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

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

圖1 超出范圍的信號

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

典型應(yīng)用：LVDS

1）LVDS信號特征

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

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

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

2）無模擬偏置時觀察信號

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

放大該信號，表現(xiàn)出低分辨率的特征：

該條件下，我們測量的量化噪聲是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

3）用模擬偏置測量信號

在PicoScope 軟件中，每個通道有一個下拉菜單，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)于移除該信號的共模電壓。

應(yīng)用-1.2V 模擬偏置下2V測量范圍下的測試波形（圖7）。

既然信號的對地電壓在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）。此時信號在400mV的測量范圍內(nèi)占據(jù)350mV，等效于在256個量化等級中占用了224個量化等級。因此我們可以計算出等效位數(shù)224log2≈7.8位，即8位分辨率，該信號使用了7.8位。比之前不用模擬偏置時多用了3位。這可以使我們將信號的測量精度提高到10倍。

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

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

圖6 通道設(shè)置對話框

圖7 模擬偏置下的信號

圖8 ±200mV 量程下的偏置信號

交流耦合

當(dāng)示波器沒有直流偏置功能，或者直流偏置電壓不夠時，也可以通過輸入端的交流耦合來移除DC電壓。當(dāng)然，只有具有一個穩(wěn)定DC分量的信號才可以采用這種方法，例如測量直流供電電源的紋波電壓。但是直流電源的紋波信號并不是完全對稱的，因此沒有一個穩(wěn)定的平均電壓，所以平均基線會上下波形，所以想要精確測量是不太可能的。

首先，這里有一個用交流耦合測試的成功案例：一個10V的直流信號上疊加正弦紋波（圖10）。放大該信號，表現(xiàn)出ADC分辨率不高的效應(yīng)（圖11）。通過交流耦合移除DC偏置，從而可以讓我們可以選擇一個更加靈敏的測量量程?，F(xiàn)在我們幾乎用了示波器的全分辨率（圖12）。

如果用相同的方法，即交流耦合，測試LVDS信號，如果是穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流，那么結(jié)果是可以的接受的。但是，如果在長時間穩(wěn)定電平上出現(xiàn)一個偶發(fā)數(shù)據(jù)，那么AC耦合電容將開始充電，產(chǎn)生一個無法預(yù)測的偏置電壓，隨著時間而消退（圖13）。方法波形，顯示一個單獨的脈沖，但是我們不能做任何DC測量，因為沒有固定的參考地。

圖10 10V railwithripple

圖11 分辨率不夠時，采集到的紋波

圖12 交流耦合時采集到的紋波信號

結(jié)論

本文用一個低壓差分信號為例，講述了如何用Pico示波器的模擬偏置功能將儀器的靈敏度提高到原來的10倍，這意味著將垂直測量分辨率提高了10倍。同時，也介紹了交流耦合在測量穩(wěn)定波形，例如電源供電電平上的紋波信號和串行數(shù)據(jù)流時對垂直分辨率利用率的提高也是非常有用的。