引言

我以前聽過這樣的評論："觀察交流信號時應(yīng)該使用交流耦合"，它大錯特錯。遵循這個錯誤的交流耦合“格言"很容易做出一些非常錯誤的測量。那什么時候應(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。例如，如果想查看 12V 電源軌上的紋波怎么辦？其實您并不關(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法看到紋波。這就是交流耦合的用武之地。

02、打開交流耦合樁

在示波器的通道菜單中，您可以打開/關(guān)閉幾個不同的設(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。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，就等于在通道的輸入信號路徑上切換了一個高通濾波器。這將濾除所有直流成分。

圖1：一個常見的低通濾波器

交流耦合濾波器的 -3dB 點通常在示波器的數(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 10 Hz 的濾波器，普源精電 1000Z 示波器則是一個 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

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

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。有時會出現(xiàn)過沖或不一致的情況，尤其是在 -3dB 點附近。這是正常現(xiàn)象，但意味著你應(yīng)該謹(jǐn)慎使用交流耦合。

讓我們來看看交流耦合濾波器的 "滾降"。圖 3 和圖 4 顯示了開啟和關(guān)閉交流耦合時的 10 Hz 信號。請注意，信號仍然顯示在屏幕上，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

為什么會出現(xiàn)這種情況？因為帶寬并不像我們有時想的那樣簡單。100 Hz 的示波器仍然可以看到 150 Hz 的正弦波，只是會根據(jù)示波器的滾降特性而衰減。考慮到這一點，有時您應(yīng)該使用交流耦合，有時則不應(yīng)該。

03、何時使用交流耦合

如果有直流偏移的高頻信號，請使用交流耦合。它可能是電源軌或具有極低頻漂的信號。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。

我見過這樣一種情況，工程師需要觀察電源軌的開啟情況，然后立即看到電源軌上的紋波。問題是他們無法放大紋波并觀察導(dǎo)軌的開啟情況。因此，他們進(jìn)行了雙重探測。他們使用直流耦合模式下放大的一個通道來觀察導(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)置下的第二個通道來觀察紋波。

例如，這是一個 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，我們要觀察紋波（圖 5）：

圖5：在直流耦合模式下，我們無法放大紋波(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，示波器的偏置能力將耗盡（圖 7）。紋波在屏幕上方，但我們無法將波形移得更低。圖 6 是我們在直流耦合模式下所能得到的最佳結(jié)果。

圖7：如果進(jìn)一步放大波形，可能會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。不能因為是交流信號就使用交流耦合。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、何時不應(yīng)使用交流耦合

不能因為要測量交流信號就默認(rèn)使用交流耦合。

在錯誤的情況下打開交流耦合模式可能會隱藏您需要了解的直流成分。更糟糕的是，它會將低頻成分衰減為扭曲的、不正確的信號版本。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，一切看起來都很正常

圖10：在交流耦合中，波形會發(fā)生翹曲。

這兩者之間存在巨大差異！我們在直流耦合模式下看到的方波就是實際信號，而切換到交流模式后，信號就會變得截然不同。

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

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

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

了解您的測試設(shè)備

交流和直流耦合模式是一個很好的例子，說明了為什么必須對測試設(shè)備有一個扎實的了解。如上文所述，在錯誤的情況下使用交流耦合會給您帶來錯誤的信號信息，并可能導(dǎo)致您走上錯誤的調(diào)試道路！

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