模擬偏置，也稱為DC偏置，是一個非常有用的功能，大多數示波器都具有該功能。如果運用得當，可以避免小信號測試時垂直分辨率的丟失的問題。

模擬偏置給輸入的信號加上一個直流偏置電壓，如果輸入信號超出了示波器ADC的測量范圍，加上偏置電壓之后，能將信號調節到示波器的范圍內。

圖1 超出范圍的信號

圖2 通過模擬偏置將信號調節至示波器的測量范圍內

典型應用：LVDS

1）LVDS信號特征

LVDS（低壓差分信號），如圖3所示，兩組相位相反的差分信號，信號特征如下：

峰峰值：350mV

共模電壓偏置：1.2V

高壓：1.2V+0.5*350mV=1.375V

低壓：1.2V+0.5*350mV=1.025V

該測試用的是PicoScope 6404B示波器，4通道，500MHz，8位分辨率，信號是仿真的LVDS信號。

2）無模擬偏置時觀察信號

圖3 中顯示一個仿真的LVDS信號，我們選擇±2V的測量范圍，這個是能測試到該信號的最靈敏的測試范圍。雖然示波器有一個8位的分辨率，即劃分為256個可分辨的電壓等級，但是很明顯該信號占了很小的一部分：350mV/4V，僅僅占了22個可分辨電壓等級。這個量化級數僅僅相當于22log2≈4.5 位，即ADC的8位分辨率，該信號只使用了4.5位。

放大該信號，表現出低分辨率的特征：

該條件下，我們測量的量化噪聲是16mV。正如預期的那樣，該值接近于ADC的理論量化電平：4V/256≈15.6mV。

圖4 示波器±2V量程下采集的LVDS信號

3）用模擬偏置測量信號

在PicoScope 軟件中，每個通道有一個下拉菜單，顯示了該通道的所有設置。我們能夠設置DC 偏置電壓為-1.2V，相當于移除該信號的共模電壓。

應用-1.2V 模擬偏置下2V測量范圍下的測試波形（圖7）。

既然信號的對地電壓在175mV左右，我們可以將示波器的量程設置為±200mV的量程，該量程靈敏度更高（圖8）。此時信號在400mV的測量范圍內占據350mV，等效于在256個量化等級中占用了224個量化等級。因此我們可以計算出等效位數224log2≈7.8位，即8位分辨率，該信號使用了7.8位。比之前不用模擬偏置時多用了3位。這可以使我們將信號的測量精度提高到10倍。

放大該信號，發現與圖5中的信號相比，該信號的分辨率大大提高（圖9）。

該測試方法下，量化噪聲在1.58mV左右。該測試范圍下ADC最小分辨電壓 400mV/256 ≈1.56mV。此時，跟直接在±2V范圍下測試相比，信號誤差降低差不多10倍。

圖6 通道設置對話框

圖7 模擬偏置下的信號

圖8 ±200mV 量程下的偏置信號

交流耦合

當示波器沒有直流偏置功能，或者直流偏置電壓不夠時，也可以通過輸入端的交流耦合來移除DC電壓。當然，只有具有一個穩定DC分量的信號才可以采用這種方法，例如測量直流供電電源的紋波電壓。但是直流電源的紋波信號并不是完全對稱的，因此沒有一個穩定的平均電壓，所以平均基線會上下波形，所以想要精確測量是不太可能的。

首先，這里有一個用交流耦合測試的成功案例：一個10V的直流信號上疊加正弦紋波（圖10）。放大該信號，表現出ADC分辨率不高的效應（圖11）。通過交流耦合移除DC偏置，從而可以讓我們可以選擇一個更加靈敏的測量量程。現在我們幾乎用了示波器的全分辨率（圖12）。

如果用相同的方法，即交流耦合，測試LVDS信號，如果是穩定的數據流，那么結果是可以的接受的。但是，如果在長時間穩定電平上出現一個偶發數據，那么AC耦合電容將開始充電，產生一個無法預測的偏置電壓，隨著時間而消退（圖13）。方法波形，顯示一個單獨的脈沖，但是我們不能做任何DC測量，因為沒有固定的參考地。

圖10 10V railwithripple

圖11 分辨率不夠時，采集到的紋波

圖12 交流耦合時采集到的紋波信號

結論

本文用一個低壓差分信號為例，講述了如何用Pico示波器的模擬偏置功能將儀器的靈敏度提高到原來的10倍，這意味著將垂直測量分辨率提高了10倍。同時，也介紹了交流耦合在測量穩定波形，例如電源供電電平上的紋波信號和串行數據流時對垂直分辨率利用率的提高也是非常有用的。