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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


  来源: 鼎阳硬件智库 时间:2022-07-11 编辑:清风
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作者:鼎阳科技 蒋宇辰



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,但效果并不完全相同。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


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


图 4 理想一阶响应相频特性


对于复杂信号来说,如果所包含的最低频率分量落在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。



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


关键词:示波器 交流耦合 直流偏移功能    浏览量:4685

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