偏置、动态范围和压缩如何影响示波器的测量

如果您在工作中使用了 Keysight InfiniiMax 探头，您可能知道如何在单端或差分模式下应用偏置，但对于采用偏置后对测量的影响却未必有一个清晰的印象。根据示波器探头类型和信号性质的不同，使用的偏置也不同。

在本文中，我们将为您解读信号偏置和示波器/探头放大器偏置与探头放大器的动态范围之间的交互影响。

第1 节: 问题: 不同设置产生不同结果

第2 节: 偏置的内部原理

第3 节: 建议方法

第4 节: 如何辨别探头放大器是否已进行压缩

示波器的测量问题: 不同设置产生不同结果

图 1 的屏幕快照显示了使用两个探头对同一个单端信号进行探测。通道 4 (粉红/红色)在探测时采用差分探头，探头设为"单端"模式；通道 2 (绿色)在探测时采用同一差分探头，但设为 "差分" 模式。

哪种测量是正确的呢?

通道 4 显示的是正确的测量。输入是一个 3.3 V 峰峰值幅度 (额定值) 单端信号，采用 1.5 V 偏置。为什么这些设置会导致不同的结果? 为什么通道 4 的数据是正确的呢?

信号偏置能够耗尽探头的动态范围。当您将"被测信号" (Signal being probed) 对话框设为 "单端" 时，探头会将偏置应用于探头放大器并保存动态范围。当您将"被测信号"(Signal being probed)设为 "差分" 时，所有偏置均会施加在示波器前端，并且信号偏置会耗尽探头放大器的动态范围。当信号超过探头放大器的动态范围时，探头就会提示" 即将被压缩" 。这常常导致信号幅度小于原来的大小，或者出现谐波失真。此处的压缩更确切地应该称为"增益压缩"，但也称为"过驱动"、"限幅"和"非线性操作"。

图1. 在上面屏幕中, 使用不同设置对同一单端信号探测两次, 得到两个不同的结果

让我们先了解如何在 InfiniiMax 有源探头放大器上应用偏置。

1. 如使用单端探头探测单端信号，并将"被测信号"(Signal being probed)设为单端，此偏置会应用于探头放大器。

2. 如使用差分探头探测单端信号，并将"被测信号"(Signal being probed)设为单端，此偏置会应用于探头放大器。

3. 如使用差分探头探测差分信号，并将"被测信号"(Signal being probed)设为差分，此偏置会应用于示波器。

图2. 在"探头设置"菜单中, 使用单选按钮指示您正在探测的信号类型

在任何情况下，使用示波器上较小的垂直旋钮(偏置控 制旋钮)均能改变施加在信号链上的物理偏置；而不仅仅是 只能在屏幕上上下移动信号。为 "被测信号" 选择不同的值可改变偏置的施加位置。

当为 "被测信号" 选择差分设置时，此偏置将应用在示波器上。此时，偏置会应用于示波器前端。由于探头放大器是一个差分放大器，因此它会抑制所有的共模偏置(当 然，会有某种程度的限制)。放大器因而可将其所有动态范 围用于感兴趣的信号，而非用于偏置。

图3. 此示意图清晰地阐释了在两种不同模式下如何使用偏置

当您将 "被测信号" 设为单端时，此时偏置将应用到放大器上。此偏置会添加(或被去除，取决于旋转旋钮的方向) 到放大器的正极。如此操作可将信号置于放大器的动态范围之内。您可用此方法探测具有大直流偏置的较小 Vp-p 信号。让我们举例说明: 假设您有一个采用 3 V 偏置的 50 mVp-p 信号。(见图4 和图5: 下面的情境1。)为了使信号有一个良好的分辨率，可将示波器设为 10 mV/格。此时示波器的偏置通常很小。在此情况下，如果不使用探头放大器的自身偏置，就无法使信号处于示波器的量程之内。

另一方面，如果您对一个具有较大 Vp-p 的单端信号施加一个较大偏置，并且又未去除探头放大器的偏置，信号偏置就会耗尽探头放大器的动态范围，探头放大器也会进行压缩。使用探头放大器的自身偏置可将信号置于放大器的动态范围内。图4 是本应用指南剩余部分的基本设置图。

图4. 采用InfiniiMax I 和II 探头放大器的E2675b 差分点测探头探测设置。通过负极接地, 此探头还可用于测量单端信号

在以下各图中，我们将比较信号幅度，显示所有信号的峰峰值电压测量结果。假设 "实际信号" 的幅度测量是正确的。Vp-p 测量全部采用蓝框指示。

情境 1

"被测信号" 设为单端时一般的"正确" 使用方式。函数发生器设为慢速方波，50 mVp-p，2.5 V 偏置。
在此我们无法使用原始示波器通道来获取良好的分辨率和较大偏置。探头可实现此功能，通过在探头放大器上添加偏置可抵消信号偏置，从而将信号重新置于探头放大器的动态范围内，不过它会添加噪声。所有的有源探头均会添加噪声，非 1:1 探头也会添加噪声。使用均值采集模式或高分辨率采集模式可以完美地清除这些噪声。

图5. 情境1 "被测信号" 设为单端时一般的"正确"使用方式

情境 2

函数发生器设为慢速方波, 3.0 Vp-p, 0 V。
"被测信号"设为单端。探头偏置设为零。
图中指示的幅度测量结果非常接近, 但是探头放大器极有可能处于压缩的边沿。

图6. 情境2 函数发生器设为慢速方波, 3.0 Vp-p, 0 V

情境 3

函数发生器设为慢速方波, 3.0 Vp-p, 1.5 V 偏置。
"被测信号" 设为单端。探头偏置设为零。
通过观察幅度峰峰值测量结果(红框指示)，我们看到测得信
号比探测前的信号幅度较小。这说明探头已进行压缩，此测量是错误的。

图7. 情境3 函数发生器设为慢速方波, 3.0 Vp-p, 1.5 V 偏置

情境 4

函数发生器设为慢速方波, 3.0 Vp-p, 1.5 V 偏置。
"被测信号" 设为单端。探头偏置设为1.5 V。
让我们再次观察幅度的测量结果，我们看到两个信号在幅度上已经非常接近。此信号与图6 (情境3)中的信号相同，只是已在探头放大器上施加了一个偏置。通过在探头放大器上使用偏置，我们再次将信号置于探头的正常工作范围内。

图8. 情境4 函数发生器设为慢速方波, 3.0 Vp-p, 1.5 V 偏置

情境 5

函数发生器设为慢速方波, 3.0 Vp-p, 1.5 V 偏置。
"被测信号" 设为单端。探头偏置设为4.25 V。
此情境是对信号施加了太多偏置。通过蓝框中高亮显示的信号幅度的降低，我们可以轻松辨别这一点。我们本来想在显示屏上将显示的信号进行垂直下拉。由于正在探测的信号设为单端，不过偏置应用在了探头放大器，以致信号移出了探头放大器的动态范围，因此再次被压缩，导致不正确的结果。现在，让我们再来检测一下单端信号的差分操作。

图9. 情境5 函数发生器设为慢速方波, 3.0 Vp-p, 1.5 V 偏置

情境 6

函数发生器设为慢速方波, 3.0 Vp-p, 0 V 偏置。
"被测信号" 设为差分。示波器偏置设为零。
再次检测信号的幅度，两个测量结果实际上完全相同。看起来一切都非常完美。

图10. 情境6 函数发生器设为慢速方波, 3.0 Vp-p, 0 V 偏置

情境 7

函数发生器设为慢速方波, 3.0 Vp-p, 1.5 V 偏置。
"被测信号" 设为差分。示波器偏置设为零。
通过观察信号幅度，我们看到放大器已进行压缩。将此情境与图 7 (情境 3) 相比较，两者基本相同；再将其与图 8 (情境 4) 相比较。图4 中的压缩是正确的。
放大器开始压缩是因为它原来有一个 1.5 V 偏置，之后又施加了 3 V 的电压。探头的动态范围为 3.3 V，我们已经超过了此电压。探头无法抑制此偏置，因为它只能施加给放大器 的一个引脚。您也无法通过在示波器上施加偏置来使放大 器退出压缩。

图11. 情境7

情境 8

函数发生器设为慢速方波, 3.0 Vp-p, 1.5 V 偏置。
"被测信号" 设为差分。示波器偏置设为1.5 V。
在此情况下，您无法使放大器避免压缩，因为探头在 1.5 V
偏置上观察到的仍是 3 V 信号，这已超出了它的动态范围。在示波器上施加偏置也无法缓解这个问题。
现在，让我们再来检测一下差分信号的差分操作。

图12. 情境8

为了研究差分信号的差分操作，我们需要使用略有不同的物理装置。为如图 13 所示，我们使用差分函数发生器和差分对线来为原始示波器通道 1 和通道 3 提供输入，两者相减 (即为 f4, 粉红色)，然后将 f4 与被测信号相比较。

图13. 使用差分操作测试差分信号的装置

情境9

函数发生器设为慢速方波, 3.3 Vp-p, 0 V 偏置(例如, 3.3 V 的电压差分摆动, 或者1.65 Vp-p 的单端电压)。
"被测信号" 设为差分。示波器偏置设为0 V。
在此图(图 14) 中，我们想要比较f4 (粉红色迹线)和通道 2。f4
为通道 1 减去通道 3。f4 的差分p-p 幅度和通道 2 相匹配。注意，通道2 和f4 均以接地为中心。

图14. 情境9 函数发生器设为慢速方波, 3.3 Vp-p, 0 V 偏置

情境10

函数发生器设为慢速方波, 3.3 Vp-p, 1 V 偏置(例如, 电压差分摆动为3.3 V)。
"被测信号" 设为差分。示波器偏置设为0 V。
图15 中的信号再次看起来很好，通道2 和f4 匹配的非常完美。
差分探头放大器和运算函数共同"抑制"了共模偏置。不过请 注意，与图12(情境8相比)，通道1和通道3明显存在偏置。

图15. 情境10 函数发生器设为慢速方波, 3.3 Vp-p, 1 V 偏置

情境11

函数发生器设为慢速方波, 3.3 Vp-p, 1 V 偏置。
"被测信号" 设为差分。
示波器偏置设为9 V; 此前已对通道2 的刻度进行更改, 以支持为示波器提供如此高的偏置。
图 16 (情境 11)与图 13 (情境 9) 其实并无差别, 只是我们对通道 2 调节了垂直档位, 通过对示波器施加偏置将波形移到了屏幕上方。通道 2 的峰峰值幅度比原来稍大, 这是由于刻度灵敏度的降低导致了噪声的增加。

图16. 情境11 函数发生器设为慢速方波, 3.3 Vp-p, 1 V 偏置

在遇到情境 3 和情境 7 中提到的探头放大器处于压缩状态并给出错误结果的情况时，您可采取下列方法:

1. 使用具有更高动态范围和偏置的差分探头(或参照情境 7切换到单端操作并为放大器施加偏置)

2. 将在线衰减器和隔直流电容器与 InfiniiMax 放大器结合使用 N2880A在线衰减器套件 提供多对6 dB、12 dB 和20 dB 衰减器。

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N2881A 隔直流电容器是一对可阻隔30 V 直流的隔直电容器。

N2881A 隔直流电容器 | Keysightwww.keysight.com

这些衰减器和隔直电容器可以一起使用。注意，这些衰减器和/隔直电容器不应与 E2695 或N5380A/B SMA 探头配套使用。衰减器不能堆叠。这些衰减器和/隔直电容器不能与InfiniiMax III 探头配套使用。

图17. 插入式衰减器与InfiniiMax I 或InfiniiMax II 探头结合使用

对于单端操作，如果您需要使用偏置以使放大器避免压缩，并且想在屏幕上移动信号，可使用"放大"数学函数。在Keysight Infiniium 9000 系列示波器上，通过使用前面板上的通道旋钮来映射数学函数可以轻松实现此功能。

具体操作，请右击"Chx"图标，选择fx，然后就可设置放大数学函数。您现在就可使用通道旋钮来控制放大数学函数，在屏幕上移动信号，而无需改变实际施加的偏置大小。

图18. 您可轻松使用前面板旋钮来映射数学函数

如何辨别探头放大器是否已进行压缩

辨别探头放大器是否已进行压缩有多种方法，某些方法可能不适合给定的物理设置。

如果条件允许，可使用 E2655C 探头偏移校正及性能验证套件 探头校正/性能验证夹具或其他类似工具来同时查看示波器上的实际信号和测得 信号，并将两个信号进行对比。如果知道信号应该是何形 状，也可使用信号发生器进行仿真。

当然，在进行测量之前，了解探头放大器的动态范围和限制是非常有益的。

图19. 用于验证探头放大器压缩的设置

对于正弦波，对放大器过驱动常常造成正弦波失真， 如图 20 所示。当对放大器过驱动时，它将在时域波形和FFT 波形中显示，这是由于交调失真造成了杂散谐波。

图 20. 由于放大器的过驱动造成的正弦波形失真

方波的失真可能不像在FFT 波形中显示的那样明显，不过有时还是会在主要峰值之间显示出较小的杂散峰值，如图 21 所示。通常，您需要观察信号的幅度，有时也可以通过时域波形来辨别，如图 21 所示。有时主要峰值间的杂散峰值较小，如图22 所示。

图21. 检查方波频谱以确定探头放大器是否进行了压缩

图22. 方波测量对比。左边的方波处于压缩状态。圆角只是一个报警标志

图 23. 修正后的波形变化

Keysight InfiniiMax 有源探头如果使用恰当，尤其是和隔直电容器和衰减器附件结合使用时，可提供优异的偏置和动态范围。而且，它们还能为高速信号提供最小探头负载和最高信号保真度。如果这些探头不能满足您的测量需求，安捷伦还可提供全系列的无源探头、高压无源探头、单端有源探头、差分有源探头和电流探头。