如何用模拟偏置实现Pico示波器分辨率最大化？

　　1 模拟偏置
　　模拟偏置，也称为DC偏置，是一个非常有用的功能，大多数示波器都具有该功能。如果运用得当，可以避免小信号测试时垂直分辨率的丢失的问题。
　　模拟偏置给输入的信号加上一个直流偏置电压，如果输入信号超出了示波器ADC的测量范围，加上偏置电压之后，能将信号调节到示波器的范围内。
　　
　　图1 超出范围的信号
　　
　　图 2 通过模拟偏置将信号调节至示波器的测量范围内
　　2典型应用：LVDS
　　2.1 LVDS信号特征
　　LVDS（低压差分信号），如图3所示，两组相位相反的差分信号，信号特征如下：
　　峰峰值：350mV
　　共模电压偏置：1.2V
　　高压：1.2V+0.5*350mV=1.375V
　　低压：1.2V+0.5*350mV=1.025V
　　该测试用的是PicoScope 6404B示波器， 4通道，500MHz，8位分辨率。信号是仿真的LVDS信号
　　
　　图 3 LVDS信号
　　2.2 无模拟偏置时观察信号
　　图3 中显示一个仿真的LVDS信号，我们选择±2V的测量范围，这个是能测试到该信号的最灵敏的测试范围。虽然示波器有一个8位的分辨率，即划分为256个可分辨的电压等级，但是很明显该信号占了很小的一部分：350mV/4V，仅仅占了22个可分辨电压等级。这个量化级数仅仅相当于22log2≈4.5 位，即ADC的8位分辨率，该信号只使用了4.5位。
　　放大该信号，表现出低分辨率的特征：
　　该条件下，我们测量的量化噪声是16mV. 正如预期的那样，该值接近于ADC的理论量化电平：4V/256≈15.6mV。
　　
　　图 4 示波器±2V量程下采集的LVDS信号
　　
　　图 5 放大的LVDS信号
　　2.3 用模拟偏置测量信号
　　在PicoScope 软件中，每个通道有一个下拉菜单，显示了该通道的所有设置。我们能够设置DC 偏置电压为-1.2V，相当于移除该信号的共模电压。
　　应用-1.2V 模拟偏置下 2V测量范围下的测试波形（图7）。
　　既然信号的对地电压在175mV左右，我们可以将示波器的量程设置为±200mV的量程，该量程灵敏度更高（图8）。此时信号在400mV的测量范围内占据350mV， 等效于在256个量化等级中占用了224个量化等级。因此我们可以计算出等效位数224log2≈7.8位，即8位分辨率，该信号使用了7.8位。比之前不用模拟偏置时多用了3位。这可以使我们将信号的测量精度提高到10倍。
　　放大该信号，发现与图5中的信号相比，该信号的分辨率大大提高（图9）。
　　该测试方法下，量化噪声在1.58mV左右。该测试范围下ADC最小分辨电压 400mV/256 ≈1.56mV。此时，跟直接在±2V范围下测试相比，信号误差降低差不多10倍。
　　
　　图 6通道设置对话框
　　
　　图 7 模拟偏置下的信号
　　
　　图8 ±200mV 量程下的偏置信号
　　
　　图 9 ±200mV放大的偏置信号
　　交流耦合
　　当示波器没有直流偏置功能，或者直流偏置电压不够时，也可以通过输入端的交流耦合来移除DC电压。当然，只有具有一个稳定DC分量的信号才可以采用这种方法，例如测量直流供电电源的纹波电压。但是直流电源的纹波信号并不是完全对称的，因此没有一个稳定的平均电压，所以平均基线会上下波形，所以想要精确测量是不太可能的。
　　首先，这里有一个用交流耦合测试的成功案例：一个10V的直流信号上叠加正弦纹波（图10）。放大该信号，表现出ADC分辨率不高的效应（图11）。通过交流耦合移除DC偏置，从而可以让我们可以选择一个更加灵敏的测量量程。现在我们几乎用了示波器的全分辨率（图12）。
　　如果用相同的方法，即交流耦合，测试LVDS信号，如果是稳定的数据流，那么结果是可以的接受的。但是，如果在长时间稳定电平上出现一个偶发数据，那么AC耦合电容将开始充电，产生一个无法预测的偏置电压，随着时间而消退（图13）。方法波形，显示一个单独的脉冲，但是我们不能做任何DC测量，因为没有固定的参考地。
　　
　　图10 10V rail with ripple
　　
　　图11 分辨率不够时，采集到的纹波
　　
　　图12 交流耦合时采集到的纹波信号
　　
　　图 13 交流耦合下的LVDS偶发脉冲测试
　　结论
　　本文用一个低压差分信号为例，讲述了如何用Pico示波器的模拟偏置功能将仪器的灵敏度提高到原来的10倍，这意味着将垂直测量分辨率提高了10倍。同时，也介绍了交流耦合在测量稳定波形，例如电源供电电平上的纹波信号和串行数据流时 对垂直分辨率利用率的提高也是非常有用的。