低功耗測(cè)量在許多線路供電和電池供電的應(yīng)用中變得越來越重要，然而許多工程師和技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)很難精確地進(jìn)行這些測(cè)量。雖然大多數(shù)功率測(cè)量只是由設(shè)備電壓和流過設(shè)備的電流的數(shù)學(xué)乘積組成，但良好的低功率測(cè)量需要對(duì)示波器有詳細(xì)的了解并進(jìn)行探測(cè)。

本技術(shù)簡(jiǎn)報(bào)回顧了電壓探頭、電流探頭和示波器的一些基本性能取舍，然后用幾個(gè)實(shí)際例子來總結(jié)。

圖一。差分信號(hào)可以(a)在示波器中使用教學(xué)，或(b)優(yōu)選使用差分探頭來測(cè)量。

優(yōu)化電壓探測(cè)

用示波器進(jìn)行的大多數(shù)測(cè)量都使用電壓探頭，而且大多數(shù)用戶都做過很多這樣的測(cè)量，那么探頭的哪些特性對(duì)于進(jìn)行好的低功耗測(cè)量是至關(guān)重要的呢?下面是一個(gè)簡(jiǎn)短的檢查清單：

首先，請(qǐng)記住，所有的電壓測(cè)量都是微分的--測(cè)量的電壓總是相對(duì)于參考電壓來進(jìn)行的。示波器所提供的典型被動(dòng)探頭具有一個(gè)黑色的“接地引線”，該“接地導(dǎo)線”與示波器的接地電連接，并應(yīng)與被測(cè)設(shè)備中的接地測(cè)試點(diǎn)連接這種連接可以為許多大信號(hào)測(cè)量提供足夠的性能，但通常不會(huì)很好地適用于低電平信號(hào)，因?yàn)椤敖拥亍钡碾娢粠缀跤肋h(yuǎn)不會(huì)與示波器的接地電位完全相同(因?yàn)榻拥剡B接之間的非零阻抗中存在接地電流)。當(dāng)測(cè)量相對(duì)于除地以外的參考點(diǎn)的電壓時(shí)，不能使用標(biāo)準(zhǔn)電壓探頭。

是否可以使用一對(duì)被動(dòng)探頭來準(zhǔn)確地進(jìn)行這種非地基差壓測(cè)量，如圖1a所示?為什么不測(cè)量?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓，然后在示波器中計(jì)算電壓差呢?只有當(dāng)探頭和示波器通道非常匹配(增益、偏移、延遲和頻率響應(yīng))時(shí)，這種方法才能提供良好的測(cè)量結(jié)果。此方法也不能提供很好的共模拒絕(將兩個(gè)輸入共用的信號(hào)的任何交流或直流部分消除)。而且，如果這兩個(gè)信號(hào)沒有位于顯示器上，這項(xiàng)技術(shù)可能不起作用，因?yàn)槟^度驅(qū)動(dòng)示波器的輸入。

另一個(gè)可以考慮的選擇是“浮動(dòng)”示波器，如泰克TPS2000或THS3000系列。這些示波器的每個(gè)通道都與機(jī)箱地面電隔離，當(dāng)示波器由其電池供電時(shí)，從示波器機(jī)箱到地面的寄生電容也非常低。總之，浮動(dòng)示波器的這些隔離特性允許用戶使用標(biāo)準(zhǔn)被動(dòng)探頭進(jìn)行差分測(cè)量。該技術(shù)可以通過將振蕩器電源與嘈雜的地面環(huán)境隔離而特別有用

為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)示波器的最佳測(cè)量質(zhì)量和易用性，強(qiáng)烈建議使用有源差動(dòng)探頭(如TektronixTDP1500或TDP1000)進(jìn)行毫伏級(jí)差動(dòng)電壓測(cè)量，如圖1b所示。對(duì)于微伏級(jí)的差分電壓測(cè)量，差分前置放大器(如TektronixADA400A)是最佳解決方案。

圖2所示。典型無源探頭輸入阻抗的簡(jiǎn)化模型。

其次，考慮探頭的阻抗或負(fù)載將對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生的影響，如圖2所示。理想情況下，探針尖端的阻抗在所有頻率下都是無限大的。在實(shí)際應(yīng)用中，輸入電阻通常在MegOhm范圍內(nèi)，但輸入容抗XC為:

XC = 1 / (2 * PI * f * C)

其中f是赫茲的頻率，C是法拉的電容

所以一個(gè)1pF電容在1GHz的阻抗只有160歐姆!(Some更高性能的探頭包括一些與輸入電容串聯(lián)的電阻，以最大限度地提高高頻容抗，如探頭數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型阻抗與頻率圖中所示。

在探頭尖端添加附件也會(huì)影響輸入阻抗、增加輸入電容和增加串聯(lián)電感。

請(qǐng)記住，為了獲得良好的測(cè)量精度，在感興趣的最高頻率，探頭的輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于電路的阻抗。

第三，不要使用超過所需的探頭衰減，以使信號(hào)振幅與示波器輸入的動(dòng)態(tài)范圍相匹配。典型的“10X”無源探頭衰減系數(shù)為10，這意味著只有1/10的輸入信號(hào)振幅被施加到示波器上。雖然這種探頭衰減擴(kuò)展了測(cè)量系統(tǒng)的最大電壓范圍，但它有降低小信號(hào)信噪比(SNR)的不幸副作用(當(dāng)示波器增益增加以補(bǔ)償探頭衰減時(shí)):

SNR = Vinput / (probe attenuation * Vnoise)

其中Vnoise是指示波器輸入的測(cè)量系統(tǒng)的噪聲

第四，不要使用比應(yīng)用程序?qū)嶋H需要的更多的探測(cè)帶寬(或更快的上升時(shí)間)。好的測(cè)量技術(shù)建議，測(cè)量系統(tǒng)(探頭加示波器)的帶寬應(yīng)至少是感興趣的最高頻率的五倍，以便<3%的振幅誤差，或者系統(tǒng)上升時(shí)間應(yīng)小于被測(cè)信號(hào)的最快上升時(shí)間的五分之一，以便>2%的上升時(shí)間誤差。(在調(diào)整帶寬之前，最好用全帶寬觀察信號(hào)以驗(yàn)證感興趣的最高頻率。)

然而，過多的測(cè)量帶寬增加了捕獲噪聲的帶寬，從而降低了信噪比。如果探頭具有帶寬控制，請(qǐng)使用符合良好測(cè)量技術(shù)的最低帶寬設(shè)置。如果探頭沒有帶寬控制，降低示波器中的帶寬設(shè)置，這同樣符合良好的測(cè)量技術(shù)。

圖3所示。接地引線長(zhǎng)度對(duì)信號(hào)振鈴的影響。

第五，在進(jìn)行任何測(cè)量之前(手動(dòng)或自動(dòng))去除測(cè)量系統(tǒng)中任何殘留的直流偏移，最好是去除探頭中的偏移，這樣所有示波器測(cè)量中都會(huì)去除偏移。為了消除直流偏置，一些探頭允許用戶添加偏置信號(hào)，而其他探頭則提供交流耦合以衰減低頻信號(hào)組件。DCReject，一種自動(dòng)生成的DC偏移能力，是處理偏移的另一種非常方便的能力

雖然1mV的直流偏移對(duì)于電壓超過1伏的測(cè)量來說可以忽略不計(jì)，但是對(duì)于10mV的測(cè)量來說，這樣的偏移代表了不可容忍的10%誤差。并且，由于瞬時(shí)功率是電壓和電流的乘積，直流偏置將導(dǎo)致計(jì)算功率的誤差，要么使值膨脹，要么甚至可能改變計(jì)算值的極性。

第六，盡量減少探頭引線長(zhǎng)度，以盡量減少信號(hào)上的振鈴。如圖3所示，探針的電感與探針的輸入電容形成諧振電路，并將在信號(hào)快速邊緣后在下列規(guī)定的頻率下引起環(huán)形:

f = 1 / (2 * PI * SQRT(L * C))

其中f為頻率(以赫茲為單位)，L為探頭的引線電感(以亨利為單位)，C為探頭的輸入電容(以法拉德為單位)。

例如，圖3b顯示長(zhǎng)探頭接地引線與探頭的輸入電容諧振，并以大約33MHz的頻率環(huán)繞，在測(cè)量系統(tǒng)的帶寬范圍內(nèi)。

可通過降低引線電感(和/或探頭輸入電容)將環(huán)繞產(chǎn)生的沖擊減至最小，直至環(huán)繞頻率降至測(cè)量系統(tǒng)的帶寬以上。

第七，盡量減少探針引線形成的回路的面積。通過最小化回路面積(例如，通過將導(dǎo)線擰在一起)，噪聲對(duì)探頭的磁耦合最小化。

且，保持兩個(gè)引線與電噪聲源等距離，因此噪聲對(duì)僅一個(gè)探頭引線的電容耦合也被最小化。在高輻射噪聲環(huán)境中測(cè)量信號(hào)時(shí)，將差分探頭引線擰在一起。這樣，噪聲的任何靜電耦合都傾向于以共模信號(hào)的形式出現(xiàn)，而這種共模信號(hào)可以被差分放大器所拒絕。

最后，將兩個(gè)電壓探頭輸入端盡可能靠近電路中所需的測(cè)試點(diǎn)。特別是對(duì)于低電壓測(cè)量，即使是跨越電路板的痕跡和連接器的小電壓降可以顯著影響幅度測(cè)量，和寄生電感和電容在電路中可以影響信號(hào)的頻率響應(yīng)。

隨著元件尺寸的縮小和電路板技術(shù)允許更多的盲和埋連接和元件，產(chǎn)品的可測(cè)試設(shè)計(jì)要求需要包括探測(cè)器訪問關(guān)鍵信號(hào)節(jié)點(diǎn)和附近的地面。這種訪問可以包括單個(gè)引腳、電路板焊盤或不帶阻焊罩的電路板通孔。

優(yōu)化電流探測(cè)

有各種各樣的技術(shù)可以用來測(cè)量流過設(shè)備的電流。各有優(yōu)缺點(diǎn)。那么，哪些電流測(cè)量技術(shù)最適合于小電流測(cè)量呢?下面是一個(gè)常見的替代品列表:

最簡(jiǎn)單的電流測(cè)量技術(shù)是測(cè)量已經(jīng)在設(shè)計(jì)中的電阻之間的差壓降。還可以在電路中添加低電阻感應(yīng)電阻(“甩動(dòng)”)(與探頭的輸入阻抗并聯(lián))，從而測(cè)量差壓降。然而，這種方法有一些顯著的局限性:

只要共模信號(hào)在探頭規(guī)定的工作范圍內(nèi)，使用有源差動(dòng)探頭測(cè)量感測(cè)電阻之間的差動(dòng)電壓降將提供最佳結(jié)果。然而，這種技術(shù)通常對(duì)環(huán)境噪聲很敏感。如電壓探測(cè)部分所述，可以通過最小化探頭衰減和帶寬來最小化噪聲的影響。

如果在電路中添加了一個(gè)檢測(cè)電阻，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。隨著電阻值的增加，信噪比會(huì)提高，但電阻中的功率耗散會(huì)增加，額外的電壓降會(huì)導(dǎo)致電路行為發(fā)生變化。許多大功率電阻器，如線繞電阻器，也增加了電路的感抗。而且，不要忘記，差分探頭輸入電容與感測(cè)電阻并列出現(xiàn)，形成RC濾波器。

如果您確實(shí)在電路中添加了感測(cè)電阻，請(qǐng)盡量將其添加到離地較近的位置，以盡量減少測(cè)量系統(tǒng)必須拒絕的電阻之間的共模信號(hào)。而且，與高性能電流探頭不同，差動(dòng)電壓測(cè)量的共模阻抗性能往往隨著頻率的增加而下降，從而降低了使用感應(yīng)電阻進(jìn)行高頻電流測(cè)量的精度。

圖4所示。用變壓器測(cè)量交流電流。

對(duì)于低電流電平的低頻測(cè)量，也可以使用跨阻放大器。不測(cè)量通過感測(cè)電阻的電壓降，而是測(cè)量流入放大器輸入節(jié)點(diǎn)(位于虛擬地面)的電流，從而減少偏移電壓誤差。這是在泰克DMM4020數(shù)字萬用表中使用的技術(shù)，使納米安培測(cè)量。

對(duì)于僅用于交流的低幅值電流測(cè)量，非常小的電流互感器(例如Tektronix的CT1或CT6)可能是最佳選擇。由于器件體積較小，短導(dǎo)線或組件導(dǎo)線將穿過器件中的孔，從而能夠測(cè)量導(dǎo)線上的電流，如圖4所示。但是，由于該裝置為變壓器，對(duì)帶寬有低頻和高頻的限制，最大電流電平受變壓器內(nèi)芯飽和度的限制。

對(duì)于許多應(yīng)用，分芯交流/直流電流探頭(例如Tektronix TCP0030)是最精確且易于使用的解決方案。AC/DC電流探頭使用變壓器測(cè)量AC電流，使用霍爾效應(yīng)器件測(cè)量DC電流。分芯探頭允許探頭中的變壓器在導(dǎo)體周圍機(jī)械地打開和關(guān)閉。

由于交流/直流電流探頭必須包圍導(dǎo)體，因此明智的做法是考慮將電流探頭接入量添加到產(chǎn)品的測(cè)試設(shè)計(jì)要求中。這種接入可以包括單個(gè)載流電纜或圍繞載流跡線的電路板切割。

與任何復(fù)雜的測(cè)量設(shè)備一樣，在使用交流/直流電流探頭時(shí)，有一些性能特點(diǎn)需要考慮。下面是一個(gè)簡(jiǎn)短的檢查清單:

首先，電流探頭必須連接在被測(cè)量的載流導(dǎo)體周圍。如果有足夠長(zhǎng)度的單獨(dú)導(dǎo)線，則可以將探頭連接在其周圍。在電路板上，可能需要添加一個(gè)線環(huán)，或?qū)⒁粋€(gè)元件傾斜，并添加一根線串起來以容納探頭。

第二，考慮加入電路的電感插入阻抗。典型的電流探頭可以添加幾個(gè)納亨的電感，但總插入的電感反應(yīng)性很可能由為容納電流探頭而添加的導(dǎo)線的電感(約20nH/Inch)所主導(dǎo)。

第三，在電路上定向?qū)Ь€環(huán)和探頭時(shí)要小心，因?yàn)樗a(chǎn)生的環(huán)面積可能比原電路中的連接大得多，使電路更容易受到噪聲的磁耦合。

第四，考慮導(dǎo)體與電流探頭體之間以及電流探頭體內(nèi)與地之間的寄生電容。快速轉(zhuǎn)換速率的電壓信號(hào)可以被電容耦合到探針體內(nèi)。盡可能探測(cè)阻抗最低的節(jié)點(diǎn)，以盡量減少電容耦合對(duì)地負(fù)載的影響。此外，在電路接地側(cè)探測(cè)將最小化信號(hào)的擊穿速率(驅(qū)動(dòng)寄生電容的dV/dt)。

第五，與電壓探頭一樣。不要在電流探頭中使用超過必要的衰減，以使信號(hào)振幅與示波器輸入的動(dòng)態(tài)范圍相匹配。較低的靈敏度允許捕獲較高的峰值電流，但也降低了小信號(hào)的信噪比。因此，當(dāng)探頭標(biāo)度盡可能靈敏，而又不削弱當(dāng)前波形上的峰值時(shí)，就可以獲得最佳的測(cè)量結(jié)果。

圖5所示。通過在電流探頭周圍纏繞N圈導(dǎo)體來增加電流靈敏度。

第六，由于電流探頭對(duì)流過它們的總電流作出響應(yīng)，因此可以通過將導(dǎo)體繞繞電流探頭多圈來提高測(cè)量靈敏度，如圖5所示。如果導(dǎo)體經(jīng)過電流傳感器N次，靈敏度將增加N倍。然后通過將測(cè)量的總振幅除以N來確定實(shí)際電流值。注意:繞組繞探頭多匝會(huì)增加插入阻抗(電感在匝數(shù)的平方處升高)并降低探頭的上帶寬限制。

第七，為了降低探頭對(duì)輻射噪聲的敏感性，嘗試將探頭接地引線從電流探頭上的接地連接連接到電路接地。這可能增加從探頭到地面的寄生電容，但應(yīng)該使探頭的內(nèi)部屏蔽更有效。

第八，不要使用超過測(cè)量所需的測(cè)量系統(tǒng)帶寬(或更快的上升時(shí)間)。在一般情況下，目前的探頭的靈敏度是有限的，由整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的信噪比。例如，TektronixTCP0030是可用的最靈敏的交流/直流探頭，其靈敏度為1mA/div，但受到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)噪聲的限制。這種靈敏度可以通過在示波器中使用諸如波形平均、HiRes和帶寬限制等技術(shù)進(jìn)行的降噪信號(hào)處理來提高。

最后，讓測(cè)量系統(tǒng)加熱幾分鐘，然后去磁(去除剩余磁通量)和去除直流偏移(手動(dòng)或自動(dòng))。暫時(shí)斷開探頭與電路的連接或使電路斷電，同時(shí)對(duì)探頭進(jìn)行衰減并消除直流偏移。

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審核編輯 黃宇