示波器探頭如何測(cè)量低幅度信號(hào)

測(cè)量低幅度信號(hào)提出了一套獨(dú)特的挑戰(zhàn)。最主要的挑戰(zhàn)是噪聲和足夠的測(cè)量靈敏度問(wèn)題。

降低噪聲

在測(cè)量幾百毫伏以上的信號(hào)時(shí)可以忽略不計(jì)的環(huán)境噪聲，在測(cè)量幾十毫伏以下的信號(hào)時(shí)不能再忽略不計(jì)。結(jié)果，為降低測(cè)量系統(tǒng)撿拾的噪聲，必需最大限度地減少接地環(huán)路，并使地線盡可能短。在極限情況下，可能必需使用電源線濾波器和屏蔽室，以對(duì)幅度非常低的信號(hào)進(jìn)行無(wú)噪聲測(cè)量。

但是，在進(jìn)入極端條件前，應(yīng)考慮把信號(hào)平均作為解決噪聲問(wèn)題的一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的解決方案。如果試圖測(cè)量的信號(hào)是重復(fù)的，試圖消除的噪聲是隨機(jī)的，信號(hào)平均可以有效改善采集的信號(hào)的SNR(信噪比)。圖6.12說(shuō)明了其中一個(gè)實(shí)例。

6.12.a和圖6.12b.通過(guò)信號(hào)平均(b)可以清潔有噪聲的信號(hào)(a)

信號(hào)平均是大多數(shù)數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)標(biāo)準(zhǔn)配備的功能。其工作方式是對(duì)多次采集的重復(fù)波形求和，然后從多次采集中計(jì)算得出平均波形。由于隨機(jī)噪聲的長(zhǎng)期平均值為零，因此信號(hào)平均過(guò)程降低了重復(fù)信號(hào)上的隨機(jī)噪聲。改進(jìn)的程度用SNR表示。在理想情況下，信號(hào)平均功能每?jī)纱纹骄墓β蕰?huì)使SNR改進(jìn)3dB。因此，平均兩次波形采集(21)可以使SNR改進(jìn)3dB，平均四次波形采集(22)可以使SNR改進(jìn)6dB，平均八次(23)可以使SNR改進(jìn)9dB，依此類推。

提高測(cè)量靈敏度

示波器的測(cè)量靈敏度是其輸入電路的函數(shù)。輸入電路放大或衰減輸入信號(hào)，以便在示波器屏幕上以校準(zhǔn)的幅度顯示信號(hào)?？梢酝ㄟ^(guò)示波器的垂直靈敏度設(shè)置，選擇顯示信號(hào)所需的放大或衰減量，垂直靈敏度設(shè)置以每格伏數(shù)(V/div)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為顯示和測(cè)量小信號(hào)，示波器輸入必須有足夠增益或靈敏度，至少要提高幾格的信號(hào)顯示高度。例如，為兩格高顯示20mV峰峰值信號(hào)，示波器要求10mV/格的垂直靈敏度。同樣為兩格顯示10mV信號(hào),需要以更高的靈敏度設(shè)置5mV/格。注意，每格伏數(shù)設(shè)置低會(huì)導(dǎo)致靈敏度高，反之亦然。

測(cè)量小信號(hào)除要求充足的示波器靈敏度外，還需要充足的探頭。一般來(lái)說(shuō)，這不是大多數(shù)示波器作為標(biāo)準(zhǔn)附件提供的普通探頭。標(biāo)準(zhǔn)配套探頭通常是10X探頭，它以系數(shù)10降低示波器靈敏度。換句話說(shuō)，在使用10X探頭時(shí)，5mV/格示波器設(shè)置會(huì)變成50mV/格。結(jié)果，為使示波器保持最高的信號(hào)測(cè)量靈敏度，必需使用非衰減的1X探頭。

但是，要注意1X無(wú)源探頭的帶寬較低，輸入阻抗較低，頭部電容一般較高。因此您要額外注意測(cè)量的小信號(hào)的帶寬限制及探頭可能導(dǎo)致的信號(hào)源負(fù)荷。如果任何一項(xiàng)表明出現(xiàn)問(wèn)題，那么較好的方法是利用1X有源探頭提供高得多

的帶寬和低得多的負(fù)荷。

在小信號(hào)幅度低于示波器的靈敏度范圍的情況下，必需使用某種形式的前置放大技術(shù)。由于非常小的信號(hào)很容易受到噪聲影響，因此通常使用差分前置放大技術(shù)。差分前置放大技術(shù)通過(guò)共模抑制，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了抗噪聲能力，另外它可以放大小信號(hào)，從而使其落在示波器的靈敏度范圍內(nèi)。

在使用為示波器設(shè)計(jì)的差分前置放大器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)10μV/格等級(jí)的靈敏度。這些專門(mén)設(shè)計(jì)的前置放大器擁有相應(yīng)的功能，允許在最小5μV的信號(hào)上進(jìn)行可用的示波器測(cè)量，甚至可以在噪聲高的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量！

但要記住，全面利用差分放大器要求使用一套匹配的優(yōu)質(zhì)無(wú)源探頭。未能使用匹配的探頭會(huì)損害差分前置放大器的共模噪聲抑制功能。

另外，在需要進(jìn)行單端測(cè)量、而不是差分測(cè)量的情況下，負(fù)信號(hào)探頭可以連接到測(cè)試電路接地上。這在本質(zhì)上是在信號(hào)線和信號(hào)接地之間進(jìn)行的一種差分測(cè)量。但在這樣做時(shí)，會(huì)喪失共模噪聲抑制功能，因?yàn)樾盘?hào)線和接地沒(méi)有共同的噪聲。

最后要注意，一直要遵守制造商推薦的連接和使用所有探頭和探頭放大器的程序。特別是在使用有源探頭時(shí)，要特別注意可能會(huì)損壞對(duì)電壓靈敏的探頭器件的過(guò)壓?jiǎn)栴}。