原创 改善数字荧光示波器垂直分辨率的N个方法（中）

处理大的DC偏置

注：在涉及大的电压时，验证最大电压完全位于测试系统“绝对”或“非破坏”最大输入技术数据范围内对人身安全和设备可靠性至关重要。此外，为实现准确测量，非常重要的一点是信号要一直位于标称工作范围内(如位于有源探头的线性范围或动态范围内)。

        接地附近的低电平测量极具挑战性，而测量位于大DC偏置上的低压AC信号则要困难得多。在涉及大的电压时，非常重要的一点是验证最大电压完全位于测试系统的最大输入技术数据范围内。

        最简单的技术是使用参考地电平的探头采集整个信号，然后试图测量AC成分。这种技术不允许AC信号测量全面利用测量系统的动态范围，信噪比会很差。但是，有些信号处理技术可以在一定程度上改善测量分辨率，本文后面将讨论这些技术。

        另一种技术是在示波器输入上采用AC耦合(或“DC阻塞”)。通过插入一个与输入信号串联的电容器，AC耦合特别适合从输入信号中去掉DC成分，只要信号没有失真，如把有源探头驱动到最大量程之上。此外，尽管电容器会阻塞DC信号，它仍只会在一定程度上衰减低频信号。最后，AC耦合可能并不能在所有示波器输入端接设置下提供，参见图2。

        一种更好的技术是在放大器上手动增加固定DC偏置电压，补偿输入信号上的DC偏置。偏置可以应用到有源探头的放大器中，参见图3。

图1. 在示波器输入放大器上增加DC偏置。

[图示内容：]

Oscilloscope: 示波器

 图2. 差分探头只对示波器输入放大器应用AC信号。

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Differential Probe: 差分探头

Oscilloscope: 示波器

图3. TDP1000差分探头中的自动DC偏置补偿。

[图示内容：]

TDP1000 Probe: TDP1000探头

Oscilloscope: 示波器

         也可以在示波器的输入放大器中应用偏置。这也特别适合从输入信号中去掉DC成分，只要信号没有失真(图1)。

        上面所有实例都使用单端探头或参考地电平的探头。如果测量完全基于信号的AC成分，那么更好的选择可能是使用差分有源探头，其中包含一个差分放大器，只对两个信号之间的电压差做出响应。

        与探头指标有关的所有指引仍然适用，包括最大电压限制。此外，共模抑制比(CMRR)至关重要，因为它代表着探头抑制或忽略信号DC成分的能力(或两个输入共同的任意信号)，参见图2。

         某些先进探头，如泰克TDP1000差分探头，通过使用DC抑制模式代替和改进偏置技术，来发挥差分探头的优势。DC抑制测量输入信号，生成内部偏置，抵消信号的DC成分，自动实现偏置过程。由于输入信号一直直接耦合到放大器，DC抑制模式不会提高DC成分的共模动态范围和差分模式动态范围。

图4. 限制输入动态范围的简化的削波电路。

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Clipper Circuit：削波电路

Oscilloscope：示波器

限制输入信号的动态范围

         在回到正常示波器操作这一主题前，非常重要的一点是考虑另一个备选方案，在大信号上很好地测量小信号。有源探头和示波器前端的放大器是为在其线性范围内操作而设计的。如果超出了线性范围，那么输入信号可能会失真。(产品技术资料一般会指明有源探头的线性动态范围。示波器的线性范围在选定垂直标度设置下接近全屏。) 在信号超过线性范围时，放大器会过载，可能需要大量的时间才能恢复。

        关键是使用教科书和行业资料中多种标准信号削波电路之一，从外部限制信号的动态范围。例如，图4显示了一个简单的二极管削波电路，它限制示波器输入上的信号幅度，即使在信号的峰值幅度大大超出示波器的线性范围时，仍能在地电平附近进行高分辨率测量。

硬件带宽限制

        大多数示波器和某些先进探头拥有一条电路，限制测量系统带宽。通过限制带宽，可以降低波形上的噪声，更干净地显示信号，更稳定地测量信号。噪声大体是带宽的平方根。其负面影响是，带宽限制在消除噪声的同时，也会降低或消除高频信号成分。

        带宽限制还可以在软件中实现，其通常与硬件带宽滤波技术相结合，防止假信号。基于软件的带宽限制滤波器可以提供更多的滤波器带宽选择，更好地控制频率和相位响应，实现更锐利的截止频率特点。正如下面HiRes一节说明的那样，软件滤波还可以明显提高垂直分辨率。

垂直分辨率

         垂直分辨率一般被视为衡量模数转换器(ADC)把输入电压转换成数字值精度的指标。但更准确地说，它表明的是转换过程的粒度，用位数来度量。例如，绝大多数示波器基于8位ADC，把输入信号样点表示为28个或256个离散的量化或数字化电平中的一个电平。

        精度反映了测量信号幅度的可重复性或一致性。在理想情况下，N位ADC的分辨率限制着测量系统区分和表示小信号的能力。这种能力可以用信噪比(SNR)表示：

SNR = 6.08 * N + 1.8

其中：

SNR是信噪比，单位为dB

N是数字化器的位数

图5. 采样采集模式在每个采集间隔中保留一个样点。

[图示内容：]

Interval: 间隔

Displayed record points (at maximum horizontal magnification): 显示的记录点(在最大水平放大倍数时)

Hi Res: 高分辨率

Screen Image: 屏幕图像

垂直精度

         在重新讨论垂直分辨率前，有必要对比一下垂直分辨率和垂直精度。垂直精度反映了幅度测量与信号实际幅度的接近程度。

        许多数字示波器是使用高分辨率ADC构建的。尽管有人暗示其要比8位产品精确，但事实不一定如此。此外，在结合使用可选的探测和信号处理技术后，不应自动认为测量统的性能会优于8位分辨率的系统。

         另一个常用的示波器指标是DC精度，也是仪器可以测量DC值的精度。有人可能会暗示，仪器的DC精度越好，测量AC信号的精度越高，但事实不一定如此。示波器和探头的许多其它特点会影响整体精度。

         最后一个指标是有效位数(ENOB)，这个指标要复杂得多，它反映了仪器在各种频率下准确表示信号的能力。ENOB是IEEE数字化波形记录器标准(IEEE std. 1057)规定的。与增益带宽或博德图一样，ENOB会随着频率变化，一般会随着频率下降。这种数字化器性能下降可以描述为信号上的随机或伪随机噪声电平提高。这些误差来源包括DC偏置、增益误差、模拟非线性度、转换器非单调性和代码丢失、触发抖动、孔径不确定度(采样时间抖动)和随机噪声。有效位数这个主题非常复杂，超出了本文的讨论范畴。如需进一步信息，请参阅泰克有效位应用指南(4HW-19448-XX)，网址：www.tektronix.com

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