避免 7 個常見的示波器探量陷阱

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　　了解常見的探量陷阱以及避免方法是獲得更好量測結果的必要條件。

在理想世界中，假設所有探棒均是一條連接電路的非侵入式導線，具有無限大的輸入電阻，以及零電容和零電感。它可精確地複製待測信號。但實際情況是，探棒會將負載導入電路。探棒上的電阻、電容和電感成分可能會改變待測電路的響應。

　　每個電路都有各自不同的電氣特性。因此，在探量裝置時，您須考慮到探棒特性並選擇對量測影響最小的探棒，包括示波器輸入的連接方式，及如何經由纜線連接至待測物上的測試點等，包含連接到該測試點所使用的任何配件、額外接線和焊接。認識在測試過程中的常見陷阱，並選用更好的方法來獲致準確的量測結果。
探棒的電氣特性會影響量測結果以及電路的正常運作。您需採取行動，確保所產生的影響在可接受的範圍內，以實現成功的量測。

陷阱 1
未執行探棒校驗
　　您的探棒在出貨前已經過充分校驗，但它們不會被校驗到示波器的前端。若沒在示波器上對輸入進行校準，您將會得到不準確的量測結果。

主動探棒
　　如果您的主動式探棒沒有對示波器進行校準，您將看到垂直電壓量測和上升信號緣時序的差異（並可能造成失真）。大多數示波器均提供參考或輔助輸出，以及操作指示來協助您完成探棒校驗。

　　圖 1 (下圖) 顯示經由 SMA 纜線和轉接器輸入至示波器通道 1（黃色軌跡）的 50-MHz 信號。綠色軌跡則是使用主動式探棒在通道 2 將同一信號輸入到示波器。請注意，信號產生器在通道 1 的輸出為 1.04 Vpp（峰對峰電壓值），通道 2 上的探測信號為965 mV（毫伏）。此外，通道 1 到通道 2 的時脈偏差高達 3 ms（毫秒），兩者的上升時間完全不一致。

　　如果我們對此探棒進行校驗，結果會大幅改善。您可以在圖 2 看到經過適當的振幅和時脈偏差校驗後的結果。振幅已改善至 972 mVpp，時脈偏差也經過修正，兩者的上升時間保持一致。
[重點] 針對示波器進行探棒校驗，使量測信號能夠最準確地重現。

被動探棒
　　適當調整探棒的可變電容，使得探棒補償與您使用的示波器的輸入完美匹配。大多數示波器都有用於校驗或作為參考的方波輸出。探量此連接埠並檢查波形是否為方波。必要時調整可變電容以消除任何低擊或過擊。
秘訣：示波器可能具有探棒補償調整功能，或者可讓您進行手動更改。

陷阱 2
增加探棒負載
　　當您將探棒連接到示波器並將其接觸至您的裝置，探棒就會成為電路的一部分。探棒對您的裝置引入的電阻、電容和電感負載將會影響您在示波器螢幕上觀察到的信號。這些負載效應可能會改變待測電路的運作。了解這些負載效應的影響，可讓您避免為特定電路或系統選擇錯誤的探棒。探棒具有電阻，電容和電感性，如圖 3所示。

　　為獲得精密的探測點，您可能會想到添加長引線或導線。但是，在探棒上加入配件或探針會降低頻寬，增加負載並導致不平坦的頻率響應。

　　一般而言，探針的輸入導線或引線越長，可用量測頻寬降低越多。較低頻寬的量測可能不會受到影響，但是當您增加頻寬，特別是到 1 GHz 以上時，必須謹慎選擇探針和配件。當探棒頻寬降低時，您將失去量測快速上升時間的能力。圖 4 顯示隨著配件變長，示波器上顯示的上升時間將會變慢。想進行最準確的量測，探針盡可能越短越好，同時要盡量使用短接地線，因為接地線越長，它們添加的電感就越多。盡量使接地線達到最短並盡可能靠近系統接地點，以確保可重複和準確的量測。
[重點] 並盡可能使用最短的引線來保持探棒的頻寬和準確度。

秘訣：如果您無論如何皆須在探針添加導線以便深入困難的探量點，您可在探棒頭添加一個電阻器，以降低所加入導線的共振。添加較長的引線時，您可能無法改善頻寬限制，但可將頻率響應變平坦。想知道要選用多大的電阻，請在示波器上探測一個已知方波，例如參考方波。如果電阻值正確，你會看到一個乾淨的方波（除非它可能是有限頻寬）。如果出現信號振鈴，請增加電阻的大小。單端探棒只需在探針上添加一個電阻。如果您使用的是差動式探棒，請在每根導線上各加上一個電阻。
[重點] 使用電阻器來抑制長探棒引線引起的波峰。

陷阱 3
未能充分利用差動式探棒
　　許多人認為差動式探棒僅適合用於探量差動信號。但您知道差動式探棒也可以用來探量單端信號嗎？這將為您節省時間和成本，並且提高量測的準確性，讓您最有效運用差動式探棒，並盡可能獲得最佳的信號傳真度。

　　差動式探棒可進行與單端探棒相同的量測，且由於差動式探棒的兩輸入端具有共模抑制功能，因而使用差動量測可有效降低雜訊。這使您可更準確的觀察待測物的信號，而不會被探量時增加的隨機雜訊所誤導。

　　您可以在下一頁看到圖 6 的藍色單端量測信號和圖 7 的紅色差動量測信號。藍色的單端量測比紅色的差動量測雜訊要大得多，因為單端探棒進行的共模修正較少。

[重點]差動式探棒的共模抑制，使它可和單端探棒進行相同類型的量測，並具有相當低的雜訊。

陷阱 4
選擇了錯的電流探棒
　　高電流和低電流量測需擷取到不同的波形細節。您需知道應選用哪個電流探棒，以及使用錯誤探棒時可能會遇到的問題。

高電流量測：
　　如果您要用鉤鉗式探棒量測大電流（10A - 3000A），只能在您的裝置夠小，適合安裝原始鉤錶時才能這樣做。工程師在使用這種探棒時，經常將額外的導線添加到探棒鉤鉗上來量測無法供鉤鉗尖端安裝的裝置，但這將會改變待測物的特性。務必使用正確的工具。

　　最好的解決方案是使用具有靈活迴路探棒頭的高電流探棒。你可以將這個靈活的迴路環繞於任何裝置。這種類型的探棒稱為 Rogowski 線圈。它讓您無須添加具有未知行為的元件來探量裝置，可為您的量測保持高度信號完整性。它們還能讓您量測 mA 到數百 kA 的大電流。只是要注意它們只能量測交流電流，直流成分會被隔絕。它們的靈敏度也低於某些電流探棒。這對於高電流量測通常不成問題。當您要觀察小電流時，靈敏度和可見直流成分變得更為重要。請記住，適用於某種量測的探棒不一定適用於另一種量測。
[重點]使用適合待測裝置的高電流探棒。

陷阱 5
進行漣波和雜訊量測時對直流偏移處理不當
　　直流電源的漣波和雜訊是由載於較大直流信號上的小交流信號組成。當直流偏移較大時，您可能需在示波器上設定較大電壓刻度（volt per division）才能在螢幕上顯示信號。但是相較於小交流信號，這麼做會降低其量測靈敏度並且增加雜訊。這表示您無法準確獲得待測信號的交流部分。

　　如果您使用直流阻隔器來解決這個問題，那麼您將直接隔絕一些低頻交流成分，使您無法在您的裝置上觀察到這些信號成分。

　　使用具有較大偏移功能的電軌探棒將波形置於畫面中央，而無須消除直流偏移。這樣可使完整波形持續顯示在螢幕上，同時保持較小的垂直刻度放大波形檢視。套用這些設定，您即可詳細查看波形暫態、漣波和雜訊。
[重點] 使用具有大偏移功能的電軌探棒，讓您不須消除信號直流成分便可詳細查看波形暫態、漣波和雜訊。

陷阱 6
未知的頻寬限制
　　選擇具有足夠頻寬的探棒對於執行重要量測至為關鍵。頻寬不足將導致信號失真，使您難以進行準確的工程測試或做出適當的設計決策。

　　普遍使用的頻寬狀態公式：計算上升信號緣從 10％上升至 90％的上升時間乘以頻寬等於 0.35。

　　需注意的是，整體的系統頻寬也是重要的考量。您應該將探棒和示波器的頻寬考慮進來，以確定您的系統頻寬。計算系統頻寬的公式如下所示。

　　舉例來說，假設您的示波器和探棒頻寬均為 500 MHz。套用上面的公式之後，將得到系統頻寬為 353 MHz。您會發現，系統頻寬遠低於探棒和示波器這兩者個別的頻寬規格。

　　現在，如果探棒頻寬僅為 300 MHz，示波器頻寬仍為 500 MHz，則根據以上公式，系統頻寬會進一步下降到 257 MHz。
[重點] 探棒和示波器是一個「系統」，而且它們會共同影響您的頻寬。

陷阱 7
隱藏的雜訊效應
　　待測物的雜訊可能因探棒和示波器的雜訊底線而被放大。您的應用選擇正確的探棒，並採用正確的的衰減比率，將能降低由探棒和示波器所加入的雜訊。如此一來，您得到的信號將可更清楚地呈現待測物上的情形。
[重點] 要估算探棒雜訊的大小，最簡單的方式是在探棒的產品規格書或使用手冊中查看探棒的衰減比率和其雜訊底線。

　　許多探棒廠商將探棒的雜訊以等效輸入噪音（EIN）為代表，並用伏特均方根（rms）列示。高衰減比率可讓您量測較大信號，缺點是示波器會感測這些比率進而同時放大您的信號和雜訊。為了觀察這個效應，圖 10 顯示使用 10：1 探棒得到的誇大的雜訊，並以綠色軌跡表示。