如何用模擬偏置實(shí)現(xiàn)Pico示波器分辨率最大化

　　1 模擬偏置

　　模擬偏置，也稱為DC偏置，是一個(gè)非常有用的功能，大多數(shù)示波器都具有該功能。如果運(yùn)用得當(dāng)，可以避免小信號(hào)測(cè)試時(shí)垂直分辨率的丟失的問題。

　　模擬偏置給輸入的信號(hào)加上一個(gè)直流偏置電壓，如果輸入信號(hào)超出了示波器ADC的測(cè)量范圍，加上偏置電壓之后，能將信號(hào)調(diào)節(jié)到示波器的范圍內(nèi)。

　　圖1 超出范圍的信號(hào)

　　圖 2 通過模擬偏置將信號(hào)調(diào)節(jié)至示波器的測(cè)量范圍內(nèi)

　　2典型應(yīng)用：LVDS

　　2.1 LVDS信號(hào)特征

　　LVDS(低壓差分信號(hào))，如圖3所示，兩組相位相反的差分信號(hào)，信號(hào)特征如下：

　　峰峰值：350mV

　　共模電壓偏置：1.2V

　　高壓：1.2V+0.5*350mV=1.375V

　　低壓：1.2V+0.5*350mV=1.025V

　　該測(cè)試用的是PicoScope 6404B示波器， 4通道，500MHz，8位分辨率。信號(hào)是仿真的LVDS信號(hào)

　　圖 3 LVDS信號(hào)

　　2.2 無模擬偏置時(shí)觀察信號(hào)

　　圖3 中顯示一個(gè)仿真的LVDS信號(hào)，我們選擇±2V的測(cè)量范圍，這個(gè)是能測(cè)試到該信號(hào)的最靈敏的測(cè)試范圍。雖然示波器有一個(gè)8位的分辨率，即劃分為256個(gè)可分辨的電壓等級(jí)，但是很明顯該信號(hào)占了很小的一部分：350mV/4V，僅僅占了22個(gè)可分辨電壓等級(jí)。這個(gè)量化級(jí)數(shù)僅僅相當(dāng)于22log2≈4.5 位，即ADC的8位分辨率，該信號(hào)只使用了4.5位。

　　放大該信號(hào)，表現(xiàn)出低分辨率的特征：

　　該條件下，我們測(cè)量的量化噪聲是16mV. 正如預(yù)期的那樣，該值接近于ADC的理論量化電平：4V/256≈15.6mV。

　　圖 4 示波器±2V量程下采集的LVDS信號(hào)

　　圖 5 放大的LVDS信號(hào)

　　2.3 用模擬偏置測(cè)量信號(hào)

　　在PicoScope 軟件中，每個(gè)通道有一個(gè)下拉菜單，顯示了該通道的所有設(shè)置。我們能夠設(shè)置DC 偏置電壓為-1.2V，相當(dāng)于移除該信號(hào)的共模電壓。

　　應(yīng)用-1.2V 模擬偏置下 2V測(cè)量范圍下的測(cè)試波形(圖7)。

　　既然信號(hào)的對(duì)地電壓在175mV左右，我們可以將示波器的量程設(shè)置為±200mV的量程，該量程靈敏度更高(圖8)。此時(shí)信號(hào)在400mV的測(cè)量范圍內(nèi)占據(jù)350mV, 等效于在256個(gè)量化等級(jí)中占用了224個(gè)量化等級(jí)。因此我們可以計(jì)算出等效位數(shù)224log2≈7.8位，即8位分辨率，該信號(hào)使用了7.8位。比之前不用模擬偏置時(shí)多用了3位。這可以使我們將信號(hào)的測(cè)量精度提高到10倍。

　　放大該信號(hào)，發(fā)現(xiàn)與圖5中的信號(hào)相比，該信號(hào)的分辨率大大提高(圖9)。

　　該測(cè)試方法下，量化噪聲在1.58mV左右。該測(cè)試范圍下ADC最小分辨電壓 400mV/256 ≈1.56mV。此時(shí)，跟直接在±2V范圍下測(cè)試相比，信號(hào)誤差降低差不多10倍。

　　圖 6通道設(shè)置對(duì)話框