低压测量中对探头的考虑

  几百伏的电压。进行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

  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。

  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能调节到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解决能力，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解决能力。利用的数字化器解决能力越强，捕获的信号分辨率越高。

  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，可以测量更加大的幅度的信号。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。

  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。使用这一些VIN、VNoise和探头衰减值，可计算出10X探头和2X探头的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。

  长地线十分便捷，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信号做出一定的反应。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，能够更好的降低振铃的影响。

  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左侧显示了采用短接地弹簧的探头图片。利用短接地弹簧，电感降低，C值下降，便能把电感振铃推过关心的频率范围。

  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。

  地线还可当作衰减器或环路，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。

  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，能想象，如果电阻器、电容器或电感器在测量点上，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。

  一个测量挑战是测量位于DC信号顶部的低压AC信号。有多种选项能够在一定程度上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能使用探头偏置，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，最高分辨率能够达到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。

  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，测量系统一定要能捕获这些事件随时间的变化，一定要能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只有少数的上升时间功能。

  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”测量的用户觉得6MHz已经足够快，因为6MHz在低于1MHz的开关频率上做测量时带宽已远远足够。我们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上做测量时，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。

  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)，其可以再一次进行选择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有几率发生的耦合。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2M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，后者最大能够给大家提供25MHz的带宽。探头带宽有限会使用户漏掉可能会影响被测信号的频率成分。

  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探头能调节到每格2mV的最低垂直设置。电源输出产生一个3mV纹波的信号，图中明显能够准确的看出为什么10X衰减探头不能高效进行低压测量了。

  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。这只探头用起来真是太容易了，它只要点击操作。若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，不需要过多的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，还能清楚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。

  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。