优化低功耗测量的技巧和窍门

　　低功耗测量在许多线路供电和电池供电的应用中变得越来越重要，然而许多工程师和技术人员发现很难精确地进行这些测量。虽然大多数功率测量只是由设备电压和流过设备的电流的数学乘积组成，但良好的低功率测量需要对示波器有详细的了解并进行探测。

　　本技术简报回顾了电压探头、电流探头和示波器的一些基本性能取舍，然后用几个实际例子来总结。

　　图一。差分信号可以(a)在示波器中使用教学，或(b)优选使用差分探头来测量。

　　优化电压探测

　　用示波器进行的大多数测量都使用电压探头，而且大多数用户都做过很多这样的测量，那么探头的哪些特性对于进行好的低功耗测量是至关重要的呢?下面是一个简短的检查清单：

　　首先，请记住，所有的电压测量都是微分的--测量的电压总是相对于参考电压来进行的。示波器所提供的典型被动探头具有一个黑色的“接地引线”，该“接地导线”与示波器的接地电连接，并应与被测设备中的接地测试点连接这种连接可以为许多大信号测量提供足够的性能，但通常不会很好地适用于低电平信号，因为“接地”的电位几乎永远不会与示波器的接地电位完全相同(因为接地连接之间的非零阻抗中存在接地电流)。当测量相对于除地以外的参考点的电压时，不能使用标准电压探头。

　　是否可以使用一对被动探头来准确地进行这种非地基差压测量，如图1a所示?为什么不测量两个节点的电压，然后在示波器中计算电压差呢?只有当探头和示波器通道非常匹配(增益、偏移、延迟和频率响应)时，这种方法才能提供良好的测量结果。此方法也不能提供很好的共模拒绝(将两个输入共用的信号的任何交流或直流部分消除)。而且，如果这两个信号没有位于显示器上，这项技术可能不起作用，因为您过度驱动示波器的输入。

　　另一个可以考虑的选择是“浮动”示波器，如泰克TPS2000或THS3000系列。这些示波器的每个通道都与机箱地面电隔离，当示波器由其电池供电时，从示波器机箱到地面的寄生电容也非常低。总之，浮动示波器的这些隔离特性允许用户使用标准被动探头进行差分测量。该技术可以通过将振荡器电源与嘈杂的地面环境隔离而特别有用

　　为了达到标准示波器的最佳测量质量和易用性，强烈建议使用有源差动探头(如TektronixTDP1500或TDP1000)进行毫伏级差动电压测量，如图1b所示。对于微伏级的差分电压测量，差分前置放大器(如TektronixADA400A)是最佳解决方案。

　　图2所示。典型无源探头输入阻抗的简化模型。

　　其次，考虑探头的阻抗或负载将对被测电路产生的影响，如图2所示。理想情况下，探针尖端的阻抗在所有频率下都是无限大的。在实际应用中，输入电阻通常在MegOhm范围内，但输入容抗XC为:

　　XC = 1 / (2 * PI * f * C)

　　其中f是赫兹的频率，C是法拉的电容

　　所以一个1pF电容在1GHz的阻抗只有160欧姆!(Some更高性能的探头包括一些与输入电容串联的电阻，以最大限度地提高高频容抗，如探头数据手册中的典型阻抗与频率图中所示。

　　在探头尖端添加附件也会影响输入阻抗、增加输入电容和增加串联电感。

　　请记住，为了获得良好的测量精度，在感兴趣的最高频率，探头的输入阻抗应远大于电路的阻抗。

　　第三，不要使用超过所需的探头衰减，以使信号振幅与示波器输入的动态范围相匹配。典型的“10X”无源探头衰减系数为10，这意味着只有1/10的输入信号振幅被施加到示波器上。虽然这种探头衰减扩展了测量系统的最大电压范围，但它有降低小信号信噪比(SNR)的不幸副作用(当示波器增益增加以补偿探头衰减时):

　　SNR = Vinput / (probe attenuation * Vnoise)

　　其中Vnoise是指示波器输入的测量系统的噪声

　　第四，不要使用比应用程序实际需要的更多的探测带宽(或更快的上升时间)。好的测量技术建议，测量系统(探头加示波器)的带宽应至少是感兴趣的最高频率的五倍，以便<3%的振幅误差，或者系统上升时间应小于被测信号的最快上升时间的五分之一，以便>2%的上升时间误差。(在调整带宽之前，最好用全带宽观察信号以验证感兴趣的最高频率。)

　　然而，过多的测量带宽增加了捕获噪声的带宽，从而降低了信噪比。如果探头具有带宽控制，请使用符合良好测量技术的最低带宽设置。如果探头没有带宽控制，降低示波器中的带宽设置，这同样符合良好的测量技术。

　　图3所示。接地引线长度对信号振铃的影响。

　　第五，在进行任何测量之前(手动或自动)去除测量系统中任何残留的直流偏移，最好是去除探头中的偏移，这样所有示波器测量中都会去除偏移。为了消除直流偏置，一些探头允许用户添加偏置信号，而其他探头则提供交流耦合以衰减低频信号组件。DCReject，一种自动生成的DC偏移能力，是处理偏移的另一种非常方便的能力

　　虽然1mV的直流偏移对于电压超过1伏的测量来说可以忽略不计，但是对于10mV的测量来说，这样的偏移代表了不可容忍的10%误差。并且，由于瞬时功率是电压和电流的乘积，直流偏置将导致计算功率的误差，要么使值膨胀，要么甚至可能改变计算值的极性。

　　第六，尽量减少探头引线长度，以尽量减少信号上的振铃。如图3所示，探针的电感与探针的输入电容形成谐振电路，并将在信号快速边缘后在下列规定的频率下引起环形:

　　f = 1 / (2 * PI * SQRT(L * C))

　　其中f为频率(以赫兹为单位)，L为探头的引线电感(以亨利为单位)，C为探头的输入电容(以法拉德为单位)。

　　例如，图3b显示长探头接地引线与探头的输入电容谐振，并以大约33MHz的频率环绕，在测量系统的带宽范围内。

　　可通过降低引线电感(和/或探头输入电容)将环绕产生的冲击减至最小，直至环绕频率降至测量系统的带宽以上。

　　第七，尽量减少探针引线形成的回路的面积。通过最小化回路面积(例如，通过将导线拧在一起)，噪声对探头的磁耦合最小化。

　　且，保持两个引线与电噪声源等距离，因此噪声对仅一个探头引线的电容耦合也被最小化。在高辐射噪声环境中测量信号时，将差分探头引线拧在一起。这样，噪声的任何静电耦合都倾向于以共模信号的形式出现，而这种共模信号可以被差分放大器所拒绝。

　　最后，将两个电压探头输入端尽可能靠近电路中所需的测试点。特别是对于低电压测量，即使是跨越电路板的痕迹和连接器的小电压降可以显着影响幅度测量，和寄生电感和电容在电路中可以影响信号的频率响应。

　　随着元件尺寸的缩小和电路板技术允许更多的盲和埋连接和元件，产品的可测试设计要求需要包括探测器访问关键信号节点和附近的地面。这种访问可以包括单个引脚、电路板焊盘或不带阻焊罩的电路板通孔。

　　优化电流探测

　　有各种各样的技术可以用来测量流过设备的电流。各有优缺点。那么，哪些电流测量技术最适合于小电流测量呢?下面是一个常见的替代品列表:

　　最简单的电流测量技术是测量已经在设计中的电阻之间的差压降。还可以在电路中添加低电阻感应电阻(“甩动”)(与探头的输入阻抗并联)，从而测量差压降。然而，这种方法有一些显著的局限性:

　　只要共模信号在探头规定的工作范围内，使用有源差动探头测量感测电阻之间的差动电压降将提供最佳结果。然而，这种技术通常对环境噪声很敏感。如电压探测部分所述，可以通过最小化探头衰减和带宽来最小化噪声的影响。

　　如果在电路中添加了一个检测电阻，则会产生严重的危害。随着电阻值的增加，信噪比会提高，但电阻中的功率耗散会增加，额外的电压降会导致电路行为发生变化。许多大功率电阻器，如线绕电阻器，也增加了电路的感抗。而且，不要忘记，差分探头输入电容与感测电阻并列出现，形成RC滤波器。

　　如果您确实在电路中添加了感测电阻，请尽量将其添加到离地较近的位置，以尽量减少测量系统必须拒绝的电阻之间的共模信号。而且，与高性能电流探头不同，差动电压测量的共模阻抗性能往往随着频率的增加而下降，从而降低了使用感应电阻进行高频电流测量的精度。

　　图4所示：用变压器测量交流电流

　　对于低电流电平的低频测量，也可以使用跨阻放大器。不测量通过感测电阻的电压降，而是测量流入放大器输入节点(位于虚拟地面)的电流，从而减少偏移电压误差。这是在泰克DMM4020数字万用表中使用的技术，使纳米安培测量。

　　对于仅用于交流的低幅值电流测量，非常小的电流互感器(例如Tektronix的CT1或CT6)可能是最佳选择。由于器件体积较小，短导线或组件导线将穿过器件中的孔，从而能够测量导线上的电流，如图4所示。但是，由于该装置为变压器，对带宽有低频和高频的限制，最大电流电平受变压器内芯饱和度的限制。

　　对于许多应用，分芯交流/直流电流探头(例如Tektronix TCP0030)是最精确且易于使用的解决方案。AC/DC电流探头使用变压器测量AC电流，使用霍尔效应器件测量DC电流。分芯探头允许探头中的变压器在导体周围机械地打开和关闭。

　　由于交流/直流电流探头必须包围导体，因此明智的做法是考虑将电流探头接入量添加到产品的测试设计要求中。这种接入可以包括单个载流电缆或围绕载流迹线的电路板切割。

　　与任何复杂的测量设备一样，在使用交流/直流电流探头时，有一些性能特点需要考虑。下面是一个简短的检查清单:

　　首先，电流探头必须连接在被测量的载流导体周围。如果有足够长度的单独导线，则可以将探头连接在其周围。在电路板上，可能需要添加一个线环，或将一个元件倾斜，并添加一根线串起来以容纳探头。

　　第二，考虑加入电路的电感插入阻抗。典型的电流探头可以添加几个纳亨的电感，但总插入的电感反应性很可能由为容纳电流探头而添加的导线的电感(约20nH/Inch)所主导。

　　第三，在电路上定向导线环和探头时要小心，因为所产生的环面积可能比原电路中的连接大得多，使电路更容易受到噪声的磁耦合。

　　第四，考虑导体与电流探头体之间以及电流探头体内与地之间的寄生电容。快速转换速率的电压信号可以被电容耦合到探针体内。尽可能探测阻抗最低的节点，以尽量减少电容耦合对地负载的影响。此外，在电路接地侧探测将最小化信号的击穿速率(驱动寄生电容的dV/dt)。

　　第五，与电压探头一样。不要在电流探头中使用超过必要的衰减，以使信号振幅与示波器输入的动态范围相匹配。较低的灵敏度允许捕获较高的峰值电流，但也降低了小信号的信噪比。因此，当探头标度尽可能灵敏，而又不削弱当前波形上的峰值时，就可以获得最佳的测量结果。

　　图5所示。通过在电流探头周围缠绕N圈导体来增加电流灵敏度。

　　第六，由于电流探头对流过它们的总电流作出响应，因此可以通过将导体绕绕电流探头多圈来提高测量灵敏度，如图5所示。如果导体经过电流传感器N次，灵敏度将增加N倍。然后通过将测量的总振幅除以N来确定实际电流值。注意:绕组绕探头多匝会增加插入阻抗(电感在匝数的平方处升高)并降低探头的上带宽限制。

　　第七，为了降低探头对辐射噪声的敏感性，尝试将探头接地引线从电流探头上的接地连接连接到电路接地。这可能增加从探头到地面的寄生电容，但应该使探头的内部屏蔽更有效。

　　第八，不要使用超过测量所需的测量系统带宽(或更快的上升时间)。在一般情况下，目前的探头的灵敏度是有限的，由整个测量系统的信噪比。例如，TektronixTCP0030是可用的最灵敏的交流/直流探头，其灵敏度为1mA/div，但受到整个测量系统噪声的限制。这种灵敏度可以通过在示波器中使用诸如波形平均、HiRes和带宽限制等技术进行的降噪信号处理来提高。

　　最后，让测量系统加热几分钟，然后去磁(去除剩余磁通量)和去除直流偏移(手动或自动)。暂时断开探头与电路的连接或使电路断电，同时对探头进行衰减并消除直流偏移。

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