設(shè)置下提供，參見圖2。

一種更好的技術(shù)是在放大器上手動(dòng)增加固定DC偏置電壓，補(bǔ)償輸入信號(hào)上的DC偏置。偏置可以應(yīng)用到有源探頭的放大器中，參見圖3。

圖1.在示波器輸入放大器上增加DC偏置。
[圖示內(nèi)容：]
Oscilloscope:示波器

圖2.差分探頭只對(duì)示波器輸入放大器應(yīng)用AC信號(hào)。
[圖示內(nèi)容：]
Differential Probe:差分探頭
Oscilloscope:示波器

圖3. TDP1000差分探頭中的自動(dòng)DC偏置補(bǔ)償。
[圖示內(nèi)容：]
TDP1000 Probe: TDP1000探頭
Oscilloscope:示波器

也可以在示波器的輸入放大器中應(yīng)用偏置。這也特別適合從輸入信號(hào)中去掉DC成分，只要信號(hào)沒有失真(圖1)。

上面所有實(shí)例都使用單端探頭或參考地電平的探頭。如果測(cè)量完全基于信號(hào)的AC成分，那么更好的選擇可能是使用差分有源探頭，其中包含一個(gè)差分放大器，只對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間的電壓差做出響應(yīng)。

與探頭指標(biāo)有關(guān)的所有指引仍然適用，包括最大電壓限制。此外，共模抑制比(CMRR)至關(guān)重要，因?yàn)樗碇筋^抑制或忽略信號(hào)DC成分的能力(或兩個(gè)輸入共同的任意信號(hào))，參見圖2。

某些先進(jìn)探頭，如泰克TDP1000差分探頭，通過使用DC抑制模式代替和改進(jìn)偏置技術(shù)，來發(fā)揮差分探頭的優(yōu)勢(shì)。DC抑制測(cè)量輸入信號(hào)，生成內(nèi)部偏置，抵消信號(hào)的DC成分，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)偏置過程。由于輸入信號(hào)一直直接耦合到放大器，DC抑制模式不會(huì)提高DC成分的共模動(dòng)態(tài)范圍和差分模式動(dòng)態(tài)范圍。

圖4.限制輸入動(dòng)態(tài)范圍的簡(jiǎn)化的削波電路。
[圖示內(nèi)容：]
Clipper Circuit：削波電路
Oscilloscope：示波器

限制輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍
在回到正常示波器操作這一主題前，非常重要的一點(diǎn)是考慮另一個(gè)備選方案，在大信號(hào)上很好地測(cè)量小信號(hào)。有源探頭和示波器前端的放大器是為在其線性范圍內(nèi)操作而設(shè)計(jì)的。如果超出了線性范圍，那么輸入信號(hào)可能會(huì)失真。(產(chǎn)品技術(shù)資料一般會(huì)指明有源探頭的線性動(dòng)態(tài)范圍。示波器的線性范圍在選定垂直標(biāo)度設(shè)置下接近全屏。)在信號(hào)超過線性范圍時(shí)，放大器會(huì)過載，可能需要大量的時(shí)間才能恢復(fù)。

關(guān)鍵是使用教科書和行業(yè)資料中多種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)削波電路之一，從外部限制信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。例如，圖4顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管削波電路，它限制示波器輸入上的信號(hào)幅度，即使在信號(hào)的峰值幅度大大超出示波器的線性范圍時(shí)，仍能在地電平附近進(jìn)行高分辨率測(cè)量。

硬件帶寬限制
大多數(shù)示波器和某些先進(jìn)探頭擁有一條電路，限制測(cè)量系統(tǒng)帶寬。通過限制帶寬，可以降低波形上的噪聲，更干凈地顯示信號(hào)，更穩(wěn)定地測(cè)量信號(hào)。噪聲大體是帶寬的平方根。其負(fù)面影響是，帶寬限制在消除噪聲的同時(shí)，也會(huì)降低或消除高頻信號(hào)成分。

帶寬限制還可以在軟件中實(shí)現(xiàn)，其通常與硬件帶寬濾波技術(shù)相結(jié)合，防止假信號(hào)?；谲浖膸捪拗茷V波器可以提供更多的濾波器帶寬選擇，更好地控制頻率和相位響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更銳利的截止頻率特點(diǎn)。正如下面HiRes一節(jié)說明的那樣，軟件濾波還可以明顯提高垂直分辨率。

垂直分辨率
垂直分辨率一般被視為衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)把輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值精度的指標(biāo)。但更準(zhǔn)確地說，它表明的是轉(zhuǎn)換過程的粒度，用位數(shù)來度量。例如，絕大多數(shù)示波器基于8位ADC，把輸入信號(hào)樣點(diǎn)表示為28個(gè)或256個(gè)離散的量化或數(shù)字化電平中的一個(gè)電平。

精度反映了測(cè)量信號(hào)幅度的可重復(fù)性或一致性。在理想情況下，N位ADC的分辨率限制著測(cè)量系統(tǒng)區(qū)分和表示小信號(hào)的能力。這種能力可以用信噪比(SNR)表示：

SNR = 6.08 * N + 1.8

其中：
SNR是信噪比，單位為dB
N是數(shù)字化器的位數(shù)

圖5.采樣采集模式在每個(gè)采集間隔中保留一個(gè)樣點(diǎn)。
[圖示內(nèi)容：]
Interval:間隔
Displayed record points (at maximum horizontal magnification):顯示的記錄點(diǎn)(在最大水平放大倍數(shù)時(shí))
Hi Res:高分辨率
Screen Image:屏幕圖像

垂直精度
在重新討論垂直分辨率前，有必要對(duì)比一下垂直分辨率和垂直精度。垂直精度反映了幅度測(cè)量與信號(hào)實(shí)際幅度的接近程度。

許多數(shù)字示波器是使用高分辨率ADC構(gòu)建的。盡管有人暗示其要比8位產(chǎn)品精確，但事實(shí)不一定如此。此外，在結(jié)合使用可選的探測(cè)和信號(hào)處理技術(shù)后，不應(yīng)自動(dòng)認(rèn)為測(cè)量統(tǒng)的性能會(huì)優(yōu)于8位分辨率的系統(tǒng)。

另一個(gè)常用的示波器指標(biāo)是DC精度，也是儀器可以測(cè)量DC值的精度。有人可能會(huì)暗示，儀器的DC精度越好，測(cè)量AC信號(hào)的精度越高，但事實(shí)不一定如此。示波器和探頭的許多其它特點(diǎn)會(huì)影響整體精度。

最后一個(gè)指標(biāo)是有效位數(shù)(ENOB)，這個(gè)指標(biāo)要復(fù)雜得多，它反映了儀器在各種頻率下準(zhǔn)確表示信號(hào)的能力。ENOB是IEEE數(shù)字化波形記錄器標(biāo)準(zhǔn)(IEEE std. 1057)規(guī)定的。與增益帶寬或博德圖一樣，ENOB會(huì)隨著頻率變化，一般會(huì)隨著頻率下降。這種數(shù)字化器性能下降可以描述為信號(hào)上的隨機(jī)或偽隨機(jī)噪聲電平提高。這些誤差來源包括DC偏置、增益誤差、模擬非線性度、轉(zhuǎn)換器非單調(diào)性和代碼丟失、觸發(fā)抖動(dòng)、孔徑不確定度(采樣時(shí)間抖動(dòng))和隨機(jī)噪聲。有效位數(shù)這個(gè)主題非常復(fù)雜，超出了本文的討論范疇。如需進(jìn)一步信息，請(qǐng)參閱泰克有效位應(yīng)用指南(4HW-19448-XX)，網(wǎng)址：www.tektronix.com。