作者：鼎陽(yáng)科技 蔣宇辰
在示波器通道中，交流耦合與直流偏移都是設(shè)計(jì)來(lái)抵消輸入信號(hào)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(hào)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(diào)整波形在屏幕中的位置。本文將討論兩種手段的實(shí)現(xiàn)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(cè)試。
01 交流耦合
1.1 實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)為一階響應(yīng)，這意味著截止頻率附近很寬的頻帶內(nèi)幅頻和相頻響應(yīng)會(huì)受到影響，觀察頻率成分較為復(fù)雜的信號(hào)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以內(nèi)，一般設(shè)計(jì)在5 Hz左右。下圖是理想一階RC的幅頻和相頻響應(yīng)圖，可以看到即使將截止頻率設(shè)置到5 Hz，仍需要到100 Hz才能保證響應(yīng)幅度接近0 dB，而要到接近1 kHz時(shí)響應(yīng)相位才接近0°。
圖 3 理想一階響應(yīng)幅頻特性
圖 4 理想一階響應(yīng)相頻特性
對(duì)于復(fù)雜信號(hào)來(lái)說(shuō)，如果所包含的最低頻率分量落在1 kHz以內(nèi)，使用交流耦合很可能帶來(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(yán)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(zhǔn)，交流耦合時(shí)各頻率方波幅值測(cè)量誤差如下表。可以看出由于相頻響應(yīng)導(dǎo)致的波形失真，對(duì)示波器幅值測(cè)量影響非常大，而有效值測(cè)量誤差則接近理論值。
對(duì)于復(fù)雜頻率成分的信號(hào)，如果僅關(guān)注波形的能量而不是幅度值，使用交流耦合導(dǎo)致波形失真時(shí)，有效值（交流均方根值）測(cè)量可以獲得更高的精度。
對(duì)于需要精準(zhǔn)測(cè)量波形幅度的情形，需要盡量避免使用交流耦合，或者詳細(xì)驗(yàn)證后再使用。
02 直流偏移
2.1 實(shí)現(xiàn)方法
不同于交流耦合采用耦合電容去除輸入信號(hào)的直流分量，直流偏移通過(guò)加法電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入直流成分的抵消。
圖 7 示波器直流偏移等效電路
因?yàn)橹绷髌剖禽斎胄盘?hào)與內(nèi)部偏移電壓的疊加，所以不會(huì)影響輸入信號(hào)通路的頻率響應(yīng)，不存在交流耦合中出現(xiàn)的問(wèn)題。
2.2 使用限制
