低壓測量中對探頭的考慮
幾乎所有示波器都標配了10X衰減無源探頭,因為這種探頭是在多種應用中進行測量的最佳選擇。為覆蓋范圍最廣泛的應用,通用探頭的帶寬一般在DC-500MHz,一般能夠測量幾百伏的電壓。進行低壓測量的用戶通常會落入使用示波器標配10X探頭的陷阱——最后得到的結(jié)果并不準確,因為10X無源探頭在毫伏級的低壓范圍內(nèi)并不能準確地進行測量。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/194165.htm在進行低壓測量時,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,最靈敏的垂直設置是1mV/格。如圖1所示,在連接2X探頭時(通道1),測量系統(tǒng)的最小垂直標度因數(shù)是2mV/格;在連接10X探頭時(通道2),最小的垂直標度因數(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個豎格。在10mV/格設置的系統(tǒng)中使用10X探頭時,100mV信號會把屏幕填滿(10mV/格×10格)。我們?nèi)允褂?0mV作為低壓測量實例。在使用10X衰減探頭時,把示波器通道調(diào)節(jié)到最小垂直標度10mV/格,這個信號在屏幕上只跨過了1個豎格。這個實例在圖2中顯示為通道2上的藍色軌跡。但是,在使用2X探頭測量同樣這個10mV信號時,它將跨過5個豎格,因為這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衰減進行的10mV測量,如圖2上的黃色軌跡所示。
圖2:探頭(CH1)和10X探頭(CH2)進行的10mV測量。
用戶應一直設置“V/格”,以便信號幾乎填滿整個屏幕。否則,就不能更詳細地查看信號,示波器數(shù)字化器便得不到全面的利用。在上面的10mV測量實例中,在連接10X衰減探頭時,我們只利用了示波器數(shù)字化器十分之一的處理能力,因為信號在屏幕上只跨過了1個豎格。在2X衰減探頭時,信號能夠跨過5個豎格,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,捕獲的信號分辨率越高。
改善測量系統(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幅度降低的量。1X探頭沒有降低或衰減輸入信號,而10X探頭則會在示波器輸入上把輸入信號降低到信號幅度的1/10。如圖3所示,輸入電壓到達示波器輸入,除以探頭的衰減因數(shù),表示為VIN除以衰減。
圖3:輸入信號、探頭衰減和隨機噪聲。
探頭衰減擴大了示波器的測量范圍,可以測量更大幅度的信號。但是,在測量低壓信號時,探頭使信號衰減,然后示波器放大信號,導致信噪比下降。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)品技術資料中的隨機噪聲表示。
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,如果在低壓測量中為VIN分配的值為10mV,那么示波器的設置為1mV/格,而不管探頭衰減是多少;又例如,示波器的隨機噪聲指標為150uV+8%的“V/格”設置,在1mV/格設置下,VNoise為230uV。使用這些VIN、VNoise和探頭衰減值,可計算出10X探頭和2X探頭的SNR:
使用10X探頭計算SNR:
使用2X探頭計算SNR:
在10mV測量中,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量系統(tǒng)的信噪比,因此,這種探頭更適合進行低壓測量。
謹慎使用長地線,特別是在變壓器和開關單元附近
長地線非常方便,因為用戶只需連接接地一次,便可在地線范圍內(nèi)探測多個測試點。但是,任何一條導線都會分發(fā)電感,分發(fā)的電感會對AC信號做出反應。信號頻率越高,對AC電流流動的阻礙性越大。地線的電感與探頭輸入電容相互作用,在某個頻率上將導致振鈴。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,電感會提高,測得信號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,便能把電感振鈴推過關心的頻率范圍。
圖4:安裝在機箱上的測試插座。
電感量最低、同時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箱上的測試插座(泰克部件編號131-4210-00),如圖4右側(cè)所示。插座可以插入用戶的測試電路板中,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??s短地線長度還有一個好處,就是減少受到變壓器和開關器件附近的放射性輻射。如果要求較長的地線,那么用戶應注意,不要把地線放在變壓器或者開關器件附近。
使用高輸入阻抗的探頭
在把探頭插入電路時,探頭會對被測電路產(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量點上,那么,它會改變電路的特點。用戶應該了解探頭的輸入阻抗指標,以使探頭負荷的影響達到最小。
電阻單元、電感單元和電容單元相互影響,產(chǎn)生隨信號頻率變化的總探頭阻抗。為使探頭負荷達到最小,用戶應使用最短的地線,以最大限度地降低電感,同時還應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。另一個選項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上進行低壓測量。上面公式2所示的振鈴頻率也說明了這種關系,其表現(xiàn)為頻率、電感和探頭輸入電容之間的關系。
使用示波器的AC耦合功能,或調(diào)節(jié)探頭偏置
一個測量挑戰(zhàn)是測量位于DC信號頂部的低壓AC信號。有多種選項可以幫助用戶把重點放在信號的AC部分。在使用有源探頭時,用戶應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。通過去掉信號的DC成分,用戶現(xiàn)在可以準確地評估和測量信號的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自動生成內(nèi)部偏置,抵消信號的DC成分。
在使用低衰減無源探頭觀察這些類型的AC信號時,用戶應使用示波器上的AC耦合功能封鎖DC成分,只顯示AC信號。例如,通過在示波器信號路徑上啟用AC耦合并使用TPP0502,工程師可以評估信號的AC成分,最高分辨率可以達到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行這類測量的,因為測量系統(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,經(jīng)驗法則是:探頭帶寬應該是被測信號帶寬的五倍。在評估簡單的信號(如正弦波)和檢定頻域中發(fā)生的事件時,帶寬是一個有效的指標。但是,大多數(shù)信號是復雜信號,包含許多頻譜成分,頻率值可能要比基礎頻率高出幾個數(shù)量級。對隨時間迅速變化、擁有快速轉(zhuǎn)換速率(dv/dt)的信號,測量系統(tǒng)必須能夠捕獲這些事件隨時間的變化,必須能夠準確檢定時域中發(fā)生的情況。上升時間是確定測量系統(tǒng)隨時間變化效果的指標。在考慮測量系統(tǒng)評估上升沿和下降沿及捕獲高階諧波的能力時,上升時間是一個重要指標。許多時候,用戶得出的結(jié)論是,由于信號“沒那么快”,他們選擇的探頭帶寬不足或者言過其實,因此他們選擇的探頭沒有足夠的上升時間功能。
看一下圖5所示的紋波測量。通道2上所示的藍色軌跡是使用P2220探頭在1X衰減設置下捕獲的。在1X衰減設置下,P2220提供了6MHz的帶寬,上升時間指標50ns。許多進行“電源”測量的用戶認為6MHz已經(jīng)足夠快,因為6MHz在低于1MHz的開關頻率上進行測量時帶寬已遠遠足夠。我們作為測量系統(tǒng)的一部分使用P2220探頭,圖5中檢定的紋波特點表現(xiàn)得非常好。但是,使用低衰減、高帶寬探頭(TPP0502)在通道1上進行測量時,會得到完全不同的結(jié)果。P2220帶寬低,掩蓋了高頻率信號成分。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。
哪些探頭適合進行低壓測量?
進行低壓測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設置下,這些探頭不會降低或是衰減信號,得到的測量結(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探頭輸入上共同的信號,如變壓器或開關模式可能發(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荷效應。
泰克TPP0502提供了一種性能優(yōu)異且成本較低的備選方案。TPP0502同時擁有無源探頭的優(yōu)點和有源探頭的優(yōu)點:堅固耐用、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)、大動態(tài)范圍(300V CAT II)和高輸入阻抗,主打指標為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。探頭帶寬有限會導致用戶漏掉可能影響被測信號的頻率成分。
紋波測量案例分析
有一名設計工程師在解決電源噪聲問題。他需要探測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嚴重的問題,這類測量要求低衰減探頭??匆幌聢D6中的波形。黃色軌跡是10X探頭,調(diào)整到每格10mV的最低垂直設置;藍色波形是2X探頭(TPP0502)。2X探頭可以調(diào)節(jié)到每格2mV的最低垂直設置。電源輸出產(chǎn)生一個3mV紋波的信號,圖中明顯可以看出為什么10X衰減探頭不能高效進行低壓測量了。
圖6:使用2X探頭(藍色)和10X探頭(黃色)測量3.3V電源。
這名設計工程師已了解使用低衰減探頭進行低壓測量的好處。他在評論TPP0502的易用性時寫到:“信號AC耦合及找到到達前端的25kHz紋波易如反掌。這只探頭使用起來真是太容易了,它只需要點擊操作。如果使用有源探頭進行相同的測量,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3.3V電源節(jié)點的曲線。其中,示波器垂直靈敏度設置為2mV/格;輸入通道設置為AC耦合;示波器采集模式設置為單次模式。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較好的相同信號。
圖7:使用2X衰減無源探頭測量3.3V電源。
本文小結(jié)
在進行低壓測量時,必需評估探頭,考察探頭的衰減和輸入阻抗指標。有源探頭或差分探頭(如TAP1500和TDP1500)是最高效的低壓測量探頭,泰克TPP0502則提供了一種經(jīng)濟的通用低衰減無源探頭,在準確進行低壓測量方面也有非常強的能力。
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