如何提高示波器探測(cè)能力

探測(cè)技術(shù)對(duì)高品質(zhì)的示波器測(cè)量來說，是非常重要的 —— 而探頭通常是示波器測(cè)量鏈中的第一環(huán)。如果探頭的性能不足，就會(huì)在示波器上看到失真訊號(hào)或誤導(dǎo)訊號(hào)，為測(cè)試應(yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)奶筋^是執(zhí)行可靠測(cè)量的第一步。

如何使用探頭，也會(huì)影響執(zhí)行精確測(cè)量的能力，影響獲得有用的測(cè)量結(jié)果。下面PRBTEK幫助工程師為自己的應(yīng)用選擇適當(dāng)探頭，提高示波器探測(cè)能力，并避免最常見的探測(cè)陷阱。

一、選擇被動(dòng)或主動(dòng)探頭

對(duì)于低于600MHz的中低頻測(cè)量來說，被動(dòng)高阻抗探頭是很好的選擇。這些探頭堅(jiān)固耐用且價(jià)格經(jīng)濟(jì)，具有大于300V的寬動(dòng)態(tài)范圍和高輸入阻抗，因此可與示波器的輸入阻抗相匹配。不過，和低阻抗被動(dòng)探頭或主動(dòng)探頭相比，被動(dòng)探頭具有更高的電容負(fù)載，而且頻寬較低。總之，對(duì)于絕大多數(shù)類比或數(shù)位電路的通用除錯(cuò)和故障診斷來說，高阻抗被動(dòng)探頭都是一個(gè)極好的選擇。

在寬頻范圍上(大于600MHz)需要執(zhí)行精確測(cè)量的高頻應(yīng)用來說，最好選用主動(dòng)探頭。主動(dòng)探頭比被動(dòng)探頭價(jià)格較高，并且其輸入電壓有限，但是它們的電容負(fù)載顯著降低，因而能更精確地觀察快速訊號(hào)。

二、使用雙探頭檢查探頭負(fù)載

探測(cè)電路之前，先將一個(gè)探針連接到電路上的一點(diǎn)，然后再將第二個(gè)探頭連接到同一點(diǎn)。在理想狀況下，會(huì)看到訊號(hào)無任何變化。如果訊號(hào)產(chǎn)生變化，這個(gè)變化是由探頭負(fù)載引起的。

在理想狀況下，示波器采用無擾線(具有無限的輸入電阻、零電容和零電感)連接到待測(cè)電路，它能對(duì)待測(cè)訊號(hào)執(zhí)行精確復(fù)制。但在現(xiàn)實(shí)世界中，探頭是測(cè)量的一部分，它會(huì)向電路載入負(fù)載。

如欲檢查探頭的負(fù)載效應(yīng)，首先要將探頭連接到待測(cè)電路或一個(gè)已知的步進(jìn)訊號(hào)，另一端連接到示波器的輸入端。在示波器顯示幕上觀察此軌跡，然后保存，再在顯示幕上調(diào)用以使跡線保留在顯示幕上執(zhí)行比較。之后可將相同類型的另一個(gè)探頭連接到同一探測(cè)點(diǎn)，觀察在使用兩個(gè)探頭執(zhí)行探測(cè)時(shí)原始跡線有何變化。為了更隹執(zhí)行探測(cè)，可能需要對(duì)探測(cè)執(zhí)行調(diào)整，或者使用較低負(fù)載的探頭。

三、使用前的探頭補(bǔ)償

大多數(shù)探頭在設(shè)計(jì)時(shí)，都和特定示波器型號(hào)的輸入相匹配。不過，各個(gè)示波器之間也是略有差別，甚至在同一示波器的不同輸入通道之間也有差別。所以在將探頭連接到示波器的輸入端之前，一定要確保首先檢查探頭補(bǔ)償，因?yàn)榇颂筋^先前可能已經(jīng)過調(diào)整，以便和不同的輸入相匹配。

為了解決這個(gè)問題，大多數(shù)被動(dòng)探頭都采用內(nèi)建補(bǔ)償RC分壓器網(wǎng)路。探頭補(bǔ)償是調(diào)整RC分壓器的過程，以使探頭維持在額定頻寬上的衰減率。

如果示波器能夠自動(dòng)補(bǔ)償探頭性能，使用該功能將會(huì)非常有用。否則，可使用手動(dòng)補(bǔ)償來調(diào)整探頭的可變電容。大多數(shù)示波器在前置面板上都可提供方波叁考訊號(hào)以對(duì)探頭提供補(bǔ)償。

四、低電流測(cè)量秘訣

隨著當(dāng)前電池供電設(shè)備和積體電路變得越來越注重環(huán)保和高效能，工程師迫切需要高靈敏度的低電平電流測(cè)量能力，以確保電流消耗處于可接受的范圍之內(nèi)。需要精確測(cè)量功耗的主要應(yīng)用，是無線行動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)類電子產(chǎn)品等使用電池供電的應(yīng)用。

為了盡量延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，工程師需要最大限度降低產(chǎn)品在整個(gè)使用壽命中的功耗。功率定義為P=V×I。降低設(shè)備功耗的主要方法是在電源電壓固定不變的情況下，減少設(shè)備的平均電流消耗。

測(cè)量由電池供電的行動(dòng)設(shè)備的電流消耗，最主要的挑戰(zhàn)是電流訊號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍非常寬。行動(dòng)設(shè)備通常需要在活動(dòng)狀態(tài)，與閑置或待機(jī)電流模式之間來回切換?？墒?，這種方法并不適合測(cè)量從不到1毫安培快速變到幾安培的小電流， 因?yàn)殂Q形電流探頭的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度都非常有限，僅有幾毫安培。而且，為獲得更精確的測(cè)量，工程師必須不定期地對(duì)探頭執(zhí)行消磁處理，以消除探頭核心的殘馀磁性，并補(bǔ)償鉗形電流探頭的直流偏置。

五、使用差動(dòng)探頭執(zhí)行安全浮動(dòng)點(diǎn)測(cè)量

示波器使用者經(jīng)常需要執(zhí)行浮動(dòng)點(diǎn)測(cè)量。在這種測(cè)量中，任何測(cè)量點(diǎn)都不能潛在接地。在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)示波器測(cè)量時(shí)，探頭連接到訊號(hào)點(diǎn)，探針接地引線連接到電路接地，此時(shí)，示波器實(shí)際測(cè)量的是測(cè)試點(diǎn)和接地之間的訊號(hào)差。

大多數(shù)示波器都將其訊號(hào)接地終端(或BNC介面的外殼)連接至防護(hù)接地系統(tǒng)。此舉可使示波器上的所有訊號(hào)均有一個(gè)共同的連接點(diǎn)?；旧希惺静ㄆ鳒y(cè)量都是相對(duì)于「接地」來說的。

本質(zhì)上，將接地連接器連接到任何一個(gè)浮動(dòng)點(diǎn)都可使探測(cè)點(diǎn)接地，這常常造成尖峰或電路故障。那么應(yīng)如何應(yīng)對(duì)這種浮動(dòng)點(diǎn)測(cè)量問題呢，目前執(zhí)行浮動(dòng)點(diǎn)測(cè)量有一個(gè)很流行，但卻不太可取的解決方案，那就是AB技術(shù)，它使用兩個(gè)單端探頭和示波器的運(yùn)算函數(shù)來執(zhí)行浮動(dòng)點(diǎn)測(cè)量。

六、共模抑制可能會(huì)影響測(cè)量品質(zhì)

探測(cè)時(shí)最易產(chǎn)生誤解的問題之一，是共模抑制可能會(huì)影響測(cè)量品質(zhì)。無論是單端探頭還是差動(dòng)探頭，將兩個(gè)探針均連接到待測(cè)物的接地，然后觀察螢?zāi)簧鲜欠裼腥魏斡嵦?hào)顯示都是值得的。

如有訊號(hào)顯示，該訊號(hào)顯示的就是由于缺少共模抑制而引起的訊號(hào)受影響程度。測(cè)量由源頭而非訊號(hào)造成的共模雜訊電流，可從待測(cè)物的接地流經(jīng)探頭接地，直至探頭電纜遮罩。共模噪音源可能在待測(cè)物內(nèi)部，也可能在其外部，例如電源線雜訊、EMI或ESD電流。單端探頭的長(zhǎng)接地引線可能會(huì)使該問題變得非常明顯。單端探頭常常會(huì)遭到缺少共模抑制的影響。差動(dòng)主動(dòng)探頭則可提供更高的共模抑制比，通常可高達(dá)80dB(10000:1)。

七、檢查探頭耦合

在將探頭連接至訊號(hào)時(shí)，用手抓住探頭電纜并繞圈移動(dòng)。如果螢?zāi)簧系牟ㄐ伟l(fā)生嚴(yán)重改變，那就說明能量就已耦合到探頭遮罩，產(chǎn)生了這個(gè)改變。透過使用探頭電纜上的磁芯來降低電纜遮罩的共模雜訊電流，可能有助于提高探測(cè)精準(zhǔn)度。探頭電纜上的磁芯會(huì)生成一系列的阻抗與導(dǎo)體中的電阻并聯(lián)。增加探頭電纜的磁芯對(duì)訊號(hào)幾乎沒什么影響，因?yàn)橛嵦?hào)通過中心導(dǎo)體的核心并沿著遮罩的核心返回，致使沒有凈訊號(hào)電流經(jīng)過核心。

因此，電纜磁芯的位置非常重要。為方便起見，可嘗試著將磁芯安裝在示波器一端。這將使探頭變得更輕、更易於操作。不過，在將磁芯安裝到電纜的探頭介面端時(shí)，磁芯的有效性將會(huì)大大降低。減少單端探頭接地引線的長(zhǎng)度將會(huì)有 一定的幫助作用，轉(zhuǎn)而采用差動(dòng)探頭是最有效的措施。很多用戶都不能理解探頭電纜環(huán)境的改變會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的改變，尤其是在執(zhí)行高頻測(cè)量時(shí)，它會(huì)造成測(cè)量可重復(fù)性和測(cè)量品質(zhì)的下降。

八、阻尼諧振

探頭性能受到探頭連接的高度影響。由于設(shè)計(jì)中訊號(hào)速度的提升，因此在連接示波器探頭時(shí)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)更多過沖、振蕩和其他擾動(dòng)。探頭會(huì)在與元件的連接位置形成一個(gè)諧振電路。如果諧振位于示波器探頭頻寬內(nèi)，確定測(cè)量擾動(dòng)源于電路或是探頭將變得十分困難。

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審核編輯：湯梓紅