改善數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“絕對”或“非破壞”最大輸入技術數據范圍內對人身安全和設備可靠性至關重要。此外，為實現準確測量，非常重要的一點是信號要一直位于標稱工作范圍內(如位于有源探頭的線性范圍或動態范圍內)。

接地附近的低電平測量極具挑戰性，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的最大輸入技術數據范圍內。

最簡單的技術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。這種技術不允許AC信號測量全面利用測量系統的動態范圍，信噪比會很差。但是，有些信號處理技術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。

另一種技術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置下提供，參見圖2。

一種更好的技術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。
[圖示內容：]
Oscilloscope:示波器

圖2.差分探頭只對示波器輸入放大器應用AC信號。
[圖示內容：]
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。

與探頭指標有關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，來發揮差分探頭的優勢。DC抑制測量輸入信號，生成內部偏置，抵消信號的DC成分，自動實現偏置過程。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成分的共模動態范圍和差分模式動態范圍。

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

限制輸入信號的動態范圍
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操作而設計的。如果超出了線性范圍，那么輸入信號可能會失真。(產品技術資料一般會指明有源探頭的線性動態范圍。示波器的線性范圍在選定垂直標度設置下接近全屏。)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。

關鍵是使用教科書和行業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
大多數示波器和某些先進探頭擁有一條電路，限制測量系統帶寬。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，其通常與硬件帶寬濾波技術相結合，防止假信號。基于軟件的帶寬限制濾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，實現更銳利的截止頻率特點。正如下面HiRes一節說明的那樣，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轉換器(ADC)把輸入電壓轉換成數字值精度的指標。但更準確地說，它表明的是轉換過程的粒度，用位數來度量。例如，絕大多數示波器基于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區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是數字化器的位數

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。

許多數字示波器是使用高分辨率ADC構建的。盡管有人暗示其要比8位產品精確，但事實不一定如此。此外，在結合使用可選的探測和信號處理技術后，不應自動認為測量統的性能會優于8位分辨率的系統。

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(ENOB)，這個指標要復雜得多，它反映了儀器在各種頻率下準確表示信號的能力。ENOB是IEEE數字化波形記錄器標準(IEEE std. 1057)規定的。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、轉換器非單調性和代碼丟失、觸發抖動、孔徑不確定度(采樣時間抖動)和隨機噪聲。有效位數這個主題非常復雜，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用指南(4HW-19448-XX)，網址：www.tektronix.com。