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低压测量中对探头的考虑

来源:    编辑:    发布时间:2021-02-05 07:17:48    浏览量:

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。

图1:2X探头(CH1)和10X探头(CH2)最低的系统垂直分辨率。

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)。

大家仍使用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。

图2:探头(CH1)和10X探头(CH2)进行的10mV测量。

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,大家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。

图3:输入信号、探头衰减和随机噪声。

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:

使用2X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。

改善振铃频率的一个简单的解决方案是使用一条较短的地线,如短接地弹簧。

图4左侧显示了采用短接地弹簧的探头图片。

通过使用短接地弹簧,电感降低,C值下降,便能把电感振铃推过关心的频率范围。

图4:安装在机箱上的测试插座。

电感量最低、同时又能获得安全接地连接的接地解决方案,是安装在探头尖端机箱上的测试插座(泰克部件编号131-4210-00),如图4右侧所示。

插座可以插入用户的测试电路板中,把地线长度缩短到接近于零。

地线还可以作为衰减器或环路,引起电容和磁性耦合效应。

缩短地线长度还有一个好处,就是减少受到变压器和开关器件附近的放射性辐射。

如果要求较长的地线,那么用户应注意,不要把地线放在变压器或者开关器件附近。

使用高输入阻抗的探头

在把探头插入电路时,探头会对被测电路产生一定的影响。

探头拥有电阻单元、电感单元和电容单元,可以想象,如果电阻器、电容器或电感器被插在测量点上,那么,它会改变电路的特点。

用户应该了解探头的输入阻抗指标,以使探头负荷的影响达到最小。

电阻单元、电感单元和电容单元相互影响,产生随信号频率变化的总探头阻抗。

为使探头负荷达到最小,用户应使用最短的地线,以最大限度地降低电感,同时还应使用低输入电容的探头。

有源探头或差分探头将提供最低的输入电容。

另一个选项可能是低输入电容无源探头(如TPP0502),这是业内唯一的低衰减、高带宽、高阻抗无源探头,适合在拥有高频率成分的信号上进行低压测量。

上面公式2所示的振铃频率也说明了这种关系,其表现为频率、电感和探头输入电容之间的关系。

使用示波器的AC耦合功能,或调节探头偏置

一个测量挑战是测量位于DC信号顶部的低压AC信号。

有多种选项可以帮助用户把重点放在信号的AC部分。

在使用有源探头时,用户应使用探头的偏置控制功能——可以使用探头偏置,去掉探头放大器中的DC成分。

通过去掉信号的DC成分,用户现在可以准确地评估和测量信号的AC成分。

在部分差分探头上,泰克提供了一种称为DC抑制(DC Reject)的功能。

DC Reject自动生成内部偏置,抵消信号的DC成分。

在使用低衰减无源探头观察这些类型的AC信号时,用户应使用示波器上的AC耦合功能封锁DC成分,只显示AC信号。

例如,通过在示波器信号路径上启用AC耦合并使用TPP0502,工程师可以评估信号的AC成分,最高分辨率可以达到2mV。

这种方法允许用户分离出AC成分,而又不必增加DC偏置。

在某些情况下,使用有源探头是不可能进行这类测量的,因为测量系统的偏置范围有限,或者探头的放大器不能容忍大的DC输入。

使用拥有充足带宽的探头

在选择拥有足够带宽的探头时,经验法则是:探头带宽应该是被测信号带宽的五倍。

在评估简单的信号(如正弦波)和检定频域中发生的事件时,带宽是一个有效的指标。

但是,大多数信号是复杂信号,包含许多频谱成分,频率值可能要比基础频率高出几个数量级。

对随时间迅速变化、拥有快速转换速率(dv/dt)的信号,测量系统必须能够捕获这些事件随时间的变化,必须能够准确检定时域中发生的情况。

上升时间是确定测量系统随时间变化效果的指标。

在考虑测量系统评估上升沿和下降沿及捕获高阶谐波的能力时,上升时间是一个重要指标。

许多时候,用户得出的结论是,由于信号“没那么快”,他们选择的探头带宽不足或者言过其实,因此他们选择的探头没有足够的上升时间功能。

看一下图5所示的纹波测量。

通道2上所示的蓝色轨迹是使用P2220探头在1X衰减设置下捕获的。

在1X衰减设置下,P2220提供了6MHz的带宽,上升时间指标<50ns。

许多进行“电源”测量的用户认为6MHz已经足够快,因为6MHz在低于1MHz的开关频率上进行测量时带宽已远远足够。

大家作为测量系统的一部分使用P2220探头,图5中检定的纹波特点表现得非常好。

但是,使用低衰减、高带宽探头(TPP0502)在通道1上进行测量时,会得到完全不同的结果。

P2220带宽低,掩盖了高频率信号成分。

高亮度区域中的黄色轨迹显示了50mV的振铃。

相比之下,使用P2220捕获的信号只显示了约5mV的振铃。

图5:使用低带宽无源探头和高带宽无源探头捕获的快速边沿速率信号。

哪些探头适合进行低压测量?

进行低压测量的最佳探头是有源探头或差分探头(如泰克TDP1500差分探头),其可以选择1X和10X衰减范围。

在1X设置下,这些探头不会降低或是衰减信号,得到的测量结果SNR更高,分辨率也更高。

共模抑制功能是使差分探头成为低压测量(如纹波)最佳选择的功能之一。

共模抑制允许探头抑制两个探头输入上共同的信号,如变压器或开关模式可能发生的耦合。

有源探头和差分探头一般还拥有较高的带宽和较低的探头负荷效应。

泰克TPP0502提供了一种性能优异且成本较低的备选方案。

TPP0502同时拥有无源探头的优点和有源探头的优点:坚固耐用、性能高、成本较低。

除2X低衰减范围外,TPP0502在探头尖端提供了高带宽(500MHz)、大动态范围(300V CAT II)和高输入阻抗,主打指标为2MΩ和12.7pF。

由于500MHz带宽,TPP0502提供的性能明显要优于业内其它低衰减无源探头,后者最大可以提供25MHz的带宽。

探头带宽有限会导致用户漏掉可能影响被测信号的频率成分。

纹波测量案例分析

有一名设计工程师在解决电源噪声问题。

他需要探测3.3V电源,但使用的10X探头没有提供足够的灵敏度,不能看到小的纹波电压,不能触发波形中存在的周期性噪声。

把噪声与纹波电压隔开可能是一个严重的问题,这类测量要求低衰减探头。

看一下图6中的波形。

黄色轨迹是10X探头,调整到每格10mV的最低垂直设置;蓝色波形是2X探头(TPP0502)。

2X探头可以调节到每格2mV的最低垂直设置。

电源输出产生一个3mV纹波的信号,图中明显可以看出为什么10X衰减探头不能高效进行低压测量了。

图6:使用2X探头(蓝色)和10X探头(黄色)测量3.3V电源。

这名设计工程师已了解使用低衰减探头进行低压测量的好处。

他在评论TPP0502的易用性时写到:“信号AC耦合及找到到达前端的25kHz纹波易如反掌。

这只探头使用起来真是太容易了,它只需要点击操作。

如果使用有源探头进行相同的测量,则必须算出所需的偏置,然后拨入偏置值。

此外,由于300V CAT II额定值,不用担心意外触碰电源中其中一条相邻的高压线。

由于它拥有足够的带宽,还能够看到电源中某些其它尖峰,可以更有效地滤除这些尖峰!”图7是TPP0502探测3.3V电源节点的曲线。

其中,示波器垂直灵敏度设置为2mV/格;输入通道设置为AC耦合;示波器采集模式设置为单次模式。

白色参考轨迹是噪声泄漏到垂直通道中的电源,黄色轨迹是行为特点较好的相同信号。

图7:使用2X衰减无源探头测量3.3V电源。

本文小结

在进行低压测量时,必需评估探头,考察探头的衰减和输入阻抗指标。

有源探头或差分探头(如TAP1500和TDP1500)是最高效的低压测量探头,泰克TPP0502则提供了一种经济的通用低衰减无源探头,在准确进行低压测量方面也有非常强的能力。

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