改善數(shù)字熒光示波器垂直分辨率的N個方法（中）

處理大的DC偏置
注：在涉及大的電壓時，驗證最大電壓完全位于測試系統(tǒng)“絕對”或“非破壞”最大輸入技術(shù)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)對人身安全和設(shè)備可靠性至關(guān)重要。此外，為實現(xiàn)準確測量，非常重要的一點是信號要一直位于標稱工作范圍內(nèi)(如位于有源探頭的線性范圍或動態(tài)范圍內(nèi))。

接地附近的低電平測量極具挑戰(zhàn)性，而測量位于大DC偏置上的低壓AC信號則要困難得多。在涉及大的電壓時，非常重要的一點是驗證最大電壓完全位于測試系統(tǒng)的最大輸入技術(shù)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。

最簡單的技術(shù)是使用參考地電平的探頭采集整個信號，然后試圖測量AC成分。這種技術(shù)不允許AC信號測量全面利用測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍，信噪比會很差。但是，有些信號處理技術(shù)可以在一定程度上改善測量分辨率，本文后面將討論這些技術(shù)。

另一種技術(shù)是在示波器輸入上采用AC耦合(或“DC阻塞”)。通過插入一個與輸入信號串聯(lián)的電容器，AC耦合特別適合從輸入信號中去掉DC成分，只要信號沒有失真，如把有源探頭驅(qū)動到最大量程之上。此外，盡管電容器會阻塞DC信號，它仍只會在一定程度上衰減低頻信號。最后，AC耦合可能并不能在所有示波器輸入端接設(shè)置下提供，參見圖2。

一種更好的技術(shù)是在放大器上手動增加固定DC偏置電壓，補償輸入信號上的DC偏置。偏置可以應(yīng)用到有源探頭的放大器中，參見圖3。

圖1.在示波器輸入放大器上增加DC偏置。
[圖示內(nèi)容：]
Oscilloscope:示波器

圖2.差分探頭只對示波器輸入放大器應(yīng)用AC信號。
[圖示內(nèi)容：]
Differential Probe:差分探頭
Oscilloscope:示波器

圖3. TDP1000差分探頭中的自動DC偏置補償。
[圖示內(nèi)容：]
TDP1000 Probe: TDP1000探頭
Oscilloscope:示波器

也可以在示波器的輸入放大器中應(yīng)用偏置。這也特別適合從輸入信號中去掉DC成分，只要信號沒有失真(圖1)。

上面所有實例都使用單端探頭或參考地電平的探頭。如果測量完全基于信號的AC成分，那么更好的選擇可能是使用差分有源探頭，其中包含一個差分放大器，只對兩個信號之間的電壓差做出響應(yīng)。

與探頭指標有關(guān)的所有指引仍然適用，包括最大電壓限制。此外，共模抑制比(CMRR)至關(guān)重要，因為它代表著探頭抑制或忽略信號DC成分的能力(或兩個輸入共同的任意信號)，參見圖2。

某些先進探頭，如泰克TDP1000差分探頭，通過使用DC抑制模式代替和改進偏置技術(shù)，來發(fā)揮差分探頭的優(yōu)勢。DC抑制測量輸入信號，生成內(nèi)部偏置，抵消信號的DC成分，自動實現(xiàn)偏置過程。由于輸入信號一直直接耦合到放大器，DC抑制模式不會提高DC成分的共模動態(tài)范圍和差分模式動態(tài)范圍。

圖4.限制輸入動態(tài)范圍的簡化的削波電路。
[圖示內(nèi)容：]
Clipper Circuit：削波電路
Oscilloscope：示波器

限制輸入信號的動態(tài)范圍
在回到正常示波器操作這一主題前，非常重要的一點是考慮另一個備選方案，在大信號上很好地測量小信號。有源探頭和示波器前端的放大器是為在其線性范圍內(nèi)操作而設(shè)計的。如果超出了線性范圍，那么輸入信號可能會失真。(產(chǎn)品技術(shù)資料一般會指明有源探頭的線性動態(tài)范圍。示波器的線性范圍在選定垂直標度設(shè)置下接近全屏。)在信號超過線性范圍時，放大器會過載，可能需要大量的時間才能恢復(fù)。

關(guān)鍵是使用教科書和行業(yè)資料中多種標準信號削波電路之一，從外部限制信號的動態(tài)范圍。例如，圖4顯示了一個簡單的二極管削波電路，它限制示波器輸入上的信號幅度，即使在信號的峰值幅度大大超出示波器的線性范圍時，仍能在地電平附近進行高分辨率測量。

硬件帶寬限制
大多數(shù)示波器和某些先進探頭擁有一條電路，限制測量系統(tǒng)帶寬。通過限制帶寬，可以降低波形上的噪聲，更干凈地顯示信號，更穩(wěn)定地測量信號。噪聲大體是帶寬的平方根。其負面影響是，帶寬限制在消除噪聲的同時，也會降低或消除高頻信號成分。

帶寬限制還可以在軟件中實現(xiàn)，其通常與硬件帶寬濾波技術(shù)相結(jié)合，防止假信號?；谲浖膸捪拗茷V波器可以提供更多的濾波器帶寬選擇，更好地控制頻率和相位響應(yīng)，實現(xiàn)更銳利的截止頻率特點。正如下面HiRes一節(jié)說明的那樣，軟件濾波還可以明顯提高垂直分辨率。

垂直分辨率
垂直分辨率一般被視為衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)把輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值精度的指標。但更準確地說，它表明的是轉(zhuǎn)換過程的粒度，用位數(shù)來度量。例如，絕大多數(shù)示波器基于8位ADC，把輸入信號樣點表示為28個或256個離散的量化或數(shù)字化電平中的一個電平。

精度反映了測量信號幅度的可重復(fù)性或一致性。在理想情況下，N位ADC的分辨率限制著測量系統(tǒng)區(qū)分和表示小信號的能力。這種能力可以用信噪比(SNR)表示：

SNR = 6.08 * N + 1.8

其中：
SNR是信噪比，單位為dB
N是數(shù)字化器的位數(shù)

圖5.采樣采集模式在每個采集間隔中保留一個樣點。
[圖示內(nèi)容：]
Interval:間隔
Displayed record points (at maximum horizontal magnification):顯示的記錄點(在最大水平放大倍數(shù)時)
Hi Res:高分辨率
Screen Image:屏幕圖像

垂直精度
在重新討論垂直分辨率前，有必要對比一下垂直分辨率和垂直精度。垂直精度反映了幅度測量與信號實際幅度的接近程度。

許多數(shù)字示波器是使用高分辨率ADC構(gòu)建的。盡管有人暗示其要比8位產(chǎn)品精確，但事實不一定如此。此外，在結(jié)合使用可選的探測和信號處理技術(shù)后，不應(yīng)自動認為測量統(tǒng)的性能會優(yōu)于8位分辨率的系統(tǒng)。

另一個常用的示波器指標是DC精度，也是儀器可以測量DC值的精度。有人可能會暗示，儀器的DC精度越好，測量AC信號的精度越高，但事實不一定如此。示波器和探頭的許多其它特點會影響整體精度。

最后一個指標是有效位數(shù)(ENOB)，這個指標要復(fù)雜得多，它反映了儀器在各種頻率下準確表示信號的能力。ENOB是IEEE數(shù)字化波形記錄器標準(IEEE std. 1057)規(guī)定的。與增益帶寬或博德圖一樣，ENOB會隨著頻率變化，一般會隨著頻率下降。這種數(shù)字化器性能下降可以描述為信號上的隨機或偽隨機噪聲電平提高。這些誤差來源包括DC偏置、增益誤差、模擬非線性度、轉(zhuǎn)換器非單調(diào)性和代碼丟失、觸發(fā)抖動、孔徑不確定度(采樣時間抖動)和隨機噪聲。有效位數(shù)這個主題非常復(fù)雜，超出了本文的討論范疇。如需進一步信息，請參閱泰克有效位應(yīng)用指南(4HW-19448-XX)，網(wǎng)址：www.tektronix.com。