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引言

我以前聽(tīng)過(guò)這樣的評(píng)論："觀(guān)察交流信號(hào)時(shí)應(yīng)該使用交流耦合"，它大錯(cuò)特錯(cuò)。遵循這個(gè)錯(cuò)誤的交流耦合“格言"很容易做出一些非常錯(cuò)誤的測(cè)量。那什么時(shí)候應(yīng)該使用交流耦合呢？

01、示波器使用交流耦合的原因

交流耦合適用于具有較大直流偏移的交流信號(hào)。例如，如果想查看 12V 電源軌上的紋波怎么辦？其實(shí)您并不關(guān)心12V直流分量，真正關(guān)心的是 12V 附近的交流分量。問(wèn)題就在這里。要看到這種紋波，需要靈敏的垂直檔位設(shè)置和較大的偏移量。示波器的偏移范圍由垂直檔位設(shè)置決定，因此在直流耦合模式下通常無(wú)法看到紋波。這就是交流耦合的用武之地。

02、打開(kāi)交流耦合樁

在示波器的通道菜單中，您可以打開(kāi)/關(guān)閉幾個(gè)不同的設(shè)置。通常有 20 MHz 帶寬濾波器、探頭設(shè)置、輸入阻抗設(shè)置和耦合設(shè)置。在 "耦合菜單 "中，您可以在直流耦合和交流耦合之間切換。直流耦合允許您看到從 0 Hz 到示波器最大帶寬的所有信號(hào)。交流耦合可以濾除直流成分。當(dāng)您在示波器通道上啟用交流耦合時(shí)，就等于在通道的輸入信號(hào)路徑上切換了一個(gè)高通濾波器。這將濾除所有直流成分。

圖1：一個(gè)常見(jiàn)的低通濾波器

交流耦合濾波器的 -3dB 點(diǎn)通常在示波器的數(shù)據(jù)表中可以查到。例如，是德科技1000 X 系列示波器具有 10 Hz 高通濾波器。泰克TDS1000B 和 TDS2000B示波器也有一個(gè) 10 Hz 的濾波器，普源精電 1000Z 示波器則是一個(gè) 5 Hz 濾波器。

圖2: 是德科技1000X系列示波器的交流耦合濾波器頻率

這看似簡(jiǎn)單明了，但卻有一個(gè)問(wèn)題。交流耦合濾波器是一個(gè)實(shí)際的硬件濾波器。這意味著它不會(huì)有磚墻式的響應(yīng)，而是會(huì)有一些滾降。因此，10 赫茲的頻率成分仍會(huì)顯示在屏幕上，但會(huì)有所衰減。

注意：與大多數(shù)硬件濾波器一樣，它的頻率響應(yīng)通常并不平滑。有時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖或不一致的情況，尤其是在 -3dB 點(diǎn)附近。這是正常現(xiàn)象，但意味著你應(yīng)該謹(jǐn)慎使用交流耦合。

讓我們來(lái)看看交流耦合濾波器的 "滾降"。圖 3 和圖 4 顯示了開(kāi)啟和關(guān)閉交流耦合時(shí)的 10 Hz 信號(hào)。請(qǐng)注意，信號(hào)仍然顯示在屏幕上，只是幅度有所衰減。它從 1.03 Vpp 降至 0.68 Vpp！

圖3：一個(gè)1V 10Hz的正弦波在交流耦合模式下僅顯示為683mVpp

圖4：同樣的1V正弦波在直流耦合下顯示為接近1Vpp

為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？因?yàn)閹挷⒉幌裎覀冇袝r(shí)想的那樣簡(jiǎn)單。100 Hz 的示波器仍然可以看到 150 Hz 的正弦波，只是會(huì)根據(jù)示波器的滾降特性而衰減。考慮到這一點(diǎn)，有時(shí)您應(yīng)該使用交流耦合，有時(shí)則不應(yīng)該。

03、何時(shí)使用交流耦合

如果有直流偏移的高頻信號(hào)，請(qǐng)使用交流耦合。它可能是電源軌或具有極低頻漂的信號(hào)。交流耦合的目的是去除直流。它的目的并不是去除非零的低頻成分。

我見(jiàn)過(guò)這樣一種情況，工程師需要觀(guān)察電源軌的開(kāi)啟情況，然后立即看到電源軌上的紋波。問(wèn)題是他們無(wú)法放大紋波并觀(guān)察導(dǎo)軌的開(kāi)啟情況。因此，他們進(jìn)行了雙重探測(cè)。他們使用直流耦合模式下放大的一個(gè)通道來(lái)觀(guān)察導(dǎo)軌的導(dǎo)通情況，并使用交流耦合模式下靈敏度更高的垂直檔位設(shè)置下的第二個(gè)通道來(lái)觀(guān)察紋波。

例如，這是一個(gè) 1 kHz、峰峰值為 50 mV 的正弦波，位于 5 V 直流偏置上。這可能是 5 V 電源軌，我們要觀(guān)察紋波（圖 5）：

圖5：在直流耦合模式下，我們無(wú)法放大紋波(50 mVpp 正弦波偏置 5 V）

要看到波紋，我們必須將示波器偏移到屏幕下方（圖 6）：

圖6：直流耦合模式下的最佳情況，我們需要交流耦合

由于波形太小，這種視圖仍然不是很有用，因此我們希望進(jìn)一步放大。當(dāng)我們從 500 mV/div 放大到 200 mV/div 時(shí)，示波器的偏置能力將耗盡（圖 7）。紋波在屏幕上方，但我們無(wú)法將波形移得更低。圖 6 是我們?cè)谥绷黢詈夏Ｊ较滤艿玫降淖罴呀Y(jié)果。

圖7：如果進(jìn)一步放大波形，可能會(huì)超出示波器輸入的偏置范圍

由于直流耦合模式效果不佳，我們可以嘗試使用交流耦合。打開(kāi)交流耦合后，如圖 8 所示，我們可以隨意放大！交流耦合濾波器濾除了5V的直流偏置。

圖8: 交流耦合為我們提供了所需的視圖

因此，在這種情況下，您需要使用交流耦合。不能因?yàn)槭墙涣餍盘?hào)就使用交流耦合。尤其是像 50 赫茲或 60 赫茲的市電電源，更不應(yīng)該使用交流耦合。

04、何時(shí)不應(yīng)使用交流耦合

不能因?yàn)橐獪y(cè)量交流信號(hào)就默認(rèn)使用交流耦合。

在錯(cuò)誤的情況下打開(kāi)交流耦合模式可能會(huì)隱藏您需要了解的直流成分。更糟糕的是，它會(huì)將低頻成分衰減為扭曲的、不正確的信號(hào)版本。例如，下面是直流耦合模式（圖 9）和交流耦合模式（圖 10）下的 100 Hz、1 V 方波：

圖9：在直流耦合中，一切看起來(lái)都很正常

圖10：在交流耦合中，波形會(huì)發(fā)生翹曲。

這兩者之間存在巨大差異！我們?cè)谥绷黢詈夏Ｊ较驴吹降姆讲ň褪菍?shí)際信號(hào)，而切換到交流模式后，信號(hào)就會(huì)變得截然不同。

示波器設(shè)計(jì)的目的是在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)具有平坦、一致的頻率響應(yīng)，可能需要一點(diǎn)偏移或縮放，但在直流耦合模式下，示波器可以輕松測(cè)量交流信號(hào)，這就是它們的用途。

更具體地說(shuō)，不應(yīng)該使用交流耦合模式來(lái)查看濾波器截止頻率附近的信號(hào)。我們建議您只使用交流耦合測(cè)量 100 赫茲以上的正弦波和 200 赫茲以上的方波。如果試圖測(cè)量低于此范圍的信號(hào)，則會(huì)出現(xiàn)信號(hào)衰減或過(guò)沖。

值得注意的是，可以使濾波器響應(yīng)更陡峭，但更陡峭的截止點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致更低的頻率響應(yīng)。任何使用過(guò)硬件濾波器的人都經(jīng)歷過(guò)這種設(shè)計(jì)折衷。因此，較慢的滾降意味著整體頻率響應(yīng)更平滑、更一致。

了解您的測(cè)試設(shè)備

交流和直流耦合模式是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明了為什么必須對(duì)測(cè)試設(shè)備有一個(gè)扎實(shí)的了解。如上文所述，在錯(cuò)誤的情況下使用交流耦合會(huì)給您帶來(lái)錯(cuò)誤的信號(hào)信息，并可能導(dǎo)致您走上錯(cuò)誤的調(diào)試道路！

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