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随意使用交流耦合可能造成严重误差 ?示波器的交流耦合和直流偏移功能详解

更新时间:2022-07-08 点击次数:1619

在示波器通道中,交流耦合与直流偏移都是设计来抵消输入信号的直流成分。需要注意虽然这两种手段都是用来抵消输入信号的直流成分,但效果并不*相同。在实际使用中我们往往使用交流耦合来抵消直流成分,而把直流偏移功能仅仅用于调整波形在屏幕中的位置。本文将讨论两种手段的实现方法和使用限制,并提供典型案例进行分析,方便使用者选择最合适的手段进行测试。





01

交流耦合

1.1    实现方法

示波器的交流耦合是在示波器通道的放大器前加入耦合电容实现的,本质上是一个高通滤波器。

图 1 示波器直流耦合等效电路.png

图 1 示波器直流耦合等效电路


图 2 示波器交流耦合等效电路.png

图 2 示波器交流耦合等效电路


1.2    使用限制

示波器交流耦合的响应为一阶响应,这意味着截止频率附近很宽的频带内幅频和相频响应会受到影响,观察频率成分较为复杂的信号时可能带来失真。

典型的示波器交流耦合截止频率在10 Hz以内,一般设计在5 Hz左右。下图是理想一阶RC的幅频和相频响应图,可以看到即使将截止频率设置到5 Hz,仍需要到100 Hz才能保证响应幅度接近0 dB,而要到接近1 kHz时响应相位才接近0°。

图 3 理想一阶响应幅频特性.png

图 3 理想一阶响应幅频特性


图 4 理想一阶响应相频特性.png

图 4 理想一阶响应相频特性


对于复杂信号来说,如果所包含的Z低频率分量落在1 kHz以内,使用交流耦合很可能带来较为明显的失真。如下图是100 Hz方波使用直流耦合和交流耦合时所采集到的波形,可以看到交流耦合下波形已经严重失真,这往往是不可接受的。

图 5 直流耦合


图 6 交流耦合

以直流耦合下方波幅值为基准,交流耦合时各频率方波幅值测量误差如下表。可以看出由于相频响应导致的波形失真,对示波器幅值测量影响非常大,而有效值测量误差则接近理论值。

对于复杂频率成分的信号,如果仅关注波形的能量而不是幅度值,使用交流耦合导致波形失真时,有效值(交流均方根值)测量可以获得更高的精度。

对于需要精准测量波形幅度的情形,需要尽量避免使用交流耦合,或者详细验证后再使用。

频率

(Hz)

10

20

50

100

200

500

1000

幅值测量误差(%)

-70.6

-37.6

-15.0

9.9

5.0

0.8

0.2

有效值测量误差(%)

-11.1

-3.2

-0.2

0.85

1.5

0.7

0.2


02

直流偏移

2.1    实现方法

不同于交流耦合采用耦合电容去除输入信号的直流分量,直流偏移通过加法电路实现对输入直流成分的抵消。

图 7 示波器直流偏移等效电路

因为直流偏移是输入信号与内部偏移电压的叠加,所以不会影响输入信号通路的频率响应,不存在交流耦合中出现的问题。


2.2    使用限制

直流偏移受电路设计约束偏移量有限,不像交流耦合那样能去除任何安全范围内任意大小的直流分量,对于超出偏移范围的直流分量无能为力。

图 8 直流偏移限制

另外要注意,直流偏移功能是用来抵消交流小信号上叠加的直流分量,而不是用来任意移动波形。示波器的波形显示范围即为该电压挡位下的动态范围,超出显示区域的波形将被电路限幅以保护更脆弱的元件,由于电路限幅的非理想特性,发生限幅后采集到的波形可能出现严重失真。

图 9 超出显示区域的波形可能导致限幅失真

如果希望观察交流大信号上的小细节,请使用缩放功能。

图 10 使用缩放功能观察信号细节


03

案例——电源瞬态响应测试中的假过冲

 瞬态响应是电源测试中常用的方法之一,它可以很直观地表现出电源的多项特性。通过使用电子负载产生方波或者脉冲波电流作为被测电源的负载,示波器观察电源的输出电压和电流波形,根据波形可以提取出电源特性。

图 11 瞬态响应测试示意图

一个典型的电源瞬态响应如下图所示。当负载电流突变时,因为电源环路带宽不够,电源还来不及响应负载变化,这时候电源输出电容储存的能量被负载吸走,电容电压降低导致输出电压跟着降低。随着时间推移,电源环路检测到输出电压跌落,环路开始自动调整输出电压,输出电容开始充能,输出电压回升。假设电源环路是稳定的,则这一阶段末期几乎不会产生过冲和振铃。当电源输出电压回升到一定程度以后将不再变化,输出电压达到稳态,由于电源的非理想特性,这个稳态电压往往随着负载电流变化。

图 12 典型电源瞬态响应

下图是使用示波器测量一个真实电源瞬态响应的情况。通道1为负载电流,通道2和通道3为输出电压,通道2使用交流耦合,通道3使用直流耦合。使用交流耦合观察输出电压时,输出电压上出现了明显的过冲,而使用直流耦合观察时并没有出现过冲。考虑到负载电流的频率为2.5 Hz,而输出电压的波形是与负载电流相似的类方波,所以交流耦合的波形是错误的。

图 13 电源瞬态响应

实际测量电源瞬态响应时,往往因为所使用的示波器直流偏移范围限制,只能使用交流耦合,导致对电源响应的误判。例如在这个案例中,如果使用交流耦合,就会把电源负载调整率的特性误判为电源环路稳定性问题,这是两个*不相关的特性。

除了电源测试外,观测传感器信号也往往因为偏置电压的原因不得不使用交流耦合,也会导致观测的信号与实际信号有一定差异。


04

 SDS6000 Pro/SDS2000X HD的优势

SDS6000 Pro与SDS2000X HD重新设计了通道的直流偏移电路,使较小挡位下的直流偏移范围大大提高,在5.1 mV/div到10 mV/div的挡位下,直流偏移范围可达±4 V,在10.2 mV/div到20 mV/div的挡位下,直流偏移范围达±8 V,足以应对大多数板级电源和传感器的测试,配合原生12 bit分辨率,可将被测波形尽可能低失真地展现出来。

电压挡位

SDS6000 Pro/

SDS2000X 

HD

SDS2000X 

Plus

竞品A

竞品B

竞品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


本文出处——“鼎阳硬件设计与测试智库"

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