在示波器通道中，交流耦合與直流偏移都是設計來(lái)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(lái)抵消輸入信號的直流成分，但效果并不完全相同。在實(shí)際使用中我們往往使用交流耦合來(lái)抵消直流成分，而把直流偏移功能僅僅用于調整波形在屏幕中的位置。本文將討論兩種手段的實(shí)現方法和使用限制，并提供典型案例進(jìn)行分析，方便使用者選擇最合適的手段進(jìn)行測試。

01 交流耦合
      1.1    實(shí)現方法
      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(shí)現的，本質(zhì)上是一個(gè)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

1.2    使用限制
      示波器交流耦合的響應為一階響應，這意味著(zhù)截止頻率附近很寬的頻帶內幅頻和相頻響應會(huì )受到影響，觀(guān)察頻率成分較為復雜的信號時(shí)可能帶來(lái)失真。

典型的示波器交流耦合截止頻率在10 Hz以?xún)?，一般設計在5 Hz左右。下圖是理想一階RC的幅頻和相頻響應圖，可以看到即使將截止頻率設置到5 Hz，仍需要到100 Hz才能保證響應幅度接近0 dB，而要到接近1 kHz時(shí)響應相位才接近0°。

圖 3 理想一階響應幅頻特性

圖 4 理想一階響應相頻特性

對于復雜信號來(lái)說(shuō)，如果所包含的最低頻率分量落在1 kHz以?xún)?，使用交流耦合很可能帶?lái)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(shí)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

以直流耦合下方波幅值為基準，交流耦合時(shí)各頻率方波幅值測量誤差如下表?？梢钥闯鲇捎谙囝l響應導致的波形失真，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，使用交流耦合導致波形失真時(shí)，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。

02 直流偏移
      2.1    實(shí)現方法
      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(guò)加法電路實(shí)現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部偏移電壓的疊加，所以不會(huì )影響輸入信號通路的頻率響應，不存在交流耦合中出現的問(wèn)題。

2.2    使用限制
      直流偏移受電路設計約束偏移量有限，不像交流耦合那樣能去除任何安全范圍內任意大小的直流分量，對于超出偏移范圍的直流分量無(wú)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(lái)抵消交流小信號上疊加的直流分量，而不是用來(lái)任意移動(dòng)波形。示波器的波形顯示范圍即為該電壓擋位下的動(dòng)態(tài)范圍，超出顯示區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嚴重失真。

圖 9 超出顯示區域的波形可能導致限幅失真

如果希望觀(guān)察交流大信號上的小細節，請使用縮放功能。

圖 10 使用縮放功能觀(guān)察信號細節

03 案例——電源瞬態(tài)響應測試中的假過(guò)沖
      瞬態(tài)響應是電源測試中最常用的方法之一，它可以很直觀(guān)地表現出電源的多項特性。通過(guò)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(guān)察電源的輸出電壓和電流波形，根據波形可以提取出電源特性。

圖 11 瞬態(tài)響應測試示意圖

一個(gè)典型的電源瞬態(tài)響應如下圖所示。當負載電流突變時(shí)，因為電源環(huán)路帶寬不夠，電源還來(lái)不及響應負載變化，這時(shí)候電源輸出電容儲存的能量被負載吸走，電容電壓降低導致輸出電壓跟著(zhù)降低。隨著(zhù)時(shí)間推移，電源環(huán)路檢測到輸出電壓跌落，環(huán)路開(kāi)始自動(dòng)調整輸出電壓，輸出電容開(kāi)始充能，輸出電壓回升。假設電源環(huán)路是穩定的，則這一階段末期幾乎不會(huì )產(chǎn)生過(guò)沖和振鈴。當電源輸出電壓回升到一定程度以后將不再變化，輸出電壓達到穩態(tài)，由于電源的非理想特性，這個(gè)穩態(tài)電壓往往隨著(zhù)負載電流變化。

圖 12 典型電源瞬態(tài)響應

下圖是使用示波器測量一個(gè)真實(shí)電源瞬態(tài)響應的情況。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(guān)察輸出電壓時(shí)，輸出電壓上出現了明顯的過(guò)沖，而使用直流耦合觀(guān)察時(shí)并沒(méi)有出現過(guò)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(lèi)方波，所以交流耦合的波形是錯誤的。

圖 13 電源瞬態(tài)響應

實(shí)際測量電源瞬態(tài)響應時(shí)，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，導致對電源響應的誤判。例如在這個(gè)案例中，如果使用交流耦合，就會(huì )把電源負載調整率的特性誤判為電源環(huán)路穩定性問(wèn)題，這是兩個(gè)完全不相關(guān)的特性。

除了電源測試外，觀(guān)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(huì )導致觀(guān)測的信號與實(shí)際信號有一定差異。

04 SDS6000 Pro/SDS2000X HD的優(yōu)勢

SDS6000 Pro與SDS2000X HD重新設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，足以應對大多數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出來(lái)。

來(lái)源：鼎陽(yáng)智庫