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
发布时间：
2022-08-03 
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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。 
1.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
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
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
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。
图 13 电源瞬态响应
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 |
2.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
3.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最常用的方法之一，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，这是两个完全不相关的特性。
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。
4.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 |
