隨意使用交流耦合可能造成嚴重誤差 ？示波器的交流耦合和直流偏移功能詳解
發(fā)布時間：
2022-08-03 
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在示波器通道中，交流耦合與直流偏移都是設(shè)計來抵消輸入信號的直流成分。需要注意雖然這兩種手段都是用來抵消輸入信號的直流成分，但效果并不完全相同。在實際使用中我們往往使用交流耦合來抵消直流成分，而把直流偏移功能僅僅用于調(diào)整波形在屏幕中的位置。本文將討論兩種手段的實現(xiàn)方法和使用限制，并提供典型案例進行分析，方便使用者選擇最合適的手段進行測試。 
1.交流耦合
1.1實現(xiàn)方法
示波器的交流耦合是在示波器通道的放大器前加入耦合電容實現(xiàn)的，本質(zhì)上是一個高通濾波器。
圖 1 示波器直流耦合等效電路
圖 2 示波器交流耦合等效電路
圖 2 示波器交流耦合等效電路
1.2使用限制
示波器交流耦合的響應(yīng)為一階響應(yīng)，這意味著截止頻率附近很寬的頻帶內(nèi)幅頻和相頻響應(yīng)會受到影響，觀察頻率成分較為復(fù)雜的信號時可能帶來失真。典型的示波器交流耦合截止頻率在10 Hz以內(nèi)，一般設(shè)計在5 Hz左右。下圖是理想一階RC的幅頻和相頻響應(yīng)圖，可以看到即使將截止頻率設(shè)置到5 Hz，仍需要到100 Hz才能保證響應(yīng)幅度接近0 dB，而要到接近1 kHz時響應(yīng)相位才接近0°。
圖 3 理想一階響應(yīng)幅頻特性
圖 4 理想一階響應(yīng)相頻特性
圖 4 理想一階響應(yīng)相頻特性
對于復(fù)雜信號來說，如果所包含的最低頻率分量落在1 kHz以內(nèi)，使用交流耦合很可能帶來較為明顯的失真。如下圖是100 Hz方波使用直流耦合和交流耦合時所采集到的波形，可以看到交流耦合下波形已經(jīng)嚴重失真，這往往是不可接受的。
圖 5 直流耦合
圖 6 交流耦合
圖 6 交流耦合
以直流耦合下方波幅值為基準(zhǔn)，交流耦合時各頻率方波幅值測量誤差如下表?？梢钥闯鲇捎谙囝l響應(yīng)導(dǎo)致的波形失真，對示波器幅值測量影響非常大，而有效值測量誤差則接近理論值。
對于復(fù)雜頻率成分的信號，如果僅關(guān)注波形的能量而不是幅度值，使用交流耦合導(dǎo)致波形失真時，有效值（交流均方根值）測量可以獲得更高的精度。
對于需要精準(zhǔn)測量波形幅度的情形，需要盡量避免使用交流耦合，或者詳細驗證后再使用。
圖 13 電源瞬態(tài)響應(yīng)
對于復(fù)雜頻率成分的信號，如果僅關(guān)注波形的能量而不是幅度值，使用交流耦合導(dǎo)致波形失真時，有效值（交流均方根值）測量可以獲得更高的精度。
對于需要精準(zhǔn)測量波形幅度的情形，需要盡量避免使用交流耦合，或者詳細驗證后再使用。
| 頻率（Hz） | 10 | 20 | 50 | 100 | 200 | 500 | 1000 |
| 幅值測量誤差（%） | -70.6 | -37.6 | -15.0 | 9.9 | 5.0 | 0.8 | 0.2 |
| 有效值測量誤差（%） | -11.1 | -3.2 | -0.2 | 0.85 | 1.5 | 0.7 | 0.2 |
2.直流偏移
2.1實現(xiàn)方法
不同于交流耦合采用耦合電容去除輸入信號的直流分量，直流偏移通過加法電路實現(xiàn)對輸入直流成分的抵消。圖 7 示波器直流偏移等效電路
因為直流偏移是輸入信號與內(nèi)部偏移電壓的疊加，所以不會影響輸入信號通路的頻率響應(yīng)，不存在交流耦合中出現(xiàn)的問題。
2.2使用限制
直流偏移受電路設(shè)計約束偏移量有限，不像交流耦合那樣能去除任何安全范圍內(nèi)任意大小的直流分量，對于超出偏移范圍的直流分量無能為力。圖 8 直流偏移限制
另外要注意，直流偏移功能是用來抵消交流小信號上疊加的直流分量，而不是用來任意移動波形。示波器的波形顯示范圍即為該電壓擋位下的動態(tài)范圍，超出顯示區(qū)域的波形將被電路限幅以保護更脆弱的元件，由于電路限幅的非理想特性，發(fā)生限幅后采集到的波形可能出現(xiàn)嚴重失真。
圖 9 超出顯示區(qū)域的波形可能導(dǎo)致限幅失真
如果希望觀察交流大信號上的小細節(jié)，請使用縮放功能。
圖 10 使用縮放功能觀察信號細節(jié)
3.案例電源瞬態(tài)響應(yīng)測試中的假過沖
瞬態(tài)響應(yīng)是電源測試中最常用的方法之一，它可以很直觀地表現(xiàn)出電源的多項特性。通過使用電子負載產(chǎn)生方波或者脈沖波電流作為被測電源的負載，示波器觀察電源的輸出電壓和電流波形，根據(jù)波形可以提取出電源特性。圖 11 瞬態(tài)響應(yīng)測試示意圖
一個典型的電源瞬態(tài)響應(yīng)如下圖所示。當(dāng)負載電流突變時，因為電源環(huán)路帶寬不夠，電源還來不及響應(yīng)負載變化，這時候電源輸出電容儲存的能量被負載吸走，電容電壓降低導(dǎo)致輸出電壓跟著降低。隨著時間推移，電源環(huán)路檢測到輸出電壓跌落，環(huán)路開始自動調(diào)整輸出電壓，輸出電容開始充能，輸出電壓回升。假設(shè)電源環(huán)路是穩(wěn)定的，則這一階段末期幾乎不會產(chǎn)生過沖和振鈴。當(dāng)電源輸出電壓回升到一定程度以后將不再變化，輸出電壓達到穩(wěn)態(tài)，由于電源的非理想特性，這個穩(wěn)態(tài)電壓往往隨著負載電流變化。
圖 12 典型電源瞬態(tài)響應(yīng)
下圖是使用示波器測量一個真實電源瞬態(tài)響應(yīng)的情況。通道1為負載電流，通道2和通道3為輸出電壓，通道2使用交流耦合，通道3使用直流耦合。使用交流耦合觀察輸出電壓時，輸出電壓上出現(xiàn)了明顯的過沖，而使用直流耦合觀察時并沒有出現(xiàn)過沖?？紤]到負載電流的頻率為2.5 Hz，而輸出電壓的波形是與負載電流相似的類方波，所以交流耦合的波形是錯誤的。
圖 13 電源瞬態(tài)響應(yīng)
實際測量電源瞬態(tài)響應(yīng)時，往往因為所使用的示波器直流偏移范圍限制，只能使用交流耦合，導(dǎo)致對電源響應(yīng)的誤判。例如在這個案例中，如果使用交流耦合，就會把電源負載調(diào)整率的特性誤判為電源環(huán)路穩(wěn)定性問題，這是兩個完全不相關(guān)的特性。
除了電源測試外，觀測傳感器信號也往往因為偏置電壓的原因不得不使用交流耦合，也會導(dǎo)致觀測的信號與實際信號有一定差異。
4.SDS6000 Pro/SDS2000X HD的優(yōu)勢
SDS6000 Pro與SDS2000X HD重新設(shè)計了通道的直流偏移電路，使較小擋位下的直流偏移范圍大大提高，在5.1 mV/div到10 mV/div的擋位下，直流偏移范圍可達±4 V，在10.2 mV/div到20 mV/div的擋位下，直流偏移范圍達±8 V，足以應(yīng)對大多數(shù)板級電源和傳感器的測試，配合原生12 bit分辨率，可將被測波形盡可能低失真地展現(xiàn)出來。| 電壓擋位 | SDS6000 Pro/SDS2000X HD | SDS2000X Plus | 競品A | 競品B | 競品C |
| 0.5mV/div~5mV/div | ±1.6 V | ±2 V | ±1.2 V | ±1 V | ±2 V |
| 5.1mV/div~10mV/div | ±4 V | ||||
| 10.2mV/div~20mV/div | ±8 V | ||||
| 20.5mV/div~100mV/div | ±16 V | ||||
| 102mV~200mV/div | ±80 V | ±20 V | ±10 V | ||
| 205mV/div~1 V/div | ±160 V | ±40 V | ±50 V | ||
| 1.02V/div~10V/div | ±400 V | ±200 V | ±100 V |
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