原创 利用模拟补偿使示波器分辨率达到最大

模拟补偿

模拟补偿也称为直流偏置，在许多PicoScope示波器中它是一个非常有价值的特征。正确使用模拟补偿时，它可以给出垂直分辨率的值，否则在测量小信号时，垂直分辨率将会丢失。

模拟补偿将一个直流电压叠加到输入信号上。如果信号超过了示波器模拟-数字转换器（ADC）的范围，补偿可以被用来将信号带回ADC的范围内。

图1  超出范围的信号

图2  通过模拟补偿在范围内的信号

一个典型的应用：LVDS

LVDS（低压差分信号）是使用由两个反相信号组成的平衡线。每个信号的标称电压如下：

Ÿ   振幅：峰峰值为350mV

Ÿ   共模偏置：1.2V

Ÿ   最高电压：1.2V+0.5*350mV=1.375V

Ÿ   最低电压：1.2V-0.5*350mV=1.025V

这个试验中使用的示波器是PicoScope6404B，4个通道，500MHz带宽，8位分辨率的仪器。我们使用的是一个模拟的LVDS(低压差分信号)。

图3  LVDS信号 V+电压和V-电压

没有模拟补偿时观察信号

上图中的波形是一个模拟的LVDS信号（差分信号的一半）。我们选择了2V的范围值，这是最敏感的范围，它可以使信号恰当的显示在屏幕上。虽然示波器只有8位的分辨率，相当于256个不同的电压水平，但是信号仅占该范围的一小部分：350mV相对于4V，或者说仅仅相当于22个电压水平。这个水平的数字意味着我们只使用了ADC 8位分辨率的log22/log2≈4.5位。

放大该信号显示了低分辨率产生的影响：

根据规则，我们测量一个16mV的量化噪声。正如所料，结果接近一个ADC级别：4V/256≈15.6mV.

图4  模拟的LVDS信号

图5  放大后的低分辨率信号视图

使用模拟偏置

在PicoScope软件中，每个通道的下拉菜单中可以显示所有的设置。我们将直流偏置设置为-1.2V来取消输入信号**模电压的影响（如图6所示）。

图7是输入-1.2V模拟偏置电压后的结果。

图6  通道设置界面    

图7  模拟偏置信号

现在信号相对于地面幅值为175mV，我们可以将范围设置为一个更加恰当的范围，±200mV，未饱和的电压如图8所示。

现在信号占据着整个范围400mV的350mV，相当于总共256个电压水平的244个电压水平。因此我们使用ADC 8位分辨率的log244/log2≈7.8位分辨率：比之前的3位要高很多。这使我们能够测量约10倍精度的波形。

将波形进行放大，相对于图5来说，波形的分辨率有一个巨大的改善（图9）。

通过标尺可以看出大多数的量化噪声幅值均在1.58mV上。正如预想的那样，这是一个ADC级别：400mV/256≈1.56mV，但是这次的误差被减小为±2V范围时获得的误差的十分之一。

图8  ±200mV范围下的偏置信号

图9  偏置信号的放大视图

使用AC耦合

在没有模拟示波器的抵消功能，或者当模拟补偿范围不足时，可以使用AC耦合功能移除输入中的直流偏置。当信号有一个稳定的直流份量时，这种技术类似于直流电源上的纹波。但是它并不适合于LVDS，因为信号不是直流平衡信号，因此没有恒定的平均电压。根据数据形式对上下漂移的数据平均值进行精确的测量是不可能的。

首先，这是一个使用AC耦合成功的例子：一个10V的正弦纹波电路(图10)。

放大波形会发现仅有一小部分的ADC输入产生的影响（图11）。

我们可以通过AC耦合消除直流偏置，这样可以使我们能够选择一个更敏感的输入范围。现在我们可以使用范围的全部分辨率（图12）。

如果我们现在尝试对LVDS波形使用相同的技能，如果我们有一个稳定的数据流，那么结果是可以接受的。但是，如果经过一段长时间的不活动，数据流发生破裂，那么交流耦合电容器将随时间的衰减产生一个不可预知的偏移电压（图13）。

我们可以通过放大这个波形使之显示单个脉冲，但是由于没有固定的地面参考，我们无法做任何的直流测量。

图10  10V纹波电路

图11  放大纹波显示出低分辨率

图12  AC耦合的纹波

图13  AC耦合的LVDS破裂波形图

总结

在这个例子中，一个典型的低电平信号、一个LVDS线、一个具有模拟补偿功能的PicoScope示波器，可以使仪器测量的灵敏度增加十倍。这便可使示波器在垂直分辨率上改进10倍。对类似电源电路纹波的稳定波形使用AC耦合会对串行数据流产生限制。