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使用模拟偏置来最大化示波器分辨率

发布日期:2017-03-17 10:19:23 【关闭】
摘要:模拟偏置(也称为直流偏置):在交流信号中存在直流信号成分的现象也是直流偏置(DC offset)。许多PicoScope示波器上都有这个特性。当使用正确时,它可以返回垂直分辨率,否则在测量小信号时会丢失。

      模拟偏置(也称为直流偏置):在交流信号中存在直流信号成分的现象也是直流偏置(DC offset)。许多PicoScope示波器上都有这个特性。当使用正确时,它可以返回垂直分辨率,否则在测量小信号时会丢失。 

      模拟偏置为输入信号增加了一个直流电压。如果信号超出示波器的模数转换器(ADC)的范围,则可以使用偏置将信号恢复到范围内:

pico_01


典型应用:LVDS 

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

  • 振幅:350 mV峰 - 峰 
  • 共模偏移:1.2 V 
  • 高电压:1.2V + 0.5×350mV = 1.375V 
  • 低电压:1.2V-0.5×350mV = 1.025V 

使用的示波器是PicoScope 6404B,一个具有8位分辨率的4通道500 MHz仪器。我们使用模拟LVDS信号。

 pico_02


查看没有模拟偏置的信号 

      上面的波形显示了模拟LVDS信号(差分对的一半)。我们选择了±2 V量程,这是允许信号适合屏幕的最敏感范围。虽然示波器具有8位分辨率,相当于256个不同的电压电平,但信号仅占该范围的一小部分:总共4V中的350mV,或仅22个电压电平。这个电平数意味着我们只使用log 8 / log 2≈4.5位的ADC 8位分辨率。  

      放大此信号显示此低分辨率的效果: 

      使用标尺,我们测量的量化噪声为16 mV。如预期,这接近一个ADC电平:4 V / 256≈15.6 mV。 pico_03

 


使用模拟偏置

      在PicoScope软件中,每个通道的下拉菜单一目了然地显示所有设置。我们已将直流偏置设置为-1.2 V,以消除输入的共模电压(图6)。 

      这是应用-1.2 V模拟偏置的结果(图7)。 现在信号在175 mV的地之内,我们可以将范围设置为更加灵敏的范围,±200 mV,而不使输入电路饱和(图8)。 

      该信号现在占据总共400mV的350mV范围,这对应于256个电平中的256个电平。因此,我们使用大约log 224 / log 2≈7.8位的ADC的8位分辨率:超过3位多于之前。这使我们能够以大约10倍的精度测量波形。 

      放大此波形显示出与上述图5(图9)相比分辨率的巨大改进。 

      标尺显示,大多数量化噪声现在占据1.58 mV的范围。同样,如预期的,这是大约一个ADC电平:400 mV / 256≈1.56 mV,但这次误差减少到约±2 V范围的十分之一。 pico_04

 


使用交流耦合

      在没有模拟偏置功能的示波器上,或者当模拟偏置范围不足时,有时可以使用AC耦合从输入中消除DC偏置。当信号具有稳定的DC分量时,该技术工作,如在DC电源上的纹波的情况。然而,它对LVDS不能很好地工作,因为信号不是DC平衡的,因此不具有恒定的平均电压。平均值根据数据模式上下漂移,使得无法进行精确测量。 

      这里,首先,是使用AC耦合的成功示例:具有一些正弦波纹的10伏轨道(图10)。 

      放大显示了仅使用ADC输入范围的一小部分(图11)的效果。 我们可以通过选择AC耦合来消除DC偏置,这允许我们选择更灵敏的输入范围。现在我们可以使用几乎全范围的分辨率(图12)。 

      如果我们现在尝试与我们的LVDS波形相同的技巧,如果我们有一个稳定的数据流,结果是可以接受的。然而,如果在长时间不活动之后发生数据突发,则AC耦合电容器将开始充电,产生随时间衰减的不可预测的偏置电压(图13)。 

      我们可以放大这个波形以显示单个脉冲,但是我们将无法进行任何直流测量,因为没有固定的接地参考。

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结论 

      在典型低电平信号(LVDS线)的示例中,我们的PicoScope示波器的模拟偏置功能允许我们将仪器的灵敏度提高十倍。这导致垂直测量分辨率提高十倍。AC耦合对于稳定波形(例如电源轨上的纹波)很有用,但对串行数据流的使用有限。

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