示波器探頭如何測量低幅度信號

測量低幅度信號提出了一套獨特的挑戰(zhàn)。最主要的挑戰(zhàn)是噪聲和足夠的測量靈敏度問題。

降低噪聲

在測量幾百毫伏以上的信號時可以忽略不計的環(huán)境噪聲，在測量幾十毫伏以下的信號時不能再忽略不計。結(jié)果，為降低測量系統(tǒng)撿拾的噪聲，必需最大限度地減少接地環(huán)路，并使地線盡可能短。在極限情況下，可能必需使用電源線濾波器和屏蔽室，以對幅度非常低的信號進行無噪聲測量。

但是，在進入極端條件前，應(yīng)考慮把信號平均作為解決噪聲問題的一種簡單、經(jīng)濟的解決方案。如果試圖測量的信號是重復(fù)的，試圖消除的噪聲是隨機的，信號平均可以有效改善采集的信號的SNR(信噪比)。圖6.12說明了其中一個實例。

6.12.a和圖6.12b.通過信號平均(b)可以清潔有噪聲的信號(a)

信號平均是大多數(shù)數(shù)字存儲示波器(DSO)標(biāo)準(zhǔn)配備的功能。其工作方式是對多次采集的重復(fù)波形求和，然后從多次采集中計算得出平均波形。由于隨機噪聲的長期平均值為零，因此信號平均過程降低了重復(fù)信號上的隨機噪聲。改進的程度用SNR表示。在理想情況下，信號平均功能每兩次平均的功率會使SNR改進3dB。因此，平均兩次波形采集(21)可以使SNR改進3dB，平均四次波形采集(22)可以使SNR改進6dB，平均八次(23)可以使SNR改進9dB，依此類推。

提高測量靈敏度

示波器的測量靈敏度是其輸入電路的函數(shù)。輸入電路放大或衰減輸入信號，以便在示波器屏幕上以校準(zhǔn)的幅度顯示信號?？梢酝ㄟ^示波器的垂直靈敏度設(shè)置，選擇顯示信號所需的放大或衰減量，垂直靈敏度設(shè)置以每格伏數(shù)(V/div)進行調(diào)節(jié)。

為顯示和測量小信號，示波器輸入必須有足夠增益或靈敏度，至少要提高幾格的信號顯示高度。例如，為兩格高顯示20mV峰峰值信號，示波器要求10mV/格的垂直靈敏度。同樣為兩格顯示10mV信號,需要以更高的靈敏度設(shè)置5mV/格。注意，每格伏數(shù)設(shè)置低會導(dǎo)致靈敏度高，反之亦然。

測量小信號除要求充足的示波器靈敏度外，還需要充足的探頭。一般來說，這不是大多數(shù)示波器作為標(biāo)準(zhǔn)附件提供的普通探頭。標(biāo)準(zhǔn)配套探頭通常是10X探頭，它以系數(shù)10降低示波器靈敏度。換句話說，在使用10X探頭時，5mV/格示波器設(shè)置會變成50mV/格。結(jié)果，為使示波器保持最高的信號測量靈敏度，必需使用非衰減的1X探頭。

但是，要注意1X無源探頭的帶寬較低，輸入阻抗較低，頭部電容一般較高。因此您要額外注意測量的小信號的帶寬限制及探頭可能導(dǎo)致的信號源負(fù)荷。如果任何一項表明出現(xiàn)問題，那么較好的方法是利用1X有源探頭提供高得多

的帶寬和低得多的負(fù)荷。

在小信號幅度低于示波器的靈敏度范圍的情況下，必需使用某種形式的前置放大技術(shù)。由于非常小的信號很容易受到噪聲影響，因此通常使用差分前置放大技術(shù)。差分前置放大技術(shù)通過共模抑制，在一定程度上實現(xiàn)了抗噪聲能力，另外它可以放大小信號，從而使其落在示波器的靈敏度范圍內(nèi)。

在使用為示波器設(shè)計的差分前置放大器時，可以實現(xiàn)10μV/格等級的靈敏度。這些專門設(shè)計的前置放大器擁有相應(yīng)的功能，允許在最小5μV的信號上進行可用的示波器測量，甚至可以在噪聲高的環(huán)境中進行測量！

但要記住，全面利用差分放大器要求使用一套匹配的優(yōu)質(zhì)無源探頭。未能使用匹配的探頭會損害差分前置放大器的共模噪聲抑制功能。

另外，在需要進行單端測量、而不是差分測量的情況下，負(fù)信號探頭可以連接到測試電路接地上。這在本質(zhì)上是在信號線和信號接地之間進行的一種差分測量。但在這樣做時，會喪失共模噪聲抑制功能，因為信號線和接地沒有共同的噪聲。

最后要注意，一直要遵守制造商推薦的連接和使用所有探頭和探頭放大器的程序。特別是在使用有源探頭時，要特別注意可能會損壞對電壓靈敏的探頭器件的過壓問題。