優(yōu)化低功耗測量的技巧和竅門

低功耗測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)行這些測量。雖然大多數(shù)功率測量只是由設(shè)備電壓和流過設(shè)備的電流的數(shù)學(xué)乘積組成，但良好的低功率測量需要對示波器有詳細(xì)的了解并進(jìn)行探測。

本技術(shù)簡報(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，然后用幾個實(shí)際例子來總結(jié)。

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

優(yōu)化電壓探測

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

首先，請記住，所有的電壓測量都是微分的--測量的電壓總是相對于參考電壓來進(jìn)行的。示波器所提供的典型被動探頭具有一個黑色的“接地引線”，該“接地導(dǎo)線”與示波器的接地電連接，并應(yīng)與被測設(shè)備中的接地測試點(diǎn)連接這種連接可以為許多大信號測量提供足夠的性能，但通常不會很好地適用于低電平信號，因?yàn)椤敖拥亍钡碾娢粠缀跤肋h(yuǎn)不會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)測量相對于除地以外的參考點(diǎn)的電壓時，不能使用標(biāo)準(zhǔn)電壓探頭。

是否可以使用一對被動探頭來準(zhǔn)確地進(jìn)行這種非地基差壓測量，如圖1a所示?為什么不測量兩個節(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，這種方法才能提供良好的測量結(jié)果。此方法也不能提供很好的共模拒絕(將兩個輸入共用的信號的任何交流或直流部分消除)。而且，如果這兩個信號沒有位于顯示器上，這項(xiàng)技術(shù)可能不起作用，因?yàn)槟^度驅(qū)動示波器的輸入。

另一個可以考慮的選擇是“浮動”示波器，如泰克TPS2000或THS3000系列。這些示波器的每個通道都與機(jī)箱地面電隔離，當(dāng)示波器由其電池供電時，從示波器機(jī)箱到地面的寄生電容也非常低?？傊?，浮動示波器的這些隔離特性允許用戶使用標(biāo)準(zhǔn)被動探頭進(jìn)行差分測量。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)示波器的最佳測量質(zhì)量和易用性，強(qiáng)烈建議使用有源差動探頭(如TektronixTDP1500或TDP1000)進(jìn)行毫伏級差動電壓測量，如圖1b所示。對于微伏級的差分電壓測量，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化模型。

其次，考慮探頭的阻抗或負(fù)載將對被測電路產(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)手冊中的典型阻抗與頻率圖中所示。

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

請記住，為了獲得良好的測量精度，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，以使信號振幅與示波器輸入的動態(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的輸入信號振幅被施加到示波器上。雖然這種探頭衰減擴(kuò)展了測量系統(tǒng)的最大電壓范圍，但它有降低小信號信噪比(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):

SNR = Vinput / (probe attenuation * Vnoise)

其中Vnoise是指示波器輸入的測量系統(tǒng)的噪聲

第四，不要使用比應(yīng)用程序?qū)嶋H需要的更多的探測帶寬(或更快的上升時間)。好的測量技術(shù)建議，測量系統(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)上升時間應(yīng)小于被測信號的最快上升時間的五分之一，以便>2%的上升時間誤差。(在調(diào)整帶寬之前，最好用全帶寬觀察信號以驗(yàn)證感興趣的最高頻率。)

然而，過多的測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，請使用符合良好測量技術(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量技術(shù)。

圖3所示。接地引線長度對信號振鈴的影響。

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

雖然1mV的直流偏移對于電壓超過1伏的測量來說可以忽略不計(jì)，但是對于10mV的測量來說，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度，以盡量減少信號上的振鈴。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)，噪聲對探頭的磁耦合最小化。

且，保持兩個引線與電噪聲源等距離，因此噪聲對僅一個探頭引線的電容耦合也被最小化。在高輻射噪聲環(huán)境中測量信號時，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的形式出現(xiàn)，而這種共模信號可以被差分放大器所拒絕。

最后，將兩個電壓探頭輸入端盡可能靠近電路中所需的測試點(diǎn)。特別是對于低電壓測量，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量，和寄生電感和電容在電路中可以影響信號的頻率響應(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)品的可測試設(shè)計(jì)要求需要包括探測器訪問關(guān)鍵信號節(jié)點(diǎn)和附近的地面。這種訪問可以包括單個引腳、電路板焊盤或不帶阻焊罩的電路板通孔。

優(yōu)化電流探測

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

最簡單的電流測量技術(shù)是測量已經(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”)(與探頭的輸入阻抗并聯(lián))，從而測量差壓降。然而，這種方法有一些顯著的局限性:

只要共模信號在探頭規(guī)定的工作范圍內(nèi)，使用有源差動探頭測量感測電阻之間的差動電壓降將提供最佳結(jié)果。然而，這種技術(shù)通常對環(huán)境噪聲很敏感。如電壓探測部分所述，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檢測電阻，則會產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。隨著電阻值的增加，信噪比會提高，但電阻中的功率耗散會增加，額外的電壓降會導(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電阻，請盡量將其添加到離地較近的位置，以盡量減少測量系統(tǒng)必須拒絕的電阻之間的共模信號。而且，與高性能電流探頭不同，差動電壓測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)行高頻電流測量的精度。

圖4所示。用變壓器測量交流電流。

對于低電流電平的低頻測量，也可以使用跨阻放大器。不測量通過感測電阻的電壓降，而是測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)，使納米安培測量。

對于僅用于交流的低幅值電流測量，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量AC電流，使用霍爾效應(yīng)器件測量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)品的測試設(shè)計(jì)要求中。這種接入可以包括單個載流電纜或圍繞載流跡線的電路板切割。

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

首先，電流探頭必須連接在被測量的載流導(dǎo)體周圍。如果有足夠長度的單獨(dú)導(dǎo)線，則可以將探頭連接在其周圍。在電路板上，可能需要添加一個線環(huán)，或?qū)⒁粋€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)換速率的電壓信號可以被電容耦合到探針體內(nèi)。盡可能探測阻抗最低的節(jié)點(diǎn)，以盡量減少電容耦合對地負(fù)載的影響。此外，在電路接地側(cè)探測將最小化信號的擊穿速率(驅(qū)動寄生電容的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，以使信號振幅與示波器輸入的動態(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，就可以獲得最佳的測量結(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，不要使用超過測量所需的測量系統(tǒng)帶寬(或更快的上升時間)。在一般情況下，目前的探頭的靈敏度是有限的，由整個測量系統(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，但受到整個測量系統(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)行的降噪信號處理來提高。

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

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審核編輯 黃宇