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低压测量中对示波器探头的选择

已有 485 次阅读| 2018-9-5 14:27 |系统分类:芯片设计

低压测量中对示波器探头的选择

示波器探头对测量结果的准确性以及正确性至关重要，它是连接被测电路与示波器输入端的电子部件。最简单的探头是连接被测电路与电子示波器输入端的一根导线，复杂的探头由阻容元件和有源器件组成。简单的探头没有采取屏蔽措施很容易受到外界电磁场的干扰，而且本身等效电容较大，造成被测电路的负载增加，使被测信号失真。

几乎所有示波器都标配了10X衰减无源探头，因为这种探头是在多种应用中进行测量的最佳选择。为覆盖范围最广泛的应用，通用探头的带宽一般在DC-500MHz，一般能够测量几百伏的电压。进行低压测量的用户通常会落入使用示波器标配10X探头的陷阱——最后得到的结果并不准确，因为10X无源探头在毫伏级的低压范围内并不能准确地进行测量。

在进行低压测量时，必需考虑示波器的灵敏度、探头衰减、系统噪声、探头接地、探头输入阻抗、AC耦合、探头偏置和探头带宽。

最大化示波器的垂直灵敏度

垂直灵敏度表明了示波器垂直放大器能把信号放大到多大。在大多数泰克示波器上，在没有连接探头的情况下，最灵敏的垂直设置是1mV/格。如图1所示，在连接2X探头时(通道1)，测量系统的最小垂直标度因数是2mV/格；在连接10X探头时(通道2)，最小的垂直标度因数是10mV/格。

许多泰克示波器有10个竖格。在10mV/格设置的系统中使用10X探头时，100mV信号会把屏幕填满(10mV/格×10格)。我们仍使用10mV作为低压测量实例。在使用10X衰减探头时，把示波器通道调节到最小垂直标度10mV/格，这个信号在屏幕上只跨过了1个竖格。这个实例在图2中显示为通道2上的蓝色轨迹。但是，在使用2X探头测量同样这个10mV信号时，它将跨过5个竖格，因为这条通道的垂直灵敏度可以调节到2mV/格。图2也显示了使用2X衰减进行的10mV测量，如图2上的黄色轨迹所示。

用户应一直设置“V/格”，以便信号几乎填满整个屏幕。否则，就不能更详细地查看信号，示波器数字化器便得不到全面的利用。在上面的10mV测量实例中，在连接10X衰减探头时，我们只利用了示波器数字化器十分之一的处理能力，因为信号在屏幕上只跨过了1个竖格。在2X衰减探头时，信号能够跨过5个竖格，现在利用了数字化器一半的处理能力。利用的数字化器处理能力越强，捕获的信号分辨率越高。

改善测量系统的信噪比

探头的衰减因数(即1X、10X、100X)是探头使示波器输入信号幅度降低的量。1X探头没有降低或衰减输入信号，而10X探头则会在示波器输入上把输入信号降低到信号幅度的1/10。如图3所示，输入电压到达示波器输入，除以探头的衰减因数，表示为VIN除以衰减。

探头衰减扩大了示波器的测量范围，可以测量更大幅度的信号。但是，在测量低压信号时，探头使信号衰减，然后示波器放大信号，导致信噪比下降。信噪比公式(SNR)为：

其中，Attenuation为探头的衰减因数；VNoise一般用示波器产品技术资料中的随机噪声表示。

将此处和以下两式中的“SRN”改为“SNR”

为使用公式1，必须确定VIN和VNoise。例如，如果在低压测量中为VIN分配的值为10mV，那么示波器的设置为1mV/格，而不管探头衰减是多少；又例如，示波器的随机噪声指标为150uV+8%的“V/格”设置，在1mV/格设置下，VNoise为230uV。使用这些VIN、VNoise和探头衰减值，可计算出10X探头和2X探头的SNR：

使用10X探头计算SNR：

在10mV测量中，2X探头的信噪比为21.7:1；10X探头的信噪比为4.3:1。很明显，衰减较低的探头提高了测量系统的信噪比，因此，这种探头更适合进行低压测量。

谨慎使用长地线，特别是在变压器和开关单元附近

长地线非常方便，因为用户只需连接接地一次，便可在地线范围内探测多个测试点。但是，任何一条导线都会分发电感，分发的电感会对AC信号做出反应。信号频率越高，对AC电流流动的阻碍性越大。地线的电感与探头输入电容相互作用，在某个频率上将导致振铃。下面的公式描述了振铃频率：

其中：f是振铃频率；L是探头接地解决方案引起的电感；C是探头的输入电容。

这个振铃是不可避免的，可能表现为幅度衰落的正弦曲线。在地线长度提高时，电感会提高，测得信号将在较低的频率上振铃。通过限制探头的接地长度或选择输入电容较低的探头，可以降低振铃的影响。