[技術小學堂] 被動探棒知多少

2020/07/19

適⽤用對象：入⾨者及使用者
準備者：克達科技應⽤部 / 2020年7月13⽇

被動式探棒通常為示波器標準配備, 大部分使用者接上探棒後就直接進行量測鮮少工程師或維修人員會深入了解這個標準配備的探棒的基礎設計原理為何, 使用上是否有可能會影響到量測結果, 本應用文章將從被動探棒基礎硬體架構談起。

探棒硬體架構

從圖一可以清楚看出來探棒是由一個RC電路設計而成, 其中串連的的電阻為 9M ohm及並聯一個電容,這個電容會影響到影響到訊號量測時的波形及上升時間的準確度, 我們將會另闢文章進行分析,本文章將針對輸入電阻進行分析, 從探棒看進去整個線路為一個10M ohm 的電路(示波器為1M Ohm) ，讀到這裡大家也許會感到困惑, 為何探棒需要如此大的輸入電阻, 下面為基本電路圖, 我們用公式來解釋這個設計是否合理。

分壓定理

講到這裡一定要搬出克希荷夫電壓定律(Kirchhoffs Voltage Law) KVL , 相信讀到這裡大部分的人早就忘記這是什麼或是被困在公式裡, 因為一個電路的分析除了電阻外電流也需要進行計算, 光是公式就讓大家頭昏眼花。

因此我們這裡提供一個簡單的方式來避免這樣的繁雜計算, 我們用比例的方式來進行,讀者可以在最短時間得知結果, 我們要使用的方式為比例方式來進行, 我們先把下列定義清楚。
1. 電阻越大, 分得電壓越大
2. 電阻與電流成反比, 電阻越大流經的電流越小

我們這裡來做一個簡單的案例, 圖二的條件為VCC: 15V , R1: 10 ohm , R2:? 分壓為3.3V, 已知R1可以分得的電壓為11.7V , R2可以分得的電壓為3.3V , 比例為計算為15V/3.3V = 4.54 比例為 3.54:1 ; 因此我們將15/4.54 =3.3 , 由此可知1份 = 3.3V R1: 3.54X 3.3 = 11.68 , R2: 1 X 3.3 ,由倍率可以推算出 R2 = 2.85 ohm。

圖三為並聯電路,如定義所述電阻與電流成反比, 因此計算出R1,R2 電阻比例後即可輕鬆算出R1,R2的分支電流, 我們來舉個簡單案例假設 R1:5K , R2:1K 。 Itotal: 6A , 要如何快速取得 i1, i2 分支電流呢?
提示:
1．計算 R1,R2 比例
2．電阻與電流成反比

答案是 i1 =1A , i2 = 5A

了解基礎分壓及分流定理後接下來我們就要快速來分析被動式探棒高輸入電阻是否合理。從圖四的公式換算探棒端的分壓, 從分壓定理(可使用比列算法) 來看Zprobe 分得的電壓越高越能忠實呈現待側物的電壓值我們假設Zprobe 分別設計成1Mohm 及10Mohm 透過運算可以大略得知使用1Mohm 設計的探棒待測訊號的振幅與10Mohm設計相比大略差了6%的誤差。因此在被動探棒的選擇上內阻越高越可忠實呈現待側訊號。

另外從電流特性來看Zprobe電阻越高可流進Zprobe 的電流越小, 被動探棒幾乎不會與待側物進行電流分流行為可以確保量測中待測物不會有shut down 問題。

探棒衰減比

一般示波器標準配備的被動探棒通常為10:1 衰減比探棒, 用於保護示波器本身不被過大的輸入電壓擊穿導致示波器最為昂貴的ADC損毀, 因此在示波器的輸入端通常都會提示最大可輸入電壓限制,如圖五所示

10:1 探棒會將訊號進行衰減10倍後在進入到示波器進行放大, 因此雜訊也會跟這放大對於一般量測來說並無太大影響, 但對於小訊號量測時影響就非常大了如Ripple noise 量測經過10倍衰減再放大量測值通常會超過設計, 因此在進行小訊號量測時建議使用1:1 探棒來進行量測, 圖六, 圖七為 10:1 , 1:1 進行背景雜訊量測時可以發現明顯的差異。
1:1 探棒雖可量測較小Noise 但其限制在於探棒本身頻寬限制, 通常落在25MHz 因此對於電源供應器中的Ripplle Noise 量測是非常好的工具, 電源供應器Ripple noise 量測會限制示波器頻寬20MHz。

若需要進行電源一制性量測( PI )建議參考Keysight N7020A Power Rail Probe 可在1:1 的衰減比下保持高頻寬量測。相關產品如下列連結： Keysight N7020A 電源探棒適用於電源完整性量測

結論

被動探棒的選擇非常重要因為他將影響最終量測結果, 探棒還有許多使用限制我們將會陸續出版更多探棒相關知識如被動探棒如何影響系統頻寬, 為何需要主動試探棒, 主動電源探棒N7020A如何協助工程師完成電源一制性量測…等, 我們將會陸續推出, 下列重點為本文章結論之重點。

1. 輸入電阻越大越好
2. 了解分壓及分流如何影響量測
3. 量測時須了解待測件的電阻大小來判斷探棒輸入電阻是否足夠
4. 衰減比例選擇:10:1適用於一般量測場景, 1:1 適用於量測小訊號或Ripple noise (1:1探棒頻寬通常為25Mhz)

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