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充分利用示波器分辨率的秘訣——直流偏置

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2020-03-16 09:00:00

充分利用示波器分辨率的秘訣——直流偏置


引言

直流偏置也叫模擬偏置,它是PicoScope示波器中一項重要的功能。如果用的好,它能讓你的示波器發揮最優測試性能,在測量小信號時候獲得最佳的垂直分辨率,物盡其用。

直流偏置的工作原理是在輸入信號上疊加以一個直流電壓,如果信號原本超過了示波器的模數轉換(ADC)量程,這個偏置可以把信號調整回來適應ADC的輸入範圍。

圖1:超出量程的信號和經過直流偏置調整回來的信號

典型應用:LVDS信號

LVDS (Low-Voltage Differential Signaling) 用一對差分線纜來傳輸兩種相位相反的信號,標稱的電壓如下:

幅度: 350mV 峰峰值

共模偏置: 1.2V

高電平:1.2V + 0.5 x 350mV = 1.375V

低電平: 1.2V – 0.5 x 350mV = 1.025V

圖2:LVDS的正負極性信號V+ 和 V-

注:本測試中使用的示波器型號是PicoScope 6404B,4通道500MHz示波器, 8bit分辨率,使用被測信號是自行模擬產生的LVDS信號。

不使用直流偏置會怎麼樣?

接下來的一張圖顯示了一個仿真的LVDS信號 (差分信號的一半),我們選擇了±2V的量程,這是能完整采集整個信號的最小量程了(最大可能的靈敏度)。縱然示波器有8bit的分辨率,相當於256個電壓差級,信號隻占到整個量程的很小一部分,準確地說是4V中的350mV, 或者22個電壓差級。 這說明我們隻用了 log22/log2 ≈ 4.5bit 的ADC分辨率,還有3.5bit完全浪費了。

圖3:仿真的LVDS信號

這時候把信號放大,就能很明顯地看到低分辨率的惡果,我們用遊標量了一下,噪聲測量出來是16mV,接近一個ADC的電壓差級(4V / 256 = 15.6mV)

圖4:低分辨率的信號經過放大

使用直流偏置的結果

在PicScope 軟件裏面,每個通道都有一個下拉菜單,我們設置相應通道的DC偏置為-1.2V,以抵消輸入信號的共模直流電平(設置如圖5)

圖5:通道設置對話框

圖7則是經過直流偏置調整以後的信號,現在它的幅度範圍是175mV對地,我們因此可以把示波器量程設置得更小,更加靈敏。到±200mV的時候信號還不會飽和(圖6)。

圖6:加入直流偏置後的信號

現在示波器使用的是400mV的量程捕獲350mV的電壓,相當於256個量化等級中用了224級。因此我們相當於用了log 224/ log2 = 7.8bit的分辨率,相比於之前的設置多用了3bit的分辨率,精度提高了接近10倍。

圖7:用更小的量程±200mV測量偏置的後的信號

現在再放大波形,可以看到明顯的分辨率提升(圖8)。用遊標測量噪聲發現是1.58mV,仍然是差不多1個量化差級(400mV / 256 ≈ 1.56mV),但是這一次噪聲相對於被測電壓就小的多了,隻有十分之一。

圖8:局部放大信號觀察噪聲

使用交流耦合又如何?

有些示波器沒有直流偏置功能,或者偏置的電壓範圍太小,有時候可以使用AC耦合的方式來消除直流偏置。這種方式隻能在信號的直流分量非常穩定的時候起作用,如果直流供電的信號有紋波,例如本案例中的LVDS信號,效果就不會很好了。因為這個信號和電源不同,它沒有直流穩壓,因此不具備一個穩定的平均電壓,直流分量會隨著數據碼型上下漂動,導緻測量結果很不準確。

這裏首先展示一個使用AC交流耦合的成功案例:1個10V電壓上面的正弦紋波(圖9),同樣是直接采集有效信號所占量程比例很小(圖10)

圖9:10V 電壓紋波

圖10:放大看開紋波的波形,分辨率很差

如果我們用AC耦合的方式去除直流,然後選擇一個更加靈敏的量程,我們就充分利用了示波器的最大分辨率。(圖11)


圖11:AC耦合模式下的紋波

但是,如果同樣方法套用在LVDS波形上,在數據流平穩的時候結果尚能接受,如果突發性的數據包隨機出現或者經過一段較長的時間,沒有任何數據,這時候示波器輸入端的隔直電容開始充電,導緻出現一個大小不定的直流漂移,它會緩慢變化,過很久才完全消失。

圖12:使用AC耦合方式測量的LVDS信號

我們可以放大看波形裏面的每個單獨脈衝,但是沒有辦法測量電壓參數,因為沒有一個固定的參考地電平可用。

結論

本次的應用案例中,針對一種典型的低電平信號:LVDS,使用PicoScope示波器的直流偏置功能,能夠很十倍地提高測量的靈敏度,也就是10倍地提高了垂直測量的分辨率。而對比之下,AC耦合方式,在穩定的波形中尚且可用,如電源紋波測試,而在串行信號碼流信號的測試中就捉襟見肘了。

 

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