低壓測(cè)量中對(duì)探頭的考慮

幾乎所有示波器都標(biāo)配了10X衰減無源探頭，因?yàn)檫@種探頭是在多種應(yīng)用中進(jìn)行測(cè)量的最佳選擇。為覆蓋范圍最廣泛的應(yīng)用，通用探頭的帶寬一般在DC-500MHz，一般能夠測(cè)量幾百伏的電壓。進(jìn)行低壓測(cè)量的用戶通常會(huì)落入使用示波器標(biāo)配10X探頭的陷阱——最后得到的結(jié)果并不準(zhǔn)確，因?yàn)?0X無源探頭在毫伏級(jí)的低壓范圍內(nèi)并不能準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量。

在進(jìn)行低壓測(cè)量時(shí)，必需考慮示波器的靈敏度、探頭衰減、系統(tǒng)噪聲、探頭接地、探頭輸入阻抗、AC耦合、探頭偏置和探頭帶寬。

最大化示波器的垂直靈敏度

垂直靈敏度表明了示波器垂直放大器能把信號(hào)放大到多大。在大多數(shù)泰克示波器上，在沒有連接探頭的情況下，最靈敏的垂直設(shè)置是1mV/格。如圖1所示，在連接2X探頭時(shí)(通道1)，測(cè)量系統(tǒng)的最小垂直標(biāo)度因數(shù)是2mV/格；在連接10X探頭時(shí)(通道2)，最小的垂直標(biāo)度因數(shù)是10mV/格。

圖1：2X探頭(CH1)和10X探頭(CH2)最低的系統(tǒng)垂直分辨率。

許多泰克示波器有10個(gè)豎格。在10mV/格設(shè)置的系統(tǒng)中使用10X探頭時(shí)，100mV信號(hào)會(huì)把屏幕填滿(10mV/格×10格)。我們?nèi)允褂?0mV作為低壓測(cè)量實(shí)例。在使用10X衰減探頭時(shí)，把示波器通道調(diào)節(jié)到最小垂直標(biāo)度10mV/格，這個(gè)信號(hào)在屏幕上只跨過了1個(gè)豎格。這個(gè)實(shí)例在圖2中顯示為通道2上的藍(lán)色軌跡。但是，在使用2X探頭測(cè)量同樣這個(gè)10mV信號(hào)時(shí)，它將跨過5個(gè)豎格，因?yàn)檫@條通道的垂直靈敏度可以調(diào)節(jié)到2mV/格。圖2也顯示了使用2X衰減進(jìn)行的10mV測(cè)量，如圖2上的黃色軌跡所示。

圖2：探頭(CH1)和10X探頭(CH2)進(jìn)行的10mV測(cè)量。

用戶應(yīng)一直設(shè)置“V/格”，以便信號(hào)幾乎填滿整個(gè)屏幕。否則，就不能更詳細(xì)地查看信號(hào)，示波器數(shù)字化器便得不到全面的利用。在上面的10mV測(cè)量實(shí)例中，在連接10X衰減探頭時(shí)，我們只利用了示波器數(shù)字化器十分之一的處理能力，因?yàn)樾盘?hào)在屏幕上只跨過了1個(gè)豎格。在2X衰減探頭時(shí)，信號(hào)能夠跨過5個(gè)豎格，現(xiàn)在利用了數(shù)字化器一半的處理能力。利用的數(shù)字化器處理能力越強(qiáng)，捕獲的信號(hào)分辨率越高。

改善測(cè)量系統(tǒng)的信噪比

探頭的衰減因數(shù)(即1X、10X、100X)是探頭使示波器輸入信號(hào)幅度降低的量。1X探頭沒有降低或衰減輸入信號(hào)，而10X探頭則會(huì)在示波器輸入上把輸入信號(hào)降低到信號(hào)幅度的1/10。如圖3所示，輸入電壓到達(dá)示波器輸入，除以探頭的衰減因數(shù)，表示為VIN除以衰減。

圖3：輸入信號(hào)、探頭衰減和隨機(jī)噪聲。

探頭衰減擴(kuò)大了示波器的測(cè)量范圍，可以測(cè)量更大幅度的信號(hào)。但是，在測(cè)量低壓信號(hào)時(shí)，探頭使信號(hào)衰減，然后示波器放大信號(hào)，導(dǎo)致信噪比下降。信噪比公式(SNR)為：

其中，Attenuation為探頭的衰減因數(shù)；VNoise一般用示波器產(chǎn)品技術(shù)資料中的隨機(jī)噪聲表示。

將此處和以下兩式中的“SRN”改為“SNR”

為使用公式1，必須確定VIN和VNoise。例如，如果在低壓測(cè)量中為VIN分配的值為10mV，那么示波器的設(shè)置為1mV/格，而不管探頭衰減是多少；又例如，示波器的隨機(jī)噪聲指標(biāo)為150uV+8%的“V/格”設(shè)置，在1mV/格設(shè)置下，VNoise為230uV。使用這些VIN、VNoise和探頭衰減值，可計(jì)算出10X探頭和2X探頭的SNR：

使用10X探頭計(jì)算SNR：

使用2X探頭計(jì)算SNR：

在10mV測(cè)量中，2X探頭的信噪比為21.7:1；10X探頭的信噪比為4.3:1。很明顯，衰減較低的探頭提高了測(cè)量系統(tǒng)的信噪比，因此，這種探頭更適合進(jìn)行低壓測(cè)量。

謹(jǐn)慎使用長地線，特別是在變壓器和開關(guān)單元附近

長地線非常方便，因?yàn)橛脩糁恍柽B接接地一次，便可在地線范圍內(nèi)探測(cè)多個(gè)測(cè)試點(diǎn)。但是，任何一條導(dǎo)線都會(huì)分發(fā)電感，分發(fā)的電感會(huì)對(duì)AC信號(hào)做出反應(yīng)。信號(hào)頻率越高，對(duì)AC電流流動(dòng)的阻礙性越大。地線的電感與探頭輸入電容相互作用，在某個(gè)頻率上將導(dǎo)致振鈴。下面的公式描述了振鈴頻率：

其中：f是振鈴頻率；L是探頭接地解決方案引起的電感；C是探頭的輸入電容。

這個(gè)振鈴是不可避免的，可能表現(xiàn)為幅度衰落的正弦曲線。在地線長度提高時(shí)，電感會(huì)提高，測(cè)得信號(hào)將在較低的頻率上振鈴。通過限制探頭的接地長度或選擇輸入電容較低的探頭，可以降低振鈴的影響。

改善振鈴頻率的一個(gè)簡單的解決方案是使用一條較短的地線，如短接地彈簧。圖4左側(cè)顯示了采用短接地彈簧的探頭圖片。通過使用短接地彈簧，電感降低，C值下降，便能把電感振鈴?fù)七^關(guān)心的頻率范圍。

圖4：安裝在機(jī)箱上的測(cè)試插座。

電感量最低、同時(shí)又能獲得安全接地連接的接地解決方案，是安裝在探頭尖端機(jī)箱上的測(cè)試插座(泰克部件編號(hào)131-4210-00)，如圖4右側(cè)所示。插座可以插入用戶的測(cè)試電路板中，把地線長度縮短到接近于零。

地線還可以作為衰減器或環(huán)路，引起電容和磁性耦合效應(yīng)?？s短地線長度還有一個(gè)好處，就是減少受到變壓器和開關(guān)器件附近的放射性輻射。如果要求較長的地線，那么用戶應(yīng)注意，不要把地線放在變壓器或者開關(guān)器件附近。

使用高輸入阻抗的探頭

在把探頭插入電路時(shí)，探頭會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生一定的影響。探頭擁有電阻單元、電感單元和電容單元，可以想象，如果電阻器、電容器或電感器被插在測(cè)量點(diǎn)上，那么，它會(huì)改變電路的特點(diǎn)。用戶應(yīng)該了解探頭的輸入阻抗指標(biāo)，以使探頭負(fù)荷的影響達(dá)到最小。

電阻單元、電感單元和電容單元相互影響，產(chǎn)生隨信號(hào)頻率變化的總探頭阻抗。為使探頭負(fù)荷達(dá)到最小，用戶應(yīng)使用最短的地線，以最大限度地降低電感，同時(shí)還應(yīng)使用低輸入電容的探頭。有源探頭或差分探頭將提供最低的輸入電容。另一個(gè)選項(xiàng)可能是低輸入電容無源探頭(如TPP0502)，這是業(yè)內(nèi)唯一的低衰減、高帶寬、高阻抗無源探頭，適合在擁有高頻率成分的信號(hào)上進(jìn)行低壓測(cè)量。上面公式2所示的振鈴頻率也說明了這種關(guān)系，其表現(xiàn)為頻率、電感和探頭輸入電容之間的關(guān)系。

使用示波器的AC耦合功能，或調(diào)節(jié)探頭偏置

一個(gè)測(cè)量挑戰(zhàn)是測(cè)量位于DC信號(hào)頂部的低壓AC信號(hào)。有多種選項(xiàng)可以幫助用戶把重點(diǎn)放在信號(hào)的AC部分。在使用有源探頭時(shí)，用戶應(yīng)使用探頭的偏置控制功能——可以使用探頭偏置，去掉探頭放大器中的DC成分。通過去掉信號(hào)的DC成分，用戶現(xiàn)在可以準(zhǔn)確地評(píng)估和測(cè)量信號(hào)的AC成分。在部分差分探頭上，泰克提供了一種稱為DC抑制(DC Reject)的功能。DC Reject自動(dòng)生成內(nèi)部偏置，抵消信號(hào)的DC成分。

在使用低衰減無源探頭觀察這些類型的AC信號(hào)時(shí)，用戶應(yīng)使用示波器上的AC耦合功能封鎖DC成分，只顯示AC信號(hào)。例如，通過在示波器信號(hào)路徑上啟用AC耦合并使用TPP0502，工程師可以評(píng)估信號(hào)的AC成分，最高分辨率可以達(dá)到2mV。這種方法允許用戶分離出AC成分，而又不必增加DC偏置。在某些情況下，使用有源探頭是不可能進(jìn)行這類測(cè)量的，因?yàn)闇y(cè)量系統(tǒng)的偏置范圍有限，或者探頭的放大器不能容忍大的DC輸入。

使用擁有充足帶寬的探頭

在選擇擁有足夠帶寬的探頭時(shí)，經(jīng)驗(yàn)法則是：探頭帶寬應(yīng)該是被測(cè)信號(hào)帶寬的五倍。在評(píng)估簡單的信號(hào)(如正弦波)和檢定頻域中發(fā)生的事件時(shí)，帶寬是一個(gè)有效的指標(biāo)。但是，大多數(shù)信號(hào)是復(fù)雜信號(hào)，包含許多頻譜成分，頻率值可能要比基礎(chǔ)頻率高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)隨時(shí)間迅速變化、擁有快速轉(zhuǎn)換速率(dv/dt)的信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)必須能夠捕獲這些事件隨時(shí)間的變化，必須能夠準(zhǔn)確檢定時(shí)域中發(fā)生的情況。上升時(shí)間是確定測(cè)量系統(tǒng)隨時(shí)間變化效果的指標(biāo)。在考慮測(cè)量系統(tǒng)評(píng)估上升沿和下降沿及捕獲高階諧波的能力時(shí)，上升時(shí)間是一個(gè)重要指標(biāo)。許多時(shí)候，用戶得出的結(jié)論是，由于信號(hào)“沒那么快”，他們選擇的探頭帶寬不足或者言過其實(shí)，因此他們選擇的探頭沒有足夠的上升時(shí)間功能。

看一下圖5所示的紋波測(cè)量。通道2上所示的藍(lán)色軌跡是使用P2220探頭在1X衰減設(shè)置下捕獲的。在1X衰減設(shè)置下，P2220提供了6MHz的帶寬，上升時(shí)間指標(biāo)<50ns。許多進(jìn)行“電源”測(cè)量的用戶認(rèn)為6MHz已經(jīng)足夠快，因?yàn)?MHz在低于1MHz的開關(guān)頻率上進(jìn)行測(cè)量時(shí)帶寬已遠(yuǎn)遠(yuǎn)足夠。我們作為測(cè)量系統(tǒng)的一部分使用P2220探頭，圖5中檢定的紋波特點(diǎn)表現(xiàn)得非常好。但是，使用低衰減、高帶寬探頭(TPP0502)在通道1上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)得到完全不同的結(jié)果。P2220帶寬低，掩蓋了高頻率信號(hào)成分。高亮度區(qū)域中的黃色軌跡顯示了50mV的振鈴。相比之下，使用P2220捕獲的信號(hào)只顯示了約5mV的振鈴。

圖5：使用低帶寬無源探頭和高帶寬無源探頭捕獲的快速邊沿速率信號(hào)。

哪些探頭適合進(jìn)行低壓測(cè)量？

進(jìn)行低壓測(cè)量的最佳探頭是有源探頭或差分探頭(如泰克TDP1500差分探頭)，其可以選擇1X和10X衰減范圍。在1X設(shè)置下，這些探頭不會(huì)降低或是衰減信號(hào)，得到的測(cè)量結(jié)果SNR更高，分辨率也更高。共模抑制功能是使差分探頭成為低壓測(cè)量(如紋波)最佳選擇的功能之一。共模抑制允許探頭抑制兩個(gè)探頭輸入上共同的信號(hào)，如變壓器或開關(guān)模式可能發(fā)生的耦合。有源探頭和差分探頭一般還擁有較高的帶寬和較低的探頭負(fù)荷效應(yīng)。

泰克TPP0502提供了一種性能優(yōu)異且成本較低的備選方案。TPP0502同時(shí)擁有無源探頭的優(yōu)點(diǎn)和有源探頭的優(yōu)點(diǎn)：堅(jiān)固耐用、性能高、成本較低。除2X低衰減范圍外，TPP0502在探頭尖端提供了高帶寬(500MHz)、大動(dòng)態(tài)范圍(300V CAT II)和高輸入阻抗，主打指標(biāo)為2MΩ和12.7pF。由于500MHz帶寬，TPP0502提供的性能明顯要優(yōu)于業(yè)內(nèi)其它低衰減無源探頭，后者最大可以提供25MHz的帶寬。探頭帶寬有限會(huì)導(dǎo)致用戶漏掉可能影響被測(cè)信號(hào)的頻率成分。

紋波測(cè)量案例分析

有一名設(shè)計(jì)工程師在解決電源噪聲問題。他需要探測(cè)3.3V電源，但使用的10X探頭沒有提供足夠的靈敏度，不能看到小的紋波電壓，不能觸發(fā)波形中存在的周期性噪聲。把噪聲與紋波電壓隔開可能是一個(gè)嚴(yán)重的問題，這類測(cè)量要求低衰減探頭。看一下圖6中的波形。黃色軌跡是10X探頭，調(diào)整到每格10mV的最低垂直設(shè)置；藍(lán)色波形是2X探頭(TPP0502)。2X探頭可以調(diào)節(jié)到每格2mV的最低垂直設(shè)置。電源輸出產(chǎn)生一個(gè)3mV紋波的信號(hào)，圖中明顯可以看出為什么10X衰減探頭不能高效進(jìn)行低壓測(cè)量了。

圖6：使用2X探頭(藍(lán)色)和10X探頭(黃色)測(cè)量3.3V電源。

這名設(shè)計(jì)工程師已了解使用低衰減探頭進(jìn)行低壓測(cè)量的好處。他在評(píng)論TPP0502的易用性時(shí)寫到：&ldquo;信號(hào)AC耦合及找到到達(dá)前端的25kHz紋波易如反掌。這只探頭使用起來真是太容易了，它只需要點(diǎn)擊操作。如果使用有源探頭進(jìn)行相同的測(cè)量，則必須算出所需的偏置，然后撥入偏置值。此外，由于300V CAT II額定值，不用擔(dān)心意外觸碰電源中其中一條相鄰的高壓線。由于它擁有足夠的帶寬，還能夠看到電源中某些其它尖峰，可以更有效地濾除這些尖峰！”圖7是TPP0502探測(cè)3.3V電源節(jié)點(diǎn)的曲線。其中，示波器垂直靈敏度設(shè)置為2mV/格；輸入通道設(shè)置為AC耦合；示波器采集模式設(shè)置為單次模式。白色參考軌跡是噪聲泄漏到垂直通道中的電源，黃色軌跡是行為特點(diǎn)較好的相同信號(hào)。

圖7：使用2X衰減無源探頭測(cè)量3.3V電源。

本文小結(jié)

在進(jìn)行低壓測(cè)量時(shí)，必需評(píng)估探頭，考察探頭的衰減和輸入阻抗指標(biāo)。有源探頭或差分探頭(如TAP1500和TDP1500)是最高效的低壓測(cè)量探頭，泰克TPP0502則提供了一種經(jīng)濟(jì)的通用低衰減無源探頭，在準(zhǔn)確進(jìn)行低壓測(cè)量方面也有非常強(qiáng)的能力。